Οι κύριες μέθοδοι για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου περιλαμβάνουν τη Φυσική Μεταφορά Ατμών (PVT), την Ανάπτυξη σε Διάλυμα από την Κορυφή (TSSG) και την Χημική Εναπόθεση Ατμών σε Υψηλή Θερμοκρασία (HT-CVD).

Μεταξύ αυτών, η μέθοδος PVT έχει γίνει η κύρια τεχνική για τη βιομηχανική παραγωγή λόγω της σχετικά απλής εγκατάστασης του εξοπλισμού, της ευκολίας λειτουργίας και ελέγχου, καθώς και του χαμηλότερου κόστους εξοπλισμού και λειτουργίας.

---

Βασικά τεχνικά σημεία ανάπτυξης κρυστάλλων SiC χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PVT

Για την ανάπτυξη κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PVT, πρέπει να ελεγχθούν προσεκτικά αρκετές τεχνικές πτυχές:

1. Καθαρότητα Γραφιτικών Υλικών στο Θερμικό Πεδίο
   Τα υλικά γραφίτη που χρησιμοποιούνται στο θερμικό πεδίο ανάπτυξης κρυστάλλων πρέπει να πληρούν αυστηρές απαιτήσεις καθαρότητας. Η περιεκτικότητα σε προσμίξεις στα συστατικά γραφίτη πρέπει να είναι κάτω από 5×10⁻⁶, και για τα μονωτικά τσόχα κάτω από 10×10⁻⁶. Συγκεκριμένα, η περιεκτικότητα σε βόριο (B) και αλουμίνιο (Al) πρέπει να είναι κάτω από 0,1×10⁻⁶.

2. Σωστή πολικότητα του κρυστάλλου σπόρων
   Εμπειρικά δεδομένα δείχνουν ότι η επιφάνεια C (0001) είναι κατάλληλη για την ανάπτυξη κρυστάλλων 4H-SiC, ενώ η επιφάνεια Si (0001) είναι κατάλληλη για την ανάπτυξη κρυστάλλων 6H-SiC.

3. Χρήση κρυστάλλων σπόρων εκτός άξονα
   Οι σπόροι εκτός άξονα μπορούν να μεταβάλουν τη συμμετρία ανάπτυξης, να μειώσουν τα ελαττώματα των κρυστάλλων και να προωθήσουν καλύτερη ποιότητα κρυστάλλων.

4. Αξιόπιστη τεχνική σύνδεσης κρυστάλλων σπόρων
   Η σωστή σύνδεση μεταξύ του κρυστάλλου του σπόρου και της θήκης είναι απαραίτητη για τη σταθερότητα κατά την ανάπτυξη.

5. Διατήρηση της σταθερότητας της διεπαφής ανάπτυξης
   Κατά τη διάρκεια ολόκληρου του κύκλου ανάπτυξης κρυστάλλων, η διεπιφάνεια ανάπτυξης πρέπει να παραμένει σταθερή για να εξασφαλιστεί η ανάπτυξη κρυστάλλων υψηλής ποιότητας.

 

---

Βασικές Τεχνολογίες στην Ανάπτυξη Κρυστάλλων SiC

1. Τεχνολογία πρόσμιξης για σκόνη SiC

Η προσθήκη δημητρίου (Ce) σε σκόνη SiC μπορεί να σταθεροποιήσει την ανάπτυξη ενός μόνο πολυτύπου, όπως το 4H-SiC. Η πρακτική έχει δείξει ότι η προσθήκη Ce μπορεί:

• Αυξήστε τον ρυθμό ανάπτυξης των κρυστάλλων SiC.

• Βελτιώστε τον προσανατολισμό των κρυστάλλων για πιο ομοιόμορφη και κατευθυνόμενη ανάπτυξη.

• Μειώστε τις ακαθαρσίες και τα ελαττώματα.

• Καταστέλλει τη διάβρωση του πίσω μέρους του κρυστάλλου.

• Βελτιώστε το ποσοστό απόδοσης μονοκρυστάλλου.

2. Έλεγχος Αξονικών και Ακτινικών Θερμικών Κλίσεων

Οι αξονικές διαβαθμίσεις θερμοκρασίας επηρεάζουν τον πολυτύπο των κρυστάλλων και τον ρυθμό ανάπτυξης. Μια πολύ μικρή διαβάθμιση μπορεί να οδηγήσει σε εγκλεισμούς πολυτύπων και μειωμένη μεταφορά υλικού στην αέρια φάση. Η βελτιστοποίηση τόσο των αξονικών όσο και των ακτινικών διαβαθμίσεων είναι κρίσιμη για γρήγορη και σταθερή ανάπτυξη κρυστάλλων με σταθερή ποιότητα.

3. Τεχνολογία ελέγχου εξάρθρωσης βασικού επιπέδου (BPD)

Τα BPD σχηματίζονται κυρίως λόγω διατμητικής τάσης που υπερβαίνει το κρίσιμο όριο στους κρυστάλλους SiC, ενεργοποιώντας συστήματα ολίσθησης. Καθώς τα BPD είναι κάθετα προς την κατεύθυνση ανάπτυξης, συνήθως εμφανίζονται κατά την ανάπτυξη και την ψύξη των κρυστάλλων. Η ελαχιστοποίηση της εσωτερικής τάσης μπορεί να μειώσει σημαντικά την πυκνότητα των BPD.

