Principalele metode de creștere a monocristalelor de carbură 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 a devenit tehnica principală pentru producția industrială datorită configurării relativ simple a echipamentelor, ușurinței în operare și control și costurilor mai mici ale echipamentelor și operațiunilor.

---

Puncte tehnice cheie ale creșterii cristalelor de SiC folosind metoda PVT

Pentru a crește cristale de carbură de siliciu folosind metoda PVT, trebuie controlate cu atenție mai multe aspecte tehnice:

1. Puritatea materialelor grafit în câmpul termic
   Materialele din grafit utilizate în domeniul termic de creștere a cristalelor trebuie să îndeplinească cerințe stricte de puritate. Conținutul de impurități din componentele grafitului trebuie să fie sub 5×10⁻⁶, iar pentru pâslele izolatoare sub 10×10⁻⁶. Mai exact, conținutul de bor (B) și aluminiu (Al) trebuie să fie fiecare sub 0,1×10⁻⁶.

2. Polaritatea corectă a cristalului de însămânțare
   Datele empirice arată că fața C (0001) este potrivită pentru creșterea cristalelor de 4H-SiC, în timp ce fața Si (0001) este potrivită pentru creșterea cristalelor de 6H-SiC.

3. Utilizarea cristalelor de însămânțare în afara axei
   Semințele în afara axei pot modifica simetria creșterii, pot reduce defectele cristaline și pot promova o calitate mai bună a cristalelor.

4. Tehnica fiabilă de legare a cristalelor de însămânțare
   O legătura corectă dintre cristalul de însămânțare și suport este esențială pentru stabilitatea în timpul creșterii.

5. Menținerea stabilității interfeței de creștere
   Pe parcursul întregului ciclu de creștere a cristalului, interfața de creștere trebuie să rămână stabilă pentru a asigura o dezvoltare cristalină de înaltă calitate.

 

---

Tehnologii de bază în creșterea cristalelor de SiC

1. Tehnologie de dopare pentru pulberea de SiC

Doparea pulberii de SiC cu ceriu (Ce) poate stabiliza creșterea unui singur politip, cum ar fi 4H-SiC. Practica a arătat că doparea cu Ce poate:

• Creșterea ratei de creștere a cristalelor de SiC;

• Îmbunătățiți orientarea cristalului pentru o creștere mai uniformă și direcțională;

• Reduce impuritățile și defectele;

• Suprimă coroziunea din spate a cristalului;

• Creșterea ratei de randament al monocristalului.

2. Controlul gradienților termici axiali și radiali

Gradienții axiali de temperatură au impact asupra politipului cristalin și a ratei de creștere. Un gradient prea mic poate duce la incluziuni de politip și la transport redus de material în faza de vapori. Optimizarea atât a gradienților axiali, cât și a celor radiali este esențială pentru o creștere rapidă și stabilă a cristalelor, cu o calitate constantă.

3. Tehnologie de control al dislocației planului bazal (BPD)

Degradările densității brute (BPD) se formează în principal datorită depășirii pragului critic al tensiunii de forfecare în cristalele de SiC, activând sistemele de alunecare. Deoarece BPD-urile sunt perpendiculare pe direcția de creștere, ele apar de obicei în timpul creșterii și răcirii cristalului. Minimizarea tensiunii interne poate reduce semnificativ densitatea BPD-urilor.

4. Controlul raportului compoziției fazei de vapori

Creșterea raportului carbon-siliciu în faza de vapori este o metodă dovedită pentru promovarea creșterii unui singur politip. Un raport C/Si ridicat reduce gruparea macro-pașilor și păstrează moștenirea la suprafață de la cristalul de însămânțare, suprimând astfel formarea politipurilor nedorite.

5. Tehnici de creștere cu stres redus

Stresul în timpul creșterii cristalului poate duce la curbura planurilor rețelei, fisuri și densități BPD mai mari. Aceste defecte se pot propaga în straturile epitaxiale și pot avea un impact negativ asupra performanței dispozitivului.

Câteva strategii pentru reducerea stresului intern al cristalului includ:

• Ajustarea distribuției câmpului termic și a parametrilor procesului pentru a promova o creștere aproape de echilibru;

• Optimizarea designului creuzetului pentru a permite cristalului să crească liber fără constrângeri mecanice;

• Îmbunătățirea configurației suportului de semințe pentru a reduce neconcordanța de dilatare termică dintre sămânță și grafit în timpul încălzirii, adesea prin lăsarea unui spațiu de 2 mm între sămânță și suport;

• Rafinarea proceselor de recoacere, permițând cristalului să se răcească în cuptor și ajustarea temperaturii și a duratei pentru a elibera complet tensiunea internă.

---

Tendințe în tehnologia de creștere a cristalelor de SiC

1. Cristale de dimensiuni mai mari
Diametrele monocristalelor de SiC au crescut de la doar câțiva milimetri la napolitane de 6 inci, 8 inci și chiar 12 inci. Napolitanele mai mari sporesc eficiența producției și reduc costurile, satisfăcând în același timp cerințele aplicațiilor dispozitivelor de mare putere.

2. Calitate superioară a cristalelor
Cristalele de SiC de înaltă calitate sunt esențiale pentru dispozitivele de înaltă performanță. În ciuda îmbunătățirilor semnificative, cristalele actuale prezintă încă defecte precum microțevi, dislocații și impurități, toate acestea putând degrada performanța și fiabilitatea dispozitivelor.

3. Reducerea costurilor
Producția de cristale de SiC este încă relativ costisitoare, ceea ce limitează adoptarea pe scară largă. Reducerea costurilor prin procese de creștere optimizate, creșterea eficienței producției și costuri mai mici cu materiile prime este crucială pentru extinderea aplicațiilor de piață.

4. Fabricație inteligentă
Odată cu progresele înregistrate în domeniul inteligenței artificiale și al tehnologiilor de big data, creșterea cristalelor de SiC se îndreaptă către procese inteligente și automatizate. Senzorii și sistemele de control pot monitoriza și ajusta condițiile de creștere în timp real, îmbunătățind stabilitatea și predictibilitatea procesului. Analiza datelor poate optimiza în continuare parametrii procesului și calitatea cristalelor.

Dezvoltarea tehnologiei de creștere a monocristalelor SiC de înaltă calitate este un obiectiv major în cercetarea materialelor semiconductoare. Pe măsură ce tehnologia avansează, metodele de creștere a cristalelor vor continua să evolueze și să se îmbunătățească, oferind o bază solidă pentru aplicațiile SiC în dispozitive electronice la temperatură înaltă, frecvență înaltă și putere mare.