Mezi hlavní metody pěstování monokrystalů karbidu křemíku patří fyzikální transport plynné fáze (PVT), růst z top-seeded roztoku (TSSG) a chemická depozice z plynné fáze za vysokých teplot (HT-CVD).

Mezi nimi se metoda PVT stala primární technikou pro průmyslovou výrobu díky relativně jednoduchému nastavení zařízení, snadné obsluze a ovládání a nižším nákladům na zařízení a provoz.

---

Klíčové technické body růstu krystalů SiC pomocí metody PVT

Pro pěstování krystalů karbidu křemíku metodou PVT je nutné pečlivě kontrolovat několik technických aspektů:

1. Čistota grafitových materiálů v tepelném poli
   Grafitové materiály používané v tepelném poli pro růst krystalů musí splňovat přísné požadavky na čistotu. Obsah nečistot v grafitových složkách by měl být nižší než 5×10⁻⁶ a u izolačních plstí nižší než 10×10⁻⁶. Konkrétně musí být obsah boru (B) a hliníku (Al) nižší než 0,1×10⁻⁶.

2. Správná polarita semenného krystalu
   Empirická data ukazují, že C-plocha (0001) je vhodná pro růst krystalů 4H-SiC, zatímco Si-plocha (0001) je vhodná pro růst 6H-SiC.

3. Použití mimoosých semenných krystalů
   Mimoosá semena mohou změnit symetrii růstu, snížit krystalové defekty a podpořit lepší kvalitu krystalů.

4. Spolehlivá technika lepení semenných krystalů
   Správné propojení mezi zárodečným krystalem a držákem je nezbytné pro stabilitu během růstu.

5. Udržování stability růstového rozhraní
   Během celého cyklu růstu krystalu musí růstové rozhraní zůstat stabilní, aby byl zajištěn vysoce kvalitní vývoj krystalu.

 

---

Klíčové technologie v růstu krystalů SiC

1. Technologie dopování pro prášek SiC

Dopování práškového SiC cerem (Ce) může stabilizovat růst jednoho polytypu, jako je 4H-SiC. Praxe ukázala, že dopování Ce může:

• Zvyšte rychlost růstu krystalů SiC;

• Zlepšení orientace krystalů pro rovnoměrnější a směrovější růst;

• Snížení nečistot a vad;

• Potlačte korozi zadní strany krystalu;

• Zvyšte výtěžnost monokrystalů.

2. Řízení axiálních a radiálních tepelných gradientů

Axiální teplotní gradienty ovlivňují polytyp krystalu a rychlost růstu. Příliš malý gradient může vést k polytypovým inkluzím a sníženému transportu materiálu v plynné fázi. Optimalizace axiálních i radiálních gradientů je zásadní pro rychlý a stabilní růst krystalů s konzistentní kvalitou.

3. Technologie kontroly dislokace bazální roviny (BPD)

BPD vznikají hlavně v důsledku smykového napětí překračujícího kritickou hranici v krystalech SiC, což aktivuje kluzné systémy. Protože BPD jsou kolmé ke směru růstu, obvykle vznikají během růstu a ochlazování krystalu. Minimalizace vnitřního napětí může významně snížit hustotu BPD.

4. Řízení poměru složení plynné fáze

Zvýšení poměru uhlíku a křemíku v plynné fázi je osvědčenou metodou pro podporu růstu jednotlivých polytypů. Vysoký poměr C/Si snižuje makrostupňové shlukování a zachovává povrchovou dědičnost ze semenného krystalu, čímž potlačuje tvorbu nežádoucích polytypů.

5. Techniky růstu s nízkým stresem

Napětí během růstu krystalů může vést ke vzniku zakřivených mřížkových rovin, trhlin a vyšších hustot BPD. Tyto defekty se mohou přenášet do epitaxních vrstev a negativně ovlivňovat výkon zařízení.

Mezi strategie pro snížení vnitřního krystalového napětí patří:

• Úprava rozložení tepelného pole a procesních parametrů pro podporu téměř rovnovážného růstu;

• Optimalizace konstrukce kelímku, která umožňuje volný růst krystalu bez mechanického omezení;

• Zlepšení konfigurace držáku semen pro snížení rozdílu v tepelné roztažnosti mezi semenem a grafitem během ohřevu, často ponecháním 2mm mezery mezi semenem a držákem;

• Procesy rafinačního žíhání, umožnění krystalu vychladnout v peci a úprava teploty a doby trvání pro úplné uvolnění vnitřního pnutí.

---

Trendy v technologii růstu krystalů SiC

1. Větší velikosti krystalů
Průměry monokrystalů SiC se zvýšily z pouhých několika milimetrů na 6palcové, 8palcové a dokonce i 12palcové destičky. Větší destičky zvyšují efektivitu výroby a snižují náklady a zároveň splňují požadavky aplikací s vysoce výkonnými zařízeními.

2. Vyšší kvalita krystalů
Vysoce kvalitní krystaly SiC jsou nezbytné pro vysoce výkonná zařízení. Navzdory významným vylepšením současné krystaly stále vykazují defekty, jako jsou mikrotrubice, dislokace a nečistoty, které mohou snižovat výkon a spolehlivost zařízení.

3. Snížení nákladů
Výroba krystalů SiC je stále relativně drahá, což omezuje její širší využití. Snižování nákladů optimalizací růstových procesů, zvýšením efektivity výroby a nižšími náklady na suroviny je klíčové pro rozšíření tržních aplikací.

4. Inteligentní výroba
S pokrokem v oblasti umělé inteligence a technologií velkých dat se růst krystalů SiC posouvá směrem k inteligentním, automatizovaným procesům. Senzory a řídicí systémy mohou monitorovat a upravovat podmínky růstu v reálném čase, čímž se zlepšuje stabilita a předvídatelnost procesu. Analýza dat může dále optimalizovat parametry procesu a kvalitu krystalů.

Vývoj vysoce kvalitní technologie růstu monokrystalů SiC je hlavním zaměřením výzkumu polovodičových materiálů. S pokrokem technologií se budou metody růstu krystalů dále vyvíjet a zlepšovat, což poskytne pevný základ pro aplikace SiC ve vysokoteplotních, vysokofrekvenčních a výkonných elektronických zařízeních.