सिलिकॉन कार्बाइडची रचना आणि वाढ तंत्रज्ञान (Ⅰ)

प्रथम, SiC क्रिस्टलची रचना आणि गुणधर्म.

SiC हे एक बायनरी कंपाऊंड आहे जे Si घटक आणि C घटकांनी 1:1 गुणोत्तरामध्ये बनवले आहे, म्हणजेच 50% सिलिकॉन (Si) आणि 50% कार्बन (C), आणि त्याचे मूलभूत संरचनात्मक एकक SI-C टेट्राहेड्रॉन आहे.

सिलिकॉन कार्बाइड टेट्राहेड्रॉन संरचनेचे योजनाबद्ध आकृती

 उदाहरणार्थ, Si अणूंचा व्यास मोठा असतो, सफरचंदाच्या बरोबरीचा, आणि C अणू व्यासाने लहान, संत्र्याइतका असतो, आणि एक SiC क्रिस्टल तयार करण्यासाठी समान संख्येने संत्री आणि सफरचंद एकत्र केले जातात.

SiC एक बायनरी कंपाऊंड आहे, ज्यामध्ये Si-Si बाँड अणू अंतर 3.89 A आहे, हे अंतर कसे समजून घ्यावे?सध्या, बाजारातील सर्वात उत्कृष्ट लिथोग्राफी मशीनची लिथोग्राफी अचूकता 3nm आहे, जे 30A अंतर आहे आणि लिथोग्राफी अचूकता अणु अंतराच्या 8 पट आहे.

Si-Si बाँड एनर्जी 310 kJ/mol आहे, त्यामुळे तुम्ही हे समजू शकता की बाँड एनर्जी ही अशी शक्ती आहे जी या दोन अणूंना खेचते आणि बॉण्ड एनर्जी जितकी जास्त असेल तितकी जास्त शक्ती तुम्हाला वेगळे करण्यासाठी आवश्यक असते.

 उदाहरणार्थ, Si अणूंचा व्यास मोठा असतो, सफरचंदाच्या बरोबरीचा, आणि C अणू व्यासाने लहान, संत्र्याइतका असतो, आणि एक SiC क्रिस्टल तयार करण्यासाठी समान संख्येने संत्री आणि सफरचंद एकत्र केले जातात.

SiC एक बायनरी कंपाऊंड आहे, ज्यामध्ये Si-Si बाँड अणू अंतर 3.89 A आहे, हे अंतर कसे समजून घ्यावे?सध्या, बाजारातील सर्वात उत्कृष्ट लिथोग्राफी मशीनची लिथोग्राफी अचूकता 3nm आहे, जे 30A अंतर आहे आणि लिथोग्राफी अचूकता अणु अंतराच्या 8 पट आहे.

Si-Si बाँड एनर्जी 310 kJ/mol आहे, त्यामुळे तुम्ही हे समजू शकता की बाँड एनर्जी ही अशी शक्ती आहे जी या दोन अणूंना खेचते आणि बॉण्ड एनर्जी जितकी जास्त असेल तितकी जास्त शक्ती तुम्हाला वेगळे करण्यासाठी आवश्यक असते.

सिलिकॉन कार्बाइड टेट्राहेड्रॉन संरचनेचे योजनाबद्ध आकृती

 उदाहरणार्थ, Si अणूंचा व्यास मोठा असतो, सफरचंदाच्या बरोबरीचा, आणि C अणू व्यासाने लहान, संत्र्याइतका असतो, आणि एक SiC क्रिस्टल तयार करण्यासाठी समान संख्येने संत्री आणि सफरचंद एकत्र केले जातात.

SiC एक बायनरी कंपाऊंड आहे, ज्यामध्ये Si-Si बाँड अणू अंतर 3.89 A आहे, हे अंतर कसे समजून घ्यावे?सध्या, बाजारातील सर्वात उत्कृष्ट लिथोग्राफी मशीनची लिथोग्राफी अचूकता 3nm आहे, जे 30A अंतर आहे आणि लिथोग्राफी अचूकता अणु अंतराच्या 8 पट आहे.

Si-Si बाँड एनर्जी 310 kJ/mol आहे, त्यामुळे तुम्ही हे समजू शकता की बाँड एनर्जी ही अशी शक्ती आहे जी या दोन अणूंना खेचते आणि बॉण्ड एनर्जी जितकी जास्त असेल तितकी जास्त शक्ती तुम्हाला वेगळे करण्यासाठी आवश्यक असते.

 उदाहरणार्थ, Si अणूंचा व्यास मोठा असतो, सफरचंदाच्या बरोबरीचा, आणि C अणू व्यासाने लहान, संत्र्याइतका असतो, आणि एक SiC क्रिस्टल तयार करण्यासाठी समान संख्येने संत्री आणि सफरचंद एकत्र केले जातात.

SiC एक बायनरी कंपाऊंड आहे, ज्यामध्ये Si-Si बाँड अणू अंतर 3.89 A आहे, हे अंतर कसे समजून घ्यावे?सध्या, बाजारातील सर्वात उत्कृष्ट लिथोग्राफी मशीनची लिथोग्राफी अचूकता 3nm आहे, जे 30A अंतर आहे आणि लिथोग्राफी अचूकता अणु अंतराच्या 8 पट आहे.

Si-Si बाँड एनर्जी 310 kJ/mol आहे, त्यामुळे तुम्ही हे समजू शकता की बाँड एनर्जी ही अशी शक्ती आहे जी या दोन अणूंना खेचते आणि बॉण्ड एनर्जी जितकी जास्त असेल तितकी जास्त शक्ती तुम्हाला वेगळे करण्यासाठी आवश्यक असते.

आपल्याला माहित आहे की प्रत्येक पदार्थ अणूंनी बनलेला असतो आणि क्रिस्टलची रचना ही अणूंची एक नियमित व्यवस्था असते, ज्याला खालीलप्रमाणे दीर्घ-श्रेणी क्रम म्हणतात.सर्वात लहान क्रिस्टल युनिटला सेल म्हणतात, जर सेल क्यूबिक स्ट्रक्चर असेल तर त्याला क्लोज-पॅक्ड क्यूबिक म्हणतात आणि सेल ही षटकोनी रचना आहे, त्याला क्लोज-पॅक षटकोनी म्हणतात.

सामान्य SiC क्रिस्टल प्रकारांमध्ये 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC इत्यादींचा समावेश होतो. c अक्षाच्या दिशेने त्यांचा स्टॅकिंग क्रम आकृतीमध्ये दर्शविला आहे.

 

त्यापैकी, 4H-SiC चा मूळ स्टॅकिंग क्रम ABCB आहे... ;6H-SiC चा मूळ स्टॅकिंग क्रम ABCACB आहे... ;15R-SiC चा मूळ स्टॅकिंग क्रम ABCACBCCABACABCB... आहे.

 

हे घर बांधण्यासाठी एक वीट म्हणून पाहिले जाऊ शकते, काही घराच्या विटांना त्या ठेवण्याचे तीन मार्ग आहेत, काहींना चार मार्ग आहेत, काहींना सहा मार्ग आहेत.
या सामान्य SiC क्रिस्टल प्रकारांचे मूलभूत सेल पॅरामीटर्स टेबलमध्ये दर्शविले आहेत:

a, b, c आणि कोनांचा अर्थ काय?SiC सेमीकंडक्टरमधील सर्वात लहान युनिट सेलची रचना खालीलप्रमाणे वर्णन केली आहे:

त्याच सेलच्या बाबतीत, क्रिस्टल स्ट्रक्चर देखील भिन्न असेल, हे असे आहे की आपण लॉटरी खरेदी करतो, विजयी संख्या 1, 2, 3 आहे, आपण 1, 2, 3 तीन क्रमांक खरेदी केले आहेत, परंतु जर क्रमांक क्रमवारी लावला असेल तर वेगळ्या पद्धतीने, जिंकण्याची रक्कम भिन्न आहे, म्हणून समान क्रिस्टलची संख्या आणि क्रम, समान क्रिस्टल म्हटले जाऊ शकते.
खालील आकृती दोन ठराविक स्टॅकिंग मोड दर्शविते, फक्त वरच्या अणूंच्या स्टॅकिंग मोडमध्ये फरक आहे, क्रिस्टल रचना वेगळी आहे.

SiC द्वारे तयार केलेली क्रिस्टल रचना तापमानाशी जोरदारपणे संबंधित आहे.1900 ~ 2000 ℃ उच्च तापमानाच्या कृती अंतर्गत, 3C-SiC हे त्याच्या खराब संरचनात्मक स्थिरतेमुळे हळूहळू षटकोनी SiC पॉलीफॉर्म जसे की 6H-SiC मध्ये रूपांतरित होईल.हे तंतोतंत आहे कारण SiC पॉलीमॉर्फ्स तयार होण्याची संभाव्यता आणि तापमान आणि 3C-SiC ची अस्थिरता यांच्यातील मजबूत परस्परसंबंधामुळे, 3C-SiC चा वाढीचा दर सुधारणे कठीण आहे आणि तयारी करणे कठीण आहे.4H-SiC आणि 6H-SiC ची षटकोनी प्रणाली सर्वात सामान्य आणि तयार करणे सोपे आहे आणि त्यांच्या स्वतःच्या वैशिष्ट्यांमुळे मोठ्या प्रमाणावर अभ्यास केला जातो.

 SiC क्रिस्टलमधील SI-C बाँडची बॉण्ड लांबी केवळ 1.89A आहे, परंतु बंधनकारक ऊर्जा 4.53eV इतकी जास्त आहे.त्यामुळे, बाँडिंग स्टेट आणि अँटी-बॉन्डिंग स्टेटमधील ऊर्जा पातळीतील अंतर खूप मोठे आहे आणि एक विस्तृत बँड अंतर तयार होऊ शकते, जे Si आणि GaAs च्या कित्येक पट आहे.उच्च बँड गॅप रुंदीचा अर्थ असा आहे की उच्च-तापमान क्रिस्टल संरचना स्थिर आहे.संबंधित पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स उच्च तापमानात स्थिर ऑपरेशनची वैशिष्ट्ये आणि सरलीकृत उष्णता अपव्यय संरचना ओळखू शकतात.

Si-C बाँडच्या घट्ट बांधणीमुळे जाळीला उच्च कंपन वारंवारता असते, म्हणजेच उच्च उर्जा फोनॉन, याचा अर्थ असा की SiC क्रिस्टलमध्ये उच्च संतृप्त इलेक्ट्रॉन गतिशीलता आणि थर्मल चालकता असते आणि संबंधित पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये असते. उच्च स्विचिंग गती आणि विश्वासार्हता, ज्यामुळे डिव्हाइसच्या अतितापमान अपयशाचा धोका कमी होतो.याव्यतिरिक्त, SiC ची उच्च ब्रेकडाउन फील्ड ताकद त्याला उच्च डोपिंग सांद्रता प्राप्त करण्यास आणि कमी ऑन-प्रतिरोधकता प्राप्त करण्यास अनुमती देते.

 दुसरे, SiC क्रिस्टल विकासाचा इतिहास

 1905 मध्ये, डॉ. हेन्री मॉइसन यांनी विवरात एक नैसर्गिक SiC क्रिस्टल शोधून काढला, जो त्यांना हिऱ्यासारखा आढळला आणि त्याला मोसान हिरा असे नाव दिले.

 खरेतर, 1885 च्या सुरुवातीला, अचेसनने सिलिकामध्ये कोक मिसळून आणि इलेक्ट्रिक भट्टीत गरम करून SiC मिळवले.त्या वेळी, लोकांनी त्याला हिऱ्यांचे मिश्रण समजले आणि त्याला एमरी म्हटले.

 1892 मध्ये, अचेसनने संश्लेषण प्रक्रियेत सुधारणा केली, त्याने क्वार्ट्ज वाळू, कोक, थोड्या प्रमाणात लाकूड चिप्स आणि NaCl मिसळले आणि ते इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेसमध्ये 2700℃ पर्यंत गरम केले आणि यशस्वीरित्या खवले असलेले SiC क्रिस्टल्स मिळवले.SiC क्रिस्टल्सचे संश्लेषण करण्याची ही पद्धत Acheson पद्धत म्हणून ओळखली जाते आणि अजूनही उद्योगात SiC abrasives तयार करण्याची मुख्य पद्धत आहे.सिंथेटिक कच्च्या मालाची कमी शुद्धता आणि खडबडीत संश्लेषण प्रक्रियेमुळे, Acheson पद्धत अधिक SiC अशुद्धता, खराब क्रिस्टल अखंडता आणि लहान क्रिस्टल व्यास तयार करते, जे मोठ्या-आकाराच्या, उच्च-शुद्धतेसाठी आणि उच्च-शुद्धतेसाठी सेमीकंडक्टर उद्योगाच्या आवश्यकता पूर्ण करणे कठीण आहे. -गुणवत्तेचे क्रिस्टल्स, आणि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे तयार करण्यासाठी वापरले जाऊ शकत नाहीत.

 फिलिप्स प्रयोगशाळेच्या लेलीने 1955 मध्ये SiC सिंगल क्रिस्टल्स वाढवण्यासाठी एक नवीन पद्धत प्रस्तावित केली. या पद्धतीमध्ये, ग्रेफाइट क्रुसिबलचा वापर वाढीचा पोत म्हणून केला जातो, SiC पावडर क्रिस्टलचा वापर SiC क्रिस्टल वाढवण्यासाठी कच्चा माल म्हणून केला जातो आणि सच्छिद्र ग्रेफाइटचा वापर अलग करण्यासाठी केला जातो. वाढत्या कच्च्या मालाच्या मध्यभागी एक पोकळ क्षेत्र.वाढताना, ग्रेफाइट क्रुसिबल Ar किंवा H2 च्या वातावरणाखाली 2500℃ पर्यंत गरम केले जाते, आणि परिधीय SiC पावडर उदात्तीकरण होते आणि Si आणि C बाष्प फेज पदार्थांमध्ये विघटित होते, आणि SiC क्रिस्टल गॅस नंतर मधल्या पोकळ प्रदेशात उगवले जाते. प्रवाह सच्छिद्र ग्रेफाइटद्वारे प्रसारित केला जातो.

तिसरे, SiC क्रिस्टल वाढ तंत्रज्ञान

SiC ची एकल क्रिस्टल वाढ त्याच्या स्वतःच्या वैशिष्ट्यांमुळे कठीण आहे.हे मुख्यतः या वस्तुस्थितीमुळे आहे की वातावरणाच्या दाबावर Si: C = 1:1 च्या स्टोइचियोमेट्रिक गुणोत्तरासह कोणताही द्रव टप्पा नाही आणि सेमीकंडक्टरच्या सध्याच्या मुख्य प्रवाहातील वाढ प्रक्रियेद्वारे वापरल्या जाणाऱ्या अधिक परिपक्व वाढ पद्धतींद्वारे ते वाढू शकत नाही. उद्योग - cZ पद्धत, फॉलिंग क्रूसिबल पद्धत आणि इतर पद्धती.सैद्धांतिक गणनेनुसार, जेव्हा दाब 10E5atm पेक्षा जास्त असेल आणि तापमान 3200℃ पेक्षा जास्त असेल तेव्हाच Si: C = 1:1 सोल्यूशनचे stoichiometric गुणोत्तर मिळवता येते.या समस्येवर मात करण्यासाठी, शास्त्रज्ञांनी उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता, मोठा आकार आणि स्वस्त SiC क्रिस्टल्स मिळविण्यासाठी विविध पद्धती प्रस्तावित करण्यासाठी अविरत प्रयत्न केले आहेत.सध्या पीव्हीटी पद्धत, लिक्विड फेज पद्धत आणि उच्च तापमान बाष्प रासायनिक जमा करण्याची पद्धत या मुख्य पद्धती आहेत.