חדשות - טכנולוגיית מבנה וצמיחה של סיליקון קרביד

ראשית, המבנה והמאפיינים של גביש SiC.

SiC היא תרכובת בינארית שנוצרה על ידי יסוד Si ואלמנט C ביחס של 1:1, כלומר 50% סיליקון (Si) ו-50% פחמן (C), והיחידה המבנית הבסיסית שלה היא SI-C tetrahedron.

תרשים סכמטי של מבנה טטרהדרון סיליקון קרביד

לדוגמה, אטומי Si הם גדולים בקוטר, שווה ערך לתפוח, ואטומי C הם קטנים בקוטר, שווה ערך לתפוז, ומספר שווה של תפוזים ותפוחים נערמים יחד ליצירת גביש SiC.

SiC היא תרכובת בינארית, שבה מרווח אטומי הקשר Si-Si הוא 3.89 A, איך להבין את המרווח הזה? נכון להיום, למכונת הליטוגרפיה המצוינת ביותר בשוק יש דיוק ליטוגרפי של 3nm, שזה מרחק של 30A, ודיוק הליטוגרפיה הוא פי 8 מהמרחק האטומי.

אנרגיית הקשר Si-Si היא 310 קילו-ג'יי/מול, אז אתה יכול להבין שאנרגיית הקשר היא הכוח שמושך את שני האטומים הללו זה מזה, וככל שאנרגיית הקשר גדולה יותר, כך גדל הכוח שאתה צריך לפרק.

תרשים סכמטי של מבנה טטרהדרון סיליקון קרביד

אנו יודעים שכל חומר מורכב מאטומים, והמבנה של גביש הוא סידור קבוע של אטומים, הנקרא סדר ארוך טווח, כמו הבא. יחידת הגביש הקטנה ביותר נקראת תא, אם התא הוא מבנה מעוקב, הוא נקרא מעוקב צפוף, והתא הוא מבנה משושה, הוא נקרא משושה צפוף.

סוגי גבישי SiC נפוצים כוללים 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC וכו'. רצף הערימה שלהם בכיוון ציר c מוצג באיור.

ביניהם, רצף הערימה הבסיסי של 4H-SiC הוא ABCB... ; רצף הערימה הבסיסי של 6H-SiC הוא ABCACB... ; רצף הערימה הבסיסי של 15R-SiC הוא ABCACBCABACABCB... .

אפשר לראות זאת כלבנה לבניית בית, לחלק מלבני הבית יש שלוש דרכים להציבן, לחלקן ארבע דרכים להציבן, לחלקן שש דרכים.
פרמטרי התא הבסיסיים של סוגי גבישי SiC נפוצים אלה מוצגים בטבלה:

מה המשמעות של a, b, c וזוויות? המבנה של תא היחידה הקטן ביותר במוליך למחצה SiC מתואר באופן הבא:

במקרה של אותו תא, גם מבנה הגביש יהיה שונה, זה כמו שאנחנו קונים את ההגרלה, המספר הזוכה הוא 1, 2, 3, קנית 1, 2, 3 שלושה מספרים, אבל אם המספר ממוין אחרת, סכום הזכייה שונה, כך שניתן לקרוא למספר ולסדר של אותו גביש אותו גביש.
האיור הבא מציג את שני מצבי הערימה האופייניים, רק את ההבדל במצב הערימה של האטומים העליונים, מבנה הגביש שונה.

מבנה הגביש שנוצר על ידי SiC קשור מאוד לטמפרטורה. תחת פעולה של טמפרטורה גבוהה של 1900 ~ 2000 ℃, 3C-SiC יהפוך לאט לפוליפורם משושה של SiC כגון 6H-SiC בגלל היציבות המבנית הגרועה שלו. בדיוק בגלל המתאם החזק בין ההסתברות להיווצרות פולימורפים SiC והטמפרטורה, לבין חוסר היציבות של 3C-SiC עצמו, קשה לשפר את קצב הגדילה של 3C-SiC, וההכנה קשה. המערכת המשושה של 4H-SiC ו-6H-SiC הן הנפוצות והקלות יותר להכנה, ונחקרות רבות בשל המאפיינים שלהן.

אורך הקשר של קשר SI-C בגביש SiC הוא רק 1.89A, אך אנרגיית הקישור גבוהה עד 4.53eV. לכן, פער רמת האנרגיה בין מצב ההתקשרות למצב האנטי-קשירה גדול מאוד, וניתן להיווצר פער פס רחב, שהוא פי כמה מזה של Si ו-GaAs. רוחב פער הרצועה הגבוה יותר אומר שמבנה הגביש בטמפרטורה גבוהה יציב. האלקטרוניקה הכוחנית הקשורה יכולה לממש את המאפיינים של פעולה יציבה בטמפרטורות גבוהות ומבנה פיזור חום פשוט.

הקישור ההדוק של קשר ה-Si-C גורם לסריג להיות בעל תדר רטט גבוה, כלומר פונון באנרגיה גבוהה, מה שאומר שלגביש ה-SiC יש ניידות אלקטרונית רוויה ומוליכות תרמית גבוהה, ולמכשירי הכוח האלקטרוניים הנלווים יש מהירות מיתוג ואמינות גבוהות יותר, מה שמפחית את הסיכון לכשל בטמפרטורת יתר של המכשיר. בנוסף, חוזק שדה הפירוק הגבוה יותר של SiC מאפשר לו להשיג ריכוזי סימום גבוהים יותר ובעל התנגדות הפעלה נמוכה יותר.

שנית, ההיסטוריה של פיתוח גבישי SiC

בשנת 1905 גילה ד"ר אנרי מויסן במכתש גביש SiC טבעי, שמצא דומה ליהלום וקרא לו יהלום מוסאן.

למעשה, כבר בשנת 1885, Acheson השיג SiC על ידי ערבוב קוק עם סיליקה וחימום בכבשן חשמלי. בזמנו, אנשים התייחסו לזה כתערובת של יהלומים וקראו לזה אמרי.

בשנת 1892, אצ'סון שיפר את תהליך הסינתזה, הוא ערבב חול קוורץ, קוק, כמות קטנה של שבבי עץ ו-NaCl, וחמם אותו בכבשן קשת חשמלי ל-2700℃, והצליח להשיג גבישי SiC קשקשים. שיטה זו של סינתזה של גבישי SiC ידועה כשיטת Acheson והיא עדיין השיטה המרכזית לייצור חומרי שוחקים של SiC בתעשייה. בשל הטוהר הנמוך של חומרי גלם סינתטיים ותהליך סינתזה גס, שיטת Acheson מייצרת יותר זיהומי SiC, שלמות גבישים ירודה וקוטר גביש קטן, שקשה לעמוד בדרישות תעשיית המוליכים למחצה לגודל גדול, טוהר גבוה וגבוה. -גבישים איכותיים, ולא ניתן להשתמש בהם לייצור מכשירים אלקטרוניים.

Lely ממעבדת פיליפס הציעה שיטה חדשה לגידול גבישי SiC בודדים בשנת 1955. בשיטה זו, כור היתוך גרפיט משמש ככלי הגידול, גביש אבקת SiC משמש כחומר הגלם לגידול גביש SiC, וגרפיט נקבובי משמש לבידוד אזור חלול ממרכז חומר הגלם הגדל. בעת הגידול, כור היתוך הגרפיט מחומם ל-2500℃ מתחת לאטמוספירה של Ar או H2, ואבקת ה-SiC ההיקפית מוגברת ומתפרקת לחומרים שלב אדי Si ו-C, ואת גביש ה-SiC גדל באזור החלול האמצעי לאחר הגז. הזרימה מועברת דרך הגרפיט הנקבובי.

שלישית, טכנולוגיית צמיחת גבישי SiC

צמיחת הגביש היחיד של SiC קשה בגלל המאפיינים שלו. זה נובע בעיקר מהעובדה שאין שלב נוזלי עם יחס סטוכיומטרי של Si: C = 1:1 בלחץ אטמוספרי, ולא ניתן לגדל אותו בשיטות הצמיחה הבוגרות יותר המשמשות את תהליך הצמיחה המרכזי הנוכחי של המוליך למחצה. תעשייה - שיטת cZ, שיטת כור היתוך נופל ושיטות נוספות. על פי חישוב תיאורטי, רק כאשר הלחץ גדול מ-10E5atm והטמפרטורה גבוהה מ-3200℃, ניתן לקבל את היחס הסטוכיומטרי של Si: C = 1:1 תמיסה. על מנת להתגבר על בעיה זו, מדענים עשו מאמצים בלתי פוסקים להציע שיטות שונות להשגת איכות גביש גבוהה, גודל גדול וגבישי SiC זולים. נכון לעכשיו, השיטות העיקריות הן שיטת PVT, שיטת פאזה נוזלית ושיטת שיקוע כימי בטמפרטורה גבוהה.

זמן פרסום: 24 בינואר 2024

טכנולוגיית מבנה וצמיחה של סיליקון קרביד (Ⅰ)