Hur polykristallin kiselkarbid framställs

Kiselkarbidens kristallina struktur gör att den kan användas som substrat för keramiska chipskivor för epitaxiala tunna filmer för att tillverka högkvalitativa elektroniska enheter. Dessutom används detta material i stor utsträckning i både makro- och mikroskala för komponenter till hårddiskar samt som keramiska substrat.

Sintring (konsolidering av fina SiC-pulver) ger detta material, medan olika sintringshjälpmedel som kol eller bor kan tillsättas för optimala sintringsresultat.

Tillväxt i två steg

Modern produktionsteknik för kiselkarbid (SiC) för användning inom slipmedels-, metallurgi- och eldfasta industrier börjar med att ren kiselsand blandas med malet kokskol som en del av en ugn av elektrisk motståndstyp och laddas med elektrisk ström, vilket skapar en ugn av elektrisk motståndstyp med värmeelement av elektrisk motståndstyp för att producera kolmonoxidgas och flytande kisel som sedan formas till polykristallin film när den får svalna på substrat innan den kristalliseras på ytor i lager. För att kunna tillverka högkvalitativa apparater är det viktigt att kristallkornens storlek ligger under apparaternas funktionsstorlek, eftersom detta säkerställer en enhetlig produktion.

Tvåstegstillväxt har introducerats som en metod för att minska kristalldefekttätheten i dessa filmer. Detta innebär partiell smältning och omkristallisering, vilket ger mindre kristallkorn. Dessutom kan en teknik med accelererad degelrotation användas för att få en jämnare temperaturfördelning och koncentration av lösta ämnen.

Tekniker för bulktillväxt har visat sig framgångsrika när det gäller att producera heteroepitaxial SiC-film på icke-orienterade Si (111)-substrat med hjälp av förbättrad sublimeringsepitaxi. Tyvärr observerades punktdefekter som kolvakans (VC), kol-kiselvakans antisite (VCVSi) och Al-relaterade defekter; dessa kan minskas genom att välja en lämplig tillväxttemperatur och deponeringshastighet.

Facetttillväxt

För att skapa polykristallin kiselkarbid smälts amorft kisel först i en LPE-reaktor innan det överförs till ett jonstråleassisterat tillväxtsystem för deponering ovanpå hexagonala kiselkarbidfrön. Jonstrålar skapar ett högt tryck som kan ställas in för att ändra både tillväxthastighet och temperatur; dessutom kan skikt med olika sammansättningar odlas genom att lägga till eller dra ifrån kisel- eller kolprekursorer från detta högtrycksregime.

Att åstadkomma heteroepitaxial tillväxt av 3C-SiC på kisel är en komplex process som omfattar etsning, karbonisering och epitaxi av substratet. Först exponeras substratet för kolprekursorer i en CVD-process (Chemical Vapor Deposition) (steg 1). Därefter bildas ett jonstråleimplanterat 3C-SiC-skikt vid temperaturer nära kisels smältpunkt (steg 2) tills processen är avslutad.

Epitaxiella skikt som tillverkats med detta material uppvisar ett stort antal fasetter med hög symmetri och låg töjning, vilket är viktigt för att utveckla enheter som använder detta material. För att minimera antalet fasetter och därmed deras töjning har två olika pelarmönster studerats som sätt att begränsa fall; det ena är ett parallellpipediskt fall där pelarna är inriktade längs [11-2] riktningar vilket ger sexfaldiga symmetriarrangemang som minimerar mellanrummen mellan intilliggande 111-C-terminerade fasetter och minskar restspänningen eller motsvarande töjning genom att minimera mellanrummen.

Glödgning

En glödgad kiselkarbidskiva måste genomgå glödgning för att omorganisera sina dislokationer, vilket uppnås genom att värma materialet under dess omkristallisationspunkt (1700-2500 degC i a-SiC, medan 1500-2500 degC för b-SiC). Genom att omorganisera dislokationerna återställs dess gitterstruktur, inre spänningar minskar och wafers kristallkvalitet förbättras.

Soitec i Bernin nära Grenoble och Mersen i Courbevoie i Frankrike har gått samman i ett tekniskt partnerskap för att producera polykristallina kiselkarbid (poly-SiC) substratmaterial som är lämpliga för MEMS, högtemperaturapplikationer för krafthalvledare samt korrosions- och oxidationsbeständighet. Polykristallina substrat ger ökad elektrisk genombrottsspänning och värmeledningsförmåga jämfört med monokristallina substrat samtidigt som de ger bättre korrosions- och oxidationsskydd.

Denna process innebär att a-SiC-substraten placeras i en glödgningsugn och gradvis värms upp till måltemperaturerna under antingen inert- eller reduktionsgas i 1-8 timmar, sedan hålls de där i 0,1-5 timmar för att slutligen långsamt kylas till rumstemperatur.

Efter glödgning visar röntgendiffraktion och transmissionselektronmikroskopi att poly-SiC har bildat både amorft Si och betafas b-SiC-nanokristaller. Genom att höja glödgningstemperaturen förbättras också passiveringskvaliteten hos betafas b-SiC, vilket framgår av att dess effektiva livstid för minoritetsbärare är större än 1,8 millisekunder under flödesförhållanden med 0,5 R/silansilan.

Bearbetning

Kiselkarbid (SiC) har länge varit känt för sina många industriella användningsområden, från slipskivor och ugnsinfodringar till skärverktyg. SiC anses också vara en utmärkt kandidat för substrat för elektroniska enheter på grund av sin utmärkta temperaturstabilitet, kemiska resistens och överlägsna elektriska egenskaper. På grund av de unika mekaniska krav som ställs på substrat för hårddiskar (inklusive magnetiska medier som snurrar vid 10.000 rpm och huvudrörelser på mindre än 0,025 mikrometer ovanför substratytan) är dock utbredningen fortfarande begränsad.

SiC-substrat tillverkas genom att polykristallin SiC-blandning konsolideras till stora stavar eller block och konsolideras till polysilikon (mc-Si), ett viktigt råmaterial som används för tillverkning av solceller och integrerade kretsar. Produktionen sker genom att polykristallina kiselstavar matas in i en klockformad reaktor som värms upp med elektrisk ström mellan 1273 K och 1373 K där de sönderdelas till polykristallint kisel, kolmonoxid och kiseltetraklorid.

För att tillverka sofistikerade komponenter deponeras mikrokristallin kiseldioxid (mc-Si) på substrat genom epitaxiella tillväxttekniker för att bilda lager med olika elektriska egenskaper som sedan används vid tillverkning av halvledarchip. Sådana enheter kräver exakt kontroll över både epitaxiala tillväxtprocesser och olika bearbetningssteg under tillverkningen.