Ključna razmatranja za pripremu visokokvalitetnog monokristala silicijevog karbida

Glavne metode za pripravu monokristala silicija uključuju: fizički transport iz pare (PVT), rast površinski zasijane otopine (TSSG) i kemijsko taloženje iz pare na visokim temperaturama (HT-CVD). Među njima, PVT metoda je široko prihvaćena u industrijskoj proizvodnji zbog jednostavne opreme, lakoće upravljanja te niskih troškova opreme i rada.

Ključne tehničke točke za PVT rast kristala silicijevog karbida

Prilikom uzgoja kristala silicijevog karbida metodom fizičkog transporta pare (PVT), moraju se uzeti u obzir sljedeći tehnički aspekti:

1. Čistoća grafitnih materijala u komori za rast: Sadržaj nečistoća u grafitnim komponentama mora biti ispod 5×10⁻⁶, dok sadržaj nečistoća u izolacijskom filcu mora biti ispod 10×10⁻⁶. Elementi poput B i Al trebaju se držati ispod 0,1×10⁻⁶.
2. Ispravan odabir polariteta kristalne sjemenke: Empirijske studije pokazuju da je strana C (0001) prikladna za uzgoj kristala 4H-SiC, dok se strana Si (0001) koristi za uzgoj kristala 6H-SiC.
3. Upotreba kristala sjemena izvan osi: Kristali sjemena izvan osi mogu promijeniti simetriju rasta kristala, smanjujući defekte u kristalu.
4. Visokokvalitetni proces vezivanja kristala sjemena.
5. Održavanje stabilnosti sučelja rasta kristala tijekom ciklusa rasta.

Ključne tehnologije za rast kristala silicijevog karbida

1. Tehnologija dopiranja za prah silicijevog karbida
   Dopiranje praha silicijevog karbida odgovarajućom količinom Ce može stabilizirati rast monokristala 4H-SiC. Praktični rezultati pokazuju da dopiranje Ce može:

• Povećati brzinu rasta kristala silicijevog karbida.
• Kontrolirajte orijentaciju rasta kristala, čineći ga ujednačenijim i pravilnijim.
• Suzbija stvaranje nečistoća, smanjuje nedostatke i olakšava proizvodnju monokristala i visokokvalitetnih kristala.
• Sprječava koroziju stražnje strane kristala i poboljšava prinos monokristala.

• Tehnologija aksijalne i radijalne kontrole temperaturnog gradijenta
  Aksijalni temperaturni gradijent prvenstveno utječe na vrstu i učinkovitost rasta kristala. Pretjerano mali temperaturni gradijent može dovesti do stvaranja polikristalnih vlakana i smanjiti brzinu rasta. Pravilni aksijalni i radijalni temperaturni gradijenti olakšavaju brzi rast kristala SiC uz održavanje stabilne kvalitete kristala.
• Tehnologija kontrole dislokacije bazalne ravnine (BPD)
  BPD defekti uglavnom nastaju kada smično naprezanje u kristalu premaši kritično smično naprezanje SiC-a, aktivirajući klizne sustave. Budući da su BPD-ovi okomiti na smjer rasta kristala, oni se prvenstveno formiraju tijekom rasta i hlađenja kristala.
• Tehnologija podešavanja omjera sastava parne faze
  Povećanje omjera ugljika i silicija u okruženju rasta učinkovita je mjera za stabilizaciju rasta monokristala. Veći omjer ugljika i silicija smanjuje veliko stepenasto grupiranje, čuva informacije o rastu površine kristala i potiskuje stvaranje politipova.
• Tehnologija kontrole niskog stresa
  Naprezanje tijekom rasta kristala može uzrokovati savijanje kristalnih ravnina, što dovodi do loše kvalitete kristala ili čak pucanja. Visoko naprezanje također povećava dislokacije bazalnih ravnina, što može negativno utjecati na kvalitetu epitaksijalnog sloja i performanse uređaja.

Skenirana slika SiC pločice od 6 inča

Metode za smanjenje naprezanja u kristalima:

• Prilagodite raspodjelu temperaturnog polja i parametre procesa kako biste omogućili rast monokristala SiC gotovo u ravnoteži.
• Optimizirajte strukturu lončića kako biste omogućili slobodan rast kristala uz minimalna ograničenja.
• Modificirajte tehnike fiksiranja kristala sjemena kako biste smanjili neusklađenost toplinskog širenja između kristala sjemena i držača grafita. Uobičajeni pristup je ostaviti razmak od 2 mm između kristala sjemena i držača grafita.
• Poboljšajte procese žarenja primjenom žarenja u peći in situ, prilagođavajući temperaturu i trajanje žarenja kako biste u potpunosti oslobodili unutarnje naprezanje.

Budući trendovi u tehnologiji rasta kristala silicijevog karbida

Gledajući u budućnost, tehnologija pripreme visokokvalitetnih monokristala SiC razvijat će se u sljedećim smjerovima:

1. Rast velikih razmjera
   Promjer monokristala silicij-karbida evoluirao je od nekoliko milimetara do veličina od 6 inča, 8 inča, pa čak i većih 12 inča. Kristali SiC velikog promjera poboljšavaju učinkovitost proizvodnje, smanjuju troškove i zadovoljavaju zahtjeve uređaja velike snage.
2. Visokokvalitetni rast
   Visokokvalitetni SiC monokristali ključni su za visokoučinkovite uređaje. Iako je postignut značajan napredak, nedostaci poput mikrocjevčica, dislokacija i nečistoća još uvijek postoje, što utječe na performanse i pouzdanost uređaja.
3. Smanjenje troškova
   Visoka cijena pripreme SiC kristala ograničava njegovu primjenu u određenim područjima. Optimizacija procesa rasta, poboljšanje učinkovitosti proizvodnje i smanjenje troškova sirovina mogu pomoći u smanjenju troškova proizvodnje.
4. Inteligentni rast
   S napretkom umjetne inteligencije i velikih podataka, tehnologija rasta SiC kristala sve će više usvajati inteligentna rješenja. Praćenje i upravljanje u stvarnom vremenu pomoću senzora i automatiziranih sustava poboljšat će stabilnost i upravljivost procesa. Osim toga, analitika velikih podataka može optimizirati parametre rasta, poboljšavajući kvalitetu kristala i učinkovitost proizvodnje.

Tehnologija pripreme visokokvalitetnih monokristala silicij-karbida ključni je fokus u istraživanju poluvodičkih materijala. Kako tehnologija napreduje, tehnike rasta SiC kristala nastavit će se razvijati, pružajući čvrstu osnovu za primjenu u područjima visokih temperatura, visokih frekvencija i velike snage.