Zu den wichtigsten Methoden zum Züchten von Siliziumkarbid-Einkristallen gehören Physical Vapor Transport (PVT), Top-Seeded Solution Growth (TSSG) und High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD).

Unter diesen hat sich das PVT-Verfahren aufgrund seines relativ einfachen Geräteaufbaus, seiner einfachen Bedienung und Steuerung sowie seiner geringeren Geräte- und Betriebskosten zur wichtigsten Technik für die industrielle Produktion entwickelt.

---

Wichtige technische Punkte des SiC-Kristallwachstums mit der PVT-Methode

Um Siliziumkarbidkristalle mit der PVT-Methode zu züchten, müssen mehrere technische Aspekte sorgfältig kontrolliert werden:

1. Reinheit von Graphitmaterialien im thermischen Bereich
   Die im thermischen Kristallwachstumsfeld verwendeten Graphitmaterialien müssen strenge Reinheitsanforderungen erfüllen. Der Verunreinigungsgehalt in Graphitkomponenten sollte unter 5×10⁻⁶ und bei Isolierfilzen unter 10×10⁻⁶ liegen. Insbesondere müssen die Gehalte an Bor (B) und Aluminium (Al) jeweils unter 0,1×10⁻⁶ liegen.

2. Richtige Polarität des Impfkristalls
   Empirische Daten zeigen, dass die C-Fläche (0001) für das Wachstum von 4H-SiC-Kristallen geeignet ist, während die Si-Fläche (0001) für das Wachstum von 6H-SiC geeignet ist.

3. Verwendung von Off-Axis-Impfkristallen
   Außeraxiale Keime können die Wachstumssymmetrie verändern, Kristalldefekte reduzieren und eine bessere Kristallqualität fördern.

4. Zuverlässige Impfkristall-Bindungstechnik
   Eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen dem Impfkristall und dem Halter ist für die Stabilität während des Wachstums von entscheidender Bedeutung.

5. Aufrechterhaltung der Stabilität der Wachstumsschnittstelle
   Während des gesamten Kristallwachstumszyklus muss die Wachstumsschnittstelle stabil bleiben, um eine qualitativ hochwertige Kristallentwicklung zu gewährleisten.

 

---

Kerntechnologien im SiC-Kristallwachstum

1. Dotiertechnologie für SiC-Pulver

Die Dotierung von SiC-Pulver mit Cer (Ce) kann das Wachstum eines einzelnen Polytyps wie 4H-SiC stabilisieren. Die Praxis hat gezeigt, dass Ce-Dotierung:

• Erhöhen Sie die Wachstumsrate von SiC-Kristallen;

• Verbessern Sie die Kristallorientierung für ein gleichmäßigeres und gerichteteres Wachstum.

• Reduzieren Sie Verunreinigungen und Defekte;

• Unterdrücken Sie die Korrosion der Rückseite des Kristalls.

• Verbessern Sie die Ausbeute an Einkristallen.

2. Kontrolle axialer und radialer Temperaturgradienten

Axiale Temperaturgradienten beeinflussen den Kristallpolytyp und die Wachstumsrate. Ein zu geringer Gradient kann zu Polytyp-Einschlüssen und reduziertem Materialtransport in der Dampfphase führen. Die Optimierung sowohl axialer als auch radialer Gradienten ist entscheidend für schnelles und stabiles Kristallwachstum mit gleichbleibender Qualität.

3. Basal Plane Dislocation (BPD)-Kontrolltechnologie

BPDs entstehen hauptsächlich durch Scherspannungen, die den kritischen Schwellenwert in SiC-Kristallen überschreiten und Gleitsysteme aktivieren. Da BPDs senkrecht zur Wachstumsrichtung verlaufen, entstehen sie typischerweise während des Kristallwachstums und der Abkühlung. Durch die Minimierung innerer Spannungen kann die BPD-Dichte deutlich reduziert werden.

4. Regelung des Zusammensetzungsverhältnisses in der Dampfphase

Die Erhöhung des Kohlenstoff-Silizium-Verhältnisses in der Dampfphase ist eine bewährte Methode zur Förderung des Wachstums einzelner Polytypen. Ein hohes C/Si-Verhältnis reduziert die Makrostufenbildung und erhält die Oberflächenstruktur des Impfkristalls, wodurch die Bildung unerwünschter Polytypen unterdrückt wird.

5. Stressarme Wachstumstechniken

Spannungen während des Kristallwachstums können zu gekrümmten Gitterebenen, Rissen und höheren BPD-Dichten führen. Diese Defekte können sich auf epitaktische Schichten übertragen und die Geräteleistung negativ beeinflussen.

Zu den verschiedenen Strategien zur Reduzierung der inneren Kristallspannungen gehören:

• Anpassen der thermischen Feldverteilung und der Prozessparameter, um ein nahezu gleichgewichtsnahes Wachstum zu fördern;

• Optimierung des Tiegeldesigns, um ein freies Kristallwachstum ohne mechanische Einschränkungen zu ermöglichen;

• Verbesserung der Konfiguration des Saathalters, um die Wärmeausdehnungsabweichung zwischen Saat und Graphit während des Erhitzens zu verringern, häufig durch Belassen eines 2 mm großen Abstands zwischen Saat und Halter;

• Verfeinern Sie die Glühprozesse, indem Sie den Kristall im Ofen abkühlen lassen und Temperatur und Dauer anpassen, um die innere Spannung vollständig abzubauen.

---

Trends in der SiC-Kristallzüchtungstechnologie

1. Größere Kristallgrößen
Die Durchmesser von SiC-Einkristallen haben sich von wenigen Millimetern auf 6-, 8- und sogar 12-Zoll-Wafer erhöht. Größere Wafer steigern die Produktionseffizienz und senken die Kosten, während sie gleichzeitig den Anforderungen von Hochleistungsbauelementen gerecht werden.

2. Höhere Kristallqualität
Hochwertige SiC-Kristalle sind für Hochleistungsgeräte unerlässlich. Trotz erheblicher Verbesserungen weisen aktuelle Kristalle immer noch Defekte wie Mikroröhren, Versetzungen und Verunreinigungen auf, die die Leistung und Zuverlässigkeit der Geräte beeinträchtigen können.

3. Kostensenkung
Die Herstellung von SiC-Kristallen ist noch relativ teuer, was eine breitere Verbreitung einschränkt. Für die Ausweitung der Marktanwendungen ist die Kostensenkung durch optimierte Wachstumsprozesse, höhere Produktionseffizienz und niedrigere Rohstoffkosten entscheidend.

4. Intelligente Fertigung
Dank der Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und Big-Data-Technologien entwickelt sich das SiC-Kristallwachstum hin zu intelligenten, automatisierten Prozessen. Sensoren und Steuerungssysteme können die Wachstumsbedingungen in Echtzeit überwachen und anpassen, was die Prozessstabilität und -vorhersagbarkeit verbessert. Datenanalysen können Prozessparameter und Kristallqualität weiter optimieren.

Die Entwicklung hochwertiger SiC-Einkristall-Züchtungstechnologie ist ein Schwerpunkt der Halbleitermaterialforschung. Mit dem technologischen Fortschritt werden sich die Kristallzüchtungsmethoden weiterentwickeln und verbessern und so eine solide Grundlage für SiC-Anwendungen in elektronischen Hochtemperatur-, Hochfrequenz- und Hochleistungsgeräten bilden.