Els principals mètodes per a la preparació de monocristalls de silici inclouen: transport físic de vapor (PVT), creixement de solució a la part superior (TSSG) i deposició química de vapor a alta temperatura (HT-CVD). Entre aquests, el mètode PVT s'adopta àmpliament en la producció industrial a causa del seu equipament senzill, la facilitat de control i els baixos costos d'equipament i operació.
Punts tècnics clau per al creixement PVT de cristalls de carbur de silici
Quan es fan créixer cristalls de carbur de silici mitjançant el mètode de transport físic de vapor (PVT), cal tenir en compte els aspectes tècnics següents:
- Puresa dels materials de grafit a la cambra de creixement: el contingut d'impureses en els components de grafit ha de ser inferior a 5×10⁻⁶, mentre que el contingut d'impureses en el feltre aïllant ha de ser inferior a 10×10⁻⁶. Els elements com el B i l'Al s'han de mantenir per sota de 0,1×10⁻⁶.
- Selecció correcta de la polaritat del cristall de sembra: estudis empírics mostren que la cara C (0001) és adequada per al creixement de cristalls 4H-SiC, mentre que la cara Si (0001) s'utilitza per al creixement de cristalls 6H-SiC.
- Ús de cristalls de sembra fora de l'eix: els cristalls de sembra fora de l'eix poden alterar la simetria del creixement del cristall, reduint els defectes del cristall.
- Procés d'unió de cristalls de llavors d'alta qualitat.
- Manteniment de l'estabilitat de la interfície de creixement del cristall durant el cicle de creixement.
Tecnologies clau per al creixement de cristalls de carbur de silici
- Tecnologia de dopatge per a pols de carbur de silici
El dopatge de la pols de carbur de silici amb una quantitat adequada de Ce pot estabilitzar el creixement de monocristalls de 4H-SiC. Els resultats pràctics mostren que el dopatge amb Ce pot:
- Augmentar la taxa de creixement dels cristalls de carbur de silici.
- Controlar l'orientació del creixement del cristall, fent-lo més uniforme i regular.
- Suprimeix la formació d'impureses, reduint els defectes i facilitant la producció de cristalls monocristallins i d'alta qualitat.
- Inhibeix la corrosió posterior del cristall i millora el rendiment del monocristall.
- Tecnologia de control de gradient de temperatura axial i radial
El gradient de temperatura axial afecta principalment el tipus i l'eficiència del creixement del cristall. Un gradient de temperatura excessivament petit pot conduir a la formació de policristal·lines i reduir les taxes de creixement. Els gradients de temperatura axials i radials adequats faciliten el creixement ràpid del cristall de SiC alhora que mantenen una qualitat cristal·lina estable. - Tecnologia de control de la dislocació del pla basal (BPD)
Els defectes de BPD apareixen principalment quan la tensió de cisallament del cristall supera la tensió de cisallament crítica del SiC, activant sistemes de lliscament. Com que els BPD són perpendiculars a la direcció de creixement del cristall, es formen principalment durant el creixement i el refredament del cristall. - Tecnologia d'ajust de la relació de composició de la fase de vapor
Augmentar la relació carboni-silici en l'entorn de creixement és una mesura eficaç per estabilitzar el creixement de monocristalls. Una relació carboni-silici més alta redueix l'agrupació per grans passos, preserva la informació de creixement de la superfície del cristall llavor i suprimeix la formació de politips. - Tecnologia de control de baix estrès
L'estrès durant el creixement del cristall pot causar flexió dels plans cristal·lins, cosa que porta a una mala qualitat del cristall o fins i tot a esquerdes. L'estrès elevat també augmenta les dislocacions del pla basal, cosa que pot afectar negativament la qualitat de la capa epitaxial i el rendiment del dispositiu.
Imatge d'escaneig d'oblies de SiC de 6 polzades
Mètodes per reduir l'estrès en els cristalls:
- Ajustar la distribució del camp de temperatura i els paràmetres del procés per permetre un creixement gairebé en equilibri dels monocristalls de SiC.
- Optimitzar l'estructura del gresol per permetre el lliure creixement dels cristalls amb restriccions mínimes.
- Modifiqueu les tècniques de fixació del cristall sembra per reduir el desajust d'expansió tèrmica entre el cristall sembra i el suport de grafit. Un enfocament comú és deixar un espai de 2 mm entre el cristall sembra i el suport de grafit.
- Millorar els processos de recuit implementant el recuit in situ en forn, ajustant la temperatura i la durada del recuit per alliberar completament la tensió interna.
Tendències futures en la tecnologia de creixement de cristalls de carbur de silici
De cara al futur, la tecnologia de preparació de monocristalls de SiC d'alta qualitat es desenvoluparà en les següents direccions:
- Creixement a gran escala
El diàmetre dels monocristalls de carbur de silici ha evolucionat des d'uns pocs mil·límetres fins a mides de 6 polzades, 8 polzades i fins i tot més grans de 12 polzades. Els cristalls de SiC de gran diàmetre milloren l'eficiència de la producció, redueixen els costos i satisfan les demandes dels dispositius d'alta potència. - Creixement d'alta qualitat
Els monocristalls de SiC d'alta qualitat són essencials per a dispositius d'alt rendiment. Tot i que s'han fet progressos significatius, encara existeixen defectes com ara microtubs, dislocacions i impureses, que afecten el rendiment i la fiabilitat dels dispositius. - Reducció de costos
L'alt cost de la preparació de cristalls de SiC limita la seva aplicació en certs camps. L'optimització dels processos de creixement, la millora de l'eficiència de la producció i la reducció dels costos de les matèries primeres poden ajudar a reduir les despeses de producció. - Creixement intel·ligent
Amb els avenços en la IA i el big data, la tecnologia de creixement de cristalls de SiC adoptarà cada cop més solucions intel·ligents. La monitorització i el control en temps real mitjançant sensors i sistemes automatitzats milloraran l'estabilitat i la controlabilitat del procés. A més, l'anàlisi de big data pot optimitzar els paràmetres de creixement, millorant la qualitat del cristall i l'eficiència de la producció.
La tecnologia de preparació de monocristalls de carbur de silici d'alta qualitat és un objectiu clau en la investigació de materials semiconductors. A mesura que la tecnologia avança, les tècniques de creixement de cristalls de SiC continuaran evolucionant, proporcionant una base sòlida per a aplicacions en camps d'alta temperatura, alta freqüència i alta potència.
Data de publicació: 25 de juliol de 2025