De viktigste metodene for dyrking av silisiumkarbid-enkeltkrystaller inkluderer fysisk damptransport (PVT), toppfrøbasert løsningsvekst (TSSG) og høytemperatur kjemisk dampavsetning (HT-CVD).

Blant disse har PVT-metoden blitt den primære teknikken for industriell produksjon på grunn av dens relativt enkle utstyrsoppsett, enkle betjening og kontroll, og lavere utstyrs- og driftskostnader.

---

Viktige tekniske punkter for SiC-krystallvekst ved bruk av PVT-metoden

For å dyrke silisiumkarbidkrystaller ved hjelp av PVT-metoden, må flere tekniske aspekter kontrolleres nøye:

1. Renhet av grafittmaterialer i det termiske feltet
   Grafittmaterialene som brukes i krystallvekst-termisk felt må oppfylle strenge renhetskrav. Urenhetsinnholdet i grafittkomponenter bør være under 5×10⁻⁶, og for isolasjonsfilt under 10×10⁻⁶. Mer spesifikt må innholdet av bor (B) og aluminium (Al) hver være under 0,1×10⁻⁶.

2. Riktig polaritet av frøkrystall
   Empiriske data viser at C-flaten (0001) er egnet for dyrking av 4H-SiC-krystaller, mens Si-flaten (0001) er egnet for 6H-SiC-vekst.

3. Bruk av off-axis frøkrystaller
   Off-axis-frø kan endre vekstsymmetrien, redusere krystalldefekter og fremme bedre krystallkvalitet.

4. Pålitelig teknikk for binding av frøkrystaller
   Riktig binding mellom frøkrystallen og holderen er avgjørende for stabilitet under vekst.

5. Opprettholde stabilitet i vekstgrensesnittet
   Gjennom hele krystallvekstsyklusen må vekstgrensesnittet forbli stabilt for å sikre krystallutvikling av høy kvalitet.

 

---

Kjerneteknologier innen SiC-krystallvekst

1. Dopingteknologi for SiC-pulver

Doping av SiC-pulver med cerium (Ce) kan stabilisere veksten av en enkelt polytype som 4H-SiC. Praksis har vist at Ce-doping kan:

• Øk vekstraten til SiC-krystaller;

• Forbedre krystallorienteringen for mer jevn og retningsbestemt vekst;

• Reduser urenheter og defekter;

• Undertrykke korrosjon på baksiden av krystallen;

• Forbedre utbyttet av enkeltkrystaller.

2. Kontroll av aksiale og radiale termiske gradienter

Aksiale temperaturgradienter påvirker krystallpolytypen og veksthastigheten. En gradient som er for liten kan føre til polytypeinneslutninger og redusert materialtransport i dampfasen. Optimalisering av både aksiale og radiale gradienter er avgjørende for rask og stabil krystallvekst med jevn kvalitet.

3. Kontrollteknologi for basalplandislokasjon (BPD)

BPD-er dannes hovedsakelig på grunn av skjærspenning som overstiger den kritiske terskelen i SiC-krystaller, noe som aktiverer slip-systemer. Siden BPD-er er vinkelrett på vekstretningen, oppstår de vanligvis under krystallvekst og avkjøling. Minimering av indre spenninger kan redusere BPD-tettheten betydelig.

4. Kontroll av forholdet mellom dampfasesammensetning

Å øke karbon-til-silisium-forholdet i dampfasen er en velprøvd metode for å fremme vekst av enkeltstående polytyper. Et høyt C/Si-forhold reduserer makrotrinnsbunting og bevarer overflatearv fra kimkrystallen, og dermed undertrykker dannelsen av uønskede polytyper.

5. Lavstressvekstteknikker

Stress under krystallvekst kan føre til buede gitterplan, sprekker og høyere BPD-tettheter. Disse defektene kan overføres til epitaksiale lag og påvirke enhetens ytelse negativt.

Flere strategier for å redusere indre krystallstress inkluderer:

• Justering av termisk feltfordeling og prosessparametere for å fremme nær likevektsvekst;

• Optimalisering av digeldesign for å la krystallen vokse fritt uten mekaniske begrensninger;

• Forbedring av frøholderkonfigurasjonen for å redusere den termiske ekspansjonsforskjellen mellom frøet og grafitten under oppvarming, ofte ved å la det være et mellomrom på 2 mm mellom frøet og holderen;

• Raffinering av glødeprosesser, slik at krystallen avkjøles med ovnen, og justering av temperatur og varighet for å fullstendig avlaste indre spenninger.

---

Trender innen SiC-krystallvekstteknologi

1. Større krystallstørrelser
Diameteren på SiC-enkeltkrystaller har økt fra bare noen få millimeter til 6-tommers, 8-tommers og til og med 12-tommers wafere. Større wafere øker produksjonseffektiviteten og reduserer kostnadene, samtidig som de oppfyller kravene til applikasjoner med høy effekt.

2. Høyere krystallkvalitet
Høykvalitets SiC-krystaller er avgjørende for høyytelsesenheter. Til tross for betydelige forbedringer viser nåværende krystaller fortsatt defekter som mikrorør, forskyvninger og urenheter, som alle kan forringe enhetens ytelse og pålitelighet.

3. Kostnadsreduksjon
Produksjon av SiC-krystaller er fortsatt relativt dyrt, noe som begrenser bredere bruk. Å redusere kostnader gjennom optimaliserte vekstprosesser, økt produksjonseffektivitet og lavere råvarekostnader er avgjørende for å utvide markedsapplikasjonene.

4. Intelligent produksjon
Med fremskritt innen kunstig intelligens og stordatateknologier beveger SiC-krystallvekst seg mot intelligente, automatiserte prosesser. Sensorer og kontrollsystemer kan overvåke og justere vekstforhold i sanntid, noe som forbedrer prosessstabilitet og forutsigbarhet. Dataanalyse kan ytterligere optimalisere prosessparametere og krystallkvalitet.

Utvikling av høykvalitets SiC-enkeltkrystallvekstteknologi er et hovedfokus innen forskning på halvledermaterialer. Etter hvert som teknologien utvikler seg, vil krystallvekstmetoder fortsette å utvikle seg og forbedres, og gi et solid grunnlag for SiC-applikasjoner i elektroniske enheter med høy temperatur, høy frekvens og høy effekt.