ตั้งแต่มีการค้นพบ ซิลิกอนคาร์ไบด์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง ซิลิกอนคาร์ไบด์ประกอบด้วยอะตอม Si ครึ่งหนึ่งและอะตอม C ครึ่งหนึ่ง ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ผ่านคู่อิเล็กตรอนที่ใช้วงโคจรไฮบริด sp3 ร่วมกัน ในหน่วยโครงสร้างพื้นฐานของผลึกเดี่ยว อะตอม Si สี่อะตอมถูกจัดเรียงในโครงสร้างเตตระฮีดรอลปกติ และอะตอม C ตั้งอยู่ที่จุดศูนย์กลางของเตตระฮีดรอลปกติ ในทางกลับกัน อะตอม Si ยังสามารถถือได้ว่าเป็นศูนย์กลางของเตตระฮีดรอล จึงก่อตัวเป็น SiC4 หรือ CSi4 โครงสร้างเตตระฮีดรอล พันธะโควาเลนต์ใน SiC เป็นไอออนิกสูง และพลังงานพันธะซิลิกอน-คาร์บอนสูงมาก ประมาณ 4.47eV เนื่องมาจากพลังงานความผิดพลาดในการเรียงซ้อนต่ำ ผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์จึงสร้างโพลีไทป์ต่างๆ ได้ง่ายในระหว่างกระบวนการเติบโต มีโพลีไทป์ที่รู้จักมากกว่า 200 โพลีไทป์ ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่ ลูกบาศก์ หกเหลี่ยม และสามเหลี่ยม
ปัจจุบัน วิธีการเจริญเติบโตหลักของผลึก SiC ได้แก่ วิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (วิธี PVT), การสะสมไอทางเคมีที่อุณหภูมิสูง (วิธี HTCVD), วิธีเฟสของเหลว เป็นต้น ในบรรดาวิธีเหล่านี้ วิธี PVT ถือว่ามีความสมบูรณ์มากกว่าและเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตจำนวนมากในอุตสาหกรรม
วิธีการที่เรียกว่า PVT หมายถึงการวางผลึกเมล็ด SiC ไว้ด้านบนของเบ้าหลอม และวางผง SiC เป็นวัตถุดิบที่ด้านล่างของเบ้าหลอม ในสภาพแวดล้อมปิดที่มีอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ ผง SiC จะระเหิดและเคลื่อนตัวขึ้นด้านบนภายใต้การกระทำของการไล่ระดับอุณหภูมิและความแตกต่างของความเข้มข้น วิธีการขนส่งไปยังบริเวณใกล้เคียงของผลึกเมล็ด จากนั้นจึงตกผลึกใหม่หลังจากถึงสถานะอิ่มตัวเกิน วิธีการนี้สามารถบรรลุการเติบโตที่ควบคุมได้ของขนาดผลึก SiC และรูปแบบผลึกเฉพาะ
อย่างไรก็ตาม การใช้กรรมวิธี PVT ในการปลูกผลึก SiC จำเป็นต้องรักษาสภาพการเจริญเติบโตที่เหมาะสมตลอดกระบวนการเติบโตในระยะยาว มิฉะนั้น จะทำให้เกิดความผิดปกติของโครงตาข่าย ส่งผลให้คุณภาพของผลึกได้รับผลกระทบ อย่างไรก็ตาม การปลูกผลึก SiC เสร็จสิ้นในพื้นที่ปิด มีวิธีการตรวจสอบที่มีประสิทธิผลเพียงไม่กี่วิธีและมีตัวแปรมากมาย ดังนั้นการควบคุมกระบวนการจึงทำได้ยาก
ในกระบวนการปลูกผลึก SiC โดยวิธี PVT โหมดการเจริญเติบโตแบบขั้นบันได (Step Flow Growth) ถือเป็นกลไกหลักในการเจริญเติบโตที่เสถียรของรูปแบบผลึกเดี่ยว
อะตอม Si ที่ระเหยและอะตอม C จะจับกับอะตอมบนพื้นผิวของผลึกที่จุดหักเหเป็นหลัก ซึ่งอะตอมจะรวมตัวกันและเติบโต ทำให้แต่ละขั้นตอนไหลไปข้างหน้าแบบขนานกัน เมื่อความกว้างของขั้นตอนบนพื้นผิวของผลึกเกินเส้นทางการแพร่ของอะตอมมาก อะตอมจำนวนมากอาจรวมตัวกัน และรูปแบบการเติบโตแบบเกาะสองมิติที่เกิดขึ้นจะทำลายรูปแบบการเติบโตแบบขั้นตอน ส่งผลให้สูญเสียข้อมูลโครงสร้างผลึก 4H ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องหลายประการ ดังนั้น การปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการจะต้องบรรลุการควบคุมโครงสร้างขั้นตอนบนพื้นผิว จึงระงับการเกิดข้อบกพร่องแบบโพลีมอร์ฟิก บรรลุวัตถุประสงค์ในการได้ผลึกรูปแบบเดียว และสุดท้ายคือการเตรียมผลึกคุณภาพสูง
เนื่องจากเป็นวิธีการเจริญเติบโตของผลึก SiC ที่ได้รับการพัฒนาเร็วที่สุด วิธีการขนส่งไอทางกายภาพจึงเป็นวิธีการเติบโตที่เป็นกระแสหลักที่สุดในปัจจุบันสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก SiC เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการอื่นๆ วิธีนี้มีข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์การเจริญเติบโตที่ต่ำกว่า กระบวนการเจริญเติบโตที่เรียบง่าย การควบคุมที่แข็งแกร่ง การวิจัยพัฒนาที่ค่อนข้างละเอียดถี่ถ้วน และได้บรรลุการใช้งานในอุตสาหกรรมแล้ว ข้อดีของวิธี HTCVD คือสามารถเจริญเติบโตบนเวเฟอร์กึ่งฉนวนที่มีสภาพเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (n, p) และมีความบริสุทธิ์สูง และสามารถควบคุมความเข้มข้นของการเจือปนสารเพื่อให้สามารถปรับความเข้มข้นของตัวพาในเวเฟอร์ได้ระหว่าง 3×1013~5×1019/cm3 ข้อเสียคือมีขีดจำกัดทางเทคนิคสูงและส่วนแบ่งการตลาดต่ำ เมื่อเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึก SiC ในเฟสของเหลวยังคงเติบโตต่อไป เทคโนโลยีนี้จะแสดงศักยภาพที่ยิ่งใหญ่ในการพัฒนาอุตสาหกรรม SiC ทั้งหมดในอนาคต และมีแนวโน้มที่จะเป็นจุดเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในการเจริญเติบโตของผลึก SiC
เวลาโพสต์ : 16 เม.ย. 2567