Սիլիցիումի կարբիդի կառուցվածք և աճի տեխնոլոգիա (Ⅰ)

Նախ, SiC բյուրեղի կառուցվածքը և հատկությունները.

SiC-ը երկուական միացություն է, որը ձևավորվում է Si տարրից և C տարրից 1:1 հարաբերակցությամբ, այսինքն՝ 50% սիլիցիում (Si) և 50% ածխածին (C), և դրա հիմնական կառուցվածքային միավորը SI-C քառաեդրոնն է։

Սիլիցիումի կարբիդի քառանիստ կառուցվածքի սխեմատիկ դիագրամ

 Օրինակ՝ Si-ի ատոմները մեծ տրամագծով են՝ համարժեք խնձորի, իսկ C ատոմները՝ փոքր տրամագծով, համարժեք նարինջի, և հավասար թվով նարինջներ և խնձորներ հավաքվում են միասին՝ ձևավորելով SiC բյուրեղ։

SiC-ը երկուական միացություն է, որում Si-Si կապի ատոմների տարածությունը 3,89 Ա է, ինչպե՞ս հասկանալ այս տարածությունը: Ներկայումս շուկայում ամենահիանալի լիտոգրաֆիայի մեքենան ունի 3 նմ լիտոգրաֆիայի ճշգրտություն, որը 30 Ա հեռավորություն է, իսկ վիմագրության ճշգրտությունը 8 անգամ գերազանցում է ատոմային հեռավորությանը:

Si-Si կապի էներգիան 310 կՋ/մոլ է, այնպես որ դուք կարող եք հասկանալ, որ կապի էներգիան այն ուժն է, որը քաշում է այս երկու ատոմները միմյանցից, և որքան մեծ է կապի էներգիան, այնքան մեծ է այն ուժը, որը դուք պետք է բաժանեք:

 Օրինակ՝ Si-ի ատոմները մեծ տրամագծով են՝ համարժեք խնձորի, իսկ C ատոմները՝ փոքր տրամագծով, համարժեք նարինջի, և հավասար թվով նարինջներ և խնձորներ հավաքվում են միասին՝ ձևավորելով SiC բյուրեղ։

SiC-ը երկուական միացություն է, որում Si-Si կապի ատոմների տարածությունը 3,89 Ա է, ինչպե՞ս հասկանալ այս տարածությունը: Ներկայումս շուկայում ամենահիանալի լիտոգրաֆիայի մեքենան ունի 3 նմ լիտոգրաֆիայի ճշգրտություն, որը 30 Ա հեռավորություն է, իսկ վիմագրության ճշգրտությունը 8 անգամ գերազանցում է ատոմային հեռավորությանը:

Si-Si կապի էներգիան 310 կՋ/մոլ է, այնպես որ դուք կարող եք հասկանալ, որ կապի էներգիան այն ուժն է, որը քաշում է այս երկու ատոմները միմյանցից, և որքան մեծ է կապի էներգիան, այնքան մեծ է այն ուժը, որը դուք պետք է բաժանեք:

Սիլիցիումի կարբիդի քառանիստ կառուցվածքի սխեմատիկ դիագրամ

 Օրինակ՝ Si-ի ատոմները մեծ տրամագծով են՝ համարժեք խնձորի, իսկ C ատոմները՝ փոքր տրամագծով, համարժեք նարինջի, և հավասար թվով նարինջներ և խնձորներ հավաքվում են միասին՝ ձևավորելով SiC բյուրեղ։

SiC-ը երկուական միացություն է, որում Si-Si կապի ատոմների տարածությունը 3,89 Ա է, ինչպե՞ս հասկանալ այս տարածությունը: Ներկայումս շուկայում ամենահիանալի լիտոգրաֆիայի մեքենան ունի 3 նմ լիտոգրաֆիայի ճշգրտություն, որը 30 Ա հեռավորություն է, իսկ վիմագրության ճշգրտությունը 8 անգամ գերազանցում է ատոմային հեռավորությանը:

Si-Si կապի էներգիան 310 կՋ/մոլ է, այնպես որ դուք կարող եք հասկանալ, որ կապի էներգիան այն ուժն է, որը քաշում է այս երկու ատոմները միմյանցից, և որքան մեծ է կապի էներգիան, այնքան մեծ է այն ուժը, որը դուք պետք է բաժանեք:

 Օրինակ՝ Si-ի ատոմները մեծ տրամագծով են՝ համարժեք խնձորի, իսկ C ատոմները՝ փոքր տրամագծով, համարժեք նարինջի, և հավասար թվով նարինջներ և խնձորներ հավաքվում են միասին՝ ձևավորելով SiC բյուրեղ։

SiC-ը երկուական միացություն է, որում Si-Si կապի ատոմների տարածությունը 3,89 Ա է, ինչպե՞ս հասկանալ այս տարածությունը: Ներկայումս շուկայում ամենահիանալի լիտոգրաֆիայի մեքենան ունի 3 նմ լիտոգրաֆիայի ճշգրտություն, որը 30 Ա հեռավորություն է, իսկ վիմագրության ճշգրտությունը 8 անգամ գերազանցում է ատոմային հեռավորությանը:

