Ключевые аспекты производства высококачественных монокристаллов карбида кремния (SiC)

Основные методы производства монокристаллов карбида кремния включают физический транспорт пара (PVT), выращивание из раствора с затравкой (TSSG) и высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD).

Среди них PVT является наиболее широко используемым методом в промышленном производстве благодаря относительно простой настройке оборудования, простоте управления и более низким затратам на оборудование и эксплуатацию.

Технические особенности метода PVT для выращивания кристаллов SiC

При выращивании монокристаллов SiC методом PVT критически важны следующие технические аспекты:

• Чистота графитовых материалов

Графит, используемый в тепловом поле, должен соответствовать строгим требованиям по чистоте. Содержание примесей в графитовых деталях должно быть менее 5×10⁻⁶, а в изоляционных войлоках - менее 10×10⁻⁶. В частности, содержание бора (B) и алюминия (Al) должно быть ниже 0,1×10⁻⁶.​

• Правильный выбор полярности затравки

Эксперименты показали, что грань C (0001) подходит для выращивания 4H-SiC, а грань Si (0001) используется для выращивания 6H-SiC.

• Использование внеосевых затравных кристаллов

Внеосевые затравки помогают нарушить симметрию роста и уменьшить дефекты в получаемом кристалле.

• Высококачественный процесс соединения затравки

Надежное соединение между затравкой и подложкой необходимо для стабильного роста.

• Поддержание стабильной границы роста

На протяжении всего цикла роста крайне важно поддерживать стабильность границы роста кристалла для обеспечения однородного качества.

Основные технологии выращивания кристаллов SiC

• Технология легирования порошка SiC

  Легирование порошка карбида кремния церием (Ce) способствует стабильному росту однополитипного 4H-SiC. Эта технология легирования может:

   

  • Увеличить скорость роста;

  • Улучшить кристаллографическую ориентацию;

  • Подавлять включение примесей и образование дефектов;

  • Улучшить выход кристаллов высокого качества;

  • Предотвратить коррозию задней стороны и увеличить монокристалличность.

• Контроль осевого и радиального градиента температуры

  Осевой градиент существенно влияет на морфологию кристалла и эффективность роста. Слишком малый градиент может привести к смешиванию политипов и уменьшению переноса пара. Оптимальные осевые и радиальные градиенты поддерживают быстрый и стабильный рост кристаллов.

• Контроль дислокаций в базисной плоскости (BPD)

  BPD возникают, когда внутреннее напряжение сдвига превышает критический порог, обычно во время роста и охлаждения. Управление этими напряжениями является ключом к минимизации дефектов BPD.

• Контроль соотношения состава газовой фазы

  Увеличение соотношения углерода к кремнию в паровой фазе помогает стабилизировать рост одного политипа и предотвращает образование макро-ступеней, тем самым подавляя образование политипов.

• Методы выращивания кристаллов с низким напряжением

  Внутреннее напряжение может привести к искажению решетки, растрескиванию кристалла и увеличению плотности дислокаций, что ухудшает качество кристалла и производительность последующих устройств. Напряжение можно уменьшить с помощью:

   

  • Оптимизации температурного поля и процесса для роста, близкого к равновесию;

  • Изменения конструкции тигля для обеспечения свободного расширения кристалла;

  • Улучшения методов крепления затравки, оставляя зазор 2 мм между затравкой и графитовым держателем для уменьшения несоответствия теплового расширения;

  • Отжига кристалла в печи для снятия остаточного напряжения с тщательной регулировкой температуры и продолжительности.

Будущие тенденции в технологии выращивания монокристаллов SiC

• Увеличение размера кристалла

  Диаметр монокристаллов SiC вырос от нескольких миллиметров до 6-дюймовых, 8-дюймовых и даже 12-дюймовых пластин. Масштабирование повышает эффективность производства, снижает стоимость за единицу и отвечает потребностям мощных устройств.

• Более высокое качество кристалла

  Хотя современные кристаллы значительно улучшены, остаются проблемы, такие как микропоры, дислокации и примеси. Устранение этих дефектов имеет решающее значение для достижения более высокой производительности устройств.

• Снижение затрат

  Высокая стоимость выращивания кристаллов SiC является барьером для широкого внедрения. Снижение затрат за счет оптимизации процесса, лучшего использования ресурсов и более дешевого сырья является ключевой областью исследований.

​

• Интеллектуальное производство

  С достижениями в области искусственного интеллекта и больших данных на горизонте интеллектуальный рост кристаллов. Датчики и автоматизированные системы управления могут контролировать и корректировать условия в режиме реального времени, повышая стабильность и воспроизводимость. Аналитика данных может дополнительно уточнить процесс для повышения выхода и качества.