ساختار و فناوری رشد کاربید سیلیکون (Ⅰ)

اول، ساختار و خواص کریستال SiC.

SiC یک ترکیب دوتایی است که از عنصر Si و عنصر C در نسبت 1:1 یعنی 50٪ سیلیکون (Si) و 50٪ کربن (C) تشکیل شده است و واحد ساختاری اصلی آن چهار وجهی SI-C است.

نمودار شماتیک ساختار چهار وجهی کاربید سیلیکون

 به عنوان مثال، اتم‌های Si از نظر قطر بزرگ، معادل یک سیب، و اتم‌های C دارای قطر کوچک، معادل یک پرتقال هستند، و تعداد مساوی پرتقال و سیب در کنار هم انباشته شده‌اند تا یک بلور SiC را تشکیل دهند.

SiC یک ترکیب دوتایی است که در آن فاصله اتم پیوند Si-Si 3.89 A است، چگونه این فاصله را درک کنیم؟ در حال حاضر عالی ترین دستگاه لیتوگرافی موجود در بازار دارای دقت لیتوگرافی 3 نانومتر است که فاصله آن 30 آمپر است و دقت لیتوگرافی 8 برابر فاصله اتمی است.

انرژی پیوند Si-Si 310 کیلوژول بر مول است، بنابراین می توانید درک کنید که انرژی پیوند نیرویی است که این دو اتم را از هم جدا می کند و هر چه انرژی پیوند بیشتر باشد، نیرویی که باید از هم جدا کنید بیشتر می شود.

 به عنوان مثال، اتم‌های Si از نظر قطر بزرگ، معادل یک سیب، و اتم‌های C دارای قطر کوچک، معادل یک پرتقال هستند، و تعداد مساوی پرتقال و سیب در کنار هم انباشته شده‌اند تا یک بلور SiC را تشکیل دهند.

SiC یک ترکیب دوتایی است که در آن فاصله اتم پیوند Si-Si 3.89 A است، چگونه این فاصله را درک کنیم؟ در حال حاضر عالی ترین دستگاه لیتوگرافی موجود در بازار دارای دقت لیتوگرافی 3 نانومتر است که فاصله آن 30 آمپر است و دقت لیتوگرافی 8 برابر فاصله اتمی است.

انرژی پیوند Si-Si 310 کیلوژول بر مول است، بنابراین می توانید درک کنید که انرژی پیوند نیرویی است که این دو اتم را از هم جدا می کند و هر چه انرژی پیوند بیشتر باشد، نیرویی که باید از هم جدا کنید بیشتر می شود.

نمودار شماتیک ساختار چهار وجهی کاربید سیلیکون

 به عنوان مثال، اتم‌های Si از نظر قطر بزرگ، معادل یک سیب، و اتم‌های C دارای قطر کوچک، معادل یک پرتقال هستند، و تعداد مساوی پرتقال و سیب در کنار هم انباشته شده‌اند تا یک بلور SiC را تشکیل دهند.

SiC یک ترکیب دوتایی است که در آن فاصله اتم پیوند Si-Si 3.89 A است، چگونه این فاصله را درک کنیم؟ در حال حاضر عالی ترین دستگاه لیتوگرافی موجود در بازار دارای دقت لیتوگرافی 3 نانومتر است که فاصله آن 30 آمپر است و دقت لیتوگرافی 8 برابر فاصله اتمی است.

انرژی پیوند Si-Si 310 کیلوژول بر مول است، بنابراین می توانید درک کنید که انرژی پیوند نیرویی است که این دو اتم را از هم جدا می کند و هر چه انرژی پیوند بیشتر باشد، نیرویی که باید از هم جدا کنید بیشتر می شود.

 به عنوان مثال، اتم‌های Si از نظر قطر بزرگ، معادل یک سیب، و اتم‌های C دارای قطر کوچک، معادل یک پرتقال هستند، و تعداد مساوی پرتقال و سیب در کنار هم انباشته شده‌اند تا یک بلور SiC را تشکیل دهند.

