De belangrijkste methoden voor het kweken van siliciumcarbidekristallen zijn onder meer 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 voor industriële productie geworden vanwege de relatief eenvoudige opstelling van de apparatuur, het gebruiksgemak en de controle, en de lagere apparatuur- en operationele kosten.

---

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

Om siliciumcarbidekristallen te laten groeien met behulp van de PVT-methode, moeten verschillende technische aspecten zorgvuldig worden gecontroleerd:

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

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

3. Gebruik van off-axis zaadkristallen
   Off-axis zaden kunnen de groeisymmetrie veranderen, kristaldefecten verminderen en een betere kristalkwaliteit bevorderen.

4. Betrouwbare zaadkristalbindingstechniek
   Een goede verbinding tussen het zaadkristal en de houder is essentieel voor stabiliteit tijdens de groei.

5. Het handhaven van de stabiliteit van de groei-interface
   Gedurende de gehele kristalgroeicyclus moet de groeiinterface stabiel blijven om een hoogwaardige kristalontwikkeling te garanderen.

 

---

Kerntechnologieën in SiC-kristalgroei

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-doping:

• Verhoog de groeisnelheid van SiC-kristallen;

• Verbeter de kristaloriëntatie voor een gelijkmatigere en gerichte groei;

• Verminder onzuiverheden en defecten;

• Onderdruk corrosie aan de achterkant van het kristal;

• Verhoog de opbrengst van enkelvoudige kristallen.

2. Controle van axiale en radiale thermische gradiënten

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

3. Technologie voor controle van basale vlakdislocatie (BPD)

BPD's ontstaan voornamelijk doordat schuifspanning de kritische drempelwaarde in SiC-kristallen overschrijdt, waardoor slipsystemen worden geactiveerd. Omdat BPD's loodrecht op de groeirichting staan, ontstaan ze meestal tijdens de kristalgroei en -afkoeling. Het minimaliseren van interne spanning kan de BPD-dichtheid aanzienlijk verminderen.

4. Controle van de verhouding van de dampfasesamenstelling

Het verhogen van de koolstof-siliciumverhouding in de dampfase is een bewezen methode om de groei van individuele polytypen te bevorderen. Een hoge C/Si-verhouding vermindert de vorming van macrostap-clustering en behoudt de oppervlakte-erfenis van het entkristal, waardoor de vorming van ongewenste polytypen wordt onderdrukt.

5. Technieken voor groei met weinig stress

Spanning tijdens de kristalgroei kan leiden tot kromme roostervlakken, scheuren en hogere BPD-dichtheden. Deze defecten kunnen zich verspreiden naar epitaxiale lagen en de prestaties van het apparaat negatief beïnvloeden.

Er zijn verschillende strategieën om interne kristalspanning te verminderen:

• Het aanpassen van de thermische veldverdeling en procesparameters om een bijna-evenwichtsgroei te bevorderen;

• Optimaliseren van het ontwerp van de kroes, zodat het kristal vrij kan groeien zonder mechanische beperkingen;

• Verbetering van de configuratie van de zaadhouder om het thermische uitzettingsverschil tussen het zaad en het grafiet tijdens het verwarmen te verkleinen, 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 in de oven en het aanpassen van de temperatuur en duur om de interne spanning volledig te verlichten.

---

Trends in SiC-kristalgroeitechnologie

1. Grotere kristalgroottes
De diameters van SiC-monokristallen zijn toegenomen van slechts enkele millimeters tot wafers van 15, 20 en zelfs 30 cm. Grotere wafers verhogen de productie-efficiëntie en verlagen de kosten, terwijl ze voldoen aan de eisen van toepassingen met hoge vermogens.

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

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

4. Intelligente productie
Dankzij de vooruitgang in kunstmatige intelligentie en big data-technologieën beweegt de groei van SiC-kristallen zich richting intelligente, geautomatiseerde processen. Sensoren en regelsystemen kunnen de groeiomstandigheden in realtime monitoren en aanpassen, waardoor de stabiliteit en voorspelbaarheid van het proces worden verbeterd. Data-analyse kan de procesparameters en de kristalkwaliteit verder optimaliseren.

De ontwikkeling van hoogwaardige SiC-kristalgroeitechnologie is een belangrijk aandachtspunt in het onderzoek naar halfgeleidermaterialen. Naarmate de technologie vordert, zullen kristalgroeimethoden zich blijven ontwikkelen en verbeteren, wat een solide basis vormt voor SiC-toepassingen in elektronische apparaten met hoge temperaturen, hoge frequenties en hoog vermogen.