Els principals mètodes per al creixement de monocristalls de carbur de silici inclouen el transport físic de vapor (PVT), el creixement en solució de sembra superior (TSSG) i la deposició química de vapor a alta temperatura (HT-CVD).

Entre aquests, el mètode PVT s'ha convertit en la tècnica principal per a la producció industrial a causa de la seva configuració d'equips relativament senzilla, la facilitat d'operació i control, i els baixos costos d'equipament i operació.

---

Punts tècnics clau del creixement de cristalls de SiC mitjançant el mètode PVT

Per fer créixer cristalls de carbur de silici mitjançant el mètode PVT, cal controlar acuradament diversos aspectes tècnics:

1. Puresa dels materials de grafit en el camp tèrmic
   Els materials de grafit utilitzats en el camp tèrmic de creixement de cristalls han de complir uns requisits estrictes de puresa. El contingut d'impureses en els components de grafit ha de ser inferior a 5×10⁻⁶, i per als feltres aïllants inferior a 10×10⁻⁶. En concret, els continguts de bor (B) i alumini (Al) han de ser inferiors a 0,1×10⁻⁶.

2. Polaritat correcta del cristall de llavor
   Les dades empíriques mostren que la cara C (0001) és adequada per al creixement de cristalls de 4H-SiC, mentre que la cara Si (0001) és apropiada per al creixement de 6H-SiC.

3. Ús de cristalls de llavor fora de l'eix
   Les llavors fora de l'eix poden alterar la simetria del creixement, reduir els defectes cristal·lins i promoure una millor qualitat del cristall.

4. Tècnica fiable d'unió de cristalls de llavors
   Una unió adequada entre el cristall de llavors i el suport és essencial per a l'estabilitat durant el creixement.

5. Mantenir l'estabilitat de la interfície de creixement
   Durant tot el cicle de creixement del cristall, la interfície de creixement ha de romandre estable per garantir un desenvolupament cristal·lí d'alta qualitat.

 

---

Tecnologies bàsiques en el creixement de cristalls de SiC

1. Tecnologia de dopatge per a pols de SiC

El dopatge de pols de SiC amb ceri (Ce) pot estabilitzar el creixement d'un sol politipus com ara el 4H-SiC. La pràctica ha demostrat que el dopatge amb Ce pot:

• Augmentar la taxa de creixement dels cristalls de SiC;

• Millorar l'orientació del cristall per a un creixement més uniforme i direccional;

• Reduir les impureses i els defectes;

• Suprimeix la corrosió posterior del cristall;

• Augmentar la taxa de rendiment del monocristall.

2. Control de gradients tèrmics axials i radials

Els gradients de temperatura axials afecten el politipus del cristall i la velocitat de creixement. Un gradient massa petit pot provocar inclusions de politips i una reducció del transport de material en fase de vapor. L'optimització dels gradients axials i radials és fonamental per a un creixement ràpid i estable del cristall amb una qualitat constant.

3. Tecnologia de control de la dislocació del pla basal (BPD)

Les BPD es formen principalment a causa d'una tensió de cisallament que supera el llindar crític en els cristalls de SiC, activant sistemes de lliscament. Com que les BPD són perpendiculars a la direcció de creixement, normalment sorgeixen durant el creixement i el refredament del cristall. Minimitzar la tensió interna pot reduir significativament la densitat de BPD.

4. Control de la relació de composició de la fase de vapor

Augmentar la relació carboni-silici en la fase de vapor és un mètode provat per promoure el creixement d'un sol politipus. Una relació C/Si alta redueix l'agrupació macroscòpica i conserva l'herència superficial del cristall sembra, suprimint així la formació de politipus no desitjats.

5. Tècniques de creixement de baix estrès

L'estrès durant el creixement del cristall pot provocar plans de xarxa corbats, esquerdes i densitats BPD més elevades. Aquests defectes es poden traslladar a les capes epitaxials i afectar negativament el rendiment del dispositiu.

Diverses estratègies per reduir la tensió interna del cristall inclouen:

• Ajust de la distribució del camp tèrmic i dels paràmetres del procés per promoure un creixement proper a l'equilibri;

• Optimització del disseny del gresol per permetre que el cristall creixi lliurement sense restriccions mecàniques;

• Millorar la configuració del portallavors per reduir el desajust d'expansió tèrmica entre la llavor i el grafit durant l'escalfament, sovint deixant un espai de 2 mm entre la llavor i el portallavors;

• Refinament dels processos de recuit, permetent que el cristall es refredi amb el forn i ajustant la temperatura i la durada per alleujar completament la tensió interna.

---

Tendències en la tecnologia de creixement de cristalls de SiC

1. Mides de cristall més grans
Els diàmetres dels monocristalls de SiC han augmentat de només uns pocs mil·límetres a oblies de 6, 8 i fins i tot 12 polzades. Les oblies més grans augmenten l'eficiència de la producció i redueixen els costos, alhora que satisfan les demandes de les aplicacions de dispositius d'alta potència.

2. Qualitat de cristall superior
Els cristalls de SiC d'alta qualitat són essencials per a dispositius d'alt rendiment. Malgrat les millores significatives, els cristalls actuals encara presenten defectes com ara microtubs, dislocacions i impureses, que poden degradar el rendiment i la fiabilitat del dispositiu.

3. Reducció de costos
La producció de cristalls de SiC encara és relativament cara, cosa que limita l'adopció més àmplia. La reducció de costos mitjançant processos de creixement optimitzats, una major eficiència de la producció i una reducció dels costos de les matèries primeres és crucial per a l'expansió de les aplicacions de mercat.

4. Fabricació intel·ligent
Amb els avenços en intel·ligència artificial i tecnologies de big data, el creixement dels cristalls de SiC s'està movent cap a processos intel·ligents i automatitzats. Els sensors i els sistemes de control poden monitoritzar i ajustar les condicions de creixement en temps real, millorant l'estabilitat i la predictibilitat del procés. L'anàlisi de dades pot optimitzar encara més els paràmetres del procés i la qualitat del cristall.

El desenvolupament de tecnologia de creixement de monocristalls de SiC d'alta qualitat és un focus important en la investigació de materials semiconductors. A mesura que la tecnologia avança, els mètodes de creixement de cristalls continuaran evolucionant i millorant, proporcionant una base sòlida per a les aplicacions de SiC en dispositius electrònics d'alta temperatura, alta freqüència i alta potència.