Piikarