Wichtige Überlegungen zur Herstellung hochwertiger Siliziumkarbid-Einkristalle

Zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einkristallen zählen: Physical Vapor Transport (PVT), Top-Seeded Solution Growth (TSSG) und Hochtemperatur-Chemical Vapor Deposition (HT-CVD). Das PVT-Verfahren wird aufgrund seiner einfachen Ausrüstung, der einfachen Steuerung und der geringen Geräte- und Betriebskosten häufig in der industriellen Produktion eingesetzt.

Wichtige technische Punkte für das PVT-Wachstum von Siliziumkarbidkristallen

Beim Züchten von Siliziumkarbidkristallen mit der Physical Vapor Transport (PVT)-Methode müssen folgende technische Aspekte berücksichtigt werden:

1. Reinheit der Graphitmaterialien in der Wachstumskammer: Der Verunreinigungsgehalt in Graphitkomponenten muss unter 5×10⁻⁶ liegen, während der Verunreinigungsgehalt im Isolierfilz unter 10×10⁻⁶ liegen muss. Elemente wie B und Al sollten unter 0,1×10⁻⁶ gehalten werden.
2. Richtige Auswahl der Impfkristallpolarität: Empirische Studien zeigen, dass die C-Fläche (0001) zum Züchten von 4H-SiC-Kristallen geeignet ist, während die Si-Fläche (0001) zum Züchten von 6H-SiC-Kristallen verwendet wird.
3. Verwendung von außeraxialen Impfkristallen: Außeraxiale Impfkristalle können die Symmetrie des Kristallwachstums verändern und so Defekte im Kristall reduzieren.
4. Hochwertiger Impfkristall-Bindungsprozess.
5. Aufrechterhaltung der Stabilität der Kristallwachstumsschnittstelle während des Wachstumszyklus.

Schlüsseltechnologien für das Wachstum von Siliziumkarbidkristallen

1. Dotiertechnologie für Siliziumkarbidpulver
   Durch die Dotierung des Siliziumkarbidpulvers mit einer geeigneten Menge Ce kann das Wachstum von 4H-SiC-Einkristallen stabilisiert werden. Praktische Ergebnisse zeigen, dass Ce-Dotierung folgende Vorteile bietet:

• Erhöhen Sie die Wachstumsrate von Siliziumkarbidkristallen.
• Kontrollieren Sie die Ausrichtung des Kristallwachstums und machen Sie es gleichmäßiger und regelmäßiger.
• Unterdrücken Sie die Bildung von Verunreinigungen, reduzieren Sie Defekte und erleichtern Sie die Herstellung von Einkristallen und hochwertigen Kristallen.
• Verhindern Sie die Korrosion der Kristallrückseite und verbessern Sie die Einkristallausbeute.

• Axiale und radiale Temperaturgradienten-Kontrolltechnologie
  Der axiale Temperaturgradient beeinflusst in erster Linie die Art und Effizienz des Kristallwachstums. Ein zu geringer Temperaturgradient kann zur Bildung polykristalliner Kristalle führen und die Wachstumsrate verringern. Geeignete axiale und radiale Temperaturgradienten ermöglichen schnelles SiC-Kristallwachstum bei gleichbleibender Kristallqualität.
• Basal Plane Dislocation (BPD)-Kontrolltechnologie
  BPD-Defekte entstehen hauptsächlich, wenn die Scherspannung im Kristall die kritische Scherspannung von SiC überschreitet und Gleitsysteme aktiviert. Da BPDs senkrecht zur Kristallwachstumsrichtung verlaufen, bilden sie sich hauptsächlich während des Kristallwachstums und der Abkühlung.
• Technologie zur Anpassung des Dampfphasenzusammensetzungsverhältnisses
  Die Erhöhung des Kohlenstoff-Silizium-Verhältnisses in der Wachstumsumgebung ist eine wirksame Maßnahme zur Stabilisierung des Einkristallwachstums. Ein höheres Kohlenstoff-Silizium-Verhältnis reduziert die Bildung großer Stufen, bewahrt die Informationen zum Oberflächenwachstum des Impfkristalls und unterdrückt die Bildung von Polytypen.
• Low-Stress-Control-Technologie
  Spannungen während des Kristallwachstums können zu einer Verbiegung der Kristallebenen führen, was zu einer schlechten Kristallqualität oder sogar zu Rissen führen kann. Hohe Spannungen erhöhen zudem die Versetzungen in der Basalebene, was sich negativ auf die Qualität der Epitaxieschicht und die Geräteleistung auswirken kann.

6-Zoll-SiC-Wafer-Scanbild

Methoden zur Reduzierung von Spannungen in Kristallen:

• Passen Sie die Temperaturfeldverteilung und die Prozessparameter an, um ein nahezu gleichgewichtsmäßiges Wachstum von SiC-Einkristallen zu ermöglichen.
• Optimieren Sie die Tiegelstruktur, um ein freies Kristallwachstum mit minimalen Einschränkungen zu ermöglichen.
• Modifizieren Sie die Techniken zur Fixierung des Impfkristalls, um die Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen Impfkristall und Graphithalter zu verringern. Ein gängiger Ansatz besteht darin, einen Abstand von 2 mm zwischen Impfkristall und Graphithalter zu lassen.
• Verbessern Sie Glühprozesse, indem Sie eine Ofenglühung vor Ort durchführen und die Glühtemperatur und -dauer anpassen, um die innere Spannung vollständig abzubauen.

Zukünftige Trends in der Siliziumkarbid-Kristallzüchtungstechnologie

Mit Blick auf die Zukunft wird sich die Technologie zur Herstellung hochwertiger SiC-Einkristalle in die folgenden Richtungen entwickeln:

1. Großflächiges Wachstum
   Der Durchmesser von Siliziumkarbid-Einkristallen hat sich von wenigen Millimetern auf 6, 8 und sogar 12 Zoll erhöht. SiC-Kristalle mit großem Durchmesser verbessern die Produktionseffizienz, senken die Kosten und erfüllen die Anforderungen von Hochleistungsgeräten.
2. Hochwertiges Wachstum
   Hochwertige SiC-Einkristalle sind für Hochleistungsgeräte unerlässlich. Trotz erheblicher Fortschritte bestehen weiterhin Defekte wie Mikroröhren, Versetzungen und Verunreinigungen, die die Leistung und Zuverlässigkeit der Geräte beeinträchtigen.
3. Kostensenkung
   Die hohen Kosten der SiC-Kristallherstellung schränken deren Anwendung in bestimmten Bereichen ein. Die Optimierung von Wachstumsprozessen, die Verbesserung der Produktionseffizienz und die Senkung der Rohstoffkosten können zur Senkung der Produktionskosten beitragen.
4. Intelligentes Wachstum
   Mit Fortschritten in den Bereichen KI und Big Data werden in der SiC-Kristallzüchtungstechnologie zunehmend intelligente Lösungen zum Einsatz kommen. Echtzeitüberwachung und -steuerung mithilfe von Sensoren und automatisierten Systemen verbessern die Prozessstabilität und Steuerbarkeit. Darüber hinaus können durch Big-Data-Analysen Wachstumsparameter optimiert und so die Kristallqualität und Produktionseffizienz verbessert werden.

Die Herstellung hochwertiger Siliziumkarbid-Einkristalle ist ein Schwerpunkt der Halbleitermaterialforschung. Mit dem technologischen Fortschritt werden sich auch die SiC-Kristallzüchtungstechniken weiterentwickeln und eine solide Grundlage für Anwendungen im Hochtemperatur-, Hochfrequenz- und Hochleistungsbereich bilden.