SiC یک ترکیب دوتایی است که در آن فاصله اتم پیوند Si-Si 3.89 A است، چگونه این فاصله را درک کنیم؟ در حال حاضر عالی ترین دستگاه لیتوگرافی موجود در بازار دارای دقت لیتوگرافی 3 نانومتر است که فاصله آن 30 آمپر است و دقت لیتوگرافی 8 برابر فاصله اتمی است.

انرژی پیوند Si-Si 310 کیلوژول بر مول است، بنابراین می توانید درک کنید که انرژی پیوند نیرویی است که این دو اتم را از هم جدا می کند و هر چه انرژی پیوند بیشتر باشد، نیرویی که باید از هم جدا کنید بیشتر می شود.

می دانیم که هر ماده ای از اتم تشکیل شده است و ساختار کریستال چینش منظمی از اتم ها است که به آن ترتیب دوربرد می گویند مانند شکل زیر. کوچکترین واحد کریستالی سلول نامیده می شود، اگر سلول یک ساختار مکعبی باشد، آن را مکعب بسته بندی شده و سلول یک ساختار شش ضلعی است، آن را شش ضلعی بسته می گویند.

انواع کریستال های متداول SiC شامل 3C-SiC، 4H-SiC، 6H-SiC، 15R-SiC و غیره می باشد. توالی انباشته شدن آنها در جهت محور c در شکل نشان داده شده است.

 

در میان آنها، دنباله انباشته اولیه 4H-SiC ABCB است... ; دنباله اصلی انباشته شدن 6H-SiC ABCACB است... دنباله اصلی انباشته شدن 15R-SiC ABCACBCABACABCB است... .

 

این را می توان به عنوان یک آجر برای ساختن خانه در نظر گرفت، برخی از آجرهای خانه سه راه دارند، برخی چهار راه دارند، برخی شش راه دارند.
پارامترهای سلولی اصلی این نوع کریستال های رایج SiC در جدول نشان داده شده است:

a، b، c و زوایا به چه معنا هستند؟ ساختار کوچکترین سلول واحد در یک نیمه هادی SiC به شرح زیر است:

در مورد همان سلول، ساختار کریستالی نیز متفاوت خواهد بود، این مانند این است که ما قرعه کشی را می خریم، عدد برنده 1، 2، 3 است، شما 1، 2، 3 سه عدد خریداری کرده اید، اما اگر عدد مرتب شده باشد. به طور متفاوت، مقدار برنده متفاوت است، بنابراین تعداد و ترتیب کریستال یکسان را می توان کریستال یکسان نامید.
شکل زیر دو حالت انباشتگی معمولی را نشان می دهد، فقط تفاوت در حالت انباشته شدن اتم های بالایی، ساختار کریستالی متفاوت است.

ساختار کریستالی تشکیل شده توسط SiC به شدت با دما مرتبط است. تحت تأثیر دمای بالای 1900 ~ 2000 ℃، 3C-SiC به دلیل پایداری ساختاری ضعیف به آرامی به چند شکل SiC شش ضلعی مانند 6H-SiC تبدیل می شود. دقیقاً به دلیل همبستگی قوی بین احتمال تشکیل پلی‌مورف‌های SiC و دما، و ناپایداری خود 3C-SiC، بهبود سرعت رشد 3C-SiC دشوار است و آماده‌سازی آن دشوار است. سیستم شش ضلعی 4H-SiC و 6H-SiC رایج ترین و آسان تر برای تهیه هستند و به دلیل ویژگی های خاص خود به طور گسترده مورد مطالعه قرار می گیرند.

 طول پیوند پیوند SI-C در کریستال SiC تنها 1.89A است، اما انرژی اتصال به 4.53eV می رسد. بنابراین شکاف سطح انرژی بین حالت پیوند و حالت ضد پیوند بسیار زیاد است و می توان شکاف باند وسیعی را ایجاد کرد که چندین برابر Si و GaAs است. پهنای شکاف باند بیشتر به این معنی است که ساختار کریستالی در دمای بالا پایدار است. الکترونیک قدرت مرتبط می‌تواند ویژگی‌های عملکرد پایدار در دماهای بالا و ساختار اتلاف حرارت ساده‌شده را درک کند.

