Considerații cheie pentru prepararea monocristalului de carbură de siliciu de înaltă calitate

Principalele metode de preparare a monocristalelor de siliciu includ: Transportul fizic de vapori (PVT), Creșterea în soluție la suprafață (TSSG) și Depunerea chimică de vapori la temperatură înaltă (HT-CVD). Printre acestea, metoda PVT este adoptată pe scară largă în producția industrială datorită echipamentului simplu, ușurinței de control și costurilor reduse de echipament și operare.

Puncte tehnice cheie pentru creșterea PVT a cristalelor de carbură de siliciu

La creșterea cristalelor de carbură de siliciu folosind metoda de transport fizic al vaporilor (PVT), trebuie luate în considerare următoarele aspecte tehnice:

1. Puritatea materialelor grafitice în camera de creștere: Conținutul de impurități din componentele grafitice trebuie să fie sub 5×10⁻⁶, în timp ce conținutul de impurități din pâsla izolatoare trebuie să fie sub 10×10⁻⁶. Elementele precum B și Al trebuie menținute sub 0,1×10⁻⁶.
2. Selectarea corectă a polarității cristalului de însămânțare: Studiile empirice arată că fața C (0001) este potrivită pentru creșterea cristalelor 4H-SiC, în timp ce fața Si (0001) este utilizată pentru creșterea cristalelor 6H-SiC.
3. Utilizarea cristalelor de însămânțare în afara axei: Cristalele de însămânțare în afara axei pot modifica simetria creșterii cristalului, reducând defectele din cristal.
4. Proces de legare a cristalelor de semințe de înaltă calitate.
5. Menținerea stabilității interfeței de creștere a cristalului în timpul ciclului de creștere.

Tehnologii cheie pentru creșterea cristalelor de carbură de siliciu

1. Tehnologie de dopare pentru pulberea de carbură de siliciu
   Doparea pulberii de carbură de siliciu cu o cantitate adecvată de Ce poate stabiliza creșterea monocristalelor de 4H-SiC. Rezultatele practice arată că doparea cu Ce poate:

• Crește rata de creștere a cristalelor de carbură de siliciu.
• Controlează orientarea creșterii cristalelor, făcând-o mai uniformă și regulată.
• Suprimă formarea impurităților, reducând defectele și facilitând producerea de cristale monocristaline și de înaltă calitate.
• Inhibă coroziunea din spate a cristalului și îmbunătățește randamentul monocristalului.

• Tehnologie de control al gradientului de temperatură axial și radial
  Gradientul axial de temperatură afectează în principal tipul și eficiența creșterii cristalului. Un gradient de temperatură excesiv de mic poate duce la formarea policristalinelor și poate reduce ratele de creștere. Gradienții de temperatură axiali și radiali adecvați facilitează creșterea rapidă a cristalelor de SiC, menținând în același timp o calitate stabilă a cristalului.
• Tehnologie de control al dislocației planului bazal (BPD)
  Defectele BPD apar în principal atunci când tensiunea de forfecare din cristal depășește tensiunea critică de forfecare a SiC, activând sistemele de alunecare. Deoarece BPD-urile sunt perpendiculare pe direcția de creștere a cristalului, ele se formează în principal în timpul creșterii și răcirii cristalului.
• Tehnologie de ajustare a raportului compoziției fazei de vapori
  Creșterea raportului carbon-siliciu în mediul de creștere este o măsură eficientă pentru stabilizarea creșterii monocristalului. Un raport carbon-siliciu mai mare reduce gruparea în trepte mari, păstrează informațiile de creștere la suprafața cristalului de însămânțare și suprimă formarea politipurilor.
• Tehnologie de control al stresului redus
  Stresul în timpul creșterii cristalului poate provoca îndoirea planurilor cristaline, ducând la o calitate slabă a cristalului sau chiar la fisurare. Stresul ridicat crește, de asemenea, dislocațiile planului bazal, ceea ce poate afecta negativ calitatea stratului epitaxial și performanța dispozitivului.

Imagine de scanare a plachetei SiC de 6 inci

Metode de reducere a stresului în cristale:

• Ajustați distribuția câmpului de temperatură și parametrii procesului pentru a permite creșterea aproape de echilibru a monocristalelor de SiC.
• Optimizați structura creuzetului pentru a permite creșterea liberă a cristalelor cu constrângeri minime.
• Modificați tehnicile de fixare a cristalului de însămânțare pentru a reduce neconcordanța de dilatare termică dintre cristalul de însămânțare și suportul de grafit. O abordare comună este de a lăsa un spațiu de 2 mm între cristalul de însămânțare și suportul de grafit.
• Îmbunătățiți procesele de recoacere prin implementarea recoacerii in situ în cuptor, ajustând temperatura și durata recoacerii pentru a elibera complet tensiunea internă.

Tendințe viitoare în tehnologia de creștere a cristalelor de carbură de siliciu

Privind în perspectivă, tehnologia de preparare a monocristalelor SiC de înaltă calitate se va dezvolta în următoarele direcții:

1. Creștere la scară largă
   Diametrul monocristalelor de carbură de siliciu a evoluat de la câțiva milimetri la dimensiuni de 6 inci, 8 inci și chiar mai mari, de 12 inci. Cristalele de SiC cu diametru mare îmbunătățesc eficiența producției, reduc costurile și îndeplinesc cerințele dispozitivelor de mare putere.
2. Creștere de înaltă calitate
   Monocristalele de SiC de înaltă calitate sunt esențiale pentru dispozitivele de înaltă performanță. Deși s-au înregistrat progrese semnificative, încă există defecte precum microțevi, dislocații și impurități, care afectează performanța și fiabilitatea dispozitivelor.
3. Reducerea costurilor
   Costul ridicat al preparării cristalelor de SiC limitează aplicarea sa în anumite domenii. Optimizarea proceselor de creștere, îmbunătățirea eficienței producției și reducerea costurilor materiilor prime pot contribui la reducerea cheltuielilor de producție.
4. Creștere inteligentă
   Odată cu progresele înregistrate în domeniul inteligenței artificiale și al big data, tehnologia de creștere a cristalelor SiC va adopta din ce în ce mai mult soluții inteligente. Monitorizarea și controlul în timp real, utilizând senzori și sisteme automate, vor spori stabilitatea și controlabilitatea procesului. În plus, analiza big data poate optimiza parametrii de creștere, îmbunătățind calitatea cristalelor și eficiența producției.

Tehnologia de preparare a monocristalelor de carbură de siliciu de înaltă calitate este un obiectiv cheie în cercetarea materialelor semiconductoare. Pe măsură ce tehnologia avansează, tehnicile de creștere a cristalelor de SiC vor continua să evolueze, oferind o bază solidă pentru aplicații în domenii de temperatură înaltă, frecvență înaltă și putere mare.