De viktigaste metoderna för framställning av kiselkristaller inkluderar: fysisk ångtransport (PVT), toppfröad lösningstillväxt (TSSG) och högtemperaturkemisk ångdeponering (HT-CVD). Bland dessa är PVT-metoden allmänt använd inom industriell produktion på grund av dess enkla utrustning, enkla kontroll och låga utrustnings- och driftskostnader.
Viktiga tekniska punkter för PVT-tillväxt av kiselkarbidkristaller
Vid odling av kiselkarbidkristaller med hjälp av PVT-metoden (Physical Vapor Transport) måste följande tekniska aspekter beaktas:
- Renhet hos grafitmaterial i tillväxtkammaren: Föroreningshalten i grafitkomponenter måste vara under 5×10⁻⁶, medan föroreningshalten i isoleringsfilt måste vara under 10×10⁻⁶. Element som B och Al bör hållas under 0,1×10⁻⁶.
- Korrekt val av polaritet för ympkristaller: Empiriska studier visar att C (0001)-ytan är lämplig för odling av 4H-SiC-kristaller, medan Si (0001)-ytan används för odling av 6H-SiC-kristaller.
- Användning av frönkristaller utanför axeln: Frönkristaller utanför axeln kan förändra symmetrin i kristalltillväxten, vilket minskar defekter i kristallen.
- Högkvalitativ frökristallbindningsprocess.
- Bibehållande av stabilitet hos kristalltillväxtgränssnittet under tillväxtcykeln.
Viktiga teknologier för kristalltillväxt av kiselkarbid
- Dopningsteknik för kiselkarbidpulver
Dopning av kiselkarbidpulvret med en lämplig mängd Ce kan stabilisera tillväxten av 4H-SiC-enkristaller. Praktiska resultat visar att Ce-dopning kan:
- Öka tillväxthastigheten för kiselkarbidkristaller.
- Kontrollera kristalltillväxtens orientering, vilket gör den mer enhetlig och regelbunden.
- Undertrycker föroreningsbildning, minskar defekter och underlättar produktionen av enkristaller och högkvalitativa kristaller.
- Hämma baksideskorrosion av kristallen och förbättra enkristallutbytet.
- Axial och radiell temperaturgradientkontrollteknik
Den axiella temperaturgradienten påverkar främst kristalltillväxttyp och effektivitet. En alltför liten temperaturgradient kan leda till polykristallinbildning och minska tillväxthastigheten. Lämpliga axiella och radiella temperaturgradienter underlättar snabb SiC-kristalltillväxt samtidigt som stabil kristallkvalitet bibehålls. - Basalplansdislokation (BPD) kontrollteknik
BPD-defekter uppstår huvudsakligen när skjuvspänningen i kristallen överstiger den kritiska skjuvspänningen för SiC, vilket aktiverar glidsystem. Eftersom BPD:er är vinkelräta mot kristallens tillväxtriktning bildas de primärt under kristalltillväxt och kylning. - Teknik för justering av ångfaskompositionsförhållandet
Att öka kol-kisel-förhållandet i tillväxtmiljön är en effektiv åtgärd för att stabilisera tillväxten av enkristaller. Ett högre kol-kisel-förhållande minskar knippning i stora steg, bevarar information om tillväxt av ytkristaller och undertrycker polytypbildning. - Lågstresskontrollteknik
Stress under kristalltillväxt kan orsaka böjning av kristallplan, vilket leder till dålig kristallkvalitet eller till och med sprickbildning. Hög stress ökar också basalplansdislokationer, vilket kan påverka epitaxiella lagerkvaliteten och enhetens prestanda negativt.
6-tums SiC-wafer-skanningsbild
Metoder för att minska stress i kristaller:
- Justera temperaturfältfördelningen och processparametrarna för att möjliggöra nära jämviktstillväxt av SiC-enkristaller.
- Optimera degelstrukturen för att möjliggöra fri kristalltillväxt med minimala begränsningar.
- Modifiera tekniker för fixering av ympkristaller för att minska den termiska expansionsmatchningen mellan ympkristallen och grafithållaren. En vanlig metod är att lämna ett mellanrum på 2 mm mellan ympkristallen och grafithållaren.
- Förbättra glödgningsprocesserna genom att implementera glödgning i ugn på plats, justera glödgningstemperatur och varaktighet för att helt frigöra intern spänning.
Framtida trender inom kiselkarbidkristalltillväxtteknik
Framöver kommer tekniken för framställning av högkvalitativ SiC-enkristall att utvecklas i följande riktningar:
- Storskalig tillväxt
Diametern hos kiselkarbidkristaller har utvecklats från några millimeter till storlekar på 6 tum, 8 tum och ännu större, 12 tum. SiC-kristaller med stor diameter förbättrar produktionseffektiviteten, minskar kostnaderna och uppfyller kraven från högpresterande komponenter. - Högkvalitativ tillväxt
Högkvalitativa SiC-enkristaller är avgörande för högpresterande komponenter. Även om betydande framsteg har gjorts, finns det fortfarande defekter som mikrorör, dislokationer och föroreningar, vilket påverkar komponenternas prestanda och tillförlitlighet. - Kostnadsminskning
Den höga kostnaden för SiC-kristallframställning begränsar dess tillämpning inom vissa områden. Optimering av tillväxtprocesser, förbättring av produktionseffektiviteten och minskade råvarukostnader kan bidra till att sänka produktionskostnaderna. - Intelligent tillväxt
Med framsteg inom AI och big data kommer SiC-kristalltillväxttekniken i allt högre grad att använda intelligenta lösningar. Realtidsövervakning och styrning med hjälp av sensorer och automatiserade system kommer att förbättra processstabilitet och styrbarhet. Dessutom kan big data-analys optimera tillväxtparametrar, vilket förbättrar kristallkvaliteten och produktionseffektiviteten.
Högkvalitativ kiselkarbid-enkristallframställningsteknik är ett centralt fokus inom forskning om halvledarmaterial. I takt med att tekniken utvecklas kommer SiC-kristalltillväxttekniker att fortsätta utvecklas och ge en solid grund för tillämpningar inom högtemperatur-, högfrekventa och högeffektsfält.
Publiceringstid: 25 juli 2025