De viktigaste metoderna för odling av enkristaller av kiselkarbid inkluderar fysisk ångtransport (PVT), toppfröad lösningstillväxt (TSSG) och högtemperaturkemisk ångdeponering (HT-CVD).

Bland dessa har PVT-metoden blivit den primära tekniken för industriell produktion på grund av dess relativt enkla utrustningsinstallation, enkla användning och kontroll samt lägre utrustnings- och driftskostnader.

---

Viktiga tekniska punkter för SiC-kristalltillväxt med PVT-metoden

För att odla kiselkarbidkristaller med PVT-metoden måste flera tekniska aspekter noggrant kontrolleras:

1. Renhet hos grafitmaterial i det termiska fältet
   Grafitmaterialen som används inom termisk kristalltillväxt måste uppfylla strikta renhetskrav. Föroreningshalten i grafitkomponenter bör vara under 5×10⁻⁶, och för isoleringsfilt under 10×10⁻⁶. Mer specifikt måste halterna av bor (B) och aluminium (Al) vardera vara under 0,1×10⁻⁶.

2. Korrekt polaritet hos ympkristallen
   Empiriska data visar att C-ytan (0001) är lämplig för odling av 4H-SiC-kristaller, medan Si-ytan (0001) är lämplig för 6H-SiC-tillväxt.

3. Användning av off-axis ympkristaller
   Frön utanför axeln kan förändra tillväxtsymmetrin, minska kristalldefekter och främja bättre kristallkvalitet.

4. Tillförlitlig teknik för bindning av frönkristaller
   Korrekt bindning mellan ympkristallen och hållaren är avgörande för stabilitet under tillväxt.

5. Bibehålla stabilitet i tillväxtgränssnittet
   Under hela kristalltillväxtcykeln måste tillväxtgränssnittet förbli stabilt för att säkerställa högkvalitativ kristallutveckling.

 

---

Kärnteknologier inom SiC-kristalltillväxt

1. Dopningsteknik för SiC-pulver

Dopning av SiC-pulver med cerium (Ce) kan stabilisera tillväxten av en enskild polytyp såsom 4H-SiC. Praktiken har visat att Ce-dopning kan:

• Öka tillväxthastigheten för SiC-kristaller;

• Förbättra kristallorienteringen för mer enhetlig och riktad tillväxt;

• Minska föroreningar och defekter;

• Undertrycka korrosion på baksidan av kristallen;

• Öka utbyteshastigheten för enkristaller.

2. Kontroll av axiella och radiella termiska gradienter

Axiella temperaturgradienter påverkar kristallens polytyp och tillväxthastighet. En gradient som är för liten kan leda till polytypinneslutningar och minskad materialtransport i ångfasen. Att optimera både axiella och radiella gradienter är avgörande för snabb och stabil kristalltillväxt med jämn kvalitet.

3. Basalplansdislokation (BPD) kontrollteknik

BPD bildas huvudsakligen på grund av skjuvspänning som överstiger den kritiska tröskeln i SiC-kristaller, vilket aktiverar glidsystem. Eftersom BPD är vinkelräta mot tillväxtriktningen uppstår de vanligtvis under kristalltillväxt och kylning. Att minimera intern spänning kan avsevärt minska BPD-densiteten.

4. Kontroll av ångfaskompositionsförhållandet

Att öka kol-kisel-förhållandet i ångfasen är en beprövad metod för att främja tillväxt av enskilda polytyper. Ett högt C/Si-förhållande minskar makrostegsknippning och bibehåller ytarv från ympkristallen, vilket undertrycker bildandet av oönskade polytyper.

5. Lågstressande tillväxttekniker

Spänningar under kristalltillväxt kan leda till krökta gitterplan, sprickor och högre BPD-densiteter. Dessa defekter kan överföras till epitaxiella lager och negativt påverka enhetens prestanda.

Flera strategier för att minska intern kristallspänning inkluderar:

• Justering av termisk fältfördelning och processparametrar för att främja tillväxt nära jämvikt;

• Optimera degelns design för att låta kristallen växa fritt utan mekaniska begränsningar;

• Förbättra fröhållarens konfiguration för att minska den termiska expansionsmissmatchningen mellan fröet och grafiten under uppvärmning, ofta genom att lämna ett mellanrum på 2 mm mellan fröet och hållaren;

• Raffinering av glödgningsprocesser, där kristallen svalnar med ugnen och justering av temperatur och varaktighet för att helt avlasta den inre spänningen.

---

Trender inom SiC-kristalltillväxtteknik

1. Större kristallstorlekar
Diametrarna för SiC-enkristaller har ökat från bara några millimeter till 6-tums, 8-tums och till och med 12-tums wafers. Större wafers ökar produktionseffektiviteten och minskar kostnaderna, samtidigt som de uppfyller kraven från högeffektsapplikationer.

2. Högre kristallkvalitet
Högkvalitativa SiC-kristaller är avgörande för högpresterande komponenter. Trots betydande förbättringar uppvisar nuvarande kristaller fortfarande defekter som mikrorör, dislokationer och föroreningar, vilka alla kan försämra komponenternas prestanda och tillförlitlighet.

3. Kostnadsreduktion
Produktion av SiC-kristaller är fortfarande relativt dyrt, vilket begränsar en bredare användning. Att minska kostnaderna genom optimerade tillväxtprocesser, ökad produktionseffektivitet och lägre råvarukostnader är avgörande för att expandera marknadstillämpningarna.

4. Intelligent tillverkning
Med framsteg inom artificiell intelligens och stordatateknik går tillväxten av SiC-kristaller mot intelligenta, automatiserade processer. Sensorer och styrsystem kan övervaka och justera tillväxtförhållanden i realtid, vilket förbättrar processstabilitet och förutsägbarhet. Dataanalys kan ytterligare optimera processparametrar och kristallkvalitet.

Utvecklingen av högkvalitativ SiC-enkristalltillväxtteknik är ett viktigt fokus inom forskning om halvledarmaterial. I takt med att tekniken utvecklas kommer kristalltillväxtmetoder att fortsätta utvecklas och förbättras, vilket ger en solid grund för SiC-tillämpningar i elektroniska apparater med hög temperatur, hög frekvens och hög effekt.