Bahan silikon karbida memiliki keunggulan seperti celah pita yang lebar, kekuatan medan tembus yang tinggi, mobilitas pembawa yang cepat, dan konduktivitas termal yang tinggi. Dua jenis produk-semi-isolasi dan konduktif-dapat memenuhi kebutuhan manufaktur perangkat RF dan perangkat elektronik daya, dan banyak digunakan dalam komunikasi 5G, elektronik radar, kendaraan energi baru, penyimpanan energi, dan bidang lainnya, yang berkaitan dengan keamanan pertahanan nasional dan pembangunan ekonomi. Sebagai bahan strategis, substrat silikon karbida dengan kemampuan pengendalian yang mandiri merupakan kunci untuk memastikan terlaksananya rantai industri utama nasional dan tugas-tugas utama, dan juga merupakan inti dari menjaga pembangunan ekonomi nasional.
Bubuk silikon karbida merupakan bahan baku utama untuk menumbuhkan substrat silikon karbida. Saat ini, industri ini terutama mengadopsi metode pengangkutan uap fisik (PVT) untuk mensintesis bubuk silikon karbida menjadi ingot kristal tunggal silikon karbida, dan kemudian melalui pembulatan, pemotongan, penggilingan, pemolesan, dan pembersihan, memperoleh substrat kristal tunggal silikon karbida dengan kekasaran permukaan kurang dari 0,1 nm. Serbuk silikon karbida dibagi menurut penggunaannya menjadi-bubuk silikon karbida dengan kemurnian tinggi dan bubuk silikon karbida yang didoping nitrogen-. Bubuk silikon karbida dengan kemurnian-tinggi terutama digunakan untuk memproduksi substrat silikon karbida semi-isolasi. Substrat semi-isolasi memiliki resistivitas yang relatif tinggi dan terutama digunakan untuk memproduksi perangkat RF gelombang mikro, yang berfungsi sebagai komponen dasar dalam bidang komunikasi nirkabel. Serbuk silikon karbida yang didoping nitrogen terutama digunakan untuk memproduksi substrat silikon karbida konduktif. Substrat konduktif memiliki resistivitas yang relatif rendah. Wafer epitaksi silikon karbida yang ditumbuhkan dari substrat silikon karbida konduktif selanjutnya dapat digunakan untuk membuat perangkat listrik, dan banyak digunakan dalam kendaraan energi baru, fotovoltaik, jaringan pintar, angkutan kereta api, dan bidang lainnya.
Serbuk silikon karbida umumnya diproduksi dengan mereaksikan bubuk karbon dan bubuk silikon dengan perbandingan 1:1 pada suhu tinggi 2000 derajat untuk membentuk bubuk silikon karbida. Tingkat cacat selama pertumbuhan ingot silikon karbida sangat bergantung pada bubuk silikon karbida. Oleh karena itu, bubuk silikon karbida mempunyai pengaruh penting terhadap kualitas kristal dan substrat, termasuk ukuran partikel, pengotor, bentuk kristal bubuk, dan kandungan nitrogen pada bubuk silikon karbida. Diantaranya, ukuran partikel mempengaruhi laju dan kualitas kristalisasi, dan kandungan unsur pengotor mempunyai dampak penting pada sifat listrik silikon karbida.
01
Pengaruh Ukuran Partikel Serbuk pada Kristal
Ukuran partikel bubuk silikon karbida secara langsung memengaruhi rasio molar komponen silikon terhadap komponen karbon dalam fase gas, sehingga memengaruhi pertumbuhan-kristal tunggal. Tekanan total dan rasio-silikon-karbon dari sistem pertumbuhan meningkat seiring dengan berkurangnya ukuran partikel. Ketika ukuran partikel berkurang dari 2–3 mm menjadi 0,06 mm, rasio silikon-terhadap-karbon meningkat dari 1,3 menjadi 4,0. Ketika partikel menjadi kecil sampai batas tertentu, tekanan parsial Si meningkat, membentuk film Si pada permukaan kristal yang sedang tumbuh, menginduksi pertumbuhan uap-cairan-padat, mempengaruhi politipe kristal, cacat titik, dan cacat garis, serta mempengaruhi kontrol kualitas kristal.
Selain itu, jika ukuran partikel serbuk silikon karbida relatif kecil, maka serbuk tersebut terurai relatif cepat sehingga menyebabkan laju pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida menjadi terlalu cepat. Di satu sisi, dalam-lingkungan bersuhu tinggi dari pertumbuhan kristal-tunggal SiC, proses sintesis dan dekomposisi berlangsung secara bersamaan. Serbuk silikon karbida akan terurai dan membentuk fase gas seperti Si, Si2C, dan SiC2 serta karbon fase-padat, sehingga menghasilkan karbonisasi yang relatif parah pada bubuk polikristalin dan membentuk inklusi karbon dalam kristal. Sebaliknya, ketika laju dekomposisi serbuk relatif cepat, struktur kristal kristal tunggal SiC yang tumbuh rentan terhadap perubahan, sehingga sulit untuk mengontrol kualitas kristal tunggal SiC yang tumbuh.
02
Pengaruh Pengotor pada Kristal
Kandungan pengotor dalam bubuk silikon karbida mempengaruhi nukleasi spontan selama pertumbuhan kristal. Semakin tinggi kandungan pengotornya, semakin rendah kemungkinan terjadinya nukleasi kristal secara spontan. Pengotor logam utama meliputi B, Al, V, dan Ni. Selain itu, B dan Al merupakan pengotor akseptor tingkat dangkal utama dalam SiC, menyebabkan penurunan resistivitas silikon karbida. Pengotor logam lainnya menimbulkan berbagai tingkat energi, menyebabkan sifat listrik kristal tunggal silikon karbida pada suhu tinggi menjadi tidak stabil, dan mempunyai dampak yang relatif besar terhadap sifat listrik, terutama resistivitas, substrat kristal tunggal-semi-isolasi-kemurnian tinggi.
03
Pengaruh Bentuk Kristal Serbuk pada Kristal
Pertumbuhan PVT kristal tunggal SiC merupakan proses{0}}sublimasi rekristalisasi yang dilakukan pada suhu tinggi. Bentuk kristal bahan baku SiC mempunyai pengaruh penting terhadap pertumbuhan kristal. Selama sintesis bubuk, terutama dihasilkan fase sintesis suhu-rendah dengan struktur sel satuan kubik (-SiC) dan fase sintesis suhu-tinggi dengan struktur sel satuan heksagonal (-SiC) yang dihasilkan. Silikon karbida memiliki banyak bentuk kristal, dan rentang kendali suhu relatif sempit. Misalnya, 3C-SiC akan berubah menjadi politipe silikon karbida heksagonal, yaitu 4H/6H-SiC, di atas 1900 derajat .
Selama pertumbuhan-kristal tunggal, ketika bubuk -SiC digunakan untuk menumbuhkan kristal, rasio molar silikon-terhadap-karbon lebih besar dari 5,5, sedangkan ketika bubuk -SiC digunakan untuk menumbuhkan kristal, rasio molar silikon-terhadap-karbon adalah 1,2. Ketika suhu naik, terjadi transformasi fasa di dalam wadah. Pada saat ini, rasio molar dalam fase gas menjadi lebih besar, sehingga tidak menguntungkan bagi pertumbuhan kristal. Selain itu, selama proses transformasi fasa, pengotor fase gas lainnya mudah dihasilkan, termasuk karbon, silikon, silikon dioksida, dll. Kehadiran pengotor ini menyebabkan cacat seperti pipa mikro dan rongga berkembang biak di dalam kristal. Oleh karena itu, bentuk kristal bubuk harus dikontrol secara tepat.
04
Pengaruh Kandungan Nitrogen dalam Bubuk pada Kristal
Tingkat kandungan nitrogen menentukan resistivitas-substrat kristal tunggal. Produsen besar perlu menyesuaikan konsentrasi doping nitrogen dalam bubuk yang disintesis sesuai dengan proses pertumbuhan kristal matang selama sintesis bubuk. Substrat kristal-semi-isolasi silikon karbida tunggal-kemurnian tinggi adalah bahan yang paling menjanjikan untuk komponen elektronik inti militer. Untuk menumbuhkan substrat kristal-semi-isolasi tunggal-kemurnian tinggi dengan resistivitas tinggi dan sifat listrik yang sangat baik, kandungan nitrogen pengotor utama dalam substrat harus dikontrol pada tingkat yang relatif rendah. Substrat kristal tunggal yang konduktif memerlukan kandungan nitrogen yang harus dikontrol pada konsentrasi yang relatif tinggi.