4. Έλεγχος αναλογίας σύνθεσης φάσης ατμών

Η αύξηση της αναλογίας άνθρακα προς πυρίτιο στην αέρια φάση είναι μια αποδεδειγμένη μέθοδος για την προώθηση της ανάπτυξης ενός μόνο πολυτύπου. Ένας υψηλός λόγος C/Si μειώνει τη μακροβηματική συσσωμάτωση και διατηρεί την επιφανειακή κληρονομικότητα από τον κρύσταλλο-σπόρο, καταστέλλοντας έτσι τον σχηματισμό ανεπιθύμητων πολυτύπων.

5. Τεχνικές ανάπτυξης χαμηλού στρες

Η καταπόνηση κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων μπορεί να οδηγήσει σε καμπύλα επίπεδα πλέγματος, ρωγμές και υψηλότερες πυκνότητες BPD. Αυτά τα ελαττώματα μπορούν να μεταφερθούν σε επιταξιακά στρώματα και να επηρεάσουν αρνητικά την απόδοση της συσκευής.

Αρκετές στρατηγικές για τη μείωση της εσωτερικής τάσης των κρυστάλλων περιλαμβάνουν:

• Προσαρμογή της κατανομής του θερμικού πεδίου και των παραμέτρων της διεργασίας για την προώθηση της ανάπτυξης σχεδόν σε ισορροπία.

• Βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του χωνευτηρίου ώστε να επιτρέπεται στον κρύσταλλο να αναπτύσσεται ελεύθερα χωρίς μηχανικούς περιορισμούς.

• Βελτίωση της διαμόρφωσης της βάσης σπόρων για τη μείωση της αναντιστοιχίας θερμικής διαστολής μεταξύ των σπόρων και του γραφίτη κατά τη θέρμανση, συχνά αφήνοντας ένα κενό 2 mm μεταξύ των σπόρων και της βάσης.

• Βελτιστοποίηση των διαδικασιών ανόπτησης, επιτρέποντας στον κρύσταλλο να κρυώσει με τον κλίβανο και ρύθμιση της θερμοκρασίας και της διάρκειας για την πλήρη ανακούφιση της εσωτερικής τάσης.

---

Τάσεις στην τεχνολογία ανάπτυξης κρυστάλλων SiC

1. Μεγαλύτερα μεγέθη κρυστάλλων
Οι διάμετροι των μονοκρυστάλλων SiC έχουν αυξηθεί από λίγα μόνο χιλιοστά σε πλακίδια 6 ιντσών, 8 ιντσών, ακόμη και 12 ιντσών. Τα μεγαλύτερα πλακίδια ενισχύουν την αποδοτικότητα της παραγωγής και μειώνουν το κόστος, ενώ παράλληλα καλύπτουν τις απαιτήσεις εφαρμογών συσκευών υψηλής ισχύος.

2. Υψηλότερη ποιότητα κρυστάλλων
Οι κρύσταλλοι SiC υψηλής ποιότητας είναι απαραίτητοι για συσκευές υψηλής απόδοσης. Παρά τις σημαντικές βελτιώσεις, οι τρέχοντες κρύσταλλοι εξακολουθούν να παρουσιάζουν ελαττώματα όπως μικροσωλήνες, εξαρθρώσεις και ακαθαρσίες, τα οποία μπορούν να υποβαθμίσουν την απόδοση και την αξιοπιστία της συσκευής.

3. Μείωση Κόστους
Η παραγωγή κρυστάλλων SiC εξακολουθεί να είναι σχετικά ακριβή, περιορίζοντας την ευρύτερη υιοθέτησή της. Η μείωση του κόστους μέσω βελτιστοποιημένων διαδικασιών ανάπτυξης, αυξημένης αποδοτικότητας παραγωγής και χαμηλότερου κόστους πρώτων υλών είναι ζωτικής σημασίας για την επέκταση των εφαρμογών της αγοράς.

4. Ευφυής Παραγωγή
Με τις εξελίξεις στην τεχνητή νοημοσύνη και τις τεχνολογίες μεγάλων δεδομένων, η ανάπτυξη κρυστάλλων SiC κινείται προς έξυπνες, αυτοματοποιημένες διαδικασίες. Οι αισθητήρες και τα συστήματα ελέγχου μπορούν να παρακολουθούν και να προσαρμόζουν τις συνθήκες ανάπτυξης σε πραγματικό χρόνο, βελτιώνοντας τη σταθερότητα και την προβλεψιμότητα της διαδικασίας. Η ανάλυση δεδομένων μπορεί να βελτιστοποιήσει περαιτέρω τις παραμέτρους της διαδικασίας και την ποιότητα των κρυστάλλων.

Η ανάπτυξη τεχνολογίας ανάπτυξης μονοκρυστάλλων SiC υψηλής ποιότητας αποτελεί σημαντικό επίκεντρο στην έρευνα ημιαγωγικών υλικών. Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται, οι μέθοδοι ανάπτυξης κρυστάλλων θα συνεχίσουν να εξελίσσονται και να βελτιώνονται, παρέχοντας μια σταθερή βάση για εφαρμογές SiC σε ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος.