นับตั้งแต่การค้นพบ ซิลิคอนคาร์ไบด์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง ซิลิคอนคาร์ไบด์ประกอบด้วยอะตอม Si ครึ่งหนึ่งและอะตอม C ครึ่งหนึ่ง ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ผ่านคู่ของอิเล็กตรอนที่ใช้ไฮบริดออร์บิทัล sp3 ร่วมกัน ในหน่วยโครงสร้างพื้นฐานของผลึกเดี่ยว อะตอม Si สี่อะตอมเรียงตัวกันในโครงสร้างทรงสี่หน้าปกติ และอะตอม C อยู่ที่ศูนย์กลางของทรงสี่หน้าปกติ ในทางกลับกัน อะตอม Si ก็สามารถถือได้ว่าเป็นศูนย์กลางของทรงสี่หน้าเช่นกัน จึงเกิดเป็นโครงสร้างทรงสี่หน้า SiC4 หรือ CSi4 พันธะโควาเลนต์ใน SiC เป็นพันธะไอออนิกสูง และพลังงานพันธะซิลิคอน-คาร์บอนสูงมาก ประมาณ 4.47 eV เนื่องจากพลังงานความผิดพลาดในการเรียงซ้อนต่ำ ผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์จึงสามารถสร้างโพลีไทป์ต่างๆ ได้ง่ายในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต มีโพลีไทป์ที่รู้จักมากกว่า 200 ชนิด ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ ลูกบาศก์ หกเหลี่ยม และสามเหลี่ยม
ในปัจจุบัน วิธีการหลักในการปลูกผลึก SiC ได้แก่ วิธีการถ่ายเทไอทางกายภาพ (PVT method), การตกตะกอนไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD method), วิธีการในเฟสของเหลว เป็นต้น ในบรรดาวิธีเหล่านี้ วิธี PVT เป็นวิธีที่พัฒนาแล้วและเหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมจำนวนมาก
วิธีการที่เรียกว่า PVT นั้นหมายถึงการวางผลึก SiC ต้นแบบไว้ด้านบนของเบ้าหลอม และวางผง SiC เป็นวัตถุดิบไว้ด้านล่างของเบ้าหลอม ในสภาพแวดล้อมปิดที่มีอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ ผง SiC จะระเหิดและเคลื่อนตัวขึ้นไปด้านบนภายใต้แรงของความแตกต่างของอุณหภูมิและความเข้มข้น โดยจะถูกลำเลียงไปยังบริเวณใกล้เคียงกับผลึกต้นแบบ แล้วจึงตกผลึกใหม่หลังจากถึงสภาวะอิ่มตัวยิ่งยวด วิธีนี้สามารถควบคุมการเจริญเติบโตของผลึก SiC ที่มีขนาดและรูปร่างเฉพาะได้
อย่างไรก็ตาม การใช้วิธี PVT ในการปลูกผลึก SiC จำเป็นต้องรักษาเงื่อนไขการเจริญเติบโตที่เหมาะสมตลอดกระบวนการเจริญเติบโตในระยะยาว มิเช่นนั้นจะทำให้เกิดความผิดปกติของโครงสร้างผลึก ส่งผลต่อคุณภาพของผลึก แต่เนื่องจากการเจริญเติบโตของผลึก SiC เกิดขึ้นในพื้นที่ปิด จึงมีวิธีการตรวจสอบที่มีประสิทธิภาพน้อยและมีตัวแปรหลายอย่าง ทำให้การควบคุมกระบวนการทำได้ยาก
ในกระบวนการปลูกผลึก SiC ด้วยวิธี PVT นั้น โหมดการเติบโตแบบไหลตามขั้นบันได (Step Flow Growth) ถือเป็นกลไกหลักสำหรับการเติบโตอย่างเสถียรของผลึกเดี่ยว
อะตอม Si และอะตอม C ที่ระเหยกลายเป็นไอจะจับตัวกับอะตอมบนพื้นผิวผลึกบริเวณจุดหักงอเป็นพิเศษ ซึ่งจะทำให้เกิดการก่อตัวและเจริญเติบโต ส่งผลให้แต่ละขั้นไหลไปข้างหน้าในแนวขนาน เมื่อความกว้างของขั้นบนพื้นผิวผลึกเกินระยะทางอิสระในการแพร่กระจายของอะตอม อะตอมจำนวนมากอาจรวมตัวกัน และรูปแบบการเจริญเติบโตแบบเกาะสองมิติที่เกิดขึ้นจะทำลายรูปแบบการเจริญเติบโตแบบไหลตามขั้น ส่งผลให้สูญเสียข้อมูลโครงสร้างผลึก 4H และเกิดข้อบกพร่องหลายประการ ดังนั้น การปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการจึงต้องควบคุมโครงสร้างขั้นบนพื้นผิว เพื่อยับยั้งการเกิดข้อบกพร่องหลายรูปแบบ บรรลุวัตถุประสงค์ในการได้ผลึกรูปแบบเดียว และท้ายที่สุดคือการเตรียมผลึกคุณภาพสูง
วิธีการขนส่งไอระเหยทางกายภาพ (Physical Vapor Transport หรือ HTCVD) เป็นวิธีการปลูกผลึก SiC ที่พัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรก และปัจจุบันเป็นวิธีการปลูกผลึก SiC ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด เมื่อเทียบกับวิธีการอื่นๆ วิธีนี้มีข้อกำหนดด้านอุปกรณ์การปลูกผลึกที่ต่ำกว่า กระบวนการปลูกผลึกที่ง่าย ความสามารถในการควบคุมสูง การวิจัยและพัฒนาที่ค่อนข้างละเอียด และได้มีการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมแล้ว ข้อดีของวิธีการ HTCVD คือสามารถปลูกเวเฟอร์นำไฟฟ้า (n, p) และเวเฟอร์กึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูงได้ และสามารถควบคุมความเข้มข้นของการเจือปนเพื่อให้ความเข้มข้นของตัวนำในเวเฟอร์สามารถปรับได้ระหว่าง 3×10¹³ ถึง 5×10¹⁹/cm³ ข้อเสียคือมีเกณฑ์ทางเทคนิคสูงและส่วนแบ่งการตลาดต่ำ เนื่องจากเทคโนโลยีการปลูกผลึก SiC ในเฟสของเหลวยังคงพัฒนาต่อไป จึงแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยิ่งใหญ่ในการพัฒนาอุตสาหกรรม SiC ทั้งหมดในอนาคต และมีแนวโน้มที่จะเป็นจุดเปลี่ยนใหม่ในการปลูกผลึก SiC
วันที่เผยแพร่: 16 เมษายน 2567