Svarbiausi aukštos kokybės silicio karbido monokristalų paruošimo aspektai

Pagrindiniai silicio monokristalų paruošimo metodai yra šie: fizikinis garų pernaša (PVT), tirpalo auginimas ant viršutinio sluoksnio (TSSG) ir cheminis garų nusodinimas aukštoje temperatūroje (HT-CVD). Iš jų PVT metodas yra plačiai taikomas pramoninėje gamyboje dėl paprastos įrangos, lengvo valdymo ir mažų įrangos bei eksploatavimo sąnaudų.

Pagrindiniai silicio karbido kristalų PVT augimo techniniai aspektai

Auginant silicio karbido kristalus fizinio garų pernašos (PVT) metodu, reikia atsižvelgti į šiuos techninius aspektus:

1. Grafito medžiagų grynumas auginimo kameroje: grafito komponentų priemaišų kiekis turi būti mažesnis nei 5 × 10⁻⁶, o izoliacinės medžiagos priemaišų kiekis turi būti mažesnis nei 10 × 10⁻⁶. Tokių elementų kaip B ir Al kiekis turėtų būti mažesnis nei 0,1 × 10⁻⁶.
2. Teisingas užkrėtimo kristalo poliškumo parinkimas: Empiriniai tyrimai rodo, kad C (0001) paviršius tinka 4H-SiC kristalams auginti, o Si (0001) paviršius – 6H-SiC kristalams auginti.
3. Neašinių sėklinių kristalų naudojimas: Neašiniai sėkliniai kristalai gali pakeisti kristalo augimo simetriją, sumažindami kristalo defektus.
4. Aukštos kokybės sėklų kristalų jungimo procesas.
5. Kristalų augimo sąsajos stabilumo palaikymas augimo ciklo metu.

Pagrindinės silicio karbido kristalų augimo technologijos

1. Silicio karbido miltelių dopingo technologija
   Silicio karbido miltelių legiravimas tinkamu Ce kiekiu gali stabilizuoti 4H-SiC monokristalų augimą. Praktiniai rezultatai rodo, kad Ce legiravimas gali:

• Padidinkite silicio karbido kristalų augimo greitį.
• Kontroliuokite kristalų augimo orientaciją, kad jie būtų vienodesni ir taisyklingesni.
• Slopina priemaišų susidarymą, sumažina defektus ir palengvina monokristalų ir aukštos kokybės kristalų gamybą.
• Slopina kristalo galinę koroziją ir pagerina monokristalo išeigą.

• Ašinio ir radialinio temperatūros gradiento valdymo technologija
  Ašinis temperatūros gradientas pirmiausia veikia kristalų augimo tipą ir efektyvumą. Pernelyg mažas temperatūros gradientas gali sukelti polikristalų susidarymą ir sumažinti augimo greitį. Tinkamas ašinis ir radialinis temperatūros gradientas skatina greitą SiC kristalų augimą, išlaikant stabilią kristalų kokybę.
• Bazinės plokštumos dislokacijos (BPD) valdymo technologija
  BPD defektai daugiausia atsiranda, kai kristalo šlyties įtempis viršija kritinį SiC šlyties įtempį, aktyvuodami slydimo sistemas. Kadangi BPD yra statmeni kristalo augimo krypčiai, jie daugiausia susidaro kristalo augimo ir aušinimo metu.
• Garų fazės sudėties santykio reguliavimo technologija
  Anglies ir silicio santykio didinimas augimo aplinkoje yra veiksminga priemonė monokristalo augimui stabilizuoti. Didesnis anglies ir silicio santykis sumažina didelį pakopų susikaupimą, išsaugo sėklų kristalo paviršiaus augimo informaciją ir slopina politipų formavimąsi.
• Mažo streso valdymo technologija
  Įtempis kristalų augimo metu gali išlenkti kristalų plokštumas, dėl ko pablogėja kristalų kokybė ar netgi jie įtrūksta. Didelis įtempis taip pat padidina bazinės plokštumos dislokacijas, o tai gali neigiamai paveikti epitaksinio sluoksnio kokybę ir įrenginio veikimą.

6 colių SiC plokštelės nuskaitymo vaizdas

Kristalų įtempio mažinimo metodai:

• Sureguliuokite temperatūros lauko pasiskirstymą ir proceso parametrus, kad SiC monokristalai augtų beveik pusiausvyroje.
• Optimizuokite tiglio struktūrą, kad kristalai galėtų laisvai augti su minimaliais apribojimais.
• Modifikuoti sėklinių kristalų fiksavimo metodus, siekiant sumažinti šiluminio plėtimosi neatitikimą tarp sėklinių kristalų ir grafito laikiklio. Įprastas būdas – palikti 2 mm tarpą tarp sėklinių kristalų ir grafito laikiklio.
• Pagerinti atkaitinimo procesus įdiegiant vietoje atliekamą krosnies atkaitinimą, reguliuojant atkaitinimo temperatūrą ir trukmę, kad būtų visiškai pašalintas vidinis įtempis.

Silicio karbido kristalų augimo technologijos ateities tendencijos

Žvelgiant į ateitį, aukštos kokybės SiC monokristalų paruošimo technologija vystysis šiomis kryptimis:

1. Didelio masto augimas
   Silicio karbido monokristalų skersmuo pasikeitė nuo kelių milimetrų iki 6 colių, 8 colių ir net didesnių 12 colių dydžių. Didelio skersmens SiC kristalai pagerina gamybos efektyvumą, sumažina sąnaudas ir atitinka didelės galios įrenginių reikalavimus.
2. Aukštos kokybės augimas
   Aukštos kokybės SiC monokristalai yra būtini didelio našumo prietaisams. Nors padaryta didelė pažanga, vis dar egzistuoja defektai, tokie kaip mikrovamzdeliai, dislokacijos ir priemaišos, kurie turi įtakos įrenginio veikimui ir patikimumui.
3. Sąnaudų mažinimas
   Didelė SiC kristalų paruošimo kaina riboja jo taikymą tam tikrose srityse. Augimo procesų optimizavimas, gamybos efektyvumo gerinimas ir žaliavų sąnaudų mažinimas gali padėti sumažinti gamybos sąnaudas.
4. Pažangus augimas
   Tobulėjant dirbtiniam intelektui ir dideliems duomenų kiekiams, SiC kristalų augimo technologijos vis dažniau taikys išmanius sprendimus. Stebėjimas ir valdymas realiuoju laiku naudojant jutiklius ir automatizuotas sistemas padidins proceso stabilumą ir valdomumą. Be to, didelių duomenų analizė gali optimizuoti augimo parametrus, gerinant kristalų kokybę ir gamybos efektyvumą.

Aukštos kokybės silicio karbido monokristalų paruošimo technologija yra pagrindinis puslaidininkinių medžiagų tyrimų tikslas. Tobulėjant technologijoms, SiC kristalų auginimo metodai ir toliau vystysis, suteikdami tvirtą pagrindą taikymams aukštos temperatūros, aukšto dažnio ir didelės galios laukuose.