Os principais métodos para a preparación de monocristais de silicio inclúen: transporte físico de vapor (PVT), crecemento en solución de semente superior (TSSG) e deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD). Entre estes, o método PVT é amplamente adoptado na produción industrial debido á súa sinxeleza de equipamento, facilidade de control e baixos custos de equipamento e operación.
Puntos técnicos clave para o crecemento PVT de cristais de carburo de silicio
Ao cultivar cristais de carburo de silicio usando o método de transporte físico de vapor (PVT), débense ter en conta os seguintes aspectos técnicos:
- Pureza dos materiais de grafito na cámara de crecemento: o contido de impurezas nos compoñentes de grafito debe ser inferior a 5×10⁻⁶, mentres que o contido de impurezas no feltro illante debe ser inferior a 10×10⁻⁶. Os elementos como B e Al deben manterse por debaixo de 0,1×10⁻⁶.
- Selección correcta da polaridade do cristal semente: estudos empíricos amosan que a cara C (0001) é axeitada para o cultivo de cristais de 4H-SiC, mentres que a cara Si (0001) se usa para o cultivo de cristais de 6H-SiC.
- Uso de cristais semente fóra do eixo: os cristais semente fóra do eixo poden alterar a simetría do crecemento do cristal, reducindo os defectos no cristal.
- Proceso de unión de cristais semente de alta calidade.
- Mantemento da estabilidade da interface de crecemento cristalino durante o ciclo de crecemento.
Tecnoloxías clave para o crecemento de cristais de carburo de silicio
- Tecnoloxía de dopaxe para po de carburo de silicio
O dopado do po de carburo de silicio cunha cantidade axeitada de Ce pode estabilizar o crecemento de monocristais de 4H-SiC. Os resultados prácticos amosan que o dopado con Ce pode:
- Aumentar a taxa de crecemento dos cristais de carburo de silicio.
- Controlar a orientación do crecemento cristalino, facéndoo máis uniforme e regular.
- Suprimir a formación de impurezas, reducindo defectos e facilitando a produción de cristais monocristais e de alta calidade.
- Inhibir a corrosión posterior do cristal e mellorar o rendemento do monocristal.
- Tecnoloxía de control de gradiente de temperatura axial e radial
O gradiente de temperatura axial afecta principalmente ao tipo e á eficiencia do crecemento do cristal. Un gradiente de temperatura excesivamente pequeno pode levar á formación de policristalinos e reducir as taxas de crecemento. Os gradientes de temperatura axiais e radiais axeitados facilitan o crecemento rápido do cristal de SiC, mantendo ao mesmo tempo unha calidade cristalina estable. - Tecnoloxía de control da luxación do plano basal (BPD)
Os defectos de BPD xorden principalmente cando a tensión de cizallamento no cristal supera a tensión de cizallamento crítica do SiC, o que activa os sistemas de deslizamento. Dado que os BPD son perpendiculares á dirección de crecemento do cristal, fórmanse principalmente durante o crecemento e o arrefriamento do cristal. - Tecnoloxía de axuste da relación de composición da fase de vapor
Aumentar a proporción carbono-silicio no ambiente de crecemento é unha medida eficaz para estabilizar o crecemento monocristalino. Unha maior proporción carbono-silicio reduce a agrupación por grandes pasos, preserva a información de crecemento da superficie do cristal semente e suprime a formación de politipos. - Tecnoloxía de control de baixa tensión
A tensión durante o crecemento do cristal pode causar a flexión dos planos cristalinos, o que leva a unha mala calidade do cristal ou mesmo a rachaduras. A tensión elevada tamén aumenta as dislocacións do plano basal, o que pode afectar negativamente á calidade da capa epitaxial e ao rendemento do dispositivo.
Imaxe de dixitalización de obleas de SiC de 6 polgadas
Métodos para reducir a tensión nos cristais:
- Axustar a distribución do campo de temperatura e os parámetros do proceso para permitir o crecemento case en equilibrio de monocristais de SiC.
- Optimizar a estrutura do crisol para permitir o crecemento libre dos cristais con restricións mínimas.
- Modifique as técnicas de fixación do cristal semente para reducir a desaxuste de expansión térmica entre o cristal semente e o soporte de grafito. Un enfoque común é deixar un espazo de 2 mm entre o cristal semente e o soporte de grafito.
- Mellorar os procesos de recocido implementando o recocido in situ no forno, axustando a temperatura e a duración do recocido para liberar completamente a tensión interna.
Tendencias futuras na tecnoloxía de crecemento de cristais de carburo de silicio
De cara ao futuro, a tecnoloxía de preparación de monocristais de SiC de alta calidade desenvolverase nas seguintes direccións:
- Crecemento a grande escala
O diámetro dos monocristais de carburo de silicio evolucionou desde uns poucos milímetros ata tamaños de 6 polgadas, 8 polgadas e incluso maiores de 12 polgadas. Os cristais de SiC de gran diámetro melloran a eficiencia da produción, reducen os custos e satisfán as demandas dos dispositivos de alta potencia. - Crecemento de alta calidade
Os monocristais de SiC de alta calidade son esenciais para os dispositivos de alto rendemento. Aínda que se fixeron progresos significativos, aínda existen defectos como microtubos, dislocacións e impurezas, o que afecta ao rendemento e á fiabilidade dos dispositivos. - Redución de custos
O alto custo da preparación de cristais de SiC limita a súa aplicación en certos campos. A optimización dos procesos de crecemento, a mellora da eficiencia da produción e a redución dos custos das materias primas poden axudar a reducir os gastos de produción. - Crecemento intelixente
Cos avances na IA e no big data, a tecnoloxía de crecemento de cristais de SiC adoptará cada vez máis solucións intelixentes. A monitorización e o control en tempo real mediante sensores e sistemas automatizados mellorarán a estabilidade e a controlabilidade do proceso. Ademais, a análise de big data pode optimizar os parámetros de crecemento, mellorando a calidade do cristal e a eficiencia da produción.
A tecnoloxía de preparación de monocristais de carburo de silicio de alta calidade é un foco clave na investigación de materiais semicondutores. A medida que a tecnoloxía avanza, as técnicas de crecemento de cristais de SiC continuarán evolucionando, proporcionando unha base sólida para aplicacións en campos de alta temperatura, alta frecuencia e alta potencia.
Data de publicación: 25 de xullo de 2025