Kluczowe aspekty produkcji wysokiej jakości monokryształów węglika krzemu (SiC)

Główne metody produkcji monokryształów węglika krzemu obejmują fizyczne transportowanie w fazie gazowej (PVT), wzrost z zarodkowaniem na wierzchu (TSSG) oraz wysokotemperaturowe osadzanie chemiczne z fazy gazowej (HT-CVD).

Spośród nich, PVT jest najczęściej stosowaną metodą w produkcji przemysłowej ze względu na stosunkowo prostą konfigurację sprzętu, łatwość kontroli oraz niższe koszty sprzętu i eksploatacji.

Najważniejsze aspekty techniczne metody PVT dla wzrostu kryształów SiC

Podczas hodowli monokryształów SiC metodą PVT, kluczowe znaczenie mają następujące aspekty techniczne:

• Czystość materiałów grafitowych

Grafit używany w polu termicznym musi spełniać surowe wymagania dotyczące czystości. Zawartość zanieczyszczeń w elementach grafitowych powinna być mniejsza niż 5×10⁻⁶, a w filcach izolacyjnych poniżej 10×10⁻⁶. W szczególności zawartość boru (B) i glinu (Al) musi być poniżej 0,1×10⁻⁶.​

• Właściwy dobór polaryzacji kryształu zarodkowego

Eksperymenty wykazały, że powierzchnia C (0001) jest odpowiednia do hodowli 4H-SiC, natomiast powierzchnia Si (0001) jest używana do hodowli 6H-SiC.

• Użycie kryształów zarodkowych z odchyleniem od osi

Zarodki z odchyleniem od osi pomagają przełamać symetrię wzrostu i zredukować defekty w powstałym krysztale.

• Wysokiej jakości proces łączenia zarodka

Niezawodne połączenie między kryształem zarodkowym a podłożem jest niezbędne dla stabilnego wzrostu.

• Utrzymanie stabilnej granicy wzrostu

Przez cały cykl wzrostu kluczowe jest utrzymanie stabilności granicy wzrostu kryształu, aby zapewnić jednolitą jakość.

Kluczowe technologie w hodowli kryształów SiC

• Technologia domieszkowania w proszku SiC

  Domieszkowanie proszku węglika krzemu cerem (Ce) sprzyja stabilnemu wzrostowi monotypowego 4H-SiC. Ta technika domieszkowania może:

   

  • Zwiększyć tempo wzrostu;

  • Poprawić orientację krystalograficzną;

  • Zahamować włączanie zanieczyszczeń i powstawanie defektów;

  • Poprawić wydajność wysokiej jakości kryształów;

  • Zapobiegać korozji tylnej strony i zwiększać monokrystaliczność.

• Kontrola gradientu temperatury osiowej i promieniowej

  Gradient osiowy znacząco wpływa na morfologię kryształu i wydajność wzrostu. Zbyt mały gradient może prowadzić do mieszania się polimorfów i zmniejszenia transportu pary. Optymalne gradienty osiowe i promieniowe wspierają szybki, stabilny wzrost kryształów.

• Kontrola dyslokacji płaszczyzny podstawowej (BPD)

  BPD powstają, gdy wewnętrzne naprężenia ścinające przekraczają próg krytyczny, zazwyczaj podczas wzrostu i chłodzenia. Zarządzanie tymi naprężeniami jest kluczem do minimalizacji defektów BPD.

• Kontrola składu fazy gazowej

  Zwiększenie stosunku węgla do krzemu w fazie gazowej pomaga ustabilizować wzrost monotypowy i zapobiega gromadzeniu się makro-kroków, tym samym hamując tworzenie się polimorfów.

• Techniki wzrostu kryształów o niskim naprężeniu

  Naprężenia wewnętrzne mogą prowadzić do zniekształceń sieci krystalicznej, pękania kryształów i zwiększonej gęstości dyslokacji, co pogarsza jakość kryształów i wydajność urządzeń końcowych. Naprężenia można złagodzić poprzez:

   

  • Optymalizację pola temperatury i procesu dla wzrostu bliskiego równowagi;

  • Przeprojektowanie struktury tygla w celu umożliwienia swobodnej ekspansji kryształu;

  • Ulepszenie metod mocowania zarodków poprzez pozostawienie 2 mm szczeliny między zarodkiem a uchwytem grafitowym w celu zmniejszenia niedopasowania rozszerzalności cieplnej;

  • Wyżarzanie kryształu w piecu w celu uwolnienia naprężeń resztkowych, z ostrożną regulacją temperatury i czasu trwania.

Przyszłe trendy w technologii hodowli monokryształów SiC

• Większy rozmiar kryształów

  Średnica monokryształów SiC wzrosła z kilku milimetrów do płytek 6-calowych, 8-calowych, a nawet 12-calowych. Zwiększenie skali poprawia wydajność produkcji, zmniejsza koszty jednostkowe i zaspokaja potrzeby urządzeń dużej mocy.

• Wyższa jakość kryształów

  Chociaż obecne kryształy są znacznie ulepszone, pozostają wyzwania, takie jak mikrorury, dyslokacje i zanieczyszczenia. Eliminacja tych defektów ma kluczowe znaczenie dla uzyskania urządzeń o wyższej wydajności.

• Redukcja kosztów

  Wysoki koszt hodowli kryształów SiC jest barierą dla powszechnego zastosowania. Redukcja kosztów poprzez optymalizację procesów, lepsze wykorzystanie zasobów i tańsze surowce jest kluczowym obszarem badań.

​

• Inteligentna produkcja

  Wraz z postępem w dziedzinie sztucznej inteligencji i dużych zbiorów danych, inteligentna hodowla kryształów jest na horyzoncie. Czujniki i zautomatyzowane systemy kontroli mogą monitorować i dostosowywać warunki w czasie rzeczywistym, poprawiając stabilność i powtarzalność. Analiza danych może dodatkowo udoskonalić proces w celu zwiększenia wydajności i jakości.