Prinsip Pertumbuhan Kristal Silikon Karbida (SiC) Metode PVT

Metode PVT, yang nama lengkapnya adalah Physical Vapor Transportation, adalah metode umum untuk menumbuhkan silikon karbida (SiC(Kristal) di bawah suhu dan tekanan tinggi. Prinsip dasarnya adalah memanaskan bubuk silikon karbida hingga sublimasi pada suhu di atas 2300℃ dan dalam lingkungan bertekanan rendah mendekati vakum, membentuk gas reaksi yang mengandung komponen gas seperti Si, Si2C, dan SiC2. Karena perbedaan tekanan parsial fase gas dari komponen Si dan C yang terbentuk oleh reaksi sublimasi fase padat, rasio stoikiometri Si/C bervariasi dengan distribusi medan termal. Oleh karena itu, perlu untuk mengontrol distribusi dan transportasi komponen fase gas untuk memastikan komponen tersebut mencapai posisi kristalisasi spesifik di dalam ruang pertumbuhan.

Untuk mencegah kristalisasi fase gas yang tidak teratur membentuk silikon karbida polikristalin, kristal benih silikon karbida ditempatkan di bagian atas ruang pertumbuhan. Di bawah dorongan supersaturasi fase gas, komponen fase gas akan mengendap di permukaan kristal benih untuk membentuk kristal tunggal silikon karbida. Seluruh proses reaksi berlangsung dalam ruang pertumbuhan tertutup, di mana semua parameter sistem reaksi saling terkait. Fluktuasi apa pun dalam kondisi pertumbuhan akan memengaruhi stabilitas pertumbuhan kristal tunggal.

Selain itu, struktur susunan rapat yang berbeda dari kristal tunggal silikon karbida dalam hal orientasi kristalnya menyebabkan berbagai metode koneksi dan ikatan atom, sehingga membentuk lebih dari 200 bentuk kristal isomer silikon karbida. Hambatan konversi energi antara berbagai bentuk kristal sangat rendah, sehingga transformasi bentuk kristal sangat mungkin terjadi dalam sistem pertumbuhan kristal tunggal PVT, yang mengakibatkan bentuk kristal target yang tidak teratur dan berbagai cacat kristalisasi. Oleh karena itu, perlu menggunakan peralatan inspeksi khusus untuk mendeteksi bentuk kristal dan berbagai cacat pada ingot kristal.

Proses pembuatan silikon karbida memiliki persyaratan yang sangat tinggi, terutama yang terlihat pada aspek-aspek berikut:

• Terdapat banyak pengotor lingkungan dalam proses sintesis bubuk silikon karbida, sehingga sulit untuk mendapatkan bubuk dengan kemurnian tinggi. Reaksi yang tidak sempurna antara bubuk silikon dan bubuk karbon sebagai sumber reaksi cenderung menyebabkan ketidakseimbangan rasio Si/C. Bentuk kristal dan ukuran partikel bubuk silikon karbida setelah sintesis sulit dikendalikan.
• Dalam kondisi suhu tinggi di atas 2300℃ dan mendekati vakum, silikon karbida mengalami transformasi "padat-gas-padat" dan proses rekristalisasi dalam ruang grafit tertutup. Proses ini memiliki siklus pertumbuhan yang panjang, sulit dikendalikan, dan rentan terhadap cacat seperti mikrotubulus dan inklusi.
• Silikon karbida mencakup lebih dari 200 bentuk kristal yang berbeda, tetapi produksi biasanya hanya membutuhkan satu bentuk kristal. Selama proses pertumbuhan, transformasi bentuk kristal cenderung terjadi, yang mengakibatkan cacat inklusi multitipe. Selama proses persiapan, sulit untuk mengontrol secara stabil satu bentuk kristal spesifik, dan hambatan konversi energi antara bentuk kristal yang berbeda sangat rendah, yang meningkatkan kesulitan pengendalian. Pengendalian parameter dan penelitian terkait selama periode ini membutuhkan biaya R&D yang sangat besar, yang juga merupakan salah satu alasan tingginya biaya silikon karbida yang fleksibel.