Ränikarbiidi monokristallide kasvatamise peamised meetodid hõlmavad füüsikalist aurutransporti (PVT), pealispinnaga lahuse kasvatamist (TSSG) ja kõrgtemperatuurset keemilist aurustamist (HT-CVD).

Nende hulgas on PVT-meetod muutunud tööstusliku tootmise peamiseks tehnikaks tänu oma suhteliselt lihtsale seadmete seadistamisele, hõlpsale kasutamisele ja juhtimisele ning madalamatele seadmete ja tegevuskuludele.

---

SiC-kristallide kasvu peamised tehnilised punktid PVT-meetodi abil

Ränikarbiidi kristallide kasvatamiseks PVT-meetodil tuleb hoolikalt kontrollida mitmeid tehnilisi aspekte:

1. Grafiitmaterjalide puhtus termilises väljas
   Kristallide kasvu termilises väljas kasutatavad grafiitmaterjalid peavad vastama rangetele puhtusnõuetele. Grafiitkomponentide lisandite sisaldus peaks olema alla 5×10⁻⁶ ja isolatsiooniviltide puhul alla 10×10⁻⁶. Täpsemalt peab boori (B) ja alumiiniumi (Al) sisaldus olema kumbki alla 0,1×10⁻⁶.

2. Seemnekristalli õige polaarsus
   Empiirilised andmed näitavad, et C-pind (0001) sobib 4H-SiC kristallide kasvatamiseks, samas kui Si-pind (0001) sobib 6H-SiC kasvuks.

3. Mitteteljeliste seemnekristallide kasutamine
   Mitteteljelised seemned võivad muuta kasvusümmeetriat, vähendada kristallide defekte ja edendada paremat kristallide kvaliteeti.

4. Usaldusväärne seemnekristallide liimimise tehnika
   Seemnekristalli ja hoidiku vaheline korralik sidumine on kasvu ajal stabiilsuse tagamiseks hädavajalik.

5. Kasvuliidese stabiilsuse säilitamine
   Kogu kristalli kasvutsükli vältel peab kasvuliides jääma stabiilseks, et tagada kvaliteetsete kristallide areng.

 

---

SiC-kristallide kasvu põhitehnoloogiad

1. SiC pulbri dopingtehnoloogia

SiC-pulbri legeerimine tseeriumiga (Ce) võib stabiliseerida ühe polütüübi, näiteks 4H-SiC, kasvu. Praktika on näidanud, et Ce legeerimine võib:

• Suurendada SiC kristallide kasvukiirust;

• Parandada kristallide orientatsiooni ühtlasema ja suunatud kasvu saavutamiseks;

• Vähendage lisandeid ja defekte;

• Pärsib kristalli tagaküljel korrosiooni;

• Suurendage monokristalli saagikust.

2. Aksiaalsete ja radiaalsete termiliste gradientide kontroll

Aksiaalsed temperatuurigradiendid mõjutavad kristalli polütüüpi ja kasvukiirust. Liiga väike gradient võib viia polütüübi inklusioonideni ja vähendada materjali transporti aurfaasis. Nii aksiaalsete kui ka radiaalsete gradientide optimeerimine on kriitilise tähtsusega kiire ja stabiilse kristallikasvu ning ühtlase kvaliteediga saavutamiseks.

3. Basaaltasandi dislokatsiooni (BPD) kontrollitehnoloogia

BPD-d tekivad peamiselt ränikarbiidi (SiC) kristallides kriitilise läve ületava nihkepinge tõttu, mis aktiveerib libisemissüsteeme. Kuna BPD-d on kasvusuunaga risti, tekivad need tavaliselt kristalli kasvu ja jahtumise ajal. Sisemise pinge minimeerimine võib BPD tihedust oluliselt vähendada.

4. Aurufaasi koostise suhte kontroll

Süsiniku ja räni suhte suurendamine aurufaasis on tõestatud meetod üksiku polütüübi kasvu soodustamiseks. Kõrge C/Si suhe vähendab makrosammude kobaraid ja säilitab seemnekristalli pinna pärandumise, pärssides seeläbi soovimatute polütüüpide teket.

5. Madala stressiga kasvutehnikad

Kristalli kasvu ajal tekkiv pinge võib põhjustada kõveraid võre tasapindu, pragusid ja suuremaid BPD-tihedusi. Need defektid võivad kanduda üle epitaksiaalsetesse kihtidesse ja negatiivselt mõjutada seadme jõudlust.

Kristallide sisemise stressi vähendamiseks on mitu strateegiat:

• Soojusvälja jaotuse ja protsessi parameetrite reguleerimine peaaegu tasakaalulise kasvu soodustamiseks;

• Tiigli disaini optimeerimine, et võimaldada kristallil vabalt kasvada ilma mehaaniliste piiranguteta;

• Seemnehoidja konfiguratsiooni täiustamine, et vähendada seemne ja grafiidi soojuspaisumise ebakõla kuumutamise ajal, jättes seemne ja hoidiku vahele sageli 2 mm vahe;

• Lõõmutamise täiustamine, kristalli jahtumise võimaldamine ahjus ning temperatuuri ja kestuse reguleerimine sisemise pinge täielikuks leevendamiseks.

---

SiC kristallide kasvutehnoloogia trendid

1. Suuremad kristallisuurused
SiC monokristallide läbimõõdud on suurenenud mõnest millimeetrist 6-, 8- ja isegi 12-tolliste vahvliteni. Suuremad vahvlid suurendavad tootmise efektiivsust ja vähendavad kulusid, vastates samal ajal suure võimsusega seadmete rakenduste nõudmistele.

2. Kõrgem kristallikvaliteet
Kvaliteetsed SiC-kristallid on suure jõudlusega seadmete jaoks hädavajalikud. Vaatamata märkimisväärsetele edusammudele esineb praegustel kristallidel endiselt defekte, nagu mikrotorud, nihestused ja lisandid, mis kõik võivad halvendada seadme jõudlust ja töökindlust.

3. Kulude vähendamine
SiC-kristallide tootmine on endiselt suhteliselt kallis, mis piirab laiemat kasutuselevõttu. Kulude vähendamine optimeeritud kasvuprotsesside, suurema tootmistõhususe ja madalamate toorainekulude abil on tururakenduste laiendamiseks ülioluline.

4. Intelligentne tootmine
Tehisintellekti ja suurandmete tehnoloogiate arenguga liigub ränikarbiidi (SiC) kristallide kasv intelligentsete ja automatiseeritud protsesside suunas. Andurid ja juhtimissüsteemid saavad kasvutingimusi reaalajas jälgida ja reguleerida, parandades protsessi stabiilsust ja prognoositavust. Andmeanalüütika abil saab protsessi parameetreid ja kristallide kvaliteeti veelgi optimeerida.

Kvaliteetse SiC monokristallide kasvutehnoloogia väljatöötamine on pooljuhtmaterjalide uurimise üks peamisi fookusi. Tehnoloogia arenedes arenevad ja täiustuvad kristallide kasvumeetodid pidevalt, pakkudes kindlat alust SiC rakendustele kõrgtemperatuurilistes, kõrgsageduslikes ja suure võimsusega elektroonikaseadmetes.