Główne metody hodowli monokryształów węglika krzemu obejmują fizyczny transport z fazy gazowej (PVT), hodowlę w roztworze z zaszczepianiem wierzchołków (TSSG) i osadzanie chemiczne z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (HT-CVD).

Metoda PVT stała się podstawową techniką wykorzystywaną w produkcji przemysłowej ze względu na stosunkowo prostą konfigurację sprzętu, łatwość obsługi i kontroli oraz niższe koszty sprzętu i eksploatacji.

---

Kluczowe kwestie techniczne wzrostu kryształów SiC metodą PVT

Aby wyhodować kryształy węglika krzemu metodą PVT, należy dokładnie kontrolować kilka aspektów technicznych:

1. Czystość materiałów grafitowych w polu termicznym
   Materiały grafitowe stosowane w termicznym polu wzrostu kryształów muszą spełniać rygorystyczne wymogi czystości. Zawartość zanieczyszczeń w komponentach grafitowych powinna być mniejsza niż 5×10⁻⁶, a w przypadku filców izolacyjnych – mniejsza niż 10×10⁻⁶. W szczególności zawartość boru (B) i glinu (Al) musi być mniejsza niż 0,1×10⁻⁶.

2. Prawidłowa biegunowość kryształu zasiewowego
   Dane empiryczne pokazują, że powierzchnia C (0001) nadaje się do hodowli kryształów 4H-SiC, natomiast powierzchnia Si (0001) jest odpowiednia do hodowli kryształów 6H-SiC.

3. Wykorzystanie kryształów zarodkowych poza osią
   Nasiona nieosiowe mogą zmienić symetrię wzrostu, zmniejszyć defekty kryształu i poprawić jego jakość.

4. Niezawodna technika wiązania kryształów nasion
   Właściwe połączenie kryształu zarodkowego z uchwytem jest niezbędne do zapewnienia stabilności podczas wzrostu.

5. Utrzymywanie stabilności interfejsu wzrostu
   Podczas całego cyklu wzrostu kryształu interfejs wzrostu musi pozostać stabilny, aby zagwarantować wysoką jakość rozwoju kryształów.

 

---

Podstawowe technologie wzrostu kryształów SiC

1. Technologia domieszkowania proszku SiC

Domieszkowanie proszku SiC cerem (Ce) może stabilizować wzrost pojedynczego politypu, takiego jak 4H-SiC. Praktyka pokazała, że domieszkowanie Ce może:

• Zwiększenie szybkości wzrostu kryształów SiC;

• Poprawa orientacji kryształów w celu uzyskania bardziej jednolitego i kierunkowego wzrostu;

• Zmniejszenie zanieczyszczeń i wad;

• Zapobiega korozji tylnej części kryształu;

• Zwiększenie wydajności pojedynczego kryształu.

2. Kontrola gradientów termicznych osiowych i promieniowych

Osiowe gradienty temperatury wpływają na polityp kryształu i tempo wzrostu. Zbyt mały gradient może prowadzić do powstawania inkluzji politypowych i ograniczenia transportu materiału w fazie gazowej. Optymalizacja zarówno gradientów osiowych, jak i promieniowych ma kluczowe znaczenie dla szybkiego i stabilnego wzrostu kryształów o stałej jakości.

3. Technologia kontroli zwichnięć płaszczyzny podstawowej (BPD)

BPD powstają głównie w wyniku przekroczenia przez naprężenie ścinające progu krytycznego w kryształach SiC, aktywując układy poślizgowe. Ponieważ BPD są prostopadłe do kierunku wzrostu kryształu, zazwyczaj powstają podczas wzrostu i chłodzenia. Minimalizacja naprężeń wewnętrznych może znacząco zmniejszyć gęstość BPD.

4. Kontrola stosunku składu fazy gazowej

Zwiększenie stosunku węgla do krzemu w fazie gazowej to sprawdzona metoda wspomagania wzrostu pojedynczych politypów. Wysoki stosunek C/Si redukuje powstawanie skupisk makrokroków i zachowuje dziedziczenie powierzchni z kryształu zarodkowego, co zapobiega powstawaniu niepożądanych politypów.

5. Techniki wzrostu o niskim poziomie stresu

Naprężenia występujące podczas wzrostu kryształów mogą prowadzić do zakrzywienia płaszczyzn sieci krystalicznej, pęknięć i wzrostu gęstości BPD. Defekty te mogą przenosić się na warstwy epitaksjalne i negatywnie wpływać na wydajność urządzenia.

Istnieje kilka strategii mających na celu redukcję wewnętrznego naprężenia kryształu:

• Dostosowanie rozkładu pola cieplnego i parametrów procesu w celu promowania wzrostu bliskiego równowadze;

• Optymalizacja konstrukcji tygla, aby umożliwić swobodny wzrost kryształu bez ograniczeń mechanicznych;

• Udoskonalenie konfiguracji uchwytu nasion w celu zmniejszenia niedopasowania rozszerzalności cieplnej między nasionem a grafitem podczas nagrzewania, często poprzez pozostawienie 2 mm szczeliny między nasionem a uchwytem;

• Udoskonalenie procesów wyżarzania, umożliwienie schłodzenia kryształu w piecu oraz dostosowanie temperatury i czasu trwania w celu całkowitego usunięcia naprężeń wewnętrznych.

---

Trendy w technologii wzrostu kryształów SiC

1. Większe rozmiary kryształów
Średnice monokryształów SiC wzrosły z zaledwie kilku milimetrów do 6-, 8-, a nawet 12-calowych płytek. Większe płytki zwiększają wydajność produkcji i obniżają koszty, jednocześnie spełniając wymagania urządzeń dużej mocy.

2. Wyższa jakość kryształu
Wysokiej jakości kryształy SiC są niezbędne dla urządzeń o wysokiej wydajności. Pomimo znacznych udoskonaleń, obecne kryształy nadal wykazują defekty, takie jak mikrorurki, dyslokacje i zanieczyszczenia, które mogą obniżać wydajność i niezawodność urządzenia.

3. Redukcja kosztów
Produkcja kryształów SiC jest nadal stosunkowo droga, co ogranicza ich szersze zastosowanie. Obniżenie kosztów poprzez optymalizację procesów wzrostu, zwiększenie wydajności produkcji i obniżenie kosztów surowców ma kluczowe znaczenie dla rozwoju zastosowań rynkowych.

4. Inteligentna produkcja
Dzięki postępowi w dziedzinie sztucznej inteligencji i technologii big data, wzrost kryształów SiC ewoluuje w kierunku inteligentnych, zautomatyzowanych procesów. Czujniki i systemy sterowania mogą monitorować i dostosowywać warunki wzrostu w czasie rzeczywistym, poprawiając stabilność i przewidywalność procesu. Analiza danych pozwala na dalszą optymalizację parametrów procesu i jakości kryształu.

Rozwój wysokiej jakości technologii wzrostu monokryształów SiC jest jednym z głównych celów badań nad materiałami półprzewodnikowymi. Wraz z postępem technologii, metody wzrostu kryształów będą się rozwijać i udoskonalać, zapewniając solidne podstawy dla zastosowań SiC w urządzeniach elektronicznych o wysokiej temperaturze, częstotliwości i dużej mocy.