Prinsippet for PVT-metoden for silisiumkarbid (SiC) krystallvekst

PVT-metoden, hvis fulle navn er fysisk damptransport, er en vanlig metode for dyrking av silisiumkarbid (SiC)krystaller under høy temperatur og høyt trykk. Det grunnleggende prinsippet er å varme opp silisiumkarbidpulver til sublimering ved en temperatur over 2300 ℃ og i et lavtrykksmiljø nær vakuum, for å danne en reaksjonsgass som inneholder gassformige komponenter som Si, Si2C og SiC2. På grunn av de forskjellige gassfasepartialtrykkene til Si- og C-komponentene som dannes av fastfasesublimeringsreaksjonen, varierer det støkiometriske Si/C-forholdet med den termiske feltfordelingen. Derfor er det nødvendig å kontrollere fordelingen og transporten av gassfasekomponentene for å sikre at de når de spesifikke krystalliseringsposisjonene i vekstkammeret.

For å forhindre uordnet gassfasekrystallisering fra dannelse av polykrystallinsk silisiumkarbid, plasseres silisiumkarbidkimkrystaller øverst i vekstkammeret. Under påvirkning av gassfaseovermetning vil gassfasekomponentene avsettes på overflaten av kimkrystallen for å danne silisiumkarbid-enkeltkrystaller. Hele reaksjonsprosessen foregår i et lukket vekstkammer, hvor alle parametere i reaksjonssystemet er koblet til hverandre. Enhver svingning i vekstforholdene vil påvirke stabiliteten til enkeltkrystallveksten.

I tillegg fører de forskjellige tettpakkede strukturene til silisiumkarbid-enkeltkrystaller med tanke på krystallorientering til forskjellige atomforbindelses- og bindingsmetoder, og danner dermed mer enn 200 krystallformer av silisiumkarbid-isomerer. Energiomdannelsesbarrieren mellom forskjellige krystallformer er ekstremt lav, så krystallformtransformasjon er svært sannsynlig i PVT-enkeltkrystallvekstsystemet, noe som resulterer i uordnede målkrystallformer og forskjellige krystallisasjonsdefekter. Derfor er det nødvendig å bruke dedikert inspeksjonsutstyr for å oppdage krystallformen og forskjellige defekter i krystallbarren.

Fremstillingsprosessen for silisiumkarbid har ekstremt høye krav, hovedsakelig manifestert i følgende aspekter:

• Det er mange miljøforurensninger i synteseprosessen av silisiumkarbidpulver, noe som gjør det vanskelig å oppnå pulver med høy renhet. Den ufullstendige reaksjonen mellom silisiumpulver og karbonpulver som reaksjonskilde er utsatt for å forårsake en ubalanse i Si/C-forholdet. Krystallformen og partikkelstørrelsen til silisiumkarbidpulver etter syntese er vanskelig å kontrollere.
• Under forhold med høy temperatur over 2300 ℃ og nær vakuum gjennomgår silisiumkarbid en «faststoff-gass-faststoff»-transformasjons- og omkrystalliseringsprosess i et lukket grafittkammer. Denne prosessen har en lang vekstsyklus, er vanskelig å kontrollere og er utsatt for defekter som mikrotubuli og inneslutninger.
• Silisiumkarbid omfatter over 200 forskjellige krystallformer, men produksjonen krever vanligvis bare én krystallform. Under vekstprosessen er krystallformtransformasjon tilbøyelig til å forekomme, noe som resulterer i flertype-inklusjonsdefekter. Under fremstillingsprosessen er det vanskelig å stabilt kontrollere en enkelt spesifikk krystallform, og energiomdannelsesbarrieren mellom forskjellige krystallformer er ekstremt lav, noe som øker vanskeligheten med kontrollen. Parameterkontroll og relatert forskning i denne perioden krever enorme FoU-kostnader, noe som også er en av grunnene til de høye kostnadene for kompatibelt silisiumkarbid.