ดังแสดงในรูปที่ 3 มีเทคนิคหลักสามวิธีที่มุ่งเน้นการผลิตผลึกเดี่ยว SiC ที่มีคุณภาพและประสิทธิภาพสูง ได้แก่ การปลูกผลึกด้วยกระบวนการเอพิแท็กซีในเฟสของเหลว (LPE) การขนส่งไอระเหยทางกายภาพ (PVT) และการตกตะกอนไอระเหยทางเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD) PVT เป็นกระบวนการที่ได้รับการยอมรับอย่างดีในการผลิตผลึกเดี่ยว SiC ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในผู้ผลิตเวเฟอร์รายใหญ่
อย่างไรก็ตาม กระบวนการทั้งสามกำลังพัฒนาและสร้างสรรค์นวัตกรรมอย่างรวดเร็ว ยังไม่สามารถยืนยันได้ว่ากระบวนการใดจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีรายงานเกี่ยวกับการผลิตผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงโดยการเติบโตจากสารละลายในอัตราที่สูงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเติบโตของ SiC ในปริมาณมากในเฟสของเหลวต้องใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่ากระบวนการระเหิดหรือการตกตะกอน และแสดงให้เห็นถึงความเป็นเลิศในการผลิตพื้นผิว SiC ชนิด P (ตารางที่ 3) [33, 34]
รูปที่ 3: แผนภาพแสดงเทคนิคการปลูกผลึกเดี่ยว SiC ที่สำคัญสามวิธี: (a) การปลูกผลึกแบบเฟสของเหลว; (b) การขนส่งไอระเหยทางกายภาพ; (c) การตกตะกอนไอระเหยทางเคมีที่อุณหภูมิสูง
ตารางที่ 3: การเปรียบเทียบ LPE, PVT และ HTCVD สำหรับการปลูกผลึกเดี่ยว SiC [33, 34]
การเติบโตของสารละลายเป็นเทคโนโลยีมาตรฐานสำหรับการเตรียมสารกึ่งตัวนำแบบผสม [36] นับตั้งแต่ทศวรรษ 1960 นักวิจัยได้พยายามพัฒนาผลึกในสารละลาย [37] เมื่อเทคโนโลยีได้รับการพัฒนาแล้ว ความอิ่มตัวยิ่งยวดของพื้นผิวการเติบโตสามารถควบคุมได้ดี ซึ่งทำให้วิธีการสารละลายเป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มที่ดีสำหรับการได้รับแท่งผลึกเดี่ยวคุณภาพสูง
สำหรับการเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC จากสารละลาย แหล่งกำเนิด Si มาจาก Si หลอมเหลวที่มีความบริสุทธิ์สูง ในขณะที่เบ้าหลอมกราไฟต์ทำหน้าที่สองอย่างคือ เป็นตัวให้ความร้อนและเป็นแหล่งของสารละลาย C ผลึกเดี่ยว SiC มีแนวโน้มที่จะเติบโตได้ดีกว่าภายใต้อัตราส่วนทางเคมีที่เหมาะสม เมื่ออัตราส่วนของ C และ Si ใกล้เคียงกับ 1 ซึ่งบ่งชี้ถึงความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่ต่ำกว่า [28] อย่างไรก็ตาม ที่ความดันบรรยากาศ SiC ไม่มีจุดหลอมเหลวและสลายตัวโดยตรงผ่านการระเหยที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 2,000 °C สารละลาย SiC ตามความคาดหวังทางทฤษฎี สามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะที่รุนแรงเท่านั้น ดังที่เห็นได้จากแผนภาพเฟสไบนารี Si-C (รูปที่ 4) ที่ความดัน 109 Pa และอุณหภูมิสูงกว่า 3,200 °C ยิ่ง C ใน Si หลอมเหลวมีความอิ่มตัวยิ่งยวดมากเท่าใด อัตราการเติบโตก็จะยิ่งเร็วขึ้น ในขณะที่ C ต่ำจะมีความอิ่มตัวยิ่งยวดมากขึ้น การอิ่มตัวยิ่งยวดสามารถสร้างพื้นผิวที่เรียบได้ [22, 36-38] ที่อุณหภูมิระหว่าง 1,400 ถึง 2,800 °C ความสามารถในการละลายของ C ใน Si ที่หลอมเหลวจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 1 at.% ถึง 13 at.% แรงผลักดันของการเติบโตคือการอิ่มตัวยิ่งยวดของ C ซึ่งถูกครอบงำโดยการไล่ระดับอุณหภูมิและระบบการละลาย ยิ่งการอิ่มตัวยิ่งยวดของ C สูงเท่าใด อัตราการเติบโตก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น ในขณะที่การอิ่มตัวยิ่งยวดของ C ต่ำจะสร้างพื้นผิวที่เรียบ [22, 36-38]
รูปที่ 4: แผนภาพเฟสไบนารี Si-C [40]
การเติมธาตุโลหะทรานซิชันหรือธาตุหายากไม่เพียงแต่ช่วยลดอุณหภูมิการเติบโตได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ดูเหมือนจะเป็นวิธีเดียวที่จะปรับปรุงความสามารถในการละลายของคาร์บอนในซิลิคอนหลอมเหลวได้อย่างมาก การเติมโลหะกลุ่มทรานซิชัน เช่น Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] เป็นต้น หรือโลหะหายาก เช่น Ce [81], Y [82], Sc เป็นต้น ลงในซิลิคอนหลอมเหลวทำให้ความสามารถในการละลายของคาร์บอนเกิน 50 at.% ในสภาวะที่ใกล้เคียงกับสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ยิ่งไปกว่านั้น เทคนิค LPE ยังเหมาะสมสำหรับการเติมสารเจือปนแบบ P-type ใน SiC ซึ่งสามารถทำได้โดยการผสม Al เข้าไปใน
ตัวทำละลาย [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83] อย่างไรก็ตาม การรวม Al เข้าไปทำให้ความต้านทานของผลึกเดี่ยว SiC ชนิด P เพิ่มขึ้น [49, 56] นอกเหนือจากการเติบโตแบบ N-type ภายใต้การเติมไนโตรเจน
โดยทั่วไปการเติบโตของสารละลายจะเกิดขึ้นในบรรยากาศก๊าซเฉื่อย แม้ว่าฮีเลียม (He) จะมีราคาแพงกว่าอาร์กอน แต่นักวิชาการหลายคนนิยมใช้เนื่องจากมีความหนืดต่ำกว่าและมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า (8 เท่าของอาร์กอน) [85] อัตราการเคลื่อนที่และปริมาณ Cr ใน 4H-SiC มีความคล้ายคลึงกันภายใต้บรรยากาศ He และ Ar และพิสูจน์ได้ว่าการเติบโตภายใต้ He ส่งผลให้อัตราการเติบโตสูงกว่าการเติบโตภายใต้ Ar เนื่องจากมีการระบายความร้อนของตัวยึดเมล็ดที่มากกว่า [68] He ขัดขวางการก่อตัวของช่องว่างภายในผลึกที่เติบโตและการเกิดนิวเคลียสโดยธรรมชาติในสารละลาย ดังนั้นจึงสามารถได้พื้นผิวที่เรียบเนียน [86]
บทความนี้ได้นำเสนอการพัฒนา การใช้งาน และคุณสมบัติของอุปกรณ์ SiC รวมถึงวิธีการหลักสามวิธีในการปลูกผลึกเดี่ยว SiC ในส่วนต่อไปนี้ จะมีการทบทวนเทคนิคการปลูกผลึกด้วยสารละลายในปัจจุบันและพารามิเตอร์สำคัญที่เกี่ยวข้อง สุดท้ายนี้ ได้มีการนำเสนอภาพรวมที่กล่าวถึงความท้าทายและงานในอนาคตเกี่ยวกับการปลูกผลึกเดี่ยว SiC ในปริมาณมากด้วยวิธีการใช้สารละลาย
วันที่เผยแพร่: 1 กรกฎาคม 2567