Kluczowe zagadnienia dotyczące przygotowania wysokiej jakości monokryształu węglika krzemu

Główne metody otrzymywania monokryształów krzemu obejmują: fizyczny transport z fazy gazowej (PVT), wzrost z zaszczepianiem wierzchołków w roztworze (TSSG) oraz wysokotemperaturowe chemiczne osadzanie z fazy gazowej (HT-CVD). Spośród nich metoda PVT jest powszechnie stosowana w produkcji przemysłowej ze względu na prostotę sprzętu, łatwość sterowania oraz niskie koszty sprzętu i eksploatacji.

Kluczowe kwestie techniczne dotyczące wzrostu kryształów węglika krzemu metodą PVT

Przy hodowli kryształów węglika krzemu metodą transportu pary fizycznej (PVT) należy wziąć pod uwagę następujące aspekty techniczne:

1. Czystość materiałów grafitowych w komorze wzrostu: Zawartość zanieczyszczeń w komponentach grafitowych musi być mniejsza niż 5×10⁻⁶, natomiast zawartość zanieczyszczeń w filcu izolacyjnym musi być mniejsza niż 10×10⁻⁶. Pierwiastki takie jak B i Al powinny być utrzymywane poniżej 0,1×10⁻⁶.
2. Prawidłowy wybór polaryzacji kryształu zaszczepiającego: Badania empiryczne wykazują, że powierzchnia C (0001) nadaje się do hodowli kryształów 4H-SiC, natomiast powierzchnia Si (0001) jest wykorzystywana do hodowli kryształów 6H-SiC.
3. Zastosowanie kryształów zarodkowych poza osią: Kryształy zarodkowe poza osią mogą zmienić symetrię wzrostu kryształu, redukując w ten sposób defekty w krysztale.
4. Wysokiej jakości proces wiązania kryształów zarodkowych.
5. Utrzymywanie stabilności interfejsu wzrostu kryształu w trakcie cyklu wzrostu.

Kluczowe technologie wzrostu kryształów węglika krzemu

1. Technologia domieszkowania proszku węglika krzemu
   Domieszkowanie proszku węglika krzemu odpowiednią ilością Ce może stabilizować wzrost monokryształów 4H-SiC. Wyniki praktyczne pokazują, że domieszkowanie Ce może:

• Zwiększenie szybkości wzrostu kryształów węglika krzemu.
• Kontroluj orientację wzrostu kryształów, dzięki czemu będą one bardziej jednolite i regularne.
• Ogranicza powstawanie zanieczyszczeń, zmniejsza wady i ułatwia produkcję monokryształów i kryształów wysokiej jakości.
• Zapobiega korozji tylnej części kryształu i zwiększa wydajność monokryształu.

• Technologia kontroli gradientu temperatury osiowej i promieniowej
  Osiowy gradient temperatury wpływa przede wszystkim na rodzaj i wydajność wzrostu kryształów. Zbyt mały gradient temperatury może prowadzić do tworzenia się struktur polikrystalicznych i zmniejszenia tempa wzrostu. Prawidłowe osiowe i promieniowe gradienty temperatury ułatwiają szybki wzrost kryształów SiC przy jednoczesnym zachowaniu stabilnej jakości kryształów.
• Technologia kontroli zwichnięć płaszczyzny podstawowej (BPD)
  Defekty BPD powstają głównie wtedy, gdy naprężenie ścinające w krysztale przekracza krytyczne naprężenie ścinające SiC, aktywując układy poślizgowe. Ponieważ BPD są prostopadłe do kierunku wzrostu kryształu, powstają głównie podczas wzrostu i chłodzenia kryształu.
• Technologia regulacji stosunku składu fazy gazowej
  Zwiększenie stosunku węgla do krzemu w środowisku wzrostu jest skutecznym sposobem stabilizacji wzrostu monokryształów. Wyższy stosunek węgla do krzemu redukuje powstawanie dużych skupisk, zachowuje informacje o wzroście powierzchni kryształu zarodkowego i zapobiega powstawaniu politypów.
• Technologia kontroli niskiego stresu
  Naprężenia występujące podczas wzrostu kryształów mogą powodować wyginanie płaszczyzn kryształu, co prowadzi do jego niskiej jakości, a nawet pękania. Wysokie naprężenia zwiększają również dyslokacje płaszczyzny bazowej, co może negatywnie wpływać na jakość warstwy epitaksjalnej i wydajność urządzenia.

Obraz skanowania płytki SiC o średnicy 6 cali

Metody redukcji naprężeń w kryształach:

• Dostosuj rozkład pola temperatur i parametry procesu, aby umożliwić wzrost monokryształów SiC zbliżony do stanu równowagi.
• Zoptymalizuj strukturę tygla, aby umożliwić swobodny wzrost kryształów przy minimalnych ograniczeniach.
• Zmodyfikuj techniki mocowania kryształu zarodkowego, aby zmniejszyć niedopasowanie rozszerzalności cieplnej między kryształem zarodkowym a oprawką grafitową. Powszechnym podejściem jest pozostawienie 2 mm odstępu między kryształem zarodkowym a oprawką grafitową.
• Udoskonal procesy wyżarzania poprzez wdrożenie wyżarzania w piecu in-situ, dostosowanie temperatury i czasu wyżarzania w celu całkowitego uwolnienia naprężeń wewnętrznych.

Przyszłe trendy w technologii wzrostu kryształów węglika krzemu

Patrząc w przyszłość, technologia przygotowywania wysokiej jakości monokryształów SiC będzie rozwijać się w następujących kierunkach:

1. Wzrost na dużą skalę
   Średnica monokryształów węglika krzemu wzrosła z kilku milimetrów do 6, 8, a nawet 12 cali. Kryształy SiC o dużej średnicy zwiększają wydajność produkcji, obniżają koszty i spełniają wymagania urządzeń dużej mocy.
2. Wysokiej jakości wzrost
   Wysokiej jakości monokryształy SiC są niezbędne do produkcji urządzeń o wysokiej wydajności. Pomimo znacznego postępu, defekty takie jak mikrorurki, dyslokacje i zanieczyszczenia nadal występują, wpływając na wydajność i niezawodność urządzeń.
3. Redukcja kosztów
   Wysoki koszt przygotowania kryształów SiC ogranicza jego zastosowanie w niektórych dziedzinach. Optymalizacja procesów wzrostu, poprawa wydajności produkcji i obniżenie kosztów surowców mogą pomóc obniżyć koszty produkcji.
4. Inteligentny wzrost
   Dzięki postępowi w dziedzinie sztucznej inteligencji i dużych zbiorów danych, technologia wzrostu kryształów SiC będzie w coraz większym stopniu wykorzystywać inteligentne rozwiązania. Monitorowanie i sterowanie w czasie rzeczywistym za pomocą czujników i systemów automatycznych poprawi stabilność i sterowalność procesu. Ponadto, analiza dużych zbiorów danych może optymalizować parametry wzrostu, poprawiając jakość kryształów i wydajność produkcji.

Wysokiej jakości technologia przygotowania monokryształów węglika krzemu jest kluczowym obszarem badań nad materiałami półprzewodnikowymi. Wraz z postępem technologii, techniki wzrostu kryształów SiC będą się rozwijać, zapewniając solidną podstawę dla zastosowań w wysokich temperaturach, częstotliwościach i w obszarach o dużej mocy.