I principali metodi per la preparazione di monocristalli di silicio includono: trasporto fisico da vapore (PVT), crescita di soluzioni con semina dall'alto (TSSG) e deposizione chimica da vapore ad alta temperatura (HT-CVD). Tra questi, il metodo PVT è ampiamente adottato nella produzione industriale grazie alla semplicità delle apparecchiature, alla facilità di controllo e ai bassi costi operativi e di equipaggiamento.
Punti tecnici chiave per la crescita PVT dei cristalli di carburo di silicio
Quando si coltivano cristalli di carburo di silicio utilizzando il metodo del trasporto fisico del vapore (PVT), è necessario considerare i seguenti aspetti tecnici:
- Purezza dei materiali in grafite nella camera di crescita: il contenuto di impurità nei componenti in grafite deve essere inferiore a 5×10⁻⁶, mentre il contenuto di impurità nel feltro isolante deve essere inferiore a 10×10⁻⁶. Elementi come B e Al devono essere mantenuti al di sotto di 0,1×10⁻⁶.
- Selezione corretta della polarità del cristallo di origine: studi empirici dimostrano che la faccia C (0001) è adatta alla crescita di cristalli 4H-SiC, mentre la faccia Si (0001) viene utilizzata per la crescita di cristalli 6H-SiC.
- Utilizzo di cristalli seme fuori asse: i cristalli seme fuori asse possono alterare la simmetria della crescita cristallina, riducendo i difetti nel cristallo.
- Processo di legame dei cristalli di semi di alta qualità.
- Mantenimento della stabilità dell'interfaccia di crescita dei cristalli durante il ciclo di crescita.
Tecnologie chiave per la crescita dei cristalli di carburo di silicio
- Tecnologia di drogaggio per polvere di carburo di silicio
Il drogaggio della polvere di carburo di silicio con una quantità appropriata di Ce può stabilizzare la crescita di monocristalli di 4H-SiC. I risultati pratici dimostrano che il drogaggio con Ce può:
- Aumentare la velocità di crescita dei cristalli di carburo di silicio.
- Controlla l'orientamento della crescita dei cristalli, rendendola più uniforme e regolare.
- Sopprime la formazione di impurità, riducendo i difetti e facilitando la produzione di cristalli monocristallini e di alta qualità.
- Inibisce la corrosione sul lato posteriore del cristallo e migliora la resa del monocristallo.
- Tecnologia di controllo del gradiente di temperatura assiale e radiale
Il gradiente di temperatura assiale influenza principalmente il tipo e l'efficienza di crescita dei cristalli. Un gradiente di temperatura eccessivamente basso può portare alla formazione di cristalli policristallini e ridurre la velocità di crescita. Gradienti di temperatura assiali e radiali adeguati facilitano la rapida crescita dei cristalli di SiC, mantenendone stabile la qualità. - Tecnologia di controllo della lussazione del piano basale (BPD)
I difetti BPD si verificano principalmente quando lo sforzo di taglio nel cristallo supera lo sforzo di taglio critico del SiC, attivando sistemi di scorrimento. Poiché i BPD sono perpendicolari alla direzione di crescita del cristallo, si formano principalmente durante la crescita e il raffreddamento del cristallo. - Tecnologia di regolazione del rapporto di composizione della fase vapore
Aumentare il rapporto carbonio/silicio nell'ambiente di crescita è una misura efficace per stabilizzare la crescita dei monocristalli. Un rapporto carbonio/silicio più elevato riduce l'accumulo di grandi stadi, preserva le informazioni sulla crescita superficiale dei cristalli-seme e sopprime la formazione di politipi. - Tecnologia di controllo a basso stress
Lo stress durante la crescita dei cristalli può causare la flessione dei piani cristallini, con conseguente scarsa qualità del cristallo o addirittura la formazione di crepe. Uno stress elevato aumenta anche le dislocazioni del piano basale, che possono influire negativamente sulla qualità dello strato epitassiale e sulle prestazioni del dispositivo.
Immagine di scansione di wafer SiC da 6 pollici
Metodi per ridurre lo stress nei cristalli:
- Regolare la distribuzione del campo di temperatura e i parametri di processo per consentire una crescita quasi in equilibrio dei monocristalli di SiC.
- Ottimizzare la struttura del crogiolo per consentire la libera crescita dei cristalli con vincoli minimi.
- Modificare le tecniche di fissaggio del cristallo seme per ridurre la discrepanza di dilatazione termica tra il cristallo seme e il supporto in grafite. Un approccio comune consiste nel lasciare uno spazio di 2 mm tra il cristallo seme e il supporto in grafite.
- Migliorare i processi di ricottura implementando la ricottura in forno in situ, regolando la temperatura e la durata della ricottura per rilasciare completamente lo stress interno.
Tendenze future nella tecnologia di crescita dei cristalli di carburo di silicio
Guardando al futuro, la tecnologia di preparazione di monocristalli di SiC di alta qualità si svilupperà nelle seguenti direzioni:
- Crescita su larga scala
Il diametro dei monocristalli di carburo di silicio si è evoluto da pochi millimetri a dimensioni di 6 pollici, 8 pollici e persino 12 pollici. I cristalli di SiC di grande diametro migliorano l'efficienza produttiva, riducono i costi e soddisfano le esigenze dei dispositivi ad alta potenza. - Crescita di alta qualità
I monocristalli di SiC di alta qualità sono essenziali per dispositivi ad alte prestazioni. Nonostante i notevoli progressi compiuti, persistono ancora difetti come microtubi, dislocazioni e impurità, che incidono negativamente sulle prestazioni e sull'affidabilità dei dispositivi. - Riduzione dei costi
L'elevato costo di preparazione dei cristalli di SiC ne limita l'applicazione in alcuni settori. Ottimizzare i processi di crescita, migliorare l'efficienza produttiva e ridurre i costi delle materie prime può contribuire a ridurre i costi di produzione. - Crescita intelligente
Con i progressi dell'intelligenza artificiale e dei big data, la tecnologia di crescita dei cristalli di SiC adotterà sempre più soluzioni intelligenti. Il monitoraggio e il controllo in tempo reale tramite sensori e sistemi automatizzati miglioreranno la stabilità e la controllabilità del processo. Inoltre, l'analisi dei big data può ottimizzare i parametri di crescita, migliorando la qualità dei cristalli e l'efficienza produttiva.
La tecnologia di preparazione di cristalli singoli di carburo di silicio di alta qualità è un obiettivo chiave nella ricerca sui materiali semiconduttori. Con il progresso tecnologico, le tecniche di crescita dei cristalli di SiC continueranno a evolversi, fornendo una solida base per applicazioni in campi ad alta temperatura, alta frequenza e alta potenza.
Data di pubblicazione: 25-lug-2025