Основні методи отримання монокристалів кремнію включають: фізичне перенесення з парової фази (PVT), вирощування розчину з верхнім затравленням (TSSG) та високотемпературне хімічне осадження з парової фази (HT-CVD). Серед них метод PVT широко застосовується в промисловому виробництві завдяки простоті обладнання, легкості керування та низьким витратам на обладнання та експлуатацію.
Ключові технічні моменти для вирощування кристалів карбіду кремнію методом PVT
Під час вирощування кристалів карбіду кремнію методом фізичного перенесення пари (PVT) необхідно враховувати такі технічні аспекти:
- Чистота графітових матеріалів у камері росту: вміст домішок у графітових компонентах повинен бути менше 5×10⁻⁶, тоді як вміст домішок в ізоляційному фетрі повинен бути менше 10×10⁻⁶. Вміст таких елементів, як B та Al, повинен бути менше 0,1×10⁻⁶.
- Правильний вибір полярності затравочного кристала: Емпіричні дослідження показують, що грань C (0001) підходить для вирощування кристалів 4H-SiC, тоді як грань Si (0001) використовується для вирощування кристалів 6H-SiC.
- Використання позаосьових зародкових кристалів: позаосьові зародкові кристали можуть змінювати симетрію росту кристалів, зменшуючи дефекти в кристалі.
- Високоякісний процес склеювання зародкових кристалів.
- Підтримка стабільності поверхні росту кристалів протягом циклу росту.
Ключові технології для вирощування кристалів карбіду кремнію
- Технологія легування порошку карбіду кремнію
Легування порошку карбіду кремнію відповідною кількістю Ce може стабілізувати ріст монокристалів 4H-SiC. Практичні результати показують, що легування Ce може:
- Збільшити швидкість росту кристалів карбіду кремнію.
- Контролюйте орієнтацію росту кристалів, роблячи його більш рівномірним та регулярним.
- Пригнічують утворення домішок, зменшуючи дефекти та сприяючи виробництву монокристалічних та високоякісних кристалів.
- Запобігають корозії зворотної сторони кристала та покращують вихід монокристалів.
- Технологія контролю осьового та радіального градієнта температури
Осьовий градієнт температури в першу чергу впливає на тип та ефективність росту кристалів. Надмірно малий градієнт температури може призвести до утворення полікристалів та зниження швидкості росту. Правильні осьовий та радіальний градієнти температури сприяють швидкому росту кристалів SiC, зберігаючи стабільну якість кристалів. - Технологія контролю дислокації базальної площини (BPD)
Дефекти БПД виникають переважно тоді, коли напруга зсуву в кристалі перевищує критичну напругу зсуву SiC, активуючи системи ковзання. Оскільки БПД перпендикулярні до напрямку росту кристала, вони в основному утворюються під час росту та охолодження кристала. - Технологія регулювання співвідношення складу парової фази
Збільшення співвідношення вуглецю до кремнію в середовищі росту є ефективним заходом для стабілізації росту монокристалів. Вище співвідношення вуглецю до кремнію зменшує утворення великих ступеней, зберігає інформацію про ріст поверхні зародкових кристалів та пригнічує утворення політипів. - Технологія контролю низького стресу
Напруження під час росту кристалів може спричинити вигин кристалічних площин, що призводить до погіршення якості кристалів або навіть розтріскування. Високе напруження також збільшує кількість дислокацій базальної площини, що може негативно вплинути на якість епітаксіального шару та продуктивність пристрою.
Зображення сканування 6-дюймової пластини SiC
Методи зменшення напруги в кристалах:
- Відрегулюйте розподіл температурного поля та параметри процесу, щоб забезпечити майже рівноважний ріст монокристалів SiC.
- Оптимізуйте структуру тигля, щоб забезпечити вільний ріст кристалів з мінімальними обмеженнями.
- Змініть методи фіксації затравочного кристала, щоб зменшити невідповідність теплового розширення між затравочним кристалом та графітовим тримачем. Загальний підхід полягає в тому, щоб залишати зазор 2 мм між затравочним кристалом та графітовим тримачем.
- Покращуйте процеси відпалу, впроваджуючи відпал у печі in situ, регулюючи температуру та тривалість відпалу для повного зняття внутрішньої напруги.
Майбутні тенденції в технології вирощування кристалів карбіду кремнію
У майбутньому технологія отримання високоякісних монокристалів SiC розвиватиметься в таких напрямках:
- Масштабне зростання
Діаметр монокристалів карбіду кремнію змінився від кількох міліметрів до 6-дюймових, 8-дюймових і навіть більших 12-дюймових розмірів. Кристали SiC великого діаметра підвищують ефективність виробництва, знижують витрати та відповідають вимогам потужних пристроїв. - Високоякісне зростання
Високоякісні монокристали SiC є важливими для високопродуктивних пристроїв. Незважаючи на значний прогрес, такі дефекти, як мікротрубочки, дислокації та домішки, все ще існують, що впливає на продуктивність та надійність пристроїв. - Зменшення витрат
Висока вартість отримання кристалів SiC обмежує його застосування в певних галузях. Оптимізація процесів вирощування, підвищення ефективності виробництва та зниження витрат на сировину можуть допомогти знизити виробничі витрати. - Інтелектуальне зростання
З розвитком штучного інтелекту та великих даних, технологія вирощування кристалів SiC все частіше використовуватиме інтелектуальні рішення. Моніторинг та керування в режимі реального часу за допомогою датчиків та автоматизованих систем підвищать стабільність та керованість процесу. Крім того, аналітика великих даних може оптимізувати параметри росту, покращуючи якість кристалів та ефективність виробництва.
Технологія отримання високоякісних монокристалів карбіду кремнію є ключовим напрямком у дослідженнях напівпровідникових матеріалів. З розвитком технологій методи вирощування кристалів SiC продовжуватимуть розвиватися, забезпечуючи міцну основу для застосування у високотемпературних, високочастотних та потужних областях.
Час публікації: 25 липня 2025 р.