De vigtigste metoder til dyrkning af siliciumcarbid-enkeltkrystaller inkluderer fysisk damptransport (PVT), topfrøopløsningsvækst (TSSG) og kemisk dampaflejring ved høj temperatur (HT-CVD).

Blandt disse er PVT-metoden blevet den primære teknik til industriel produktion på grund af dens relativt enkle udstyrsopsætning, nemme betjening og kontrol samt lavere udstyrs- og driftsomkostninger.

---

Vigtige tekniske punkter for SiC-krystalvækst ved hjælp af PVT-metoden

For at dyrke siliciumcarbidkrystaller ved hjælp af PVT-metoden skal flere tekniske aspekter kontrolleres omhyggeligt:

1. Renhed af grafitmaterialer i det termiske felt
   De grafitmaterialer, der anvendes inden for krystalvækst, skal opfylde strenge renhedskrav. Urenhedsindholdet i grafitkomponenter bør være under 5×10⁻⁶, og for isoleringsfilt under 10×10⁻⁶. Specifikt skal indholdet af bor (B) og aluminium (Al) hver især være under 0,1×10⁻⁶.

2. Korrekt polaritet af frøkrystal
   Empiriske data viser, at C-fladen (0001) er egnet til dyrkning af 4H-SiC-krystaller, mens Si-fladen (0001) er egnet til 6H-SiC-vækst.

3. Brug af off-axis frøkrystaller
   Off-axis frø kan ændre vækstsymmetrien, reducere krystaldefekter og fremme bedre krystalkvalitet.

4. Pålidelig teknik til krystalbinding med frø
   Korrekt binding mellem frøkrystallen og holderen er afgørende for stabilitet under vækst.

5. Opretholdelse af stabilitet i vækstgrænsefladen
   Under hele krystalvækstcyklussen skal vækstgrænsefladen forblive stabil for at sikre krystaludvikling af høj kvalitet.

 

---

Kerneteknologier inden for SiC-krystalvækst

1. Dopingteknologi til SiC-pulver

Doping af SiC-pulver med cerium (Ce) kan stabilisere væksten af en enkelt polytype, såsom 4H-SiC. Praksis har vist, at Ce-doping kan:

• Øg væksthastigheden af SiC-krystaller;

• Forbedre krystalorientering for mere ensartet og retningsbestemt vækst;

• Reducer urenheder og defekter;

• Undertrykke korrosion på krystallens bagside;

• Forøg udbyttet af enkeltkrystaller.

2. Kontrol af aksiale og radiale termiske gradienter

Aksiale temperaturgradienter påvirker krystalpolytypen og væksthastigheden. En gradient, der er for lille, kan føre til polytypeindeslutninger og reduceret materialetransport i dampfasen. Optimering af både aksiale og radiale gradienter er afgørende for hurtig og stabil krystalvækst med ensartet kvalitet.

3. Basalplandislokation (BPD) kontrolteknologi

BPD'er dannes hovedsageligt på grund af forskydningsspænding, der overstiger den kritiske tærskel i SiC-krystaller, hvilket aktiverer slipsystemer. Da BPD'er er vinkelrette på vækstretningen, opstår de typisk under krystalvækst og afkøling. Minimering af intern spænding kan reducere BPD-densiteten betydeligt.

4. Kontrol af dampfasesammensætningsforhold

At øge forholdet mellem kulstof og silicium i dampfasen er en dokumenteret metode til at fremme vækst af enkelte polytyper. Et højt C/Si-forhold reducerer makrotrinbundtning og bevarer overfladearv fra podekrystallen, hvilket undertrykker dannelsen af uønskede polytyper.

5. Lavstressvækstteknikker

Stress under krystalvækst kan føre til buede gitterplaner, revner og højere BPD-densiteter. Disse defekter kan overføres til epitaksiale lag og have en negativ indvirkning på enhedens ydeevne.

Flere strategier til at reducere intern krystalspænding omfatter:

• Justering af termisk feltfordeling og procesparametre for at fremme næsten ligevægtsvækst;

• Optimering af digeldesign, så krystallen kan vokse frit uden mekanisk begrænsning;

• Forbedring af frøholderens konfiguration for at reducere den termiske udvidelsesforskel mellem frøet og grafitten under opvarmning, ofte ved at efterlade et mellemrum på 2 mm mellem frøet og holderen;

• Raffinering af udglødningsprocesser, hvor krystallen kan køle af med ovnen, og justering af temperatur og varighed for fuldt ud at aflaste den indre spænding.

---

Tendenser inden for SiC-krystalvækstteknologi

1. Større krystalstørrelser
Diametrene på SiC-enkeltkrystaller er steget fra blot et par millimeter til 6-tommer, 8-tommer og endda 12-tommer wafere. Større wafere øger produktionseffektiviteten og reducerer omkostningerne, samtidig med at de opfylder kravene til applikationer med høj effekt.

2. Højere krystalkvalitet
SiC-krystaller af høj kvalitet er afgørende for højtydende enheder. Trods betydelige forbedringer udviser nuværende krystaller stadig defekter såsom mikrorør, forskydninger og urenheder, som alle kan forringe enhedernes ydeevne og pålidelighed.

3. Omkostningsreduktion
Produktion af SiC-krystaler er stadig relativt dyrt, hvilket begrænser en bredere anvendelse. Reduktion af omkostninger gennem optimerede vækstprocesser, øget produktionseffektivitet og lavere råvareomkostninger er afgørende for at udvide markedsanvendelserne.

4. Intelligent produktion
Med fremskridt inden for kunstig intelligens og big data-teknologier bevæger SiC-krystalvækst sig mod intelligente, automatiserede processer. Sensorer og kontrolsystemer kan overvåge og justere vækstbetingelser i realtid, hvilket forbedrer processtabilitet og forudsigelighed. Dataanalyse kan yderligere optimere procesparametre og krystalkvalitet.

Udviklingen af SiC-enkeltkrystalvækstteknologi af høj kvalitet er et vigtigt fokuspunkt inden for forskning i halvledermaterialer. I takt med at teknologien udvikler sig, vil krystalvækstmetoder fortsætte med at udvikle sig og forbedres, hvilket giver et solidt fundament for SiC-applikationer i elektroniske enheder med høj temperatur, høj frekvens og høj effekt.