Ключевые моменты при получении высококачественного монокристалла карбида кремния

Основными методами получения монокристаллов кремния являются: физический перенос пара (PVT), выращивание из раствора с затравкой сверху (TSSG) и высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD). Метод PVT широко применяется в промышленном производстве благодаря простоте оборудования, простоте управления и низким затратам на оборудование и эксплуатацию.

Ключевые технические моменты PVT-выращивания кристаллов карбида кремния

При выращивании кристаллов карбида кремния методом физического переноса паров (PVT) необходимо учитывать следующие технические аспекты:

1. Чистота графитовых материалов в камере роста: содержание примесей в графитовых компонентах должно быть ниже 5×10⁻⁶, а в изоляционном войлоке — ниже 10×10⁻⁶. Содержание таких элементов, как B и Al, должно быть ниже 0,1×10⁻⁶.
2. Правильный выбор полярности затравочного кристалла: Эмпирические исследования показывают, что грань C (0001) подходит для выращивания кристаллов 4H-SiC, тогда как грань Si (0001) используется для выращивания кристаллов 6H-SiC.
3. Использование внеосевых затравочных кристаллов: внеосевые затравочные кристаллы могут изменять симметрию роста кристалла, уменьшая дефекты в кристалле.
4. Высококачественный процесс склеивания затравочных кристаллов.
5. Поддержание стабильности интерфейса роста кристалла в течение цикла роста.

Ключевые технологии выращивания кристаллов карбида кремния

1. Технология легирования порошка карбида кремния
   Легирование порошка карбида кремния соответствующим количеством церия может стабилизировать рост монокристаллов 4H-SiC. Практические результаты показывают, что легирование церием может:

• Увеличить скорость роста кристаллов карбида кремния.
• Контролируйте ориентацию роста кристаллов, делая ее более равномерной и регулярной.
• Подавляют образование примесей, уменьшают дефекты и облегчают производство монокристаллов и кристаллов высокого качества.
• Предотвращает коррозию обратной стороны кристалла и повышает выход монокристаллов.

• Технология управления осевым и радиальным градиентом температуры
  Аксиальный температурный градиент в первую очередь влияет на тип роста кристаллов и их эффективность. Слишком малый температурный градиент может привести к образованию поликристаллов и снижению скорости роста. Правильный аксиальный и радиальный температурные градиенты способствуют быстрому росту кристаллов SiC, сохраняя при этом стабильное качество кристаллов.
• Технология контроля дислокации базисной плоскости (БПД)
  Дефекты ППД возникают главным образом, когда сдвиговое напряжение в кристалле превышает критическое сдвиговое напряжение SiC, активируя системы скольжения. Поскольку ППД перпендикулярны направлению роста кристалла, они образуются преимущественно в процессе роста и охлаждения кристалла.
• Технология регулирования соотношения состава паровой фазы
  Увеличение соотношения углерода и кремния в ростовой среде является эффективной мерой стабилизации роста монокристаллов. Более высокое соотношение углерода и кремния уменьшает образование крупных ступеней, сохраняет информацию о росте поверхности затравочного кристалла и подавляет образование политипов.
• Технология управления с низким уровнем стресса
  Напряжение во время роста кристалла может вызвать изгиб кристаллографических плоскостей, что приводит к ухудшению качества кристалла или даже к его растрескиванию. Высокие напряжения также увеличивают дислокации базисной плоскости, что может отрицательно повлиять на качество эпитаксиального слоя и производительность устройства.

Изображение сканирования 6-дюймовой пластины SiC

Методы снижения напряжения в кристаллах:

• Отрегулируйте распределение температурного поля и параметры процесса, чтобы обеспечить близкий к равновесному рост монокристаллов SiC.
• Оптимизируйте структуру тигля, чтобы обеспечить свободный рост кристаллов с минимальными ограничениями.
• Измените методы фиксации затравочного кристалла, чтобы уменьшить разницу в тепловом расширении между затравочным кристаллом и графитовым держателем. Обычно между затравочным кристаллом и графитовым держателем оставляют зазор 2 мм.
• Улучшить процессы отжига путем внедрения отжига в печи на месте, регулируя температуру и продолжительность отжига для полного снятия внутреннего напряжения.

Будущие тенденции в технологии выращивания кристаллов карбида кремния

В перспективе технология получения высококачественных монокристаллов SiC будет развиваться в следующих направлениях:

1. Масштабный рост
   Диаметр монокристаллов карбида кремния увеличился с нескольких миллиметров до 6, 8 и даже более крупных 12 дюймов. Кристаллы SiC большого диаметра повышают эффективность производства, снижают затраты и отвечают требованиям мощных устройств.
2. Качественный рост
   Высококачественные монокристаллы SiC необходимы для создания высокопроизводительных устройств. Несмотря на значительный прогресс, такие дефекты, как микротрубки, дислокации и примеси, всё ещё существуют, что влияет на производительность и надёжность устройств.
3. Снижение затрат
   Высокая стоимость производства кристаллов SiC ограничивает их применение в некоторых областях. Оптимизация процессов роста, повышение эффективности производства и снижение затрат на сырье могут способствовать снижению производственных затрат.
4. Интеллектуальный рост
   Благодаря развитию искусственного интеллекта и больших данных, технология выращивания кристаллов SiC будет всё чаще использовать интеллектуальные решения. Мониторинг и управление в режиме реального времени с помощью датчиков и автоматизированных систем повысят стабильность и управляемость процесса. Кроме того, аналитика больших данных позволяет оптимизировать параметры роста, повышая качество кристаллов и эффективность производства.

Технология получения высококачественных монокристаллов карбида кремния является ключевым направлением в исследованиях полупроводниковых материалов. По мере развития технологий методы выращивания кристаллов SiC будут продолжать совершенствоваться, обеспечивая прочную основу для применения в высокотемпературных, высокочастотных и мощных полях.