Βασικές σκέψεις για την παρασκευή μονοκρυστάλλου καρβιδίου πυριτίου υψηλής ποιότητας

Οι κύριες μέθοδοι για την παρασκευή μονοκρυστάλλων πυριτίου περιλαμβάνουν: Φυσική Μεταφορά Ατμών (PVT), Ανάπτυξη Διαλυμάτων από την Κορυφή (TSSG) και Χημική Εναπόθεση Ατμών σε Υψηλή Θερμοκρασία (HT-CVD). Μεταξύ αυτών, η μέθοδος PVT υιοθετείται ευρέως στη βιομηχανική παραγωγή λόγω του απλού εξοπλισμού της, της ευκολίας ελέγχου και του χαμηλού κόστους εξοπλισμού και λειτουργίας.

Βασικά τεχνικά σημεία για την ανάπτυξη κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου με PVT

Κατά την ανάπτυξη κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Φυσικής Μεταφοράς Ατμών (PVT), πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι ακόλουθες τεχνικές πτυχές:

1. Καθαρότητα των υλικών γραφίτη στον θάλαμο ανάπτυξης: Η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες στα συστατικά γραφίτη πρέπει να είναι κάτω από 5×10⁻⁶, ενώ η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες στο μονωτικό τσόχα πρέπει να είναι κάτω από 10×10⁻⁶. Στοιχεία όπως το B και το Al πρέπει να διατηρούνται κάτω από 0,1×10⁻⁶.
2. Σωστή Επιλογή Πολικότητας Κρυστάλλων Σπόρων: Εμπειρικές μελέτες δείχνουν ότι η επιφάνεια C (0001) είναι κατάλληλη για την καλλιέργεια κρυστάλλων 4H-SiC, ενώ η επιφάνεια Si (0001) χρησιμοποιείται για την καλλιέργεια κρυστάλλων 6H-SiC.
3. Χρήση κρυστάλλων εκτός άξονα: Οι κρύσταλλοι εκτός άξονα μπορούν να μεταβάλουν τη συμμετρία της ανάπτυξης των κρυστάλλων, μειώνοντας τα ελαττώματα στον κρύσταλλο.
4. Διαδικασία σύνδεσης κρυστάλλων σπόρων υψηλής ποιότητας.
5. Διατήρηση της σταθερότητας της διεπιφάνειας ανάπτυξης κρυστάλλων κατά τη διάρκεια του κύκλου ανάπτυξης.

Βασικές τεχνολογίες για την ανάπτυξη κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου

1. Τεχνολογία πρόσμιξης για σκόνη καρβιδίου του πυριτίου
   Η προσθήκη κατάλληλης ποσότητας Ce στη σκόνη καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να σταθεροποιήσει την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων 4H-SiC. Τα πρακτικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η προσθήκη Ce μπορεί:

• Αυξήστε τον ρυθμό ανάπτυξης των κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου.
• Ελέγξτε τον προσανατολισμό της ανάπτυξης των κρυστάλλων, καθιστώντας την πιο ομοιόμορφη και κανονική.
• Καταστέλλουν τον σχηματισμό ακαθαρσιών, μειώνοντας τα ελαττώματα και διευκολύνοντας την παραγωγή μονοκρυστάλλων και κρυστάλλων υψηλής ποιότητας.
• Αναστέλλουν την οπίσθια διάβρωση του κρυστάλλου και βελτιώνουν την απόδοση μονοκρυστάλλου.

• Τεχνολογία ελέγχου αξονικής και ακτινικής κλίσης θερμοκρασίας
  Η αξονική θερμοκρασιακή κλίση επηρεάζει κυρίως τον τύπο και την αποτελεσματικότητα της ανάπτυξης των κρυστάλλων. Μια υπερβολικά μικρή θερμοκρασιακή κλίση μπορεί να οδηγήσει σε σχηματισμό πολυκρυσταλλικών και να μειώσει τους ρυθμούς ανάπτυξης. Οι κατάλληλες αξονικές και ακτινικές θερμοκρασιακές κλίσεις διευκολύνουν την ταχεία ανάπτυξη των κρυστάλλων SiC, διατηρώντας παράλληλα σταθερή την ποιότητα των κρυστάλλων.
• Τεχνολογία ελέγχου εξάρθρωσης βασικού επιπέδου (BPD)
  Τα ελαττώματα BPD προκύπτουν κυρίως όταν η διατμητική τάση στον κρύσταλλο υπερβαίνει την κρίσιμη διατμητική τάση του SiC, ενεργοποιώντας συστήματα ολίσθησης. Δεδομένου ότι τα BPD είναι κάθετα προς την κατεύθυνση ανάπτυξης των κρυστάλλων, σχηματίζονται κυρίως κατά την ανάπτυξη και την ψύξη των κρυστάλλων.
• Τεχνολογία Ρύθμισης Αναλογίας Σύνθεσης Φάσης Ατμού
  Η αύξηση της αναλογίας άνθρακα προς πυρίτιο στο περιβάλλον ανάπτυξης είναι ένα αποτελεσματικό μέτρο για τη σταθεροποίηση της ανάπτυξης μονοκρυστάλλων. Μια υψηλότερη αναλογία άνθρακα προς πυρίτιο μειώνει τη συσσώρευση μεγάλων βημάτων, διατηρεί τις πληροφορίες ανάπτυξης της επιφάνειας των κρυστάλλων των σπόρων και καταστέλλει τον σχηματισμό πολυτύπων.
• Τεχνολογία ελέγχου χαμηλής καταπόνησης
  Η τάση κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων μπορεί να προκαλέσει κάμψη των κρυσταλλικών επιπέδων, οδηγώντας σε κακή ποιότητα κρυστάλλων ή ακόμα και σε ρωγμές. Η υψηλή τάση αυξάνει επίσης τις μετατοπίσεις του βασικού επιπέδου, οι οποίες μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά την ποιότητα της επιταξιακής στρώσης και την απόδοση της συσκευής.

