De belangrijkste methoden voor het kweken van siliciumcarbide-eenkristallen zijn Physical Vapor Transport (PVT), Top-Seeded Solution Growth (TSSG) en High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD).

Van deze methoden is de PVT-methode de belangrijkste techniek geworden voor industriële productie vanwege de relatief eenvoudige installatie van de apparatuur, het bedieningsgemak en de controle, en de lagere apparatuur- en operationele kosten.

---

Belangrijkste technische aspecten van SiC-kristalgroei met behulp van de PVT-methode

Om siliciumcarbidekristallen te kweken met behulp van de PVT-methode, moeten verschillende technische aspecten nauwlettend in de gaten worden gehouden:

1. Zuiverheid van grafietmaterialen in het thermische veld
   De grafietmaterialen die in het thermische veld voor kristalgroei worden gebruikt, moeten aan strenge zuiverheidseisen voldoen. Het gehalte aan onzuiverheden in grafietcomponenten moet lager zijn dan 5×10⁻⁶, en voor isolatievilt lager dan 10×10⁻⁶. Meer specifiek moet het gehalte aan boor (B) en aluminium (Al) elk lager zijn dan 0,1×10⁻⁶.

2. Correcte polariteit van het zaadkristal
   Empirische gegevens tonen aan dat het C-vlak (0001) geschikt is voor de groei van 4H-SiC-kristallen, terwijl het Si-vlak (0001) geschikt is voor de groei van 6H-SiC.

3. Gebruik van niet-axiale zaadkristallen
   Zaadjes die niet in de as van de kristalstructuur groeien, kunnen de groeisymmetrie veranderen, kristaldefecten verminderen en een betere kristalkwaliteit bevorderen.

4. Betrouwbare techniek voor het verbinden van zaadkristallen
   Een goede hechting tussen het zaadkristal en de houder is essentieel voor stabiliteit tijdens de groei.

5. Het handhaven van de stabiliteit van het groei-grensvlak
   Tijdens de gehele kristalgroeicyclus moet het groeigrensvlak stabiel blijven om de ontwikkeling van hoogwaardige kristallen te garanderen.

 

---

Kerntechnologieën in de groei van SiC-kristallen

1. Dopingtechnologie voor SiC-poeder

Het doteren van SiC-poeder met cerium (Ce) kan de groei van een enkel polytype, zoals 4H-SiC, stabiliseren. De praktijk heeft aangetoond dat Ce-dotering het volgende kan bewerkstelligen:

• Verhoog de groeisnelheid van SiC-kristallen;

• Verbeter de kristaloriëntatie voor een meer uniforme en gerichte groei;

• Verminder onzuiverheden en defecten;

• Onderdruk corrosie aan de achterzijde van het kristal;

• Verhoog de opbrengst aan enkelkristallen.

2. Beheersing van axiale en radiale thermische gradiënten

Axiale temperatuurgradiënten beïnvloeden het kristalpolytype en de groeisnelheid. Een te kleine gradiënt kan leiden tot polytype-insluitingen en verminderd materiaaltransport in de dampfase. Het optimaliseren van zowel axiale als radiale gradiënten is cruciaal voor een snelle en stabiele kristalgroei met een constante kwaliteit.

3. Basale vlakdislocatie (BPD) controletechnologie

BPD's ontstaan ​​voornamelijk door schuifspanning die de kritische drempel in SiC-kristallen overschrijdt, waardoor glijsystemen worden geactiveerd. Omdat BPD's loodrecht op de groeirichting staan, ontstaan ​​ze doorgaans tijdens de kristalgroei en afkoeling. Het minimaliseren van interne spanning kan de BPD-dichtheid aanzienlijk verminderen.

4. Controle van de samenstellingsverhouding van de dampfase

Het verhogen van de koolstof-siliciumverhouding in de dampfase is een beproefde methode om de groei van één enkel polytype te bevorderen. Een hoge C/Si-verhouding vermindert de opeenhoping van macrostappen en behoudt de oppervlakte-erfgoedstructuur van het zaadkristal, waardoor de vorming van ongewenste polytypen wordt onderdrukt.

5. Stressarme groeitechnieken

Spanning tijdens de kristalgroei kan leiden tot gekromde roosterplaten, scheuren en een hogere BPD-dichtheid. Deze defecten kunnen zich doorzetten in epitaxiale lagen en de prestaties van het apparaat negatief beïnvloeden.

Er zijn verschillende strategieën om de interne kristalspanning te verminderen, waaronder:

• Het aanpassen van de thermische veldverdeling en procesparameters om groei nabij het evenwicht te bevorderen;

• Het optimaliseren van het smeltkroesontwerp zodat het kristal vrij kan groeien zonder mechanische beperkingen;

• Het verbeteren van de configuratie van de zaadhouder om het verschil in thermische uitzetting tussen het zaad en het grafiet tijdens verhitting te verminderen, vaak door een opening van 2 mm tussen het zaad en de houder te laten;

• Het verfijnen van gloeiprocessen, het laten afkoelen van het kristal met de oven, en het aanpassen van temperatuur en duur om interne spanningen volledig te verlichten.

---

Trends in SiC-kristalgroeitechnologie

1. Grotere kristalformaten
De diameters van SiC-eenkristallen zijn toegenomen van slechts enkele millimeters tot wafers van 6, 8 en zelfs 12 inch. Grotere wafers verhogen de productie-efficiëntie en verlagen de kosten, terwijl ze tegelijkertijd voldoen aan de eisen van krachtige toepassingen.

2. Hogere kristalkwaliteit
Hoogwaardige SiC-kristallen zijn essentieel voor hoogwaardige apparaten. Ondanks aanzienlijke verbeteringen vertonen de huidige kristallen nog steeds defecten zoals micropijpen, dislocaties en onzuiverheden, die allemaal de prestaties en betrouwbaarheid van apparaten kunnen verminderen.

3. Kostenreductie
De productie van SiC-kristallen is nog steeds relatief duur, wat een bredere toepassing beperkt. Het verlagen van de kosten door middel van geoptimaliseerde groeiprocessen, een hogere productie-efficiëntie en lagere grondstofkosten is cruciaal voor het uitbreiden van de markttoepassingen.

4. Intelligente productie
Dankzij de vooruitgang in kunstmatige intelligentie en big data-technologieën evolueert de groei van SiC-kristallen naar intelligente, geautomatiseerde processen. Sensoren en besturingssystemen kunnen de groeiomstandigheden in realtime bewaken en aanpassen, waardoor de processtabiliteit en voorspelbaarheid verbeteren. Data-analyse kan de procesparameters en de kristalkwaliteit verder optimaliseren.

De ontwikkeling van hoogwaardige technologieën voor de groei van SiC-eenkristallen is een belangrijk aandachtspunt in het onderzoek naar halfgeleidermaterialen. Naarmate de technologie vordert, zullen de kristalgroeimethoden blijven evolueren en verbeteren, wat een solide basis vormt voor SiC-toepassingen in elektronische apparaten die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen, hoge frequenties en hoge vermogens.