De viktigste metodene for fremstilling av silisium-enkeltkrystaller inkluderer: fysisk damptransport (PVT), toppfrøbasert løsningsvekst (TSSG) og høytemperaturkjemisk dampavsetning (HT-CVD). Blant disse er PVT-metoden bredt brukt i industriell produksjon på grunn av det enkle utstyret, den enkle kontrollen og de lave utstyrs- og driftskostnadene.
Viktige tekniske punkter for PVT-vekst av silisiumkarbidkrystaller
Når man dyrker silisiumkarbidkrystaller ved hjelp av PVT-metoden (fysisk damptransport), må følgende tekniske aspekter vurderes:
- Renhet av grafittmaterialer i vekstkammeret: Urenhetsinnholdet i grafittkomponenter må være under 5×10⁻⁶, mens urenhetsinnholdet i isolasjonsfilt må være under 10×10⁻⁶. Elementer som B og Al bør holdes under 0,1×10⁻⁶.
- Riktig valg av polaritet for frøkrystaller: Empiriske studier viser at C (0001)-flaten er egnet for dyrking av 4H-SiC-krystaller, mens Si (0001)-flaten brukes til dyrking av 6H-SiC-krystaller.
- Bruk av off-axis kimkrystaller: Off-axis kimkrystaller kan endre symmetrien i krystallveksten, noe som reduserer defekter i krystallen.
- Høykvalitets krystallbindingsprosess.
- Opprettholde stabiliteten til krystallvekstgrensesnittet under vekstsyklusen.
Viktige teknologier for silisiumkarbidkrystallvekst
- Dopingteknologi for silisiumkarbidpulver
Doping av silisiumkarbidpulveret med en passende mengde Ce kan stabilisere veksten av 4H-SiC-enkeltkrystaller. Praktiske resultater viser at Ce-doping kan:
- Øk vekstraten til silisiumkarbidkrystaller.
- Kontroller retningen på krystallveksten, slik at den blir mer jevn og regelmessig.
- Undertrykker dannelse av urenheter, reduserer defekter og letter produksjonen av enkeltkrystaller og krystaller av høy kvalitet.
- Hemme baksidekorrosjon av krystallen og forbedre enkeltkrystallutbyttet.
- Aksial og radial temperaturgradientkontrollteknologi
Den aksiale temperaturgradienten påvirker primært krystallveksttype og effektivitet. En for liten temperaturgradient kan føre til polykrystallinsk dannelse og redusere veksthastigheter. Riktige aksiale og radiale temperaturgradienter legger til rette for rask SiC-krystallvekst samtidig som stabil krystallkvalitet opprettholdes. - Kontrollteknologi for basalplandislokasjon (BPD)
BPD-defekter oppstår hovedsakelig når skjærspenningen i krystallen overstiger den kritiske skjærspenningen til SiC, noe som aktiverer slip-systemer. Siden BPD-er er vinkelrett på krystallvekstretningen, dannes de primært under krystallvekst og avkjøling. - Teknologi for justering av forholdet mellom dampfasesammensetning
Å øke karbon-til-silisium-forholdet i vekstmiljøet er et effektivt tiltak for å stabilisere veksten av enkeltkrystaller. Et høyere karbon-til-silisium-forhold reduserer store trinn i bunting, bevarer vekstinformasjon om frøkrystalloverflaten og undertrykker polytypedannelse. - Lavstresskontrollteknologi
Stress under krystallvekst kan forårsake bøying av krystallplan, noe som fører til dårlig krystallkvalitet eller til og med sprekkdannelser. Høy stress øker også basalplanforskyvninger, noe som kan påvirke epitaksiallagets kvalitet og enhetens ytelse negativt.
6-tommers SiC-wafer-skanningsbilde
Metoder for å redusere stress i krystaller:
- Juster temperaturfeltfordelingen og prosessparametrene for å muliggjøre nær likevektsvekst av SiC-enkeltkrystaller.
- Optimaliser digelstrukturen for å tillate fri krystallvekst med minimale begrensninger.
- Modifiser teknikker for fiksering av frøkrystaller for å redusere termisk ekspansjonsforskjell mellom frøkrystallen og grafittholderen. En vanlig tilnærming er å la det være et mellomrom på 2 mm mellom frøkrystallen og grafittholderen.
- Forbedre glødeprosesser ved å implementere gløding i ovn på stedet, justere glødetemperaturen og varigheten for å fullstendig frigjøre indre spenninger.
Fremtidige trender innen silisiumkarbidkrystallvekstteknologi
Fremover vil teknologien for fremstilling av SiC-enkeltkrystaller av høy kvalitet utvikle seg i følgende retninger:
- Storskala vekst
Diameteren til silisiumkarbid-enkeltkrystaller har utviklet seg fra noen få millimeter til 6-tommers, 8-tommers og enda større 12-tommers størrelser. SiC-krystaller med stor diameter forbedrer produksjonseffektiviteten, reduserer kostnader og oppfyller kravene til høyeffektsenheter. - Høy kvalitetsvekst
Høykvalitets SiC-enkeltkrystaller er avgjørende for høyytelsesenheter. Selv om det har blitt gjort betydelige fremskritt, finnes det fortsatt defekter som mikrorør, forskyvninger og urenheter, noe som påvirker enhetens ytelse og pålitelighet. - Kostnadsreduksjon
De høye kostnadene ved fremstilling av SiC-krystaller begrenser bruken av dem innen visse felt. Optimalisering av vekstprosesser, forbedring av produksjonseffektiviteten og reduksjon av råvarekostnader kan bidra til å redusere produksjonskostnadene. - Intelligent vekst
Med fremskritt innen kunstig intelligens og stordata vil SiC-krystallvekstteknologi i økende grad ta i bruk intelligente løsninger. Sanntidsovervåking og -kontroll ved hjelp av sensorer og automatiserte systemer vil forbedre prosessstabilitet og kontrollerbarhet. I tillegg kan stordataanalyse optimalisere vekstparametere, forbedre krystallkvaliteten og produksjonseffektiviteten.
Teknologi for fremstilling av høykvalitets silisiumkarbid-enkrystaller er et sentralt fokus innen forskning på halvledermaterialer. Etter hvert som teknologien utvikler seg, vil SiC-krystallvekstteknikker fortsette å utvikle seg, og gi et solid grunnlag for applikasjoner innen høytemperatur-, høyfrekvens- og høyeffektfelt.
Publisert: 25. juli 2025