Основните методи за отглеждане на монокристали от силициев карбид включват физически транспорт на пари (PVT), растеж с горни засети разтвори (TSSG) и високотемпературно химическо отлагане от пари (HT-CVD).

Сред тях, PVT методът се е превърнал в основна техника за промишлено производство поради относително простата настройка на оборудването, лекотата на работа и контрол, както и по-ниските разходи за оборудване и експлоатация.

---

Ключови технически моменти на растежа на SiC кристали с помощта на PVT метода

За да се отглеждат кристали от силициев карбид, използвайки PVT метода, е необходимо внимателно да се контролират няколко технически аспекта:

1. Чистота на графитните материали в термично поле
   Графитните материали, използвани в термичното поле за растеж на кристали, трябва да отговарят на строги изисквания за чистота. Съдържанието на примеси в графитните компоненти трябва да бъде под 5×10⁻⁶, а за изолационните филцове под 10×10⁻⁶. По-конкретно, съдържанието на бор (B) и алуминий (Al) трябва да бъде под 0,1×10⁻⁶.

2. Правилна полярност на зародишния кристал
   Емпиричните данни показват, че C-лицевата повърхност (0001) е подходяща за отглеждане на 4H-SiC кристали, докато Si-лицевата повърхност (0001) е подходяща за отглеждане на 6H-SiC.

3. Използване на извъносни семенни кристали
   Извъносните семена могат да променят симетрията на растеж, да намалят кристалните дефекти и да насърчат по-добро качество на кристалите.

4. Надеждна техника за свързване на зародишни кристали
   Правилното свързване между зародишния кристал и държача е от съществено значение за стабилността по време на растеж.

5. Поддържане на стабилност на интерфейса на растежа
   По време на целия цикъл на растеж на кристали, растежният интерфейс трябва да остане стабилен, за да се осигури висококачествено развитие на кристали.

 

---

Основни технологии в растежа на SiC кристали

1. Технология за допиране на SiC прах

Легирането на SiC прах с церий (Ce) може да стабилизира растежа на единичен политип, като например 4H-SiC. Практиката показва, че легирането с Ce може:

• Увеличете скоростта на растеж на SiC кристалите;

• Подобряване на ориентацията на кристалите за по-равномерен и насочен растеж;

• Намаляване на примесите и дефектите;

• Потискане на задната корозия на кристала;

• Увеличете добива на монокристалите.

2. Контрол на аксиални и радиални термични градиенти

Аксиалните температурни градиенти влияят върху политипа на кристала и скоростта на растеж. Твърде малък градиент може да доведе до политипни включения и намален транспорт на материал в парната фаза. Оптимизирането както на аксиалните, така и на радиалните градиенти е от решаващо значение за бърз и стабилен растеж на кристали с постоянно качество.

3. Технология за контрол на дислокацията на базалната равнина (BPD)

Двустепенните дисперсионни разклонения (ДПД) се образуват главно поради напрежение на срязване, надвишаващо критичния праг в кристалите SiC, активирайки системите на плъзгане. Тъй като ДПД са перпендикулярни на посоката на растеж, те обикновено възникват по време на растежа и охлаждането на кристала. Минимизирането на вътрешното напрежение може значително да намали плътността на ДПД.

4. Контрол на съотношението на състава на парната фаза

Увеличаването на съотношението въглерод-силиций в парната фаза е доказан метод за насърчаване на растежа на единичен политип. Високото съотношение C/Si намалява макростъпковото групиране и запазва повърхностното наследяване от зародишния кристал, като по този начин потиска образуването на нежелани политипове.

5. Техники за растеж с нисък стрес

Напрежението по време на растежа на кристалите може да доведе до извити решетъчни равнини, пукнатини и по-висока плътност на BPD. Тези дефекти могат да се пренесат в епитаксиалните слоеве и да повлияят негативно на производителността на устройството.

Няколко стратегии за намаляване на вътрешното кристално напрежение включват:

• Регулиране на разпределението на топлинното поле и параметрите на процеса за насърчаване на растеж, близък до равновесие;

• Оптимизиране на дизайна на тигела, за да се позволи на кристала да расте свободно без механично ограничение;

• Подобряване на конфигурацията на държача на семената, за да се намали несъответствието в термичното разширение между семената и графита по време на нагряване, често чрез оставяне на 2 мм разстояние между семената и държача;

• Процеси на рафиниране и отгряване, позволяващи на кристала да се охлади в пещта и регулиране на температурата и продължителността за пълно облекчаване на вътрешното напрежение.

---

Тенденции в технологията за растеж на SiC кристали

1. По-големи размери на кристалите
Диаметрите на монокристалните SiC са се увеличили от само няколко милиметра до 6-инчови, 8-инчови и дори 12-инчови пластини. По-големите пластини повишават ефективността на производството и намаляват разходите, като същевременно отговарят на изискванията на приложенията за устройства с висока мощност.

2. По-високо качество на кристалите
Висококачествените SiC кристали са от съществено значение за високопроизводителните устройства. Въпреки значителните подобрения, настоящите кристали все още показват дефекти като микротръбички, дислокации и примеси, всички от които могат да влошат производителността и надеждността на устройството.

3. Намаляване на разходите
Производството на SiC кристали все още е сравнително скъпо, което ограничава по-широкото му приложение. Намаляването на разходите чрез оптимизирани процеси на растеж, повишена ефективност на производството и по-ниски разходи за суровини е от решаващо значение за разширяване на пазарните приложения.

4. Интелигентно производство
С напредъка в изкуствения интелект и технологиите за големи данни, растежът на SiC кристали се насочва към интелигентни, автоматизирани процеси. Сензорите и системите за управление могат да наблюдават и коригират условията на растеж в реално време, подобрявайки стабилността и предвидимостта на процеса. Анализът на данните може допълнително да оптимизира параметрите на процеса и качеството на кристала.

Разработването на висококачествена технология за растеж на монокристали SiC е основен фокус в изследванията на полупроводниковите материали. С напредването на технологиите, методите за растеж на кристали ще продължат да се развиват и усъвършенстват, осигурявайки солидна основа за приложенията на SiC във високотемпературни, високочестотни и високомощни електронни устройства.