Основными методами выращивания монокристаллов карбида кремния являются физический перенос паров (PVT), выращивание из раствора с затравкой сверху (TSSG) и высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD).

Среди них метод PVT стал основным методом промышленного производства из-за относительно простой настройки оборудования, простоты эксплуатации и контроля, а также более низких затрат на оборудование и эксплуатацию.

---

Ключевые технические моменты выращивания кристаллов SiC методом PVT

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

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

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

3. Использование внеосевых затравочных кристаллов
   Внеосевые затравки могут изменить симметрию роста, уменьшить дефекты кристаллов и повысить качество кристаллов.

4. Надежная технология связывания затравочных кристаллов
   Правильное соединение затравочного кристалла и держателя имеет решающее значение для стабильности во время роста.

5. Поддержание стабильности интерфейса роста
   В течение всего цикла роста кристалла интерфейс роста должен оставаться стабильным, чтобы обеспечить высокое качество развития кристалла.

 

---

Основные технологии выращивания кристаллов SiC

1. Технология легирования порошка SiC

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

• Увеличить скорость роста кристаллов SiC;

• Улучшить ориентацию кристаллов для более равномерного и направленного роста;

• Уменьшить количество примесей и дефектов;

• Подавить коррозию обратной стороны кристалла;

• Увеличить выход годных монокристаллов.

2. Управление осевыми и радиальными температурными градиентами

Аксиальные градиенты температуры влияют на политип кристалла и скорость его роста. Слишком малый градиент может привести к образованию политипных включений и снижению переноса материала в паровой фазе. Оптимизация как аксиального, так и радиального градиентов критически важна для быстрого и стабильного роста кристаллов со стабильным качеством.

3. Технология контроля дислокации базисной плоскости (БПД)

Образование ППД в основном обусловлено превышением критического порога напряжения сдвига в кристаллах SiC, что активирует системы скольжения. Поскольку ППД перпендикулярны направлению роста, они обычно возникают в процессе роста и охлаждения кристалла. Минимизация внутренних напряжений может значительно снизить плотность ППД.

4. Контроль соотношения состава паровой фазы

Увеличение соотношения углерода и кремния в паровой фазе является проверенным методом стимулирования роста монополитипов. Высокое соотношение углерода и кремния снижает образование макроступеней и сохраняет наследственность поверхности от затравочного кристалла, тем самым подавляя образование нежелательных политипов.

5. Методы роста с низким уровнем стресса

Напряжение, возникающее во время роста кристалла, может привести к искривлению плоскостей кристаллической решетки, появлению трещин и повышению плотности ППД. Эти дефекты могут переноситься в эпитаксиальные слои и отрицательно влиять на производительность устройства.

Несколько стратегий снижения внутреннего напряжения кристалла включают:

• Регулировка распределения теплового поля и параметров процесса для содействия росту, близкому к равновесному;

• Оптимизация конструкции тигля, позволяющая кристаллу расти свободно без механических ограничений;

• Улучшение конфигурации держателя затравки для уменьшения несоответствия теплового расширения между затравкой и графитом при нагревании, часто путем оставления зазора 2 мм между затравкой и держателем;

• Уточнение процессов отжига, позволяющее кристаллу остывать вместе с печью, а также регулировка температуры и продолжительности для полного снятия внутреннего напряжения.

---

Тенденции в технологии выращивания кристаллов SiC

1. Более крупные размеры кристаллов
Диаметр монокристаллов SiC увеличился с нескольких миллиметров до 6, 8 и даже 12 дюймов. Более крупные пластины повышают эффективность производства и снижают затраты, одновременно отвечая требованиям устройств высокой мощности.

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

3. Снижение затрат
Производство кристаллов SiC по-прежнему относительно дорого, что ограничивает их более широкое внедрение. Снижение затрат за счёт оптимизации процессов выращивания, повышения эффективности производства и снижения стоимости сырья имеет решающее значение для расширения рыночных приложений.

4. Интеллектуальное производство
Благодаря развитию технологий искусственного интеллекта и обработки больших данных, выращивание кристаллов SiC становится всё более интеллектуальным и автоматизированным процессом. Датчики и системы управления позволяют отслеживать и корректировать условия роста в режиме реального времени, повышая стабильность и предсказуемость процесса. Аналитика данных позволяет дополнительно оптимизировать параметры процесса и качество кристаллов.

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