A szilícium-karbid egykristályok növesztésének fő módszerei közé tartozik a fizikai gőzszállítás (PVT), a felső oltványos oldatnövekedés (TSSG) és a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztás (HT-CVD).

Ezek közül a PVT módszer vált az ipari termelés elsődleges technikájává a viszonylag egyszerű berendezésbeállítás, a könnyű kezelhetőség és vezérlés, valamint az alacsonyabb berendezés- és üzemeltetési költségek miatt.

---

A SiC kristálynövekedés főbb technikai szempontjai PVT módszerrel

A szilícium-karbid kristályok PVT-módszerrel történő növesztéséhez számos technikai szempontot gondosan ellenőrizni kell:

1. Grafitanyagok tisztasága termikus térben
   A kristálynövesztő hőtérben használt grafitanyagoknak szigorú tisztasági követelményeknek kell megfelelniük. A grafitkomponensek szennyeződés-tartalmának 5×10⁻⁶ alatt, a szigetelőfilcek esetében pedig 10×10⁻⁶ alatt kell lennie. Pontosabban, a bór (B) és az alumínium (Al) tartalmának egyaránt 0,1×10⁻⁶ alatt kell lennie.

2. A vetőkristály helyes polaritása
   Az empirikus adatok azt mutatják, hogy a C-lap (0001) alkalmas 4H-SiC kristályok növesztésére, míg a Si-lap (0001) a 6H-SiC növesztésére.

3. Off-Axis oltókristályok használata
   A tengelyen kívüli magok megváltoztathatják a növekedési szimmetriát, csökkenthetik a kristályhibákat és elősegíthetik a jobb kristályminőséget.

4. Megbízható oltókristály-kötési technika
   A növekedés során a stabilitáshoz elengedhetetlen a megfelelő kötés az oltókristály és a tartó között.

5. A növekedési felület stabilitásának fenntartása
   A teljes kristálynövekedési ciklus alatt a növekedési határfelületnek stabilnak kell maradnia a kiváló minőségű kristályfejlődés biztosítása érdekében.

 

---

A SiC kristálynövesztés főbb technológiái

1. SiC por doppingolási technológiája

A SiC por cériummal (Ce) történő adalékolása stabilizálhatja egyetlen politípus, például a 4H-SiC növekedését. A gyakorlat azt mutatja, hogy a Ce adalékolás:

• Növelje a SiC kristályok növekedési sebességét;

• Javítja a kristályok orientációját az egyenletesebb és irányítottabb növekedés érdekében;

• Csökkentse a szennyeződéseket és a hibákat;

• Elnyomja a kristály hátoldali korrózióját;

• Növelje az egykristályos hozamot.

2. Axiális és radiális hőgradiensek szabályozása

Az axiális hőmérsékleti gradiensek befolyásolják a kristály politípusát és növekedési sebességét. A túl kicsi gradiens politípus-zárványokhoz és a gőzfázisban csökkent anyagtranszporthoz vezethet. Az axiális és radiális gradiensek optimalizálása kritikus fontosságú a gyors és stabil, állandó minőségű kristálynövekedéshez.

3. Bazális síkbeli diszlokáció (BPD) szabályozási technológia

A BPD-k főként a SiC kristályokban a kritikus küszöbértéket meghaladó nyírófeszültség miatt alakulnak ki, aktiválva a csúszási rendszereket. Mivel a BPD-k merőlegesek a növekedési irányra, jellemzően a kristálynövekedés és -hűtés során keletkeznek. A belső feszültség minimalizálása jelentősen csökkentheti a BPD-sűrűséget.

4. Gőzfázisú összetétel arány szabályozása

A szén-szilícium arány növelése a gőzfázisban egy bevált módszer az egypolipúpú növekedés elősegítésére. A magas C/Si arány csökkenti a makroszkopikus csomósodást és megőrzi a felszíni öröklődést az oltókristálytól, ezáltal gátolva a nemkívánatos polipúpok kialakulását.

5. Alacsony stresszű növekedési technikák

A kristálynövekedés során fellépő feszültség görbült rácssíkokhoz, repedésekhez és nagyobb BPD-sűrűséghez vezethet. Ezek a hibák átterjedhetnek az epitaxiális rétegekre, és negatívan befolyásolhatják az eszköz teljesítményét.

A belső kristályfeszültség csökkentésére számos stratégia létezik:

• A termikus tér eloszlásának és a folyamatparaméterek beállítása a közel egyensúlyi növekedés elősegítése érdekében;

• A tégely kialakításának optimalizálása, hogy a kristály szabadon növekedhessen mechanikai korlátozás nélkül;

• A vetőmagtartó konfigurációjának javítása a vetőmag és a grafit közötti hőtágulási eltérés csökkentése érdekében melegítés közben, gyakran 2 mm-es rés hagyásával a vetőmag és a tartó között;

• A lágyítási folyamatok finomítása, a kristály kemencével való lehűlésének lehetővé tétele, valamint a hőmérséklet és az időtartam beállítása a belső feszültség teljes megszüntetése érdekében.

---

Trendek a SiC kristálynövekedési technológiában

1. Nagyobb kristályméretek
A SiC egykristályok átmérője néhány milliméterről 6, 8, sőt 12 hüvelykes lapkákra nőtt. A nagyobb lapkák növelik a termelési hatékonyságot és csökkentik a költségeket, miközben megfelelnek a nagy teljesítményű eszközalkalmazások igényeinek.

2. Magasabb kristályminőség
A nagy teljesítményű eszközökhöz elengedhetetlenek a kiváló minőségű SiC kristályok. A jelentős fejlesztések ellenére a jelenlegi kristályok továbbra is hibákat mutatnak, például mikrocsöveket, diszlokációkat és szennyeződéseket, amelyek mindegyike ronthatja az eszköz teljesítményét és megbízhatóságát.

3. Költségcsökkentés
A SiC kristályok előállítása még mindig viszonylag drága, ami korlátozza a szélesebb körű elterjedést. A költségek csökkentése az optimalizált növekedési folyamatok, a fokozott termelési hatékonyság és az alacsonyabb nyersanyagköltségek révén kulcsfontosságú a piaci alkalmazások bővítéséhez.

4. Intelligens gyártás
A mesterséges intelligencia és a big data technológiák fejlődésével a SiC kristálynövekedés az intelligens, automatizált folyamatok felé halad. Az érzékelők és vezérlőrendszerek valós időben képesek figyelni és beállítani a növekedési feltételeket, javítva a folyamat stabilitását és kiszámíthatóságát. Az adatelemzés tovább optimalizálhatja a folyamatparamétereket és a kristályminőséget.

A kiváló minőségű SiC egykristályos növekedési technológia fejlesztése a félvezető anyagok kutatásának egyik fő fókusza. A technológia fejlődésével a kristálynövekedési módszerek is folyamatosan fejlődnek és javulnak, szilárd alapot teremtve a SiC alkalmazásokhoz a magas hőmérsékletű, nagyfrekvenciás és nagy teljesítményű elektronikus eszközökben.