Principen för PVT-metoden för kristalltillväxt av kiselkarbid (SiC)

PVT-metoden, vars fullständiga namn är fysisk ångtransport, är en vanlig metod för att odla kiselkarbid (Sic)kristaller under hög temperatur och högt tryck. Dess grundprincip är att värma kiselkarbidpulver till sublimering vid en temperatur över 2300 ℃ och i en lågtrycksmiljö nära vakuum, vilket bildar en reaktionsgas som innehåller gasformiga komponenter såsom Si, Si2C och SiC2. På grund av de olika gasfaspartialtrycken för Si- och C-komponenterna som bildas genom fastfassublimeringsreaktionen varierar det stökiometriska Si/C-förhållandet med den termiska fältfördelningen. Därför är det nödvändigt att kontrollera distributionen och transporten av gasfaskomponenterna för att säkerställa att de når de specifika kristallisationspositionerna i tillväxtkammaren.

För att förhindra att oordnad gasfaskristallisation bildar polykristallin kiselkarbid, placeras kiselkarbidfrökristaller högst upp i tillväxtkammaren. På grund av övermättnad i gasfas kommer gasfaskomponenterna att avsättas på ytan av frökristallen för att bilda enkristaller av kiselkarbid. Hela reaktionsprocessen sker i en sluten tillväxtkammare, där alla parametrar i reaktionssystemet är kopplade till varandra. Eventuella fluktuationer i tillväxtförhållandena kommer att påverka stabiliteten hos enkristalltillväxten.

Dessutom leder de olika tätt packade strukturerna hos kiselkarbid-enkristaller vad gäller deras kristallorientering till olika atomära kopplings- och bindningsmetoder, vilket bildar mer än 200 kristallformer av kiselkarbidisomerer. Energiomvandlingsbarriären mellan olika kristallformer är extremt låg, så kristallformstransformation är mycket sannolikt att inträffa i PVT-enkristalltillväxtsystemet, vilket resulterar i oordnade målkristallformer och olika kristallisationsdefekter. Därför är det nödvändigt att använda dedikerad inspektionsutrustning för att detektera kristallformen och olika defekter i kristallgötet.

Framställningsprocessen för kiselkarbid har extremt höga krav, främst i följande aspekter:

• Det finns många miljöföroreningar i syntesprocessen för kiselkarbidpulver, vilket gör det svårt att erhålla pulver med hög renhet. Den ofullständiga reaktionen mellan kiselpulver och kolpulver som reaktionskälla kan orsaka en obalans i Si/C-förhållandet. Kristallformen och partikelstorleken hos kiselkarbidpulver efter syntes är svåra att kontrollera.
• Under förhållanden med hög temperatur över 2300 ℃ och nära vakuum genomgår kiselkarbid en "fast-gas-fast"-omvandlings- och omkristallisationsprocess i en sluten grafitkammare. Denna process har en lång tillväxtcykel, är svår att kontrollera och är benägen för defekter som mikrotubuli och inneslutningar.
• Kiselkarbid innefattar över 200 olika kristallformer, men produktionen kräver vanligtvis bara en kristallform. Under tillväxtprocessen är kristallformstransformation benägen att inträffa, vilket resulterar i multitypinklusionsdefekter. Under beredningsprocessen är det svårt att stabilt kontrollera en enda specifik kristallform, och energiomvandlingsbarriären mellan olika kristallformer är extremt låg, vilket ökar svårigheten att kontrollera. Parameterkontroll och relaterad forskning under denna period kräver enorma FoU-kostnader, vilket också är en av anledningarna till den höga kostnaden för kompatibel kiselkarbid.