De belangrijkste methoden voor de bereiding van silicium-eenkristallen zijn: Physical Vapor Transport (PVT), Top-Seeded Solution Growth (TSSG) en High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD). Van deze methoden wordt de PVT-methode veelvuldig toegepast in de industriële productie vanwege de eenvoudige apparatuur, het gemakkelijke beheer en de lage apparatuur- en operationele kosten.
Belangrijke technische aspecten voor PVT-groei van siliciumcarbidekristallen
Bij het kweken van siliciumcarbidekristallen met behulp van de Physical Vapor Transport (PVT)-methode moet rekening worden gehouden met de volgende technische aspecten:
- Zuiverheid van grafietmaterialen in de groeikamer: Het gehalte aan onzuiverheden in grafietcomponenten moet lager zijn dan 5×10⁻⁶, terwijl het gehalte aan onzuiverheden in isolatievilt lager moet zijn dan 10×10⁻⁶. Elementen zoals boor (B) en aluminium (Al) moeten onder de 0,1×10⁻⁶ blijven.
- Correcte polariteitsselectie van het zaadkristal: Empirische studies tonen aan dat het C (0001)-vlak geschikt is voor het kweken van 4H-SiC-kristallen, terwijl het Si (0001)-vlak wordt gebruikt voor het kweken van 6H-SiC-kristallen.
- Gebruik van niet-asymmetrische zaadkristallen: Niet-asymmetrische zaadkristallen kunnen de symmetrie van de kristalgroei veranderen, waardoor defecten in het kristal worden verminderd.
- Hoogwaardig proces voor het verbinden van zaadkristallen.
- Het behouden van stabiliteit van het kristalgroeigrensvlak gedurende de groeicyclus.
Sleuteltechnologieën voor de groei van siliciumcarbidekristallen
- Dopingtechnologie voor siliciumcarbidepoeder
Het toevoegen van een geschikte hoeveelheid Ce aan siliciumcarbidepoeder kan de groei van 4H-SiC-eenkristallen stabiliseren. Praktische resultaten tonen aan dat Ce-dotering het volgende kan bewerkstelligen:
- Verhoog de groeisnelheid van siliciumcarbidekristallen.
- Beheers de oriëntatie van de kristalgroei, zodat deze uniformer en regelmatiger verloopt.
- Onderdruk de vorming van onzuiverheden, verminder defecten en faciliteer de productie van enkelkristallen en hoogwaardige kristallen.
- Voorkom corrosie aan de achterzijde van het kristal en verbeter de opbrengst aan enkelkristallen.
- Axiale en radiale temperatuurgradiëntregelingstechnologie
De axiale temperatuurgradiënt heeft vooral invloed op het type en de efficiëntie van de kristalgroei. Een te kleine temperatuurgradiënt kan leiden tot polykristallijne vorming en een lagere groeisnelheid. De juiste axiale en radiale temperatuurgradiënten bevorderen een snelle groei van SiC-kristallen met behoud van een stabiele kristalkwaliteit. - Basale vlakdislocatie (BPD) controletechnologie
BPD-defecten ontstaan voornamelijk wanneer de schuifspanning in het kristal de kritische schuifspanning van SiC overschrijdt, waardoor glijsystemen worden geactiveerd. Omdat BPD's loodrecht op de kristalgroeirichting staan, ontstaan ze vooral tijdens de kristalgroei en afkoeling. - Technologie voor het aanpassen van de samenstellingsverhouding van de dampfase
Het verhogen van de koolstof-siliciumverhouding in de groeiomgeving is een effectieve maatregel om de groei van eenkristallen te stabiliseren. Een hogere koolstof-siliciumverhouding vermindert de opeenhoping van grote treden, behoudt de informatie over de groei van het kiemkristaloppervlak en onderdrukt de vorming van polytypen. - Stressarme besturingstechnologie
Spanning tijdens de kristalgroei kan leiden tot buiging van de kristalvlakken, met als gevolg een slechte kristalkwaliteit of zelfs scheurvorming. Hoge spanning verhoogt ook de dislocaties in de basale vlakken, wat de kwaliteit van de epitaxiale laag en de prestaties van het apparaat negatief kan beïnvloeden.
Scanbeeld van een 6-inch SiC-wafer
Methoden om spanning in kristallen te verminderen:
- Pas de temperatuurveldverdeling en de procesparameters aan om een bijna-evenwichtige groei van SiC-eenkristallen mogelijk te maken.
- Optimaliseer de smeltkroesstructuur om vrije kristalgroei met minimale beperkingen mogelijk te maken.
- Pas de fixatietechnieken voor zaadkristallen aan om het verschil in thermische uitzetting tussen het zaadkristal en de grafiethouder te verkleinen. Een veelgebruikte methode is om een opening van 2 mm tussen het zaadkristal en de grafiethouder te laten.
- Verbeter gloeiprocessen door in-situ gloeien in een oven, waarbij de gloeitemperatuur en -duur worden aangepast om interne spanningen volledig te ontladen.
Toekomstige trends in de technologie voor de groei van siliciumcarbidekristallen
In de toekomst zal de technologie voor de bereiding van hoogwaardige SiC-eenkristallen zich in de volgende richtingen ontwikkelen:
- Grootschalige groei
De diameter van siliciumcarbide-eenkristallen is geëvolueerd van enkele millimeters tot 6 inch, 8 inch en zelfs nog grotere afmetingen van 12 inch. SiC-kristallen met een grote diameter verbeteren de productie-efficiëntie, verlagen de kosten en voldoen aan de eisen van krachtige apparaten. - Groei van hoge kwaliteit
Hoogwaardige SiC-eenkristallen zijn essentieel voor hoogwaardige apparaten. Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt, bestaan er nog steeds defecten zoals micropijpen, dislocaties en onzuiverheden die de prestaties en betrouwbaarheid van apparaten beïnvloeden. - Kostenreductie
De hoge kosten van de bereiding van SiC-kristallen beperken de toepassing ervan in bepaalde gebieden. Optimalisatie van de groeiprocessen, verbetering van de productie-efficiëntie en verlaging van de grondstofkosten kunnen helpen de productiekosten te verlagen. - Intelligente groei
Met de vooruitgang in AI en big data zal de technologie voor de groei van SiC-kristallen steeds meer gebruikmaken van intelligente oplossingen. Realtime monitoring en besturing met behulp van sensoren en geautomatiseerde systemen zullen de processtabiliteit en -controle verbeteren. Bovendien kunnen big data-analyses de groeiparameters optimaliseren, waardoor de kristalkwaliteit en de productie-efficiëntie verbeteren.
De ontwikkeling van hoogwaardige siliciumcarbide-eenkristallen is een belangrijk aandachtspunt in het onderzoek naar halfgeleidermaterialen. Naarmate de technologie vordert, zullen de technieken voor de kristalgroei van SiC blijven evolueren, wat een solide basis vormt voor toepassingen in hoge temperaturen, hoge frequenties en hoge vermogens.
Geplaatst op: 25 juli 2025