Основні методи вирощування монокристалів карбіду 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 став основним методом промислового виробництва завдяки відносно простому налаштуванню обладнання, легкості експлуатації та керування, а також нижчим витратам на обладнання та експлуатацію.

---

Ключові технічні моменти вирощування кристалів SiC за допомогою методу PVT

Для вирощування кристалів карбіду кремнію методом PVT необхідно ретельно контролювати кілька технічних аспектів:

1. Чистота графітових матеріалів у тепловому полі
   Графітові матеріали, що використовуються в тепловому полі для вирощування кристалів, повинні відповідати суворим вимогам щодо чистоти. Вміст домішок у графітових компонентах повинен бути менше 5×10⁻⁶, а для ізоляційних повстей – менше 10×10⁻⁶. Зокрема, вміст бору (B) та алюмінію (Al) повинен бути менше 0,1×10⁻⁶ кожного.

2. Правильна полярність зародкового кристала
   Емпіричні дані показують, що C-грань (0001) підходить для вирощування кристалів 4H-SiC, тоді як Si-грань (0001) підходить для вирощування 6H-SiC.

3. Використання позаосьових зародкових кристалів
   Позаосьові зародки можуть змінювати симетрію росту, зменшувати дефекти кристалів та сприяти кращій якості кристалів.

4. Надійний метод зв'язування зародкових кристалів
   Правильне з'єднання між зародковим кристалом та тримачем є важливим для стабільності під час росту.

5. Підтримка стабільності інтерфейсу зростання
   Протягом усього циклу росту кристалів межа розділу фаз повинна залишатися стабільною, щоб забезпечити високоякісний розвиток кристалів.

 

---

Основні технології вирощування кристалів SiC

1. Технологія легування порошку SiC

Легування порошку SiC церієм (Ce) може стабілізувати ріст одного політипу, такого як 4H-SiC. Практика показала, що легування Ce може:

• Збільшити швидкість росту кристалів SiC;

• Покращення орієнтації кристалів для більш рівномірного та спрямованого росту;

• Зменшення кількості домішок та дефектів;

• Придушення корозії задньої сторони кристала;

• Збільште вихід монокристалів.

2. Контроль осьових та радіальних теплових градієнтів

Осьові градієнти температури впливають на політип кристалів та швидкість росту. Занадто малий градієнт може призвести до включень політипів та зменшення транспортування матеріалу в паровій фазі. Оптимізація як осьових, так і радіальних градієнтів має вирішальне значення для швидкого та стабільного росту кристалів зі стабільною якістю.

3. Технологія контролю дислокації базальної площини (BPD)

БПД утворюються головним чином через напруження зсуву, що перевищує критичний поріг у кристалах SiC, активуючи системи ковзання. Оскільки БПД перпендикулярні до напрямку росту, вони зазвичай виникають під час росту та охолодження кристалів. Мінімізація внутрішніх напружень може значно зменшити щільність БПД.

4. Контроль співвідношення складу парової фази

Збільшення співвідношення вуглецю до кремнію в паровій фазі є перевіреним методом стимулювання росту окремих політипів. Високе співвідношення C/Si зменшує макроступеневе групування та зберігає поверхневе успадкування від зародкового кристала, тим самим пригнічуючи утворення небажаних політипів.

5. Методи вирощування з низьким рівнем стресу

Напруження під час росту кристалів може призвести до викривлених площин решітки, тріщин та вищої щільності BPD. Ці дефекти можуть переноситися в епітаксійні шари та негативно впливати на продуктивність пристрою.

Декілька стратегій для зменшення внутрішнього кристалічного напруження включають:

• Коригування розподілу теплового поля та параметрів процесу для сприяння росту, що досягає майже рівноважного стану;

• Оптимізація конструкції тигля, щоб кристал міг вільно рости без механічних обмежень;

• Удосконалення конфігурації тримача затравки для зменшення невідповідності теплового розширення між затравкою та графітом під час нагрівання, часто шляхом залишення зазору 2 мм між затравкою та тримачем;

• Процеси рафінування відпалу, що дозволяють кристалу охолоджуватися за допомогою печі, а також регулюють температуру та тривалість для повного зняття внутрішньої напруги.

---

Тенденції в технології вирощування кристалів SiC

1. Більші розміри кристалів
Діаметри монокристалів SiC збільшилися з кількох міліметрів до 6-дюймових, 8-дюймових і навіть 12-дюймових пластин. Більші пластини підвищують ефективність виробництва та знижують витрати, водночас задовольняючи вимоги застосувань у високопотужних пристроях.

2. Вища якість кристалів
Високоякісні кристали SiC є важливими для високопродуктивних пристроїв. Незважаючи на значні покращення, сучасні кристали все ще мають такі дефекти, як мікротрубочки, дислокації та домішки, які можуть погіршити продуктивність та надійність пристрою.

3. Зниження витрат
Виробництво кристалів SiC все ще є відносно дорогим, що обмежує ширше впровадження. Зниження витрат шляхом оптимізації процесів вирощування, підвищення ефективності виробництва та зниження вартості сировини має вирішальне значення для розширення ринкових застосувань.

4. Інтелектуальне виробництво
Завдяки розвитку штучного інтелекту та технологій великих даних, вирощування кристалів SiC рухається в напрямку інтелектуальних, автоматизованих процесів. Датчики та системи керування можуть контролювати та коригувати умови росту в режимі реального часу, покращуючи стабільність та передбачуваність процесу. Аналіз даних може додатково оптимізувати параметри процесу та якість кристалів.

Розробка високоякісної технології вирощування монокристалів SiC є основним напрямком досліджень напівпровідникових матеріалів. З розвитком технологій методи вирощування кристалів продовжуватимуть розвиватися та вдосконалюватися, забезпечуючи міцну основу для застосування SiC у високотемпературних, високочастотних та потужних електронних пристроях.