Qu'est-ce que la croissance des cristaux en carbure de silicium?

Approche sic | Le principe de la croissance des cristaux en carbure de silicium

Dans la nature, les cristaux sont partout et leur distribution et leur application sont très étendues. Et différents cristaux ont des structures, des propriétés et des méthodes de préparation différentes. Mais leur caractéristique commune est que les atomes du cristal sont régulièrement disposés, et le réseau avec une structure spécifique est ensuite formé par empilement périodique dans un espace tridimensionnel. Par conséquent, l'apparition de matériaux cristallins présente généralement une forme géométrique régulière.

Le substrat monocristallin en carbure de silicium (ci-après substrat SIC) est également une sorte de matériaux cristallins. Il appartient à un large matériau semi-conducteur de bande interdite et présente les avantages d'une résistance à haute tension, d'une résistance à haute température, d'une fréquence élevée, d'une perte faible, etc. Il s'agit d'un matériau de base pour préparer des dispositifs électroniques haute puissance et des dispositifs RF micro-ondes.

La structure cristalline de sic

Le SIC est un matériau semi-conducteur composé IV-IV composé de carbone et de silicium dans un rapport stoechiométrique de 1: 1, et sa dureté est la seconde derrière le diamant.

Les atomes de carbone et de silicium ont 4 électrons de valence, qui peuvent former 4 liaisons covalentes. L'unité structurelle de base du cristal SIC, du tétraèdre SIC, découle de la liaison tétraédrique entre les atomes de silicium et de carbone. Le nombre de coordination des atomes de silicium et de carbone est de 4, c'est-à-dire que chaque atome de carbone a 4 atomes de silicium autour de lui et chaque atome de silicium a également 4 atomes de carbone autour.

En tant que matériau cristallin, le substrat SIC a également la caractéristique de l'empilement périodique des couches atomiques. Les couches diatomiques SI-C sont empilées le long de la direction [0001 ].Mer la petite différence d'énergie de liaison entre les couches, différents modes de connexion sont facilement générés entre les couches atomiques, conduisant à plus de 200 polytypes SIC. Les polytypes communs comprennent 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, etc. Parmi eux, la séquence d'empilement dans l'ordre de "ABCB" est appelée polytype 4H. Bien que différents polytypes de SIC aient la même composition chimique, leurs propriétés physiques, en particulier la largeur de bande interdite, la mobilité des porteurs et d'autres caractéristiques sont très différentes. Et les propriétés de 4H Polytype conviennent plus aux applications de semi-conducteurs.

2h-sic

4h-sic

6h-sic

Les paramètres de croissance tels que la température et la pression influencent considérablement la stabilité du 4H-SIC pendant le processus de croissance. Par conséquent, afin d'obtenir le matériau monocristallisé de haute qualité et d'uniformité, les paramètres tels que la température de croissance, la pression de croissance et le taux de croissance doivent être contrôlés avec précision pendant la préparation.

Méthode de préparation du SIC: Méthode de transport physique (PVT)

À l'heure actuelle, les méthodes de préparation du carbure de silicium sont la méthode de transport de vapeur physique (PVT) ， Méthode de dépôt chimique à haute température (HTCVD) et la méthode de phase liquide (LPE). Et le PVT est une méthode grand public qui convient à la production de masse industrielle.

(a) un croquis de la méthode de croissance Pvt pour les boules sic et 

(b) Visualisation 2D de la croissance du PVT pour imaginer les grands détails de la morphologie et de l'interface de croissance cristalline et des conditions

Pendant la croissance du PVT, le cristal de graines de SiC est placé sur le dessus du creuset tandis que le matériau source (poudre SIC) est placé en bas. Dans un environnement clos à haute température et à basse pression, la poudre SIC sublime, puis transporte vers le haut vers l'espace près de la graine sous l'effet du gradient de température et de la différence de concentration. Et il recristallisera après avoir atteint l'état sursaturé. Grâce à cette méthode, la taille et la polytype de cristal SIC peuvent être contrôlées.

Cependant, la méthode PVT nécessite de maintenir les conditions de croissance appropriées tout au long du processus de croissance, sinon elle entraînera un trouble du réseau et formera des défauts indésirables. En outre, la croissance des cristaux SIC est achevée dans un espace fermé avec des méthodes de surveillance limitées et de nombreuses variables, donc le contrôle du processus est difficile.

Le mécanisme principal pour développer un monocristal: croissance du flux de pas

Dans le processus de croissance des cristaux SIC par la méthode PVT, la croissance du flux de pas est considérée comme le principal mécanisme pour former des monocristaux. Les atomes SI et C vaporisés se lieront préférentiellement avec les atomes sur la surface cristalline aux marches et aux plis, où ils nucléeront et se développeront, de sorte que chaque pas s'écoule en parallèle. Lorsque la largeur entre chaque étape de la surface de croissance est bien plus grande que le libre parcours de diffusion des atomes adsorbés, un grand nombre d'atomes adsorbés peuvent agglomérer et former l'île bidimensionnelle, qui détruira le mode de croissance du flux de pas, entraînant la formation d'autres polytypes au lieu de 4h. Par conséquent, l'ajustement des paramètres de processus vise à contrôler la structure des pas sur la surface de croissance, afin d'empêcher la formation de polytypes indésirables, et d'atteindre l'objectif d'obtenir une structure monocristalline 4H et enfin de préparer des cristaux de haute qualité.

Croissance du flux de pas pour un seul cristal SIC

La croissance du cristal n'est que la première étape pour préparer un substrat SIC de haute qualité. Avant d'être utilisé, le lingot 4H-Sic doit passer par une série de processus tels que le tranchage, le rodage, le biseau, le polissage, le nettoyage et l'inspection. En tant que matériau dur mais cassant, le seul cristal SIC a également des exigences techniques élevées pour les étapes de la gaufrette. Tout dommage généré dans chaque processus peut avoir une hérédité certaine, transferts au processus suivant et enfin affecter la qualité du produit. Par conséquent, la technologie de gaufrette efficace pour le substrat SIC attire également l'attention de l'industrie.