Glavne metode za uzgoj monokristala silicijevog karbida uključuju fizički transport pare (PVT), rast u otopini s površinskim zasijavanjem (TSSG) i kemijsko taloženje iz pare na visokim temperaturama (HT-CVD).

Među njima, PVT metoda postala je primarna tehnika za industrijsku proizvodnju zbog relativno jednostavnog postavljanja opreme, jednostavnosti rada i upravljanja te nižih troškova opreme i rada.

---

Ključne tehničke točke rasta SiC kristala korištenjem PVT metode

Za uzgoj kristala silicijevog karbida PVT metodom potrebno je pažljivo kontrolirati nekoliko tehničkih aspekata:

1. Čistoća grafitnih materijala u toplinskom polju
   Grafitni materijali koji se koriste u termalnom polju za rast kristala moraju ispunjavati stroge zahtjeve čistoće. Sadržaj nečistoća u grafitnim komponentama trebao bi biti ispod 5×10⁻⁶, a za izolacijske filce ispod 10×10⁻⁶. Točnije, sadržaj bora (B) i aluminija (Al) mora biti ispod 0,1×10⁻⁶.

2. Ispravna polarnost kristalne sjemenke
   Empirijski podaci pokazuju da je C-strana (0001) prikladna za rast 4H-SiC kristala, dok je Si-strana (0001) prikladna za rast 6H-SiC.

3. Upotreba kristala sjemena izvan osi
   Izvanosne sjemenke mogu promijeniti simetriju rasta, smanjiti kristalne defekte i poboljšati kvalitetu kristala.

4. Pouzdana tehnika vezivanja kristala sjemena
   Pravilno povezivanje kristalne sjemenke i držača ključno je za stabilnost tijekom rasta.

5. Održavanje stabilnosti sučelja rasta
   Tijekom cijelog ciklusa rasta kristala, granica rasta mora ostati stabilna kako bi se osigurao visokokvalitetni razvoj kristala.

 

---

Osnovne tehnologije u rastu SiC kristala

1. Tehnologija dopiranja za SiC prah

Dopiranje SiC praha cerijem (Ce) može stabilizirati rast jednog politipa kao što je 4H-SiC. Praksa je pokazala da dopiranje Ce može:

• Povećati brzinu rasta SiC kristala;

• Poboljšati orijentaciju kristala za ujednačeniji i usmjereniji rast;

• Smanjite nečistoće i nedostatke;

• Suzbijanje korozije stražnje strane kristala;

• Povećajte prinos monokristala.

2. Kontrola aksijalnih i radijalnih toplinskih gradijenata

Aksijalni temperaturni gradijenti utječu na politip kristala i brzinu rasta. Premali gradijent može dovesti do uključivanja politipa i smanjenog transporta materijala u parnoj fazi. Optimizacija aksijalnih i radijalnih gradijenata ključna je za brz i stabilan rast kristala uz konzistentnu kvalitetu.

3. Tehnologija kontrole dislokacije bazalne ravnine (BPD)

BPD-ovi nastaju uglavnom zbog smicanja koje prelazi kritični prag u SiC kristalima, aktivirajući klizne sustave. Budući da su BPD-ovi okomiti na smjer rasta, obično nastaju tijekom rasta i hlađenja kristala. Minimiziranje unutarnjeg naprezanja može značajno smanjiti gustoću BPD-a.

4. Kontrola omjera sastava parne faze

Povećanje omjera ugljika i silicija u parnoj fazi je dokazana metoda za poticanje rasta pojedinačnih politipova. Visok omjer C/Si smanjuje makrokoračno grupiranje i zadržava površinsko nasljeđivanje iz kristalne sjemenke, čime se potiskuje stvaranje neželjenih politipova.

5. Tehnike rasta s niskim stresom

Naprezanje tijekom rasta kristala može dovesti do zakrivljenih ravnina rešetke, pukotina i većih gustoća BPD-a. Ti se defekti mogu prenijeti u epitaksijalne slojeve i negativno utjecati na performanse uređaja.

Nekoliko strategija za smanjenje unutarnjeg kristalnog naprezanja uključuje:

• Prilagođavanje raspodjele toplinskog polja i parametara procesa za poticanje rasta blizu ravnoteže;

• Optimizacija dizajna lončića kako bi se kristalu omogućio slobodan rast bez mehaničkih ograničenja;

• Poboljšanje konfiguracije držača sjemena kako bi se smanjila neusklađenost toplinskog širenja između sjemena i grafita tijekom zagrijavanja, često ostavljanjem razmaka od 2 mm između sjemena i držača;

• Procesi rafiniranja žarenja, omogućavanje kristala da se ohladi u peći i podešavanje temperature i trajanja kako bi se potpuno ublažio unutarnji napon.

---

Trendovi u tehnologiji rasta SiC kristala

1. Veće veličine kristala
Promjeri SiC monokristala povećali su se s nekoliko milimetara na pločice od 6 inča, 8 inča, pa čak i 12 inča. Veće pločice povećavaju učinkovitost proizvodnje i smanjuju troškove, a istovremeno zadovoljavaju zahtjeve primjena u uređajima velike snage.

2. Viša kvaliteta kristala
Visokokvalitetni SiC kristali ključni su za visokoučinkovite uređaje. Unatoč značajnim poboljšanjima, trenutni kristali i dalje pokazuju nedostatke poput mikrocjevčica, dislokacija i nečistoća, što sve može smanjiti performanse i pouzdanost uređaja.

3. Smanjenje troškova
Proizvodnja SiC kristala je još uvijek relativno skupa, što ograničava širu primjenu. Smanjenje troškova optimiziranim procesima rasta, povećanom učinkovitošću proizvodnje i nižim troškovima sirovina ključno je za širenje tržišnih primjena.

4. Inteligentna proizvodnja
S napretkom umjetne inteligencije i tehnologija velikih podataka, rast SiC kristala kreće se prema inteligentnim, automatiziranim procesima. Senzori i upravljački sustavi mogu pratiti i prilagođavati uvjete rasta u stvarnom vremenu, poboljšavajući stabilnost i predvidljivost procesa. Analiza podataka može dodatno optimizirati parametre procesa i kvalitetu kristala.

Razvoj visokokvalitetne tehnologije rasta monokristala SiC glavni je fokus u istraživanju poluvodičkih materijala. Kako tehnologija napreduje, metode rasta kristala nastavit će se razvijati i poboljšavati, pružajući čvrstu osnovu za primjenu SiC-a u visokotemperaturnim, visokofrekventnim i visokoenergetskim elektroničkim uređajima.