اتصال محکم پیوند Si-C باعث می شود که شبکه دارای فرکانس ارتعاش بالایی باشد، یعنی یک فونون با انرژی بالا، به این معنی که کریستال SiC دارای تحرک الکترون اشباع شده و رسانایی گرمایی بالایی است و دستگاه های الکترونیکی توان مربوطه دارای یک سرعت سوئیچینگ و قابلیت اطمینان بالاتر، که خطر خرابی بیش از حد دمای دستگاه را کاهش می دهد. علاوه بر این، قدرت میدان شکست بالاتر SiC به آن اجازه می‌دهد به غلظت‌های دوپینگ بالاتری دست یابد و مقاومت کمتری در مقابل آن داشته باشد.

 دوم، تاریخچه توسعه کریستال SiC

 در سال 1905، دکتر هنری مویسان یک کریستال طبیعی SiC را در دهانه کشف کرد که آن را شبیه الماس یافت و نام آن را الماس موسان گذاشت.

 در واقع، در اوایل سال 1885، آچسون SiC را با مخلوط کردن کک با سیلیس و حرارت دادن آن در یک کوره الکتریکی به دست آورد. در آن زمان، مردم آن را با مخلوطی از الماس اشتباه گرفتند و آن را سنباده نامیدند.

 در سال 1892، آچسون فرآیند سنتز را بهبود بخشید، ماسه کوارتز، کک، مقدار کمی خرده چوب و نمک طعام را مخلوط کرد و آن را در کوره قوس الکتریکی تا دمای 2700 درجه سانتیگراد گرم کرد و با موفقیت کریستال های فلس دار SiC را به دست آورد. این روش سنتز کریستال های SiC به روش آچسون معروف است و هنوز هم روش اصلی تولید ساینده های SiC در صنعت است. به دلیل خلوص پایین مواد خام مصنوعی و فرآیند سنتز خشن، روش آچسون ناخالصی‌های SiC بیشتری، یکپارچگی کریستال ضعیف و قطر کریستال کوچک تولید می‌کند که برآوردن نیازهای صنعت نیمه‌رسانا برای اندازه‌های بزرگ، خلوص بالا و بالا دشوار است. - کریستال های باکیفیت و نمی توان از آنها برای ساخت وسایل الکترونیکی استفاده کرد.

 لیلی از آزمایشگاه فیلیپس در سال 1955 روش جدیدی را برای رشد تک بلورهای SiC پیشنهاد کرد. در این روش از بوته گرافیتی به عنوان ظرف رشد، کریستال پودر SiC به عنوان ماده خام برای رشد کریستال SiC و از گرافیت متخلخل برای جداسازی استفاده می شود. یک منطقه توخالی از مرکز مواد خام در حال رشد. هنگام رشد، بوته گرافیتی تا 2500 درجه سانتیگراد در اتمسفر Ar یا H2 گرم می شود و پودر SiC محیطی تصعید و به مواد فاز بخار Si و C تجزیه می شود و کریستال SiC در ناحیه توخالی میانی پس از گاز رشد می کند. جریان از طریق گرافیت متخلخل منتقل می شود.

سوم، فناوری رشد کریستال SiC

رشد تک کریستالی SiC به دلیل ویژگی های خاص خود دشوار است. این عمدتا به دلیل این واقعیت است که هیچ فاز مایع با نسبت استوکیومتری Si: C = 1:1 در فشار اتمسفر وجود ندارد و نمی توان آن را با روش های رشد بالغ تر مورد استفاده در فرآیند رشد جریان اصلی فعلی نیمه هادی رشد داد. صنعت - روش cZ، روش بوته سقوط و روش های دیگر. بر اساس محاسبات نظری، تنها زمانی که فشار بیشتر از 10E5atm و دمای بالاتر از 3200 درجه سانتیگراد باشد، نسبت استوکیومتری Si: C = 1:1 محلول را می توان به دست آورد. به منظور غلبه بر این مشکل، دانشمندان تلاش های بی وقفه ای برای پیشنهاد روش های مختلف برای به دست آوردن کریستال های با کیفیت بالا، اندازه بزرگ و کریستال های ارزان SiC انجام داده اند. در حال حاضر روش های اصلی روش PVT، روش فاز مایع و روش رسوب شیمیایی بخار با دمای بالا می باشد.