I metodi principali per la crescita di monocristalli di carburo di silicio includono il trasporto fisico da vapore (PVT), la crescita in soluzione Top-Seeded (TSSG) e la deposizione chimica da vapore ad alta temperatura (HT-CVD).

Tra queste, il metodo PVT è diventato la tecnica principale per la produzione industriale grazie alla sua configurazione relativamente semplice delle apparecchiature, alla facilità di funzionamento e controllo e ai costi operativi e delle apparecchiature più bassi.

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Punti tecnici chiave della crescita dei cristalli di SiC utilizzando il metodo PVT

Per far crescere cristalli di carburo di silicio utilizzando il metodo PVT, è necessario controllare attentamente diversi aspetti tecnici:

1. Purezza dei materiali in grafite nel campo termico
   I materiali in grafite utilizzati nel campo termico della crescita cristallina devono soddisfare rigorosi requisiti di purezza. Il contenuto di impurità nei componenti in grafite deve essere inferiore a 5×10⁻⁶ e, per i feltri isolanti, inferiore a 10×10⁻⁶. In particolare, il contenuto di boro (B) e alluminio (Al) deve essere inferiore a 0,1×10⁻⁶.

2. Polarità corretta del cristallo seme
   I dati empirici mostrano che la faccia C (0001) è adatta alla crescita di cristalli 4H-SiC, mentre la faccia Si (0001) è appropriata per la crescita di cristalli 6H-SiC.

3. Utilizzo di cristalli seme fuori asse
   I semi fuori asse possono alterare la simmetria della crescita, ridurre i difetti dei cristalli e favorire una migliore qualità dei cristalli.

4. Tecnica affidabile di legame dei cristalli di seme
   Per garantire la stabilità durante la crescita è essenziale che il legame tra il cristallo di seme e il supporto sia adeguato.

5. Mantenimento della stabilità dell'interfaccia di crescita
   Durante l'intero ciclo di crescita dei cristalli, l'interfaccia di crescita deve rimanere stabile per garantire uno sviluppo cristallino di alta qualità.

 

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Tecnologie fondamentali nella crescita dei cristalli di SiC

1. Tecnologia di drogaggio per polvere di SiC

Il drogaggio della polvere di SiC con cerio (Ce) può stabilizzare la crescita di un singolo politipo come il 4H-SiC. La pratica ha dimostrato che il drogaggio con Ce può:

• Aumentare il tasso di crescita dei cristalli di SiC;

• Migliorare l'orientamento dei cristalli per una crescita più uniforme e direzionale;

• Ridurre le impurità e i difetti;

• Sopprimere la corrosione sul retro del cristallo;

• Migliorare il tasso di resa del monocristallo.

2. Controllo dei gradienti termici assiali e radiali

I gradienti di temperatura assiali influenzano il politipo cristallino e la velocità di crescita. Un gradiente troppo piccolo può portare a inclusioni di politipo e a una riduzione del trasporto di materiale in fase vapore. L'ottimizzazione dei gradienti assiali e radiali è fondamentale per una crescita cristallina rapida e stabile con una qualità costante.

3. Tecnologia di controllo della lussazione del piano basale (BPD)

I BPD si formano principalmente a causa dello stress di taglio che supera la soglia critica nei cristalli di SiC, attivando sistemi di scorrimento. Poiché i BPD sono perpendicolari alla direzione di crescita, si formano tipicamente durante la crescita e il raffreddamento dei cristalli. Ridurre al minimo lo stress interno può ridurre significativamente la densità dei BPD.

4. Controllo del rapporto di composizione della fase vapore

L'aumento del rapporto carbonio/silicio in fase vapore è un metodo comprovato per promuovere la crescita di singoli politipi. Un elevato rapporto C/Si riduce l'accumulo di macrofasi e mantiene l'eredità superficiale del cristallo di radicazione, sopprimendo così la formazione di politipi indesiderati.

5. Tecniche di crescita a basso stress

Lo stress durante la crescita dei cristalli può portare a piani reticolari curvi, crepe e densità di BPD più elevate. Questi difetti possono estendersi agli strati epitassiali e influire negativamente sulle prestazioni del dispositivo.

Tra le diverse strategie per ridurre lo stress interno dei cristalli rientrano:

• Regolazione della distribuzione del campo termico e dei parametri di processo per promuovere una crescita quasi in equilibrio;

• Ottimizzazione del design del crogiolo per consentire al cristallo di crescere liberamente senza vincoli meccanici;

• Miglioramento della configurazione del portasemi per ridurre la discrepanza di dilatazione termica tra il seme e la grafite durante il riscaldamento, spesso lasciando uno spazio di 2 mm tra il seme e il portasemi;

• Raffinazione dei processi di ricottura, consentendo al cristallo di raffreddarsi nel forno e regolando temperatura e durata per alleviare completamente lo stress interno.

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Tendenze nella tecnologia di crescita dei cristalli di SiC

1. Cristalli di dimensioni maggiori
I diametri dei monocristalli di SiC sono aumentati da pochi millimetri a wafer da 6 pollici, 8 pollici e persino 12 pollici. Wafer più grandi aumentano l'efficienza produttiva e riducono i costi, soddisfacendo al contempo i requisiti delle applicazioni per dispositivi ad alta potenza.

2. Qualità dei cristalli superiore
I cristalli SiC di alta qualità sono essenziali per dispositivi ad alte prestazioni. Nonostante i significativi miglioramenti, i cristalli attuali presentano ancora difetti come microcanali, dislocazioni e impurità, che possono compromettere le prestazioni e l'affidabilità del dispositivo.

3. Riduzione dei costi
La produzione di cristalli di SiC è ancora relativamente costosa, il che ne limita l'adozione su larga scala. Ridurre i costi attraverso processi di crescita ottimizzati, una maggiore efficienza produttiva e minori costi delle materie prime è fondamentale per espandere le applicazioni di mercato.

4. Produzione intelligente
Con i progressi nell'intelligenza artificiale e nelle tecnologie dei big data, la crescita dei cristalli di SiC si sta orientando verso processi intelligenti e automatizzati. Sensori e sistemi di controllo possono monitorare e regolare le condizioni di crescita in tempo reale, migliorando la stabilità e la prevedibilità del processo. L'analisi dei dati può ulteriormente ottimizzare i parametri di processo e la qualità dei cristalli.

Lo sviluppo di tecnologie di crescita di monocristalli di SiC di alta qualità è un obiettivo fondamentale nella ricerca sui materiali semiconduttori. Con il progresso tecnologico, i metodi di crescita dei cristalli continueranno a evolversi e migliorare, fornendo una solida base per le applicazioni del SiC in dispositivi elettronici ad alta temperatura, alta frequenza e alta potenza.