Si-Si կապի էներգիան 310 կՋ/մոլ է, այնպես որ դուք կարող եք հասկանալ, որ կապի էներգիան այն ուժն է, որը քաշում է այս երկու ատոմները միմյանցից, և որքան մեծ է կապի էներգիան, այնքան մեծ է այն ուժը, որը դուք պետք է բաժանեք:

Մենք գիտենք, որ յուրաքանչյուր նյութ կազմված է ատոմներից, իսկ բյուրեղի կառուցվածքը ատոմների կանոնավոր դասավորություն է, որը կոչվում է հեռահար կարգ, ինչպես հետևյալը. Ամենափոքր բյուրեղային միավորը կոչվում է բջիջ, եթե բջիջը խորանարդ կառուցվածք է, այն կոչվում է սերտ փաթեթավորված խորանարդ, իսկ բջիջը վեցանկյուն կառուցվածք է, այն կոչվում է փակ վեցանկյուն:

SiC բյուրեղների սովորական տեսակները ներառում են 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC և այլն: Նրանց կուտակման հաջորդականությունը c առանցքի ուղղությամբ ներկայացված է նկարում:

 

Դրանցից 4H-SiC-ի հիմնական stacking հաջորդականությունը ABCB-ն է... ; 6H-SiC-ի հիմնական stacking հաջորդականությունը ABCACB-ն է... ; 15R-SiC-ի հիմնական կուտակման հաջորդականությունը ABCACBCABACABCB է...

 

Սա կարող է դիտվել որպես տուն կառուցելու աղյուս, որոշ տան աղյուսներ ունեն դրանք տեղադրելու երեք եղանակ, ոմանք ունեն դրանք տեղադրելու չորս եղանակ, ոմանք ունեն վեց եղանակ:
Այս ընդհանուր SiC բյուրեղների տեսակների հիմնական բջջային պարամետրերը ներկայացված են աղյուսակում.

Ի՞նչ են նշանակում a, b, c և անկյունները: SiC կիսահաղորդչի ամենափոքր միավոր բջիջի կառուցվածքը նկարագրված է հետևյալ կերպ.

Նույն բջիջի դեպքում բյուրեղային կառուցվածքը նույնպես տարբեր կլինի, սա նման է վիճակախաղը գնելու, շահող թիվը 1, 2, 3 է, դուք գնել եք 1, 2, 3 երեք համար, բայց եթե թիվը տեսակավորված է. այլ կերպ, շահած գումարը տարբեր է, ուստի նույն բյուրեղի թիվը և կարգը կարելի է անվանել նույն բյուրեղը:
Հետևյալ նկարը ցույց է տալիս շարվածքի երկու տիպիկ ռեժիմները, միայն վերին ատոմների կուտակման ռեժիմի տարբերությունը, բյուրեղային կառուցվածքը տարբեր է։

SiC-ի կողմից ձևավորված բյուրեղային կառուցվածքը խիստ կապված է ջերմաստիճանի հետ: 1900 ~ 2000 ℃ բարձր ջերմաստիճանի ազդեցության տակ 3C-SiC-ը դանդաղորեն կվերածվի SiC վեցանկյուն պոլիֆորմի, ինչպիսին է 6H-SiC-ը՝ իր կառուցվածքային վատ կայունության պատճառով: Հենց SiC-ի պոլիմորֆների և ջերմաստիճանի առաջացման հավանականության և հենց 3C-SiC-ի անկայունության միջև ամուր հարաբերակցության պատճառով է, որ 3C-SiC-ի աճի տեմպերը դժվար է բարելավել, իսկ պատրաստումը դժվար է: 4H-SiC-ի և 6H-SiC-ի վեցանկյուն համակարգը ամենատարածվածն է և ավելի հեշտ է պատրաստել, և լայնորեն ուսումնասիրված է իրենց առանձնահատկությունների պատճառով:

 SI-C կապի կապի երկարությունը SiC բյուրեղում ընդամենը 1,89 Ա է, բայց կապի էներգիան այնքան բարձր է, որքան 4,53 էՎ: Հետևաբար, կապող վիճակի և հակակապակցման վիճակի միջև էներգիայի մակարդակի բացը շատ մեծ է, և կարող է ձևավորվել լայն գոտու բացը, որը մի քանի անգամ գերազանցում է Si-ին և GaAs-ին: Գոտի բացվածքի ավելի մեծ լայնությունը նշանակում է, որ բարձր ջերմաստիճանի բյուրեղային կառուցվածքը կայուն է: Կապակցված ուժային էլեկտրոնիկան կարող է գիտակցել բարձր ջերմաստիճաններում կայուն շահագործման և ջերմության ցրման պարզեցված կառուցվածքի բնութագրերը:

Si-C կապի ամուր կապը դարձնում է վանդակը թրթռման բարձր հաճախականություն, այսինքն՝ բարձր էներգիայի ֆոնոն, ինչը նշանակում է, որ SiC բյուրեղն ունի բարձր հագեցած էլեկտրոնների շարժունակություն և ջերմային հաղորդունակություն, իսկ հարակից ուժային էլեկտրոնային սարքերն ունեն միացման ավելի բարձր արագություն և հուսալիություն, ինչը նվազեցնում է սարքի գերջերմաստիճանի խափանման վտանգը: Բացի այդ, SiC-ի քայքայման դաշտի ավելի բարձր ուժը թույլ է տալիս նրան հասնել դոպինգի ավելի բարձր կոնցենտրացիաների և ունենալ ավելի ցածր դիմադրություն:

 Երկրորդ, SiC բյուրեղների զարգացման պատմությունը

 1905 թվականին բժիշկ Հենրի Մոիսանը խառնարանում հայտնաբերեց բնական SiC բյուրեղ, որը նա գտավ ադամանդի նման և այն անվանեց Մոզան ադամանդ:

 Իրականում, արդեն 1885 թվականին Աչեսոնը ստացավ SiC՝ կոքսը խառնելով սիլիցիումի հետ և տաքացնելով այն էլեկտրական վառարանում։ Այն ժամանակ մարդիկ այն շփոթում էին ադամանդի խառնուրդի հետ և այն անվանում էին զմրուխտ:

 1892 թվականին Աչեսոնը բարելավեց սինթեզի գործընթացը, նա խառնեց քվարց ավազը, կոքսը, փոքր քանակությամբ փայտի կտորներ և NaCl և տաքացրեց այն էլեկտրական աղեղային վառարանում մինչև 2700℃, և հաջողությամբ ստացավ շերտավոր SiC բյուրեղներ։ SiC բյուրեղների սինթեզման այս մեթոդը հայտնի է որպես Աչեսոնի մեթոդ և շարունակում է մնալ արդյունաբերության մեջ SiC հղկող նյութերի արտադրության հիմնական մեթոդը: Սինթետիկ հումքի ցածր մաքրության և կոպիտ սինթեզի գործընթացի պատճառով Աչեսոնի մեթոդը արտադրում է ավելի շատ SiC կեղտեր, վատ բյուրեղային ամբողջականություն և բյուրեղների փոքր տրամագիծ, ինչը դժվար է բավարարել կիսահաղորդչային արդյունաբերության պահանջները մեծ չափի, բարձր մաքրության և բարձրության համար: - որակյալ բյուրեղներ և չեն կարող օգտագործվել էլեկտրոնային սարքերի արտադրության համար:

 Philips լաբորատորիայի Lely-ն առաջարկել է SiC միաբյուրեղների աճեցման նոր մեթոդ 1955 թվականին: Այս մեթոդում գրաֆիտի կարասն օգտագործվում է որպես աճող անոթ, SiC փոշի բյուրեղը՝ որպես հումք՝ SiC բյուրեղների աճեցման համար, իսկ ծակոտկեն գրաֆիտը՝ մեկուսացման համար: աճող հումքի կենտրոնից սնամեջ տարածք: Երբ աճում է, գրաֆիտի կարասը տաքացվում է մինչև 2500℃ Ar կամ H2 մթնոլորտի տակ, իսկ ծայրամասային SiC փոշին սուբլիմացվում և քայքայվում է Si և C գոլորշի փուլային նյութերի, իսկ SiC բյուրեղը աճեցնում է միջին խոռոչի շրջանում՝ գազից հետո։ հոսքը փոխանցվում է ծակոտկեն գրաֆիտի միջոցով:

Երրորդ, SiC բյուրեղների աճի տեխնոլոգիա

SiC-ի միաբյուրեղային աճը դժվար է իր առանձնահատկությունների պատճառով: Սա հիմնականում պայմանավորված է այն հանգամանքով, որ մթնոլորտային ճնշման դեպքում Si-ի ստոյխիոմետրիկ հարաբերակցությամբ հեղուկ փուլ չկա: արդյունաբերություն - cZ մեթոդ, ընկնող կարասի մեթոդ և այլ մեթոդներ: Ըստ տեսական հաշվարկի, միայն այն դեպքում, երբ ճնշումը մեծ է 10E5atm-ից և ջերմաստիճանը բարձր է 3200℃-ից, կարելի է ստանալ Si:C=1:1 լուծույթի ստոյխիոմետրիկ հարաբերակցությունը։ Այս խնդիրը հաղթահարելու համար գիտնականները անդադար ջանքեր են գործադրել՝ առաջարկելու տարբեր մեթոդներ՝ բարձրորակ բյուրեղների, մեծ չափերի և էժան SiC բյուրեղներ ստանալու համար: Ներկայումս հիմնական մեթոդներն են PVT մեթոդը, հեղուկ փուլային մեթոդը և բարձր ջերմաստիճանի գոլորշիների քիմիական նստեցման մեթոդը: