Considerazioni chiave per la produzione di cristalli singoli di carburo di silicio (SiC) di alta qualità

I metodi principali per la produzione di cristalli singoli di carburo di silicio includono il trasporto fisico di vapore (PVT), la crescita da soluzione con semina superiore (TSSG) e la deposizione chimica da vapore ad alta temperatura (HT-CVD).

Tra questi, PVT è il metodo più ampiamente adottato nella produzione industriale grazie alla sua configurazione dell'apparecchiatura relativamente semplice, alla facilità di controllo e ai minori costi operativi e delle apparecchiature.

Punti salienti tecnici del metodo PVT per la crescita di cristalli SiC

Quando si coltivano cristalli singoli di SiC utilizzando il metodo PVT, i seguenti aspetti tecnici sono fondamentali:

• Purezza dei materiali di grafite

La grafite utilizzata nel campo termico deve soddisfare severi requisiti di purezza. Il contenuto di impurità nelle parti di grafite dovrebbe essere inferiore a 5×10⁻⁶, mentre i feltri isolanti dovrebbero essere inferiori a 10×10⁻⁶. In particolare, il contenuto di boro (B) e alluminio (Al) deve essere inferiore a 0,1×10⁻⁶.​

• Corretta selezione della polarità del cristallo seme

Gli esperimenti hanno dimostrato che la faccia C (0001) è adatta per la crescita di 4H-SiC, mentre la faccia Si (0001) viene utilizzata per la crescita di 6H-SiC.

• Utilizzo di cristalli seme fuori asse

I semi fuori asse aiutano a rompere la simmetria di crescita e a ridurre i difetti nel cristallo risultante.

• Processo di incollaggio del seme di alta qualità

Un legame affidabile tra il cristallo seme e il substrato è essenziale per una crescita stabile.

• Mantenimento di un'interfaccia di crescita stabile

Durante l'intero ciclo di crescita, è fondamentale mantenere la stabilità dell'interfaccia di crescita del cristallo per garantire una qualità uniforme.

Tecnologie principali nella crescita di cristalli SiC

• Tecnologia di drogaggio nella polvere di SiC

  Il drogaggio della polvere di carburo di silicio con cerio (Ce) promuove la crescita stabile di 4H-SiC a singolo politipo. Questa tecnica di drogaggio può:

   

  • Aumentare il tasso di crescita;

  • Migliorare l'orientamento cristallografico;

  • Sopprimere l'incorporazione di impurità e la formazione di difetti;

  • Migliorare la resa dei cristalli di alta qualità;

  • Prevenire la corrosione del retro e aumentare la monocristallinità.

• Controllo del gradiente di temperatura assiale e radiale

  Il gradiente assiale influisce in modo significativo sulla morfologia del cristallo e sull'efficienza di crescita. Un gradiente troppo piccolo può portare alla miscelazione di politipi e alla riduzione del trasporto di vapore. Gradienti assiali e radiali ottimali supportano una crescita cristallina rapida e stabile.

• Controllo della dislocazione del piano basale (BPD)

  I BPD sorgono quando lo stress di taglio interno supera la soglia critica, tipicamente durante la crescita e il raffreddamento. La gestione di questi stress è fondamentale per ridurre al minimo i difetti BPD.

• Controllo del rapporto di composizione della fase gassosa

  L'aumento del rapporto carbonio-silicio nella fase vapore aiuta a stabilizzare la crescita a singolo politipo e previene l'ammassamento macro-step, sopprimendo così la formazione di politipi.

• Tecniche di crescita di cristalli a basso stress

  Lo stress interno può portare a distorsioni del reticolo, rotture del cristallo e aumento della densità di dislocazione, che degradano la qualità del cristallo e le prestazioni del dispositivo a valle. Lo stress può essere mitigato attraverso:

   

  • Ottimizzazione del campo di temperatura e del processo per una crescita quasi in equilibrio;

  • Riprogettazione della struttura del crogiolo per consentire la libera espansione del cristallo;

  • Miglioramento dei metodi di montaggio dei semi lasciando un gap di 2 mm tra il seme e il supporto di grafite per ridurre la disadattamento termico;

  • Ricottura del cristallo in forno per rilasciare lo stress residuo, con un'attenta regolazione della temperatura e della durata.

Tendenze future nella tecnologia di crescita di cristalli singoli SiC

• Dimensioni maggiori dei cristalli

  Il diametro dei cristalli singoli di SiC è cresciuto da pochi millimetri a wafer da 6 pollici, 8 pollici e persino 12 pollici. L'aumento di scala migliora l'efficienza di produzione, riduce il costo per unità e soddisfa le esigenze dei dispositivi ad alta potenza.

• Maggiore qualità dei cristalli

  Sebbene i cristalli attuali siano notevolmente migliorati, rimangono sfide come micropipe, dislocazioni e impurità. L'eliminazione di questi difetti è fondamentale per ottenere dispositivi con prestazioni superiori.

• Riduzione dei costi

  L'elevato costo della crescita di cristalli SiC è un ostacolo alla sua ampia adozione. La riduzione dei costi attraverso l'ottimizzazione dei processi, un migliore utilizzo delle risorse e materie prime più economiche è un'area chiave di ricerca.

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• Produzione intelligente

  Con i progressi nell'intelligenza artificiale e nei big data, la crescita intelligente dei cristalli è all'orizzonte. Sensori e sistemi di controllo automatizzati possono monitorare e regolare le condizioni in tempo reale, migliorando la stabilità e la riproducibilità. L'analisi dei dati può ulteriormente perfezionare il processo per migliorare la resa e la qualità.