Medzi hlavné metódy pestovania monokryštálov karbidu kremíka patrí fyzikálny transport pár (PVT), rast zhora nanesených roztokov (TSSG) a chemická depozícia z pár pri vysokých teplotách (HT-CVD).

Spomedzi nich sa metóda PVT stala primárnou technikou pre priemyselnú výrobu vďaka relatívne jednoduchému nastaveniu zariadenia, ľahkej obsluhe a ovládaniu a nižším nákladom na zariadenie a prevádzku.

---

Kľúčové technické body rastu kryštálov SiC pomocou metódy PVT

Na pestovanie kryštálov karbidu kremíka pomocou metódy PVT je potrebné starostlivo kontrolovať niekoľko technických aspektov:

1. Čistota grafitových materiálov v tepelnom poli
   Grafitové materiály používané v tepelnom poli na rast kryštálov musia spĺňať prísne požiadavky na čistotu. Obsah nečistôt v grafitových zložkách by mal byť nižší ako 5×10⁻⁶ a v prípade izolačných plstí nižší ako 10×10⁻⁶. Konkrétne, obsah bóru (B) a hliníka (Al) musí byť nižší ako 0,1×10⁻⁶.

2. Správna polarita zárodočného kryštálu
   Empirické údaje ukazujú, že C-plocha (0001) je vhodná na rast kryštálov 4H-SiC, zatiaľ čo Si-plocha (0001) je vhodná na rast 6H-SiC.

3. Použitie mimoosových zárodočných kryštálov
   Mimoosové semená môžu zmeniť symetriu rastu, znížiť kryštálové defekty a podporiť lepšiu kvalitu kryštálov.

4. Spoľahlivá technika spájania zárodočných kryštálov
   Správne prepojenie medzi zárodočným kryštálom a držiakom je nevyhnutné pre stabilitu počas rastu.

5. Udržiavanie stability rastového rozhrania
   Počas celého cyklu rastu kryštálov musí rastové rozhranie zostať stabilné, aby sa zabezpečil vývoj vysoko kvalitných kryštálov.

 

---

Základné technológie v raste kryštálov SiC

1. Dopingová technológia pre prášok SiC

Dopovanie práškového SiC cérom (Ce) môže stabilizovať rast jedného polytypu, ako je napríklad 4H-SiC. Prax ukázala, že dopovanie Ce môže:

• Zvýšiť rýchlosť rastu kryštálov SiC;

• Zlepšiť orientáciu kryštálov pre rovnomernejší a smerovejší rast;

• Znížte nečistoty a chyby;

• Potlačte koróziu zadnej strany kryštálu;

• Zvýšte výťažnosť monokryštálov.

2. Riadenie axiálnych a radiálnych tepelných gradientov

Axiálne teplotné gradienty ovplyvňujú polytyp kryštálov a rýchlosť rastu. Príliš malý gradient môže viesť k inklúziám polytypov a zníženému transportu materiálu v plynnej fáze. Optimalizácia axiálnych aj radiálnych gradientov je rozhodujúca pre rýchly a stabilný rast kryštálov s konzistentnou kvalitou.

3. Technológia kontroly dislokácie bazálnej roviny (BPD)

BPD vznikajú hlavne v dôsledku šmykového napätia prekračujúceho kritickú prahovú hodnotu v kryštáloch SiC, čo aktivuje šmykové systémy. Keďže BPD sú kolmé na smer rastu, zvyčajne vznikajú počas rastu a chladenia kryštálov. Minimalizácia vnútorného napätia môže výrazne znížiť hustotu BPD.

4. Riadenie pomeru zloženia plynnej fázy

Zvýšenie pomeru uhlíka k kremíku v plynnej fáze je overenou metódou na podporu rastu jednotlivých polytypov. Vysoký pomer C/Si znižuje zhlukovanie makrostupňov a zachováva povrchovú dedičnosť zo zárodočného kryštálu, čím potláča tvorbu nežiaducich polytypov.

5. Techniky rastu s nízkym stresom

Napätie počas rastu kryštálov môže viesť k zakriveným mriežkovým rovinám, trhlinám a vyšším hustotám BPD. Tieto defekty sa môžu preniesť do epitaxných vrstiev a negatívne ovplyvniť výkon zariadenia.

Medzi stratégie na zníženie vnútorného kryštálového napätia patrí:

• Úprava rozloženia tepelného poľa a procesných parametrov na podporu rastu takmer v rovnováhe;

• Optimalizácia dizajnu téglika, aby kryštál mohol voľne rásť bez mechanického obmedzenia;

• Zlepšenie konfigurácie držiaka semien s cieľom znížiť nesúlad tepelnej rozťažnosti medzi semenom a grafitom počas zahrievania, často ponechaním 2 mm medzery medzi semenom a držiakom;

• Procesy rafinačného žíhania, umožnenie kryštálu vychladnúť v peci a nastavenie teploty a trvania pre úplné uvoľnenie vnútorného napätia.

---

Trendy v technológii rastu kryštálov SiC

1. Väčšie veľkosti kryštálov
Priemery monokryštálov SiC sa zvýšili z niekoľkých milimetrov na 6-palcové, 8-palcové a dokonca 12-palcové doštičky. Väčšie doštičky zvyšujú efektivitu výroby a znižujú náklady, pričom spĺňajú požiadavky aplikácií vo vysokovýkonných zariadeniach.

2. Vyššia kvalita kryštálov
Vysokokvalitné kryštály SiC sú nevyhnutné pre vysokovýkonné zariadenia. Napriek výrazným zlepšeniam súčasné kryštály stále vykazujú defekty, ako sú mikrotrubice, dislokácie a nečistoty, ktoré môžu znížiť výkon a spoľahlivosť zariadenia.

3. Zníženie nákladov
Výroba kryštálov SiC je stále relatívne drahá, čo obmedzuje jej širšie využitie. Zníženie nákladov prostredníctvom optimalizovaných rastových procesov, zvýšenia efektivity výroby a nižších nákladov na suroviny je kľúčové pre rozšírenie trhových aplikácií.

4. Inteligentná výroba
Vďaka pokroku v oblasti umelej inteligencie a technológií veľkých dát sa rast kryštálov SiC posúva smerom k inteligentným, automatizovaným procesom. Senzory a riadiace systémy dokážu monitorovať a upravovať podmienky rastu v reálnom čase, čím sa zlepšuje stabilita a predvídateľnosť procesu. Analýza údajov môže ďalej optimalizovať parametre procesu a kvalitu kryštálov.

Vývoj vysokokvalitnej technológie rastu monokryštálov SiC je hlavným zameraním vo výskume polovodičových materiálov. S pokrokom technológií sa metódy rastu kryštálov budú naďalej vyvíjať a zlepšovať, čím sa vytvorí pevný základ pre aplikácie SiC vo vysokoteplotných, vysokofrekvenčných a vysokovýkonných elektronických zariadeniach.