Wichtige Überlegungen für die Herstellung hochwertiger Siliziumkarbid (SiC)-Einkristalle

Die wichtigsten Methoden zur Herstellung von Siliziumkarbid-Einkristallen umfassen Physical Vapor Transport (PVT), Top-Seeded Solution Growth (TSSG) und High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD).

Davon ist PVT die am weitesten verbreitete Methode in der industriellen Produktion, da sie einen relativ einfachen Geräteaufbau, eine einfache Steuerung und geringere Geräte- und Betriebskosten aufweist.

Technische Highlights der PVT-Methode für das SiC-Kristallwachstum

Beim Züchten von SiC-Einkristallen mit der PVT-Methode sind die folgenden technischen Aspekte entscheidend:

• Reinheit der Graphitmaterialien

Der im thermischen Feld verwendete Graphit muss strenge Reinheitsanforderungen erfüllen. Der Verunreinigungsgehalt in Graphitteilen sollte weniger als 5×10⁻⁶ betragen, während Isolierfilze unter 10×10⁻⁶ liegen sollten. Insbesondere der Bor- (B) und Aluminium- (Al) Gehalt muss unter 0,1×10⁻⁶ liegen.​

• Korrekte Auswahl der Keimkristallpolarität

Experimente haben gezeigt, dass die C(0001)-Fläche für das Wachstum von 4H-SiC geeignet ist, während die Si(0001)-Fläche für das 6H-SiC-Wachstum verwendet wird.

• Verwendung von Off-Axis-Keimkristallen

Off-Axis-Keime helfen, die Wachstumssymmetrie zu durchbrechen und Defekte im resultierenden Kristall zu reduzieren.

• Hochwertiger Keimkristall-Bonding-Prozess

Eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Keimkristall und dem Substrat ist für ein stabiles Wachstum unerlässlich.

• Aufrechterhaltung einer stabilen Wachstumsgrenzfläche

Während des gesamten Wachstumszyklus ist es entscheidend, die Stabilität der Kristallwachstumsgrenzfläche aufrechtzuerhalten, um eine gleichmäßige Qualität zu gewährleisten.

Kerntechnologien im SiC-Kristallwachstum

• Dotierungstechnologie in SiC-Pulver

  Die Dotierung von Siliziumkarbidpulver mit Cer (Ce) fördert das stabile Wachstum von Einzelpolytyp 4H-SiC. Diese Dotierungstechnik kann:

   

  • Wachstumsrate erhöhen;

  • Die kristallographische Orientierung verbessern;

  • Die Aufnahme von Verunreinigungen und die Defektbildung unterdrücken;

  • Die Ausbeute an hochwertigen Kristallen verbessern;

  • Rückseitenkorrosion verhindern und die Monokristallinität erhöhen.

• Axiale und radiale Temperaturgradientensteuerung

  Der axiale Gradient beeinflusst die Kristallmorphologie und die Wachstumseffizienz erheblich. Ein zu kleiner Gradient kann zu Polytypmischungen und reduziertem Dampftransport führen. Optimale axiale und radiale Gradienten unterstützen ein schnelles, stabiles Kristallwachstum.

• Steuerung von Basalebenenversetzungen (BPD)

  BPDs entstehen, wenn die innere Schubspannung den kritischen Schwellenwert überschreitet, typischerweise während des Wachstums und der Abkühlung. Die Steuerung dieser Spannungen ist der Schlüssel zur Minimierung von BPD-Defekten.

• Steuerung des Gasphasenzusammensetzungsverhältnisses

  Die Erhöhung des Kohlenstoff-zu-Silizium-Verhältnisses in der Dampfphase trägt zur Stabilisierung des Einzelpolytyp-Wachstums bei und verhindert die Makroschrittbündelung, wodurch die Polytypbildung unterdrückt wird.

• Techniken des spannungsarmen Kristallwachstums

  Innere Spannungen können zu Gitterverzerrungen, Kristallrissen und einer erhöhten Versetzungsdichte führen, was die Kristallqualität und die Leistung nachgeschalteter Geräte beeinträchtigt. Spannungen können durch Folgendes gemildert werden:

   

  • Temperaturfeld- und Prozessoptimierung für nahezu Gleichgewichtswachstum;

  • Neugestaltung der Tiegelstruktur, um eine freie Kristallausdehnung zu ermöglichen;

  • Verbesserung der Keimkristallmontagemethoden durch Belassen eines 2 mm Spaltes zwischen dem Keimkristall und dem Graphithalter, um Fehlanpassungen der Wärmeausdehnung zu reduzieren;

  • Glühen des Kristalls im Ofen, um Restspannungen abzubauen, mit sorgfältiger Anpassung von Temperatur und Dauer.

Zukünftige Trends in der SiC-Einkristallwachstumstechnologie

• Größere Kristallgröße

  Der Durchmesser von SiC-Einkristallen ist von wenigen Millimetern auf 6-Zoll-, 8-Zoll- und sogar 12-Zoll-Wafer angewachsen. Die Skalierung verbessert die Produktionseffizienz, reduziert die Kosten pro Einheit und erfüllt die Anforderungen von Hochleistungsgeräten.

• Höhere Kristallqualität

  Während aktuelle Kristalle stark verbessert wurden, bleiben Herausforderungen wie Mikroporen, Versetzungen und Verunreinigungen bestehen. Die Beseitigung dieser Defekte ist entscheidend für die Erzielung von Hochleistungsgeräten.

• Kostensenkung

  Die hohen Kosten für das SiC-Kristallwachstum sind ein Hindernis für eine breite Akzeptanz. Die Senkung der Kosten durch Prozessoptimierung, bessere Ressourcenausnutzung und billigere Rohstoffe ist ein wichtiger Forschungsbereich.

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• Intelligente Fertigung

  Mit den Fortschritten in KI und Big Data steht das intelligente Kristallwachstum vor der Tür. Sensoren und automatisierte Steuerungssysteme können die Bedingungen in Echtzeit überwachen und anpassen, wodurch die Stabilität und Reproduzierbarkeit verbessert werden. Datenanalysen können den Prozess weiter verfeinern, um Ausbeute und Qualität zu verbessern.