Galvenās silīcija karbīda monokristālu audzēšanas metodes ir fizikālā tvaiku pārnešana (PVT), augšējā slāņa šķīduma audzēšana (TSSG) un ķīmiskā tvaiku pārklāšana augstā temperatūrā (HT-CVD).

Starp tām PVT metode ir kļuvusi par galveno rūpnieciskās ražošanas paņēmienu, pateicoties tās relatīvi vienkāršajai iekārtu uzstādīšanai, vieglai darbībai un vadībai, kā arī zemākām iekārtu un ekspluatācijas izmaksām.

---

SiC kristālu augšanas galvenie tehniskie aspekti, izmantojot PVT metodi

Lai audzētu silīcija karbīda kristālus, izmantojot PVT metodi, rūpīgi jākontrolē vairāki tehniski aspekti:

1. Grafīta materiālu tīrība termiskajā laukā
   Kristālu augšanas termiskajā laukā izmantotajiem grafīta materiāliem jāatbilst stingrām tīrības prasībām. Grafīta komponentu piemaisījumu saturam jābūt zem 5×10⁻⁶, bet izolācijas filca gadījumā — zem 10×10⁻⁶. Konkrēti, bora (B) un alumīnija (Al) saturam katram jābūt zem 0,1×10⁻⁶.

2. Sēklu kristāla pareiza polaritāte
   Empīriskie dati liecina, ka C virsma (0001) ir piemērota 4H-SiC kristālu audzēšanai, savukārt Si virsma (0001) ir piemērota 6H-SiC audzēšanai.

3. Ārpusass sēklu kristālu izmantošana
   Ārpus ass esoši graudi var mainīt augšanas simetriju, samazināt kristāla defektus un veicināt labāku kristāla kvalitāti.

4. Uzticama sēklu kristālu līmēšanas tehnika
   Pareiza saikne starp sēklas kristālu un turētāju ir būtiska stabilitātei augšanas laikā.

5. Augšanas saskarnes stabilitātes saglabāšana
   Visā kristāla augšanas cikla laikā augšanas saskarnei jāpaliek stabilai, lai nodrošinātu augstas kvalitātes kristāla attīstību.

 

---

Galvenās tehnoloģijas SiC kristālu audzēšanā

1. SiC pulvera dopinga tehnoloģija

SiC pulvera dopēšana ar cēriju (Ce) var stabilizēt viena politipota, piemēram, 4H-SiC, augšanu. Prakse ir parādījusi, ka Ce dopēšana var:

• Palielināt SiC kristālu augšanas ātrumu;

• Uzlabot kristālu orientāciju, lai nodrošinātu vienmērīgāku un virzītāku augšanu;

• Samazināt piemaisījumus un defektus;

• Nomāc kristāla aizmugures koroziju;

• Palieliniet monokristāla ražas ātrumu.

2. Aksiālo un radiālo termisko gradientu kontrole

Aksiālie temperatūras gradienti ietekmē kristāla politipu un augšanas ātrumu. Pārāk mazs gradients var izraisīt politipa ieslēgumus un samazinātu materiāla transportēšanu tvaika fāzē. Gan aksiālo, gan radiālo gradientu optimizēšana ir kritiski svarīga ātrai un stabilai kristāla augšanai ar nemainīgu kvalitāti.

3. Bazālās plaknes dislokācijas (BPD) kontroles tehnoloģija

BPD galvenokārt veidojas bīdes sprieguma dēļ, kas pārsniedz kritisko slieksni SiC kristālos, aktivizējot slīdēšanas sistēmas. Tā kā BPD ir perpendikulāri augšanas virzienam, tie parasti rodas kristāla augšanas un atdzišanas laikā. Iekšējā sprieguma samazināšana var ievērojami samazināt BPD blīvumu.

4. Tvaika fāzes sastāva attiecības kontrole

Oglekļa un silīcija attiecības palielināšana tvaika fāzē ir pārbaudīta metode viena politipa augšanas veicināšanai. Augsta C/Si attiecība samazina makropakāpju ķekarošanos un saglabā virsmas mantošanu no sēklas kristāla, tādējādi nomācot nevēlamu politipu veidošanos.

5. Zema stresa augšanas metodes

Spriegums kristāla augšanas laikā var izraisīt izliektas režģa plaknes, plaisas un lielāku BPD blīvumu. Šie defekti var pāriet uz epitaksiālajiem slāņiem un negatīvi ietekmēt ierīces veiktspēju.

Vairākas stratēģijas iekšējā kristāla sprieguma samazināšanai ietver:

• Termiskā lauka sadalījuma un procesa parametru pielāgošana, lai veicinātu gandrīz līdzsvara stāvokļa augšanu;

• Tīģeļa konstrukcijas optimizācija, lai kristāls varētu brīvi augt bez mehāniskiem ierobežojumiem;

• Sēklu turētāja konfigurācijas uzlabošana, lai samazinātu termiskās izplešanās neatbilstību starp sēklu un grafītu karsēšanas laikā, bieži vien atstājot 2 mm atstarpi starp sēklu un turētāju;

• Atkvēlināšanas procesu pilnveidošana, ļaujot kristālam atdzist kopā ar krāsni, un temperatūras un ilguma pielāgošana, lai pilnībā atbrīvotos no iekšējā sprieguma.

---

SiC kristālu augšanas tehnoloģijas tendences

1. Lielāki kristālu izmēri
SiC monokristālu diametri ir palielinājušies no dažiem milimetriem līdz 6, 8 un pat 12 collu plāksnēm. Lielākas plāksnītes palielina ražošanas efektivitāti un samazina izmaksas, vienlaikus apmierinot lieljaudas ierīču lietojumprogrammu prasības.

2. Augstāka kristāla kvalitāte
Augstas kvalitātes SiC kristāli ir būtiski augstas veiktspējas ierīcēm. Neskatoties uz ievērojamiem uzlabojumiem, pašreizējiem kristāliem joprojām ir tādi defekti kā mikrocaurules, dislokācijas un piemaisījumi, kas visi var pasliktināt ierīces veiktspēju un uzticamību.

3. Izmaksu samazināšana
SiC kristālu ražošana joprojām ir samērā dārga, kas ierobežo plašāku ieviešanu. Izmaksu samazināšana, optimizējot augšanas procesus, palielinot ražošanas efektivitāti un samazinot izejvielu izmaksas, ir izšķiroša tirgus pielietojumu paplašināšanai.

4. Inteliģenta ražošana
Līdz ar mākslīgā intelekta un lielo datu tehnoloģiju attīstību SiC kristālu audzēšana virzās uz inteliģentiem, automatizētiem procesiem. Sensori un vadības sistēmas var uzraudzīt un pielāgot augšanas apstākļus reāllaikā, uzlabojot procesa stabilitāti un paredzamību. Datu analīze var vēl vairāk optimizēt procesa parametrus un kristālu kvalitāti.

Augstas kvalitātes SiC monokristālu audzēšanas tehnoloģijas izstrāde ir viens no galvenajiem pusvadītāju materiālu pētījumu virzieniem. Tehnoloģijām attīstoties, kristālu audzēšanas metodes turpinās attīstīties un uzlaboties, nodrošinot stabilu pamatu SiC pielietojumiem augstas temperatūras, augstas frekvences un lielas jaudas elektroniskās ierīcēs.