Εικόνα σάρωσης πλακέτας SiC 6 ιντσών

Μέθοδοι για τη μείωση της τάσης σε κρυστάλλους:

• Προσαρμόστε την κατανομή του πεδίου θερμοκρασίας και τις παραμέτρους της διεργασίας για να επιτρέψετε την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC σε σχεδόν ισορροπία.
• Βελτιστοποιήστε τη δομή του χωνευτηρίου ώστε να επιτρέπεται η ελεύθερη ανάπτυξη κρυστάλλων με ελάχιστους περιορισμούς.
• Τροποποιήστε τις τεχνικές στερέωσης κρυστάλλων σπόρων για να μειώσετε την αναντιστοιχία θερμικής διαστολής μεταξύ του κρυστάλλου σπόρων και της θήκης γραφίτη. Μια συνήθης προσέγγιση είναι να αφήνετε ένα κενό 2 mm μεταξύ του κρυστάλλου σπόρων και της θήκης γραφίτη.
• Βελτιώστε τις διαδικασίες ανόπτησης εφαρμόζοντας ανόπτηση in situ σε κλίβανο, ρυθμίζοντας τη θερμοκρασία και τη διάρκεια της ανόπτησης για την πλήρη απελευθέρωση της εσωτερικής τάσης.

Μελλοντικές τάσεις στην τεχνολογία ανάπτυξης κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου

Κοιτώντας μπροστά, η τεχνολογία παρασκευής μονοκρυστάλλων SiC υψηλής ποιότητας θα αναπτυχθεί προς τις ακόλουθες κατευθύνσεις:

1. Μεγάλης Κλίμακας Ανάπτυξη
   Η διάμετρος των μονοκρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου έχει εξελιχθεί από λίγα χιλιοστά σε μεγέθη 6 ιντσών, 8 ιντσών και ακόμη μεγαλύτερα των 12 ιντσών. Οι κρύσταλλοι SiC μεγάλης διαμέτρου βελτιώνουν την αποδοτικότητα της παραγωγής, μειώνουν το κόστος και καλύπτουν τις απαιτήσεις συσκευών υψηλής ισχύος.
2. Υψηλής Ποιότητας Ανάπτυξη
   Οι υψηλής ποιότητας μονοκρύσταλλοι SiC είναι απαραίτητοι για συσκευές υψηλής απόδοσης. Παρόλο που έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος, εξακολουθούν να υπάρχουν ελαττώματα όπως μικροσωλήνες, εξάρσεις και ακαθαρσίες, που επηρεάζουν την απόδοση και την αξιοπιστία της συσκευής.
3. Μείωση Κόστους
   Το υψηλό κόστος της παρασκευής κρυστάλλων SiC περιορίζει την εφαρμογή της σε ορισμένους τομείς. Η βελτιστοποίηση των διαδικασιών ανάπτυξης, η βελτίωση της αποδοτικότητας της παραγωγής και η μείωση του κόστους των πρώτων υλών μπορούν να βοηθήσουν στη μείωση του κόστους παραγωγής.
4. Έξυπνη Ανάπτυξη
   Με τις εξελίξεις στην Τεχνητή Νοημοσύνη και τα μεγάλα δεδομένα, η τεχνολογία ανάπτυξης κρυστάλλων SiC θα υιοθετεί ολοένα και περισσότερο έξυπνες λύσεις. Η παρακολούθηση και ο έλεγχος σε πραγματικό χρόνο με τη χρήση αισθητήρων και αυτοματοποιημένων συστημάτων θα ενισχύσουν τη σταθερότητα και την ελεγξιμότητα της διαδικασίας. Επιπλέον, η ανάλυση μεγάλων δεδομένων μπορεί να βελτιστοποιήσει τις παραμέτρους ανάπτυξης, βελτιώνοντας την ποιότητα των κρυστάλλων και την αποδοτικότητα της παραγωγής.

Η τεχνολογία παρασκευής μονοκρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου υψηλής ποιότητας αποτελεί βασικό στόχο στην έρευνα ημιαγωγικών υλικών. Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται, οι τεχνικές ανάπτυξης κρυστάλλων SiC θα συνεχίσουν να εξελίσσονται, παρέχοντας μια σταθερή βάση για εφαρμογές σε πεδία υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος.