სილიციუმის კარბიდის სტრუქტურა და ზრდის ტექნოლოგია (Ⅰ)

პირველი, SiC კრისტალის სტრუქტურა და თვისებები.

SiC არის ორობითი ნაერთი, რომელიც წარმოიქმნება Si ელემენტით და C ელემენტით 1:1 თანაფარდობით, ანუ 50% სილიციუმი (Si) და 50% ნახშირბადი (C), ხოლო მისი ძირითადი სტრუქტურული ერთეულია SI-C ტეტრაედონი.

სილიციუმის კარბიდის ტეტრაედრული სტრუქტურის სქემატური დიაგრამა

 მაგალითად, Si ატომები დიამეტრით დიდია, ვაშლის ექვივალენტურია, ხოლო C ატომები მცირე დიამეტრით, ფორთოხლის ექვივალენტურია და თანაბარი რაოდენობის ფორთოხალი და ვაშლი გროვდება ერთად SiC კრისტალის შესაქმნელად.

SiC არის ორობითი ნაერთი, რომელშიც Si-Si ბმის ატომის მანძილი არის 3,89 A, როგორ გავიგოთ ეს მანძილი? ამჟამად, ბაზარზე ყველაზე შესანიშნავ ლითოგრაფიულ აპარატს აქვს 3 ნმ ლითოგრაფიის სიზუსტე, რაც არის 30A მანძილი, ხოლო ლითოგრაფიის სიზუსტე 8-ჯერ აღემატება ატომურ მანძილს.

Si-Si კავშირის ენერგია არის 310 კჯ/მოლი, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ, რომ კავშირის ენერგია არის ძალა, რომელიც აშორებს ამ ორ ატომს და რაც უფრო დიდია კავშირის ენერგია, მით მეტია ძალა, რომლის დაშლა გჭირდებათ.

 მაგალითად, Si ატომები დიამეტრით დიდია, ვაშლის ექვივალენტურია, ხოლო C ატომები მცირე დიამეტრით, ფორთოხლის ექვივალენტურია და თანაბარი რაოდენობის ფორთოხალი და ვაშლი გროვდება ერთად SiC კრისტალის შესაქმნელად.

SiC არის ორობითი ნაერთი, რომელშიც Si-Si ბმის ატომის მანძილი არის 3,89 A, როგორ გავიგოთ ეს მანძილი? ამჟამად, ბაზარზე ყველაზე შესანიშნავ ლითოგრაფიულ აპარატს აქვს 3 ნმ ლითოგრაფიის სიზუსტე, რაც არის 30A მანძილი, ხოლო ლითოგრაფიის სიზუსტე 8-ჯერ აღემატება ატომურ მანძილს.

Si-Si კავშირის ენერგია არის 310 კჯ/მოლი, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ, რომ კავშირის ენერგია არის ძალა, რომელიც აშორებს ამ ორ ატომს და რაც უფრო დიდია კავშირის ენერგია, მით მეტია ძალა, რომლის დაშლა გჭირდებათ.

სილიციუმის კარბიდის ტეტრაედრული სტრუქტურის სქემატური დიაგრამა

 მაგალითად, Si ატომები დიამეტრით დიდია, ვაშლის ექვივალენტურია, ხოლო C ატომები მცირე დიამეტრით, ფორთოხლის ექვივალენტურია და თანაბარი რაოდენობის ფორთოხალი და ვაშლი გროვდება ერთად SiC კრისტალის შესაქმნელად.

SiC არის ორობითი ნაერთი, რომელშიც Si-Si ბმის ატომის მანძილი არის 3,89 A, როგორ გავიგოთ ეს მანძილი? ამჟამად, ბაზარზე ყველაზე შესანიშნავ ლითოგრაფიულ აპარატს აქვს 3 ნმ ლითოგრაფიის სიზუსტე, რაც არის 30A მანძილი, ხოლო ლითოგრაფიის სიზუსტე 8-ჯერ აღემატება ატომურ მანძილს.

Si-Si კავშირის ენერგია არის 310 კჯ/მოლი, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ, რომ კავშირის ენერგია არის ძალა, რომელიც აშორებს ამ ორ ატომს და რაც უფრო დიდია კავშირის ენერგია, მით მეტია ძალა, რომლის დაშლა გჭირდებათ.

 მაგალითად, Si ატომები დიამეტრით დიდია, ვაშლის ექვივალენტურია, ხოლო C ატომები მცირე დიამეტრით, ფორთოხლის ექვივალენტურია და თანაბარი რაოდენობის ფორთოხალი და ვაშლი გროვდება ერთად SiC კრისტალის შესაქმნელად.

SiC არის ორობითი ნაერთი, რომელშიც Si-Si ბმის ატომის მანძილი არის 3,89 A, როგორ გავიგოთ ეს მანძილი? ამჟამად, ბაზარზე ყველაზე შესანიშნავ ლითოგრაფიულ აპარატს აქვს 3 ნმ ლითოგრაფიის სიზუსტე, რაც არის 30A მანძილი, ხოლო ლითოგრაფიის სიზუსტე 8-ჯერ აღემატება ატომურ მანძილს.

Si-Si კავშირის ენერგია არის 310 კჯ/მოლი, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ, რომ კავშირის ენერგია არის ძალა, რომელიც აშორებს ამ ორ ატომს და რაც უფრო დიდია კავშირის ენერგია, მით მეტია ძალა, რომლის დაშლა გჭირდებათ.

ჩვენ ვიცით, რომ ყველა ნივთიერება შედგება ატომებისგან და კრისტალის სტრუქტურა არის ატომების რეგულარული განლაგება, რომელსაც ეწოდება შორი დისტანციური რიგი, როგორც ქვემოთ მოცემულია. უმცირეს კრისტალურ ერთეულს უჯრედი ეწოდება, თუ უჯრედი კუბური სტრუქტურაა, მას უწოდებენ მჭიდრო შეფუთულ კუბურს, ხოლო უჯრედს ექვსკუთხა სტრუქტურას, მას უწოდებენ მჭიდრო შეფუთულ ექვსკუთხედს.

SiC კრისტალების საერთო ტიპებს მიეკუთვნება 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC და ა.შ. მათი დაწყობის თანმიმდევრობა c ღერძის მიმართულებით ნაჩვენებია სურათზე.

 

მათ შორის, 4H-SiC-ის ძირითადი დაწყობის თანმიმდევრობა არის ABCB... ; 6H-SiC-ის ძირითადი დაწყობის თანმიმდევრობა არის ABCACB... ; 15R-SiC-ის ძირითადი დაწყობის თანმიმდევრობა არის ABCACBCABACABCB... .

 

ეს შეიძლება ჩაითვალოს, როგორც აგური სახლის ასაშენებლად, ზოგს სახლის აგურის სამი გზა აქვს, ზოგს ოთხი გზა აქვს, ზოგს ექვსი გზა.
ამ საერთო SiC კრისტალების ტიპების ძირითადი უჯრედული პარამეტრები ნაჩვენებია ცხრილში:

რას ნიშნავს a, b, c და კუთხეები? SiC ნახევარგამტარში ყველაზე პატარა ერთეული უჯრედის სტრუქტურა აღწერილია შემდეგნაირად:

ერთი და იგივე უჯრედის შემთხვევაში ბროლის სტრუქტურაც განსხვავებული იქნება, ეს არის ლატარიაში ვიყიდოთ, მოგებული ნომერია 1, 2, 3, თქვენ იყიდეთ 1, 2, 3 სამი ნომერი, მაგრამ თუ ნომერი დალაგებულია. სხვაგვარად, მოგების რაოდენობა განსხვავებულია, ამიტომ ერთი და იგივე კრისტალის რიცხვს და წესრიგს შეიძლება ეწოდოს იგივე კრისტალი.
ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს დაწყობის ორ ტიპურ რეჟიმს, განსხვავება მხოლოდ ზედა ატომების დაწყობის რეჟიმში, კრისტალური სტრუქტურა განსხვავებულია.

SiC-ის მიერ წარმოქმნილი კრისტალური სტრუქტურა მტკიცედ არის დაკავშირებული ტემპერატურასთან. 1900-2000 ℃ მაღალი ტემპერატურის გავლენის ქვეშ, 3C-SiC ნელ-ნელა გარდაიქმნება ექვსკუთხა SiC პოლიფორმად, როგორიცაა 6H-SiC, მისი ცუდი სტრუქტურული სტაბილურობის გამო. ეს არის ზუსტად იმის გამო, რომ ძლიერი კორელაციაა SiC პოლიმორფების წარმოქმნის ალბათობასა და ტემპერატურასა და თავად 3C-SiC-ის არასტაბილურობას შორის, 3C-SiC-ის ზრდის ტემპის გაუმჯობესება რთულია და მომზადება რთულია. 4H-SiC და 6H-SiC ექვსკუთხა სისტემა ყველაზე გავრცელებული და ადვილად მოსამზადებელია და ფართოდ არის შესწავლილი საკუთარი მახასიათებლების გამო.

 SI-C ბმის სიგრძე SiC კრისტალში არის მხოლოდ 1,89A, მაგრამ შეკვრის ენერგია 4,53eV-მდეა. ამრიგად, ენერგეტიკული დონის უფსკრული შემაკავშირებელ მდგომარეობასა და შემაკავშირებელ მდგომარეობას შორის ძალიან დიდია და შეიძლება ჩამოყალიბდეს ფართო ზოლის უფსკრული, რომელიც რამდენჯერმე აღემატება Si და GaAs-ს. დიაპაზონის უფრო მაღალი სიგანე ნიშნავს, რომ მაღალი ტემპერატურის კრისტალური სტრუქტურა სტაბილურია. ასოცირებულ ენერგეტიკულ ელექტრონიკას შეუძლია გააცნობიეროს სტაბილური მუშაობის მახასიათებლები მაღალ ტემპერატურაზე და გამარტივებული სითბოს გაფრქვევის სტრუქტურა.

Si-C ბმის მჭიდრო შეკვრა ხდის გისოსებს მაღალი ვიბრაციის სიხშირის, ანუ მაღალი ენერგიის ფონონის, რაც ნიშნავს, რომ SiC კრისტალს აქვს მაღალი გაჯერებული ელექტრონების მობილურობა და თერმული კონდუქტომეტრული, და შესაბამისი სიმძლავრის ელექტრონულ მოწყობილობებს აქვთ გადართვის უფრო მაღალი სიჩქარე და საიმედოობა, რაც ამცირებს მოწყობილობის გადაჭარბებული ტემპერატურის უკმარისობის რისკს. გარდა ამისა, SiC-ის დაშლის ველის მაღალი სიძლიერე საშუალებას აძლევს მას მიაღწიოს დოპინგის უფრო მაღალ კონცენტრაციებს და ჰქონდეს დაბალი წინააღმდეგობა.

 მეორე, SiC კრისტალების განვითარების ისტორია

 1905 წელს ექიმმა ჰენრი მოისანმა კრატერში აღმოაჩინა ბუნებრივი SiC კრისტალი, რომელიც ალმასს ჰგავდა და დაარქვა მოსანის ბრილიანტი.

 ფაქტობრივად, ჯერ კიდევ 1885 წელს აჩესონმა მიიღო SiC კოქსის სილიციუმის დიოქსიდის შერევით და ელექტრო ღუმელში გაცხელებით. იმ დროს ხალხი მას ბრილიანტის ნარევში იგდებდა და ზურმუხტს უწოდებდა.

 1892 წელს ეჩესონმა გააუმჯობესა სინთეზის პროცესი, მან შეურია კვარცის ქვიშა, კოქსი, მცირე რაოდენობით ხის ჩიპები და NaCl და გააცხელა ელექტრო რკალის ღუმელში 2700℃-მდე და წარმატებით მიიღო ქერცლიანი SiC კრისტალები. SiC კრისტალების სინთეზირების ეს მეთოდი ცნობილია როგორც აჩესონის მეთოდი და კვლავ წარმოადგენს SiC აბრაზივების წარმოების მთავარ მეთოდს ინდუსტრიაში. სინთეზური ნედლეულის დაბალი სისუფთავის და უხეში სინთეზის პროცესის გამო, აჩესონის მეთოდი აწარმოებს მეტ SiC მინარევებს, ცუდი კრისტალების მთლიანობას და მცირე კრისტალის დიამეტრს, რაც ძნელია დააკმაყოფილოს ნახევარგამტარული ინდუსტრიის მოთხოვნები დიდი ზომის, მაღალი სისუფთავის და მაღალი სიდიდისთვის. -ხარისხიანი კრისტალები და არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტრონული მოწყობილობების დასამზადებლად.

 ლელიმ Philips Laboratory-მა შემოგვთავაზა SiC ერთკრისტალების ზრდის ახალი მეთოდი 1955 წელს. ამ მეთოდით, გრაფიტის ჭურჭელი გამოიყენება როგორც ზრდის ჭურჭელი, SiC ფხვნილის კრისტალი გამოიყენება ნედლეულად SiC კრისტალის გასაშენებლად, ხოლო ფოროვანი გრაფიტი გამოიყენება იზოლირებისთვის. ღრუ ფართობი მზარდი ნედლეულის ცენტრიდან. როდესაც იზრდება, გრაფიტის ჭურჭელი თბება 2500℃-მდე Ar ან H2 ატმოსფეროში, ხოლო პერიფერიული SiC ფხვნილი სუბლიმირებულია და იშლება Si და C ორთქლის ფაზის ნივთიერებებად, ხოლო SiC კრისტალი იზრდება შუა ღრუში გაზის შემდეგ. ნაკადი გადადის ფოროვანი გრაფიტის მეშვეობით.

მესამე, SiC კრისტალების ზრდის ტექნოლოგია

SiC-ის ერთკრისტალური ზრდა რთულია საკუთარი მახასიათებლების გამო. ეს ძირითადად განპირობებულია იმით, რომ არ არსებობს თხევადი ფაზა სტოიქიომეტრიული თანაფარდობით Si: C = 1:1 ატმოსფერული წნევის დროს და ის არ შეიძლება გაიზარდოს უფრო მომწიფებული ზრდის მეთოდებით, რომლებიც გამოიყენება ნახევარგამტარის მიმდინარე ძირითადი ზრდის პროცესში. მრეწველობა - cZ მეთოდი, ჩამოვარდნილი ჭურჭლის მეთოდი და სხვა მეთოდები. თეორიული გაანგარიშების მიხედვით, მხოლოდ მაშინ, როდესაც წნევა 10E5atm-ზე მეტია და ტემპერატურა 3200℃-ზე მაღალია, შეიძლება მივიღოთ Si: C = 1:1 ხსნარის სტექიომეტრიული თანაფარდობა. ამ პრობლემის გადასაჭრელად, მეცნიერები ცდილობდნენ შესთავაზონ სხვადასხვა მეთოდები მაღალი ხარისხის, დიდი ზომის და იაფი SiC კრისტალების მისაღებად. ამჟამად ძირითადი მეთოდებია PVT მეთოდი, თხევადი ფაზის მეთოდი და მაღალი ტემპერატურის ორთქლის ქიმიური დეპონირების მეთოდი.