Keskeiset näkökohdat korkealaatuisen piikarbidi-yksittäiskiteen valmistuksessa

Piin yksittäiskiteiden valmistuksen päämenetelmiä ovat: fysikaalinen höyrykuljetus (PVT), pinnalle siementetty liuoskasvatus (TSSG) ja korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HT-CVD). Näistä PVT-menetelmää käytetään laajalti teollisessa tuotannossa sen yksinkertaisten laitteiden, helpon hallinnan sekä alhaisten laite- ja käyttökustannusten ansiosta.

Piikarbidikiteiden PVT-kasvun keskeiset tekniset kohdat

Piikarbidikiteiden kasvatuksessa fysikaalisella höyrynsiirtomenetelmällä (PVT) on otettava huomioon seuraavat tekniset näkökohdat:

1. Grafiittimateriaalien puhtaus kasvatuskammiossa: Grafiittikomponenttien epäpuhtauspitoisuuden on oltava alle 5 × 10⁻⁶, kun taas eristyshuovan epäpuhtauspitoisuuden on oltava alle 10 × 10⁻⁶. Alkuaineiden, kuten B:n ja Al:n, pitoisuuden tulisi olla alle 0,1 × 10⁻⁶.
2. Oikea siemenkiteen napaisuuden valinta: Empiiriset tutkimukset osoittavat, että C (0001) -pinta soveltuu 4H-SiC-kiteiden kasvattamiseen, kun taas Si (0001) -pintaa käytetään 6H-SiC-kiteiden kasvattamiseen.
3. Akselin ulkopuolisten siemenkiteiden käyttö: Akselin ulkopuoliset siemenkiteet voivat muuttaa kiteen kasvun symmetriaa ja vähentää kiteen virheitä.
4. Korkealaatuinen siemenkiteiden liimausprosessi.
5. Kiteen kasvurajapinnan vakauden ylläpitäminen kasvusyklin aikana.

Piikarbidikiteiden kasvun keskeiset teknologiat

1. Piikarbidijauheen dopingtekniikka
   Piikarbidijauheen seostaminen sopivalla määrällä Ce:tä voi vakauttaa 4H-SiC-yksittäiskiteiden kasvua. Käytännön tulokset osoittavat, että Ce-doping voi:

• Lisää piikarbidikiteiden kasvunopeutta.
• Hallitse kiteen kasvun suuntaa, tehden siitä tasaisemman ja säännöllisemmän.
• Estää epäpuhtauksien muodostumista, vähentää vikoja ja helpottaa yksikiteisten ja korkealaatuisten kiteiden tuotantoa.
• Estää kiteen takapuolen korroosiota ja parantaa yksittäisten kiteiden saantoa.

• Aksiaalinen ja radiaalinen lämpötilagradienttien säätötekniikka
  Aksiaalinen lämpötilagradientti vaikuttaa ensisijaisesti kiteen kasvutyyppiin ja tehokkuuteen. Liian pieni lämpötilagradientti voi johtaa polykiteisten kiteiden muodostumiseen ja hidastaa kasvunopeutta. Oikeanlaiset aksiaaliset ja radiaaliset lämpötilagradienttit edistävät nopeaa piikarbidikiteiden kasvua ja säilyttävät samalla vakaan kiteen laadun.
• Basaalitason sijoiltaanmenon (BPD) hallintatekniikka
  BPD-virheet syntyvät pääasiassa, kun kiteen leikkausjännitys ylittää piikarbidin kriittisen leikkausjännityksen, mikä aktivoi liukujärjestelmiä. Koska BPD-virheet ovat kohtisuorassa kiteen kasvusuuntaan nähden, ne muodostuvat pääasiassa kiteen kasvun ja jäähtymisen aikana.
• Höyryfaasikoostumuksen suhteen säätötekniikka
  Hiili-pii-suhteen nostaminen kasvuympäristössä on tehokas toimenpide yksikiteisten kiteiden kasvun vakauttamiseksi. Korkeampi hiili-pii-suhde vähentää suuria askelkimppuja, säilyttää siemenkiteiden pinnan kasvutiedon ja estää polytyyppien muodostumista.
• Vähärasvainen hallintatekniikka
  Kiteen kasvun aikainen jännitys voi aiheuttaa kidetasojen taipumista, mikä johtaa huonoon kiteen laatuun tai jopa halkeiluun. Suuri jännitys lisää myös perustasojen dislokaatioita, jotka voivat vaikuttaa haitallisesti epitaksiaalikerroksen laatuun ja laitteen suorituskykyyn.

6-tuumainen piikarbidikiekon skannauskuva

Menetelmät kiteiden stressin vähentämiseksi:

• Säädä lämpötilakenttäjakaumaa ja prosessiparametreja, jotta piikarbidi-yksittäiskiteiden kasvu on lähes tasapainossa.
• Optimoi upokkaan rakenne niin, että kiteiden vapaa kasvu on mahdollista minimaalisilla rajoituksilla.
• Muokkaa siemenkiteen kiinnitystekniikoita siemenkiteen ja grafiittipidikkeen välisen lämpölaajenemisen epäsuhdan pienentämiseksi. Yleinen lähestymistapa on jättää 2 mm:n rako siemenkiteen ja grafiittipidikkeen väliin.
• Paranna hehkutusprosesseja ottamalla käyttöön paikan päällä tapahtuva uunihehkutus, säätämällä hehkutuslämpötilaa ja -kestoa sisäisen jännityksen täydelliseksi vapauttamiseksi.

Piikarbidikiteiden kasvatusteknologian tulevaisuuden trendit

Tulevaisuudessa korkealaatuisen piikarbidin (SiC) yksittäiskiteiden valmistusteknologia kehittyy seuraaviin suuntiin:

1. Laajamittainen kasvu
   Piikarbidista valmistettujen yksittäiskiteiden halkaisija on kehittynyt muutamasta millimetristä 6 tuuman, 8 tuuman ja jopa suurempiin 12 tuuman kokoihin. Suuren halkaisijan omaavat piikarbidikiteet parantavat tuotantotehokkuutta, alentavat kustannuksia ja täyttävät suuritehoisten laitteiden vaatimukset.
2. Korkealaatuinen kasvu
   Korkealaatuiset piikarbidi-yksittäiskiteet ovat välttämättömiä tehokkaille laitteille. Vaikka merkittävää edistystä on tapahtunut, niissä on edelleen vikoja, kuten mikroputkia, dislokaatioita ja epäpuhtauksia, jotka vaikuttavat laitteiden suorituskykyyn ja luotettavuuteen.
3. Kustannusten alentaminen
   Piikarbidikiteiden valmistuksen korkeat kustannukset rajoittavat sen soveltamista tietyillä aloilla. Kasvuprosessien optimointi, tuotantotehokkuuden parantaminen ja raaka-ainekustannusten alentaminen voivat auttaa alentamaan tuotantokustannuksia.
4. Älykäs kasvu
   Tekoälyn ja big datan kehityksen myötä piikarbidikiteiden kasvatusteknologia ottaa käyttöön yhä enemmän älykkäitä ratkaisuja. Reaaliaikainen valvonta ja ohjaus antureiden ja automatisoitujen järjestelmien avulla parantaa prosessin vakautta ja hallittavuutta. Lisäksi big data -analytiikka voi optimoida kasvuparametreja, mikä parantaa kiteiden laatua ja tuotantotehokkuutta.

Korkealaatuisen piikarbidin yksittäiskiteiden valmistusteknologia on keskeinen painopiste puolijohdemateriaalitutkimuksessa. Teknologian kehittyessä piikarbidikiteiden kasvatustekniikat kehittyvät edelleen, mikä tarjoaa vankan pohjan sovelluksille korkean lämpötilan, korkeataajuuksisilla ja suuritehoisilla kentillä.