Glavne metode za uzgoj monokristala silicijum karbida uključuju fizički transport pare (PVT), rast rastvora sa gornjim zasijavanjem (TSSG) i hemijsko taloženje iz pare na visokim temperaturama (HT-CVD).

Među njima, PVT metoda je postala primarna tehnika za industrijsku proizvodnju zbog relativno jednostavnog postavljanja opreme, lakoće rada i kontrole, te nižih troškova opreme i rada.

---

Ključne tehničke tačke rasta SiC kristala korištenjem PVT metode

Za uzgoj kristala silicijum karbida korištenjem PVT metode, potrebno je pažljivo kontrolirati nekoliko tehničkih aspekata:

1. Čistoća grafitnih materijala u termičkom polju
   Grafitni materijali koji se koriste u termičkom polju za rast kristala moraju ispunjavati stroge zahtjeve čistoće. Sadržaj nečistoća u grafitnim komponentama treba biti ispod 5×10⁻⁶, a za izolacijske filce ispod 10×10⁻⁶. Konkretno, sadržaj bora (B) i aluminija (Al) mora biti ispod 0,1×10⁻⁶.

2. Ispravna polarnost kristalne sjemenke
   Empirijski podaci pokazuju da je C-strana (0001) pogodna za rast 4H-SiC kristala, dok je Si-strana (0001) pogodna za rast 6H-SiC.

3. Upotreba vanosnih kristala sjemena
   Vanosne sjemenke mogu promijeniti simetriju rasta, smanjiti kristalne defekte i poboljšati kvalitet kristala.

4. Pouzdana tehnika vezivanja kristala sjemena
   Pravilno vezivanje između kristalne sjemenke i držača je ključno za stabilnost tokom rasta.

5. Održavanje stabilnosti interfejsa rasta
   Tokom cijelog ciklusa rasta kristala, granica rasta mora ostati stabilna kako bi se osigurao visokokvalitetni razvoj kristala.

 

---

Osnovne tehnologije u rastu SiC kristala

1. Tehnologija dopiranja za SiC prah

Dopiranje SiC praha cerijumom (Ce) može stabilizovati rast jednog politipa kao što je 4H-SiC. Praksa je pokazala da dopiranje Ce može:

• Povećati brzinu rasta SiC kristala;

• Poboljšati orijentaciju kristala za ujednačeniji i usmjereniji rast;

• Smanjite nečistoće i nedostatke;

• Suzbijaju koroziju zadnje strane kristala;

• Povećajte prinos monokristala.

2. Kontrola aksijalnih i radijalnih termičkih gradijenata

Aksijalni temperaturni gradijenti utiču na politip kristala i brzinu rasta. Premali gradijent može dovesti do inkluzija politipa i smanjenog transporta materijala u parnoj fazi. Optimizacija i aksijalnih i radijalnih gradijenata je ključna za brz i stabilan rast kristala uz konzistentnu kvalitetu.

3. Tehnologija kontrole dislokacije bazalne ravni (BPD)

BPD-ovi se uglavnom formiraju zbog napona smicanja koji prelazi kritični prag u SiC kristalima, aktivirajući sisteme klizanja. Budući da su BPD-ovi okomiti na smjer rasta, oni obično nastaju tokom rasta i hlađenja kristala. Minimiziranje unutrašnjeg napona može značajno smanjiti gustoću BPD-a.

4. Kontrola odnosa sastava parne faze

Povećanje odnosa ugljika i silicija u gasnoj fazi je dokazana metoda za podsticanje rasta pojedinačnih politipova. Visok odnos C/Si smanjuje makrostepeno grupiranje i zadržava površinsko nasljeđivanje iz kristalne sjemenke, čime se suzbija formiranje neželjenih politipova.

5. Tehnike rasta s niskim stresom

Naprezanje tokom rasta kristala može dovesti do zakrivljenih rešetkastih ravni, pukotina i većih BPD gustoća. Ovi defekti se mogu prenijeti u epitaksijalne slojeve i negativno utjecati na performanse uređaja.

Nekoliko strategija za smanjenje unutrašnjeg kristalnog naprezanja uključuje:

• Prilagođavanje distribucije termalnog polja i parametara procesa radi podsticanja rasta blizu ravnoteže;

• Optimizacija dizajna lončića kako bi se kristalu omogućio slobodan rast bez mehaničkih ograničenja;

• Poboljšanje konfiguracije držača sjemena kako bi se smanjila neusklađenost toplinskog širenja između sjemena i grafita tokom zagrijavanja, često ostavljanjem razmaka od 2 mm između sjemena i držača;

• Procesi rafiniranja žarenja, omogućavajući kristalu da se ohladi u peći i prilagođavajući temperaturu i trajanje kako bi se u potpunosti ublažio unutrašnji napon.

---

Trendovi u tehnologiji rasta SiC kristala

1. Veće veličine kristala
Prečnici SiC monokristala su se povećali sa samo nekoliko milimetara na pločice od 6 inča, 8 inča, pa čak i 12 inča. Veće pločice povećavaju efikasnost proizvodnje i smanjuju troškove, a istovremeno zadovoljavaju zahtjeve primjena u uređajima velike snage.

2. Viši kvalitet kristala
Visokokvalitetni SiC kristali su neophodni za visokoperformansne uređaje. Uprkos značajnim poboljšanjima, trenutni kristali i dalje pokazuju defekte poput mikrocijevi, dislokacija i nečistoća, što sve može smanjiti performanse i pouzdanost uređaja.

3. Smanjenje troškova
Proizvodnja SiC kristala je i dalje relativno skupa, što ograničava širu primjenu. Smanjenje troškova kroz optimizirane procese rasta, povećanu efikasnost proizvodnje i niže troškove sirovina ključno je za proširenje tržišne primjene.

4. Inteligentna proizvodnja
S napretkom u vještačkoj inteligenciji i tehnologijama velikih podataka, rast SiC kristala se kreće prema inteligentnim, automatiziranim procesima. Senzori i kontrolni sistemi mogu pratiti i prilagođavati uslove rasta u realnom vremenu, poboljšavajući stabilnost i predvidljivost procesa. Analiza podataka može dodatno optimizirati parametre procesa i kvalitet kristala.

Razvoj tehnologije rasta visokokvalitetnih SiC monokristala glavni je fokus u istraživanju poluprovodničkih materijala. Kako tehnologija napreduje, metode rasta kristala će se nastaviti razvijati i poboljšavati, pružajući solidnu osnovu za primjenu SiC-a u visokotemperaturnim, visokofrekventnim i visokoenergetskim elektronskim uređajima.