Wichtige Überlegungen zur Herstellung hochwertiger Siliciumcarbid-Einkristalle

Zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einkristallen zählen die physikalische Dampftransportabscheidung (PVT), das Top-Seeded Solution Growth (TSSG) und die Hochtemperatur-CVD (HT-CVD). Das PVT-Verfahren ist aufgrund seiner einfachen Ausrüstung, der leichten Bedienbarkeit und der geringen Anlagen- und Betriebskosten in der industriellen Fertigung weit verbreitet.

Wichtige technische Punkte für das PVT-Wachstum von Siliciumcarbidkristallen

Bei der Züchtung von Siliciumcarbidkristallen mittels physikalischer Dampftransportabscheidung (PVT) müssen folgende technische Aspekte berücksichtigt werden:

1. Reinheit der Graphitmaterialien in der Wachstumskammer: Der Verunreinigungsgehalt der Graphitkomponenten muss unter 5 × 10⁻⁶ liegen, der des Isolierfilzes unter 10 × 10⁻⁶. Elemente wie Bor und Aluminium sollten unter 0,1 × 10⁻⁶ gehalten werden.
2. Richtige Auswahl der Impfkristallpolarität: Empirische Untersuchungen zeigen, dass die C (0001)-Fläche für das Wachstum von 4H-SiC-Kristallen geeignet ist, während die Si (0001)-Fläche für das Wachstum von 6H-SiC-Kristallen verwendet wird.
3. Verwendung von außermittigen Impfkristallen: Außermittige Impfkristalle können die Symmetrie des Kristallwachstums verändern und so Defekte im Kristall reduzieren.
4. Hochwertiges Impfkristall-Bindungsverfahren.
5. Aufrechterhaltung der Stabilität der Kristallwachstumsgrenzfläche während des Wachstumszyklus.

Schlüsseltechnologien für das Wachstum von Siliciumcarbid-Kristallen

1. Dotierungstechnologie für Siliciumcarbidpulver
   Durch Dotierung des Siliciumcarbidpulvers mit einer geeigneten Menge Ce lässt sich das Wachstum von 4H-SiC-Einkristallen stabilisieren. Praktische Ergebnisse zeigen, dass die Ce-Dotierung Folgendes bewirken kann:

• Die Wachstumsrate von Siliciumcarbidkristallen erhöhen.
• Die Ausrichtung des Kristallwachstums kontrollieren, um ein gleichmäßigeres und regelmäßigeres Wachstum zu erzielen.
• Unterdrückt die Bildung von Verunreinigungen, reduziert Defekte und erleichtert die Herstellung von Einkristallen und hochwertigen Kristallen.
• Die Rückseitenkorrosion des Kristalls wird gehemmt und die Einkristallausbeute verbessert.

• Technologie zur Regelung axialer und radialer Temperaturgradienten
  Der axiale Temperaturgradient beeinflusst maßgeblich Art und Effizienz des Kristallwachstums. Ein zu geringer Temperaturgradient kann zur Bildung von Polykristallen führen und die Wachstumsrate verringern. Geeignete axiale und radiale Temperaturgradienten ermöglichen ein schnelles SiC-Kristallwachstum bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer stabilen Kristallqualität.
• Basalebenenverrenkungs-Kontrolltechnologie (BPD)
  BPD-Defekte entstehen hauptsächlich, wenn die Scherspannung im Kristall die kritische Scherspannung von SiC überschreitet und dadurch Gleitsysteme aktiviert werden. Da BPDs senkrecht zur Kristallwachstumsrichtung verlaufen, bilden sie sich vorwiegend während des Kristallwachstums und der Abkühlung.
• Technologie zur Einstellung des Zusammensetzungsverhältnisses der Dampfphase
  Die Erhöhung des Kohlenstoff-Silizium-Verhältnisses in der Wachstumsumgebung ist eine wirksame Maßnahme zur Stabilisierung des Einkristallwachstums. Ein höheres Kohlenstoff-Silizium-Verhältnis reduziert die Anhäufung großer Stufen, erhält die Informationen über das Oberflächenwachstum des Impfkristalls und unterdrückt die Polytypbildung.
• Stressarme Steuerungstechnologie
  Spannungen während des Kristallwachstums können zu einer Verbiegung der Kristallflächen führen, was die Kristallqualität mindert oder sogar Risse verursacht. Hohe Spannungen erhöhen zudem die Anzahl der Versetzungen in den Basisebenen, was die Qualität der Epitaxieschicht und die Leistungsfähigkeit von Bauelementen beeinträchtigen kann.

Scanbild eines 6-Zoll-SiC-Wafers

Methoden zur Reduzierung von Spannungen in Kristallen:

• Die Temperaturfeldverteilung und die Prozessparameter müssen so angepasst werden, dass ein nahezu gleichgewichtiges Wachstum von SiC-Einkristallen ermöglicht wird.
• Optimieren Sie die Tiegelstruktur, um freies Kristallwachstum mit minimalen Einschränkungen zu ermöglichen.
• Die Fixierungstechniken für Impfkristalle sollten so angepasst werden, dass die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Impfkristall und Graphithalter reduziert wird. Üblicherweise wird ein Abstand von 2 mm zwischen Impfkristall und Graphithalter eingehalten.
• Die Glühprozesse lassen sich durch die Implementierung einer In-situ-Ofenglühung verbessern, wobei die Glühtemperatur und -dauer so angepasst werden, dass innere Spannungen vollständig abgebaut werden.

Zukunftstrends in der Siliziumkarbid-Kristallzüchtungstechnologie

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

1. Großflächiges Wachstum
   Der Durchmesser von Siliziumkarbid-Einkristallen hat sich von wenigen Millimetern auf 6 Zoll, 8 Zoll und sogar noch größere 12-Zoll-Größen entwickelt. SiC-Kristalle mit großem Durchmesser verbessern die Produktionseffizienz, senken die Kosten und erfüllen die Anforderungen von Hochleistungsbauelementen.
2. Hochwertiges Wachstum
   Hochwertige SiC-Einkristalle sind für Hochleistungsbauelemente unerlässlich. Trotz bedeutender Fortschritte treten weiterhin Defekte wie Mikrokanäle, Versetzungen und Verunreinigungen auf, die die Leistung und Zuverlässigkeit der Bauelemente beeinträchtigen.
3. Kostenreduzierung
   Die hohen Kosten der SiC-Kristallherstellung schränken deren Anwendung in bestimmten Bereichen ein. Die Optimierung der Wachstumsprozesse, die Steigerung der Produktionseffizienz und die Senkung der Rohstoffkosten können zur Reduzierung der Produktionskosten beitragen.
4. Intelligentes Wachstum
   Dank Fortschritten in den Bereichen KI und Big Data wird die SiC-Kristallzüchtungstechnologie zunehmend intelligente Lösungen einsetzen. Echtzeitüberwachung und -steuerung mittels Sensoren und automatisierter Systeme verbessern die Prozessstabilität und -steuerbarkeit. Darüber hinaus ermöglicht die Big-Data-Analyse die Optimierung von Wachstumsparametern und steigert so die Kristallqualität und Produktionseffizienz.

Die Herstellung hochwertiger Siliziumkarbid-Einkristalle ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt in der Halbleitermaterialforschung. Mit dem technologischen Fortschritt werden sich die SiC-Kristallzüchtungstechniken weiterentwickeln und eine solide Grundlage für Anwendungen in Hochtemperatur-, Hochfrequenz- und Hochleistungsbereichen schaffen.