К основным методам выращивания монокристаллов карбида кремния относятся физический парофазный перенос (PVT), выращивание из раствора с затравкой сверху (TSSG) и высокотемпературное химическое осаждение из газовой фазы (HT-CVD).

Среди них метод PVT стал основным методом промышленного производства благодаря относительно простой настройке оборудования, легкости эксплуатации и управления, а также более низким затратам на оборудование и эксплуатацию.

---

Ключевые технические аспекты выращивания кристаллов SiC методом PVT.

Для выращивания кристаллов карбида кремния методом PVT необходимо тщательно контролировать ряд технических аспектов:

1. Чистота графитовых материалов в тепловом поле
   Графитовые материалы, используемые в тепловых процессах выращивания кристаллов, должны соответствовать строгим требованиям к чистоте. Содержание примесей в графитовых компонентах должно быть ниже 5×10⁻⁶, а в изоляционных войлоках — ниже 10×10⁻⁶. В частности, содержание бора (B) и алюминия (Al) должно быть ниже 0,1×10⁻⁶ для каждого из них.

2. Правильная полярность затравочного кристалла
   Эмпирические данные показывают, что грань C (0001) подходит для выращивания кристаллов 4H-SiC, тогда как грань Si (0001) подходит для выращивания 6H-SiC.

3. Использование затравочных кристаллов, расположенных вне оси.
   Внеосевые затравки могут изменять симметрию роста, уменьшать дефекты кристаллов и способствовать улучшению их качества.

4. Надежная техника связывания затравочных кристаллов
   Надлежащее сцепление между затравочным кристаллом и держателем имеет важное значение для стабильности в процессе роста.

5. Поддержание стабильности зоны роста
   На протяжении всего цикла роста кристалла граница роста должна оставаться стабильной, чтобы обеспечить получение высококачественного кристалла.

 

---

Основные технологии выращивания кристаллов SiC

1. Технология легирования порошка SiC

Легирование порошка SiC церием (Ce) может стабилизировать рост одного полиморфа, такого как 4H-SiC. Практика показала, что легирование Ce может:

• Увеличить скорость роста кристаллов SiC;

• Улучшение ориентации кристаллов для более равномерного и направленного роста;

• Уменьшить количество примесей и дефектов;

• Предотвратить коррозию обратной стороны кристалла;

• Повысить выход монокристаллов.

2. Управление осевыми и радиальными тепловыми градиентами

Осевые температурные градиенты влияют на полиморфную модификацию кристалла и скорость роста. Слишком малый градиент может привести к включению полиморфных модификаций и снижению переноса материала в паровой фазе. Оптимизация как осевых, так и радиальных градиентов имеет решающее значение для быстрого и стабильного роста кристаллов с постоянным качеством.

3. Технология контроля дислокаций в базисной плоскости (BPD)

Деформации Биполярного слоя образуются главным образом из-за превышения критического порога сдвигового напряжения в кристаллах SiC, что активирует системы скольжения. Поскольку деформации Биполярного слоя перпендикулярны направлению роста, они обычно возникают во время роста и охлаждения кристалла. Минимизация внутренних напряжений может значительно снизить плотность деформаций Биполярного слоя.

4. Контроль соотношения состава паровой фазы

Увеличение отношения углерода к кремнию в паровой фазе является проверенным методом стимулирования роста монокристаллических полиморфов. Высокое отношение C/Si уменьшает образование скоплений макроступеней и сохраняет поверхностную преемственность от затравочного кристалла, тем самым подавляя образование нежелательных полиморфных модификаций.

5. Методы роста с низким уровнем стресса

Напряжение, возникающее в процессе роста кристаллов, может приводить к искривлению плоскостей кристаллической решетки, образованию трещин и повышению плотности дефектов межфазной границы. Эти дефекты могут переноситься в эпитаксиальные слои и негативно влиять на характеристики устройства.

Существует несколько стратегий для снижения внутреннего кристаллического напряжения, в том числе:

• Корректировка распределения теплового поля и параметров процесса для обеспечения роста, близкого к равновесному;

• Оптимизация конструкции тигля для обеспечения свободного роста кристалла без механических ограничений;

• Улучшение конфигурации держателя семени для уменьшения несоответствия коэффициентов теплового расширения между семенем и графитом во время нагрева, часто путем оставления зазора в 2 мм между семенем и держателем;

• Усовершенствование процессов отжига, позволяющее кристаллу охлаждаться в печи, а также регулировка температуры и продолжительности для полного снятия внутренних напряжений.

---

Тенденции в технологии выращивания кристаллов SiC.

1. Более крупные размеры кристаллов
Диаметр монокристаллов SiC увеличился с нескольких миллиметров до 6, 8 и даже 12 дюймовых пластин. Большие пластины повышают эффективность производства и снижают затраты, одновременно удовлетворяя требованиям применения в мощных устройствах.

2. Более высокое качество кристаллов
Высококачественные кристаллы SiC необходимы для высокопроизводительных устройств. Несмотря на значительные улучшения, современные кристаллы по-прежнему содержат дефекты, такие как микротрубки, дислокации и примеси, которые могут ухудшить производительность и надежность устройств.

3. Снижение затрат
Производство кристаллов SiC по-прежнему относительно дорого, что ограничивает их более широкое применение. Снижение затрат за счет оптимизации процессов выращивания, повышения эффективности производства и уменьшения стоимости сырья имеет решающее значение для расширения рыночного применения.

4. Интеллектуальное производство
Благодаря достижениям в области искусственного интеллекта и технологий обработки больших данных, выращивание кристаллов SiC движется в сторону интеллектуальных, автоматизированных процессов. Датчики и системы управления могут отслеживать и корректировать условия роста в режиме реального времени, повышая стабильность и предсказуемость процесса. Анализ данных может дополнительно оптимизировать параметры процесса и качество кристаллов.

Разработка технологии выращивания высококачественных монокристаллов SiC является одним из основных направлений исследований в области полупроводниковых материалов. По мере развития технологий методы выращивания кристаллов будут продолжать совершенствоваться, обеспечивая прочную основу для применения SiC в высокотемпературных, высокочастотных и мощных электронных устройствах.