Glavne metode za gojenje monokristalov silicijevega karbida vključujejo fizični transport pare (PVT), rast raztopine s kalcifikacijo (TSSG) in kemično nanašanje s paro pri visokih temperaturah (HT-CVD).

Med njimi je metoda PVT postala primarna tehnika za industrijsko proizvodnjo zaradi relativno enostavne nastavitve opreme, enostavnega upravljanja in nadzora ter nižjih stroškov opreme in delovanja.

---

Ključne tehnične točke rasti kristalov SiC z uporabo metode PVT

Za gojenje kristalov silicijevega karbida z metodo PVT je treba skrbno nadzorovati več tehničnih vidikov:

1. Čistost grafitnih materialov v termičnem polju
   Grafitni materiali, ki se uporabljajo v termičnem polju za rast kristalov, morajo izpolnjevati stroge zahteve glede čistosti. Vsebnost nečistoč v grafitnih komponentah mora biti pod 5×10⁻⁶, pri izolacijskih filcih pa pod 10×10⁻⁶. Natančneje, vsebnost bora (B) in aluminija (Al) mora biti vsaka pod 0,1×10⁻⁶.

2. Pravilna polarnost semenskega kristala
   Empirični podatki kažejo, da je C-plošča (0001) primerna za rast kristalov 4H-SiC, medtem ko je Si-plošča (0001) primerna za rast 6H-SiC.

3. Uporaba kristalov semen zunaj osi
   Zunajosna semena lahko spremenijo simetrijo rasti, zmanjšajo kristalne napake in izboljšajo kakovost kristalov.

4. Zanesljiva tehnika vezave semenskih kristalov
   Pravilna vez med semenskim kristalom in držalom je bistvena za stabilnost med rastjo.

5. Ohranjanje stabilnosti rastnega vmesnika
   Med celotnim ciklom rasti kristalov mora rastna površina ostati stabilna, da se zagotovi visokokakovosten razvoj kristalov.

 

---

Ključne tehnologije pri rasti kristalov SiC

1. Tehnologija dopiranja za SiC prah

Dopiranje prahu SiC s cerijem (Ce) lahko stabilizira rast posameznega politipa, kot je 4H-SiC. Praksa je pokazala, da lahko dopiranje s Ce:

• Povečajte hitrost rasti kristalov SiC;

• Izboljšajte orientacijo kristalov za bolj enakomerno in usmerjeno rast;

• Zmanjšajte nečistoče in napake;

• Zavira korozijo zadnje strani kristala;

• Povečajte izkoristek monokristala.

2. Nadzor aksialnih in radialnih toplotnih gradientov

Aksialni temperaturni gradienti vplivajo na kristalni politip in hitrost rasti. Premajhen gradient lahko povzroči vključke politipa in zmanjšan transport materiala v parni fazi. Optimizacija aksialnih in radialnih gradientov je ključnega pomena za hitro in stabilno rast kristalov z dosledno kakovostjo.

3. Tehnologija nadzora dislokacije bazalne ravnine (BPD)

BPD-ji nastanejo predvsem zaradi strižne napetosti, ki presega kritični prag v kristalih SiC, kar aktivira drsne sisteme. Ker so BPD-ji pravokotni na smer rasti, običajno nastanejo med rastjo in ohlajanjem kristalov. Zmanjšanje notranjih napetosti lahko znatno zmanjša gostoto BPD-jev.

4. Nadzor razmerja sestave parne faze

Povečanje razmerja med ogljikom in silicijem v parni fazi je preizkušena metoda za spodbujanje rasti posameznih politipov. Visoko razmerje C/Si zmanjša makrostopenjsko združevanje in ohrani površinsko dedovanje iz semenskega kristala, s čimer zavira nastanek neželenih politipov.

5. Tehnike rasti z nizkim stresom

Napetost med rastjo kristalov lahko povzroči ukrivljene mrežne ravnine, razpoke in večje gostote BPD. Te napake se lahko prenesejo v epitaksialne plasti in negativno vplivajo na delovanje naprave.

Več strategij za zmanjšanje notranje kristalne napetosti vključuje:

• Prilagajanje porazdelitve toplotnega polja in procesnih parametrov za spodbujanje rasti v skoraj ravnovesnem stanju;

• Optimizacija zasnove lončka, ki omogoča prosto rast kristala brez mehanskih omejitev;

• Izboljšanje konfiguracije držala semena za zmanjšanje neskladja toplotnega raztezanja med semenom in grafitom med segrevanjem, pogosto tako, da se med semenom in držalom pusti 2 mm reže;

• Postopki rafiniranja žarjenja, ki omogočajo kristalu, da se ohladi v peči, ter prilagajajo temperaturo in trajanje za popolno sprostitev notranjih napetosti.

---

Trendi v tehnologiji rasti kristalov SiC

1. Večje velikosti kristalov
Premeri monokristalov SiC so se povečali z le nekaj milimetrov na 6-palčne, 8-palčne in celo 12-palčne rezine. Večje rezine povečujejo učinkovitost proizvodnje in znižujejo stroške, hkrati pa izpolnjujejo zahteve aplikacij v visokoenergijskih napravah.

2. Višja kakovost kristalov
Visokokakovostni kristali SiC so bistveni za visokozmogljive naprave. Kljub znatnim izboljšavam trenutni kristali še vedno kažejo napake, kot so mikrocevke, dislokacije in nečistoče, ki lahko vse poslabšajo delovanje in zanesljivost naprave.

3. Zmanjšanje stroškov
Proizvodnja kristalov SiC je še vedno relativno draga, kar omejuje širšo uporabo. Zmanjšanje stroškov z optimiziranimi procesi rasti, večjo učinkovitostjo proizvodnje in nižjimi stroški surovin je ključnega pomena za širitev tržnih aplikacij.

4. Inteligentna proizvodnja
Z napredkom umetne inteligence in tehnologij velikih podatkov se rast kristalov SiC premika proti inteligentnim, avtomatiziranim procesom. Senzorji in krmilni sistemi lahko spremljajo in prilagajajo pogoje rasti v realnem času, kar izboljšuje stabilnost in predvidljivost procesa. Analiza podatkov lahko dodatno optimizira procesne parametre in kakovost kristalov.

Razvoj tehnologije za rast visokokakovostnih monokristalov SiC je v središču raziskav polprevodniških materialov. Z napredkom tehnologije se bodo metode rasti kristalov še naprej razvijale in izboljševale, kar bo zagotovilo trdno podlago za uporabo SiC v visokotemperaturnih, visokofrekvenčnih in visokozmogljivih elektronskih napravah.