Принцип метода PVT (поддержание температуры и времени) выращивания кристаллов карбида кремния (SiC).

Метод PVT, полное название которого — Физическая транспортировка паров, является распространенным методом выращивания карбида кремния.SiCПроцесс сублимации карбида кремния происходит при высокой температуре и высоком давлении. Основной принцип заключается в нагреве порошка карбида кремния до сублимации при температуре выше 2300℃ и в условиях низкого давления, близких к вакууму, с образованием реакционного газа, содержащего газообразные компоненты, такие как Si, Si2C и SiC2. Из-за различий в парциальном давлении газовых компонентов Si и C, образующихся в результате твердофазной реакции сублимации, стехиометрическое соотношение Si/C изменяется в зависимости от распределения теплового поля. Поэтому необходимо контролировать распределение и транспорт газообразных компонентов, чтобы обеспечить их попадание в определенные точки кристаллизации в камере роста.

Для предотвращения образования поликристаллического карбида кремния в результате неупорядоченной газофазной кристаллизации, затравочные кристаллы карбида кремния размещаются в верхней части камеры роста. Под действием пересыщения газовой фазы компоненты газовой фазы осаждаются на поверхности затравочного кристалла, образуя монокристаллы карбида кремния. Весь процесс реакции происходит в закрытой камере роста, где все параметры реакционной системы взаимосвязаны. Любые колебания условий роста повлияют на стабильность роста монокристаллов.

Кроме того, различные плотноупакованные структуры монокристаллов карбида кремния с точки зрения их кристаллической ориентации приводят к различным способам соединения и связывания атомов, образуя таким образом более 200 кристаллических форм изомеров карбида кремния. Энергетический барьер преобразования между различными кристаллическими формами чрезвычайно низок, поэтому в системе выращивания монокристаллов методом PVT весьма вероятна трансформация кристаллических форм, что приводит к неупорядоченности целевых кристаллических форм и различным дефектам кристаллизации. Следовательно, необходимо использовать специальное контрольное оборудование для обнаружения кристаллической формы и различных дефектов кристаллического слитка.

Процесс получения карбида кремния предъявляет чрезвычайно высокие требования, которые проявляются главным образом в следующих аспектах:

• В процессе синтеза порошка карбида кремния присутствует множество примесей из окружающей среды, что затрудняет получение порошка высокой чистоты. Неполная реакция между порошком кремния и порошком углерода, используемым в качестве источника реакции, может привести к дисбалансу в соотношении Si/C. Кристаллическую форму и размер частиц порошка карбида кремния после синтеза трудно контролировать.
• В условиях высоких температур выше 2300℃ и вблизи вакуума карбид кремния претерпевает процесс «твердое тело-газ-твердое тело» и перекристаллизацию в закрытой графитовой камере. Этот процесс имеет длительный цикл роста, трудно поддается контролю и склонен к образованию дефектов, таких как микротрубочки и включения.
• Карбид кремния включает более 200 различных кристаллических форм, но для его производства обычно требуется только одна. В процессе роста происходит трансформация кристаллических форм, что приводит к образованию дефектов в виде включений различных типов. В процессе получения трудно стабильно контролировать одну конкретную кристаллическую форму, а энергетический барьер преобразования между различными кристаллическими формами чрезвычайно низок, что еще больше усложняет контроль. Контроль параметров и связанные с этим исследования в этот период требуют огромных затрат на НИОКР, что также является одной из причин высокой стоимости податливого карбида кремния.