Ključni dejavniki za pripravo visokokakovostnih monokristalov silicijevega karbida

Glavne metode za pripravo silicijevih monokristalov vključujejo: fizični transport pare (PVT), rast raztopine s površinskim kalcifikacijo (TSSG) in kemično nanašanje iz pare pri visokih temperaturah (HT-CVD). Med njimi je metoda PVT široko uporabljena v industrijski proizvodnji zaradi preproste opreme, enostavnega nadzora ter nizkih stroškov opreme in delovanja.

Ključne tehnične točke za PVT rast kristalov silicijevega karbida

Pri gojenju kristalov silicijevega karbida z metodo fizičnega transporta pare (PVT) je treba upoštevati naslednje tehnične vidike:

1. Čistost grafitnih materialov v rastni komori: Vsebnost nečistoč v grafitnih komponentah mora biti pod 5×10⁻⁶, medtem ko mora biti vsebnost nečistoč v izolacijskem filcu pod 10×10⁻⁶. Elementi, kot sta B in Al, morajo biti pod 0,1×10⁻⁶.
2. Pravilna izbira polarnosti kristalnega semena: Empirične študije kažejo, da je ploskev C (0001) primerna za rast kristalov 4H-SiC, medtem ko se ploskev Si (0001) uporablja za rast kristalov 6H-SiC.
3. Uporaba kristalov izven osi: Kristali izven osi lahko spremenijo simetrijo rasti kristalov in zmanjšajo napake v kristalu.
4. Visokokakovosten postopek vezave semenskih kristalov.
5. Ohranjanje stabilnosti vmesnika za rast kristalov med rastnim ciklom.

Ključne tehnologije za rast kristalov silicijevega karbida

1. Tehnologija dopiranja za prah silicijevega karbida
   Dopiranje prahu silicijevega karbida z ustrezno količino Ce lahko stabilizira rast monokristalov 4H-SiC. Praktični rezultati kažejo, da lahko dopiranje Ce:

• Povečajte hitrost rasti kristalov silicijevega karbida.
• Nadzorujte orientacijo rasti kristalov, da bo bolj enakomerna in pravilna.
• Zavira nastajanje nečistoč, zmanjšuje napake in olajša proizvodnjo monokristalov in visokokakovostnih kristalov.
• Zavira korozijo zadnje strani kristala in izboljša izkoristek monokristala.

• Tehnologija aksialnega in radialnega nadzora temperaturnega gradienta
  Aksialni temperaturni gradient vpliva predvsem na vrsto in učinkovitost rasti kristalov. Pretirano majhen temperaturni gradient lahko povzroči nastanek polikristalov in zmanjša hitrost rasti. Pravilni aksialni in radialni temperaturni gradienti omogočajo hitro rast kristalov SiC, hkrati pa ohranjajo stabilno kakovost kristalov.
• Tehnologija nadzora dislokacije bazalne ravnine (BPD)
  Napake BPD nastanejo predvsem, ko strižna napetost v kristalu preseže kritično strižno napetost SiC, kar aktivira drsne sisteme. Ker so BPD pravokotne na smer rasti kristala, nastanejo predvsem med rastjo in ohlajanjem kristala.
• Tehnologija prilagajanja razmerja sestave parne faze
  Povečanje razmerja med ogljikom in silicijem v rastnem okolju je učinkovit ukrep za stabilizacijo rasti monokristalov. Višje razmerje med ogljikom in silicijem zmanjša veliko stopničasto združevanje, ohrani informacije o rasti površine semenskih kristalov in zavira nastanek politipov.
• Tehnologija za nadzor nizkega stresa
  Napetost med rastjo kristalov lahko povzroči upogibanje kristalnih ravnin, kar vodi do slabe kakovosti kristalov ali celo do razpok. Visoka napetost poveča tudi dislokacije bazalnih ravnin, kar lahko negativno vpliva na kakovost epitaksialne plasti in delovanje naprave.

Slika skeniranja 6-palčne SiC rezine

Metode za zmanjšanje napetosti v kristalih:

• Prilagodite porazdelitev temperaturnega polja in procesne parametre, da omogočite skoraj ravnovesno rast monokristalov SiC.
• Optimizirajte strukturo lončka, da omogočite prosto rast kristalov z minimalnimi omejitvami.
• Spremenite tehnike fiksiranja kristalov, da zmanjšate neskladje toplotnega raztezanja med kristalom in grafitnim držalom. Običajen pristop je, da med kristalom in grafitnim držalom pustite 2 mm režo.
• Izboljšajte postopke žarjenja z izvajanjem žarjenja v peči na mestu samem, prilagajanjem temperature in trajanja žarjenja za popolno sprostitev notranjih napetosti.

Prihodnji trendi v tehnologiji rasti kristalov silicijevega karbida

V prihodnje se bo tehnologija priprave visokokakovostnih monokristalov SiC razvijala v naslednjih smereh:

1. Rast v velikem obsegu
   Premer monokristalov silicijevega karbida se je razvil od nekaj milimetrov do 6-palčnih, 8-palčnih in celo večjih 12-palčnih velikosti. Kristali SiC velikega premera izboljšujejo proizvodno učinkovitost, zmanjšujejo stroške in izpolnjujejo zahteve visokozmogljivih naprav.
2. Visokokakovostna rast
   Visokokakovostni monokristali SiC so bistveni za visokozmogljive naprave. Čeprav je bil dosežen pomemben napredek, še vedno obstajajo napake, kot so mikrocevke, dislokacije in nečistoče, ki vplivajo na delovanje in zanesljivost naprav.
3. Znižanje stroškov
   Visoki stroški priprave kristalov SiC omejujejo njegovo uporabo na določenih področjih. Optimizacija procesov rasti, izboljšanje učinkovitosti proizvodnje in zmanjšanje stroškov surovin lahko pomagajo znižati proizvodne stroške.
4. Inteligentna rast
   Z napredkom umetne inteligence in velikih podatkov bo tehnologija rasti kristalov SiC vse bolj uporabljala inteligentne rešitve. Spremljanje in nadzor v realnem času z uporabo senzorjev in avtomatiziranih sistemov bosta izboljšala stabilnost in nadzor procesa. Poleg tega lahko analitika velikih podatkov optimizira parametre rasti, s čimer se izboljša kakovost kristalov in učinkovitost proizvodnje.

Tehnologija priprave visokokakovostnih monokristalov silicijevega karbida je ključnega pomena pri raziskavah polprevodniških materialov. Z napredkom tehnologije se bodo tehnike rasti kristalov SiC še naprej razvijale, kar bo zagotovilo trdno podlago za uporabo na področjih visokih temperatur, visokih frekvenc in visokih moči.