Meginreglan um PVT aðferðina á bak við vaxtarkristalla úr kísilkarbíði (SiC)

PVT aðferðin, sem heitir fullu nafni Physical Vapour Transportation, er algeng aðferð til að rækta kísillkarbíð (SiC)kristallar við hátt hitastig og mikinn þrýsting. Meginreglan er að hita kísilkarbíðduft til þurrkunar við hitastig yfir 2300℃ og í lágþrýstingsumhverfi nálægt lofttæmi, sem myndar hvarfgas sem inniheldur loftkenndar efnisþætti eins og Si, Si2C og SiC2. Vegna mismunandi hlutaþrýstings í gasfasa Si- og C-efnisþáttunum sem myndast við þurrkunarviðbrögð í föstu fasa, breytist steikíómetrískt Si/C-hlutfall með dreifingu hitasviðsins. Þess vegna er nauðsynlegt að stjórna dreifingu og flutningi gasfasaefnisþáttanna til að tryggja að þeir nái tilteknum kristöllunarstöðum í vaxtarklefanum.

Til að koma í veg fyrir óreglulega gasfasa kristöllun sem myndar fjölkristallað kísillkarbíð eru kísillkarbíðfrækristallar settir efst í vaxtarhólfið. Undir áhrifum ofmettunar í gasfasa munu gasfasaþættirnir setjast á yfirborð frækristallsins og mynda einkristalla úr kísillkarbíði. Allt viðbragðsferlið fer fram í lokuðu vaxtarhólfi þar sem allir þættir viðbragðskerfisins eru tengdir hver við annan. Allar sveiflur í vaxtarskilyrðum munu hafa áhrif á stöðugleika einkristallavaxtar.

Að auki leiðir mismunandi þéttpakkaðar byggingar kísilkarbíðs einkristalla hvað varðar kristalstefnu þeirra til ýmissa atómtenginga og bindingaraðferða, sem mynda þannig meira en 200 kristalform af kísilkarbíðísómerum. Orkubreytingarhindrunin milli mismunandi kristalforma er afar lítil, þannig að kristalformbreyting er mjög líkleg til að eiga sér stað í PVT einkristallavaxtarkerfinu, sem leiðir til óreglulegra markkristallaforma og ýmissa kristöllunargalla. Þess vegna er nauðsynlegt að nota sérstakan skoðunarbúnað til að greina kristalformið og ýmsa galla í kristalstönginni.

Undirbúningsferlið fyrir kísilkarbíð hefur afar miklar kröfur, aðallega birtast þær í eftirfarandi þáttum:

• Í myndunarferli kísildufts eru mörg óhreinindi í umhverfinu, sem gerir það erfitt að fá duft með mikilli hreinleika. Ófullkomin efnahvörf milli kísildufts og kolefnisdufts sem uppsprettu efnahvarfsins geta valdið ójafnvægi í Si/C hlutfallinu. Kristallaform og agnastærð kísildufts eftir myndun er erfitt að stjórna.
• Við háan hita yfir 2300°C og nálægt lofttæmi gengst kísillkarbíð undir „fast-gas-fast“ umbreytingar- og endurkristöllunarferli í lokuðu grafítklefa. Þetta ferli hefur langan vaxtarhring, er erfitt að stjórna og er viðkvæmt fyrir göllum eins og örpíplum og innfellingum.
• Kísilkarbíð inniheldur yfir 200 mismunandi kristalform, en framleiðsla krefst venjulega aðeins eins kristalforms. Í vaxtarferlinu er hætta á að kristalformið breytist, sem leiðir til marglaga innfellingargalla. Í undirbúningsferlinu er erfitt að stjórna einni tiltekinni kristalformi stöðugt og orkubreytingarhindrunin milli mismunandi kristalforma er afar lág, sem eykur erfiðleika við stjórnun. Stýring á breytum og tengdar rannsóknir á þessu tímabili krefjast mikils rannsóknar- og þróunarkostnaðar, sem er einnig ein af ástæðunum fyrir háum kostnaði við aðlögunarhæft kísilkarbíð.