Zu den wichtigsten Methoden zur Züchtung von Siliciumcarbid-Einkristallen zählen die physikalische Dampftransportabscheidung (PVT), die Top-Seeded Solution Growth (TSSG) und die Hochtemperatur-CVD (HT-CVD).

Unter diesen hat sich das PVT-Verfahren aufgrund seiner vergleichsweise einfachen Anlagenkonfiguration, der leichten Bedienbarkeit und Steuerung sowie der geringeren Anlagen- und Betriebskosten zur primären Technik für die industrielle Fertigung entwickelt.

---

Wichtige technische Aspekte des SiC-Kristallwachstums mittels des PVT-Verfahrens

Für die Züchtung von Siliciumcarbidkristallen mittels des PVT-Verfahrens müssen mehrere technische Aspekte sorgfältig kontrolliert werden:

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

2. Korrekte 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 außermittigen Impfkristallen
   Außerhalb der Wachstumsachse angeordnete Keime können die Wachstumssymmetrie verändern, Kristallfehler reduzieren und eine bessere Kristallqualität fördern.

4. Zuverlässige Impfkristallbindungstechnik
   Eine korrekte Verbindung zwischen dem Impfkristall und dem Halter ist für die Stabilität während des Wachstums unerlässlich.

5. Aufrechterhaltung der Stabilität der Wachstumsgrenzfläche
   Um eine qualitativ hochwertige Kristallentwicklung zu gewährleisten, muss die Wachstumsgrenzfläche während des gesamten Kristallwachstumszyklus stabil bleiben.

 

---

Kerntechnologien beim SiC-Kristallwachstum

1. Dotierungstechnologie für SiC-Pulver

Durch Dotierung von SiC-Pulver mit Cer (Ce) lässt sich das Wachstum eines einzelnen Polytyps wie beispielsweise 4H-SiC stabilisieren. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Ce-Dotierung Folgendes bewirken kann:

• die Wachstumsrate von SiC-Kristallen erhöhen;

• Verbesserung der Kristallausrichtung für ein gleichmäßigeres und gerichtetes Wachstum;

• Verunreinigungen und Defekte reduzieren;

• Korrosion der Glasrückseite unterdrücken;

• Die Ausbeute an Einkristallen erhöhen.

2. Kontrolle axialer und radialer Temperaturgradienten

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

3. Basalebenenverrenkungs-Kontrolltechnologie (BPD)

BPDs entstehen hauptsächlich durch Scherspannungen, die in SiC-Kristallen einen kritischen Schwellenwert überschreiten und Gleitsysteme aktivieren. Da BPDs senkrecht zur Wachstumsrichtung verlaufen, entstehen sie typischerweise während des Kristallwachstums und der Abkühlung. Durch die Minimierung der inneren Spannungen lässt sich die BPD-Dichte deutlich reduzieren.

4. Kontrolle des Zusammensetzungsverhältnisses der Dampfphase

Die Erhöhung des Kohlenstoff-Silizium-Verhältnisses in der Gasphase ist eine bewährte Methode zur Förderung des Wachstums von einkristallinen Kristallen. Ein hohes C/Si-Verhältnis reduziert die Anhäufung von Makrostufen und erhält die Oberflächeneigenschaften des Impfkristalls, wodurch die Bildung unerwünschter Polytypen unterdrückt wird.

5. Techniken für stressarmes Wachstum

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

Zu den Strategien zur Reduzierung innerer Kristallspannungen gehören:

• Anpassung der thermischen Feldverteilung und der Prozessparameter zur Förderung eines nahezu gleichgewichtigen Wachstums;

• Optimierung des Tiegeldesigns, um dem Kristall ein freies Wachstum ohne mechanische Einschränkungen zu ermöglichen;

• Verbesserung der Konfiguration des Saatguthalters, um die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Saatgut und Graphit beim Erhitzen zu verringern, oft durch einen 2 mm breiten Spalt zwischen Saatgut und Halter;

• Verfeinerung der Glühprozesse, bei denen der Kristall im Ofen abkühlt, und Anpassung von Temperatur und Dauer, um innere Spannungen vollständig abzubauen.

---

Trends in der SiC-Kristallwachstumstechnologie

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

2. Höhere Kristallqualität
Hochwertige SiC-Kristalle sind für Hochleistungsbauelemente unerlässlich. Trotz erheblicher Verbesserungen weisen die derzeitigen Kristalle immer noch Defekte wie Mikrokanäle, Versetzungen und Verunreinigungen auf, die allesamt die Leistung und Zuverlässigkeit der Bauelemente beeinträchtigen können.

3. Kostenreduzierung
Die Herstellung von SiC-Kristallen ist nach wie vor relativ teuer, was ihre breitere Anwendung einschränkt. Kostensenkungen durch optimierte Wachstumsprozesse, höhere Produktionseffizienz und geringere Rohstoffkosten sind entscheidend für die Erweiterung der Marktanwendungen.

4. Intelligente Fertigung
Dank Fortschritten 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, wodurch die Prozessstabilität und -vorhersagbarkeit verbessert werden. Datenanalysen ermöglichen die weitere Optimierung von Prozessparametern und Kristallqualität.

Die Entwicklung hochwertiger SiC-Einkristallzüchtungstechnologien ist ein Schwerpunkt der Halbleitermaterialforschung. Mit dem technologischen Fortschritt werden sich die Kristallzüchtungsverfahren kontinuierlich weiterentwickeln und verbessern und so eine solide Grundlage für SiC-Anwendungen in Hochtemperatur-, Hochfrequenz- und Hochleistungselektronikbauteilen schaffen.