Belangrijke overwegingen voor de bereiding van hoogwaardige siliciumcarbide-monokristallen

De belangrijkste methoden voor de bereiding van siliciumkristallen zijn: Physical Vapor Transport (PVT), Top-Seded Solution Growth (TSSG) en High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD). De PVT-methode wordt veel toegepast in de industriële productie vanwege de eenvoudige apparatuur, de eenvoudige bediening en de lage apparatuur- en operationele kosten.

Belangrijkste technische punten voor PVT-groei van siliciumcarbidekristallen

Bij het kweken van siliciumcarbidekristallen met behulp van de Physical Vapor Transport (PVT)-methode moeten de volgende technische aspecten in acht worden genomen:

1. 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 B en Al moeten onder 0,1 × 10⁻⁶ worden gehouden.
2. Correcte selectie van de polariteit van het zaadkristal: empirische studies tonen aan dat de C (0001) zijde geschikt is voor het kweken van 4H-SiC kristallen, terwijl de Si (0001) zijde wordt gebruikt voor het kweken van 6H-SiC kristallen.
3. Gebruik van off-axis zaadkristallen: Off-axis zaadkristallen kunnen de symmetrie van de kristalgroei veranderen, waardoor defecten in het kristal worden verminderd.
4. Hoogwaardig zaadkristalbindingsproces.
5. Handhaving van de stabiliteit van de kristalgroei-interface tijdens de groeicyclus.

Belangrijkste technologieën voor de groei van siliciumcarbidekristallen

1. Dopingtechnologie voor siliciumcarbidepoeder
   Het doteren van het siliciumcarbidepoeder met een geschikte hoeveelheid Ce kan de groei van 4H-SiC-kristallen stabiliseren. Praktische resultaten tonen aan dat Ce-dotering:

• Verhoog de groeisnelheid van siliciumcarbidekristallen.
• Controleer de richting van de kristalgroei, zodat deze gelijkmatiger en regelmatiger groeit.
• Onderdruk de vorming van onzuiverheden, verminder defecten en vergemakkelijk de productie van monokristallijne en hoogwaardige kristallen.
• Voorkomt corrosie aan de achterkant van het kristal en verbetert de opbrengst van enkelkristallen.

• Axiale en radiale temperatuurgradiëntregeltechnologie
  De axiale temperatuurgradiënt beïnvloedt primair het type en de efficiëntie van de kristalgroei. Een te kleine temperatuurgradiënt kan leiden tot polykristallijne vorming en de groeisnelheid verlagen. Een goede axiale en radiale temperatuurgradiënt bevordert een snelle groei van SiC-kristallen, terwijl een stabiele kristalkwaliteit behouden blijft.
• Technologie voor controle van basale vlakdislocatie (BPD)
  BPD-defecten ontstaan voornamelijk wanneer de schuifspanning in het kristal de kritische schuifspanning van SiC overschrijdt, waardoor slipsystemen worden geactiveerd. Omdat BPD's loodrecht op de kristalgroeirichting staan, ontstaan ze voornamelijk tijdens de kristalgroei en -afkoeling.
• Technologie voor aanpassing van de verhouding van de dampfasesamenstelling
  Het verhogen van de koolstof-siliciumverhouding in de groeiomgeving is een effectieve maatregel om de groei van monokristallen te stabiliseren. Een hogere koolstof-siliciumverhouding vermindert de vorming van grote stappen, behoudt de informatie over de groei van het entkristaloppervlak en onderdrukt de vorming van polytypen.
• Technologie voor lage stresscontrole
  Spanning tijdens de kristalgroei kan leiden tot buiging van kristalvlakken, wat leidt tot een slechte kristalkwaliteit of zelfs scheuren. Hoge spanning verhoogt ook de dislocaties van het basisvlak, 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 stress in kristallen te verminderen:

• Pas de temperatuurveldverdeling en procesparameters aan om een bijna-evenwichtsgroei van SiC-monokristallen mogelijk te maken.
• Optimaliseer de structuur van de kroes om vrije kristalgroei met minimale beperkingen mogelijk te maken.
• Pas de fixatietechnieken voor het entkristal aan om de thermische uitzettingsverschillen tussen het entkristal en de grafiethouder te verkleinen. Een gebruikelijke aanpak is om een opening van 2 mm tussen het entkristal en de grafiethouder te laten.
• Verbeter gloeiprocessen door in-situ-ovengloeien toe te passen en de gloeitemperatuur en -duur aan te passen om interne spanningen volledig weg te nemen.

Toekomstige trends in de technologie voor de groei van siliciumcarbidekristallen

Kijkend naar de toekomst zal de technologie voor de voorbereiding van hoogwaardige SiC-monokristallen zich in de volgende richtingen ontwikkelen:

1. Grootschalige groei
   De diameter van siliciumcarbidekristallen is geëvolueerd van enkele millimeters naar afmetingen van 15, 20 en zelfs 30 centimeter. SiC-kristallen met een grote diameter verbeteren de productie-efficiëntie, verlagen de kosten en voldoen aan de eisen van apparaten met een hoog vermogen.
2. Hoogwaardige groei
   Hoogwaardige SiC-monokristallen zijn essentieel voor hoogwaardige apparaten. Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt, bestaan er nog steeds defecten zoals micropijpjes, dislocaties en onzuiverheden die de prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat beïnvloeden.
3. Kostenreductie
   De hoge kosten van de bereiding van SiC-kristallen beperken de toepassing ervan in bepaalde sectoren. Het optimaliseren van groeiprocessen, het verbeteren van de productie-efficiëntie en het verlagen van de grondstofkosten kunnen helpen de productiekosten te verlagen.
4. Intelligente groei
   Dankzij de vooruitgang in AI en big data zal de groeitechnologie voor SiC-kristallen steeds meer intelligente oplossingen gebruiken. Realtime monitoring en controle met behulp van sensoren en geautomatiseerde systemen zullen de processtabiliteit en -controle verbeteren. Bovendien kunnen big data-analyses groeiparameters optimaliseren, waardoor de kristalkwaliteit en productie-efficiëntie worden verbeterd.

Technologie voor de bereiding van hoogwaardige siliciumcarbidekristallen is een belangrijk aandachtspunt in het onderzoek naar halfgeleidermaterialen. Naarmate de technologie vordert, zullen SiC-kristalgroeitechnieken zich blijven ontwikkelen en een solide basis vormen voor toepassingen in hoge temperaturen, hoge frequenties en hoge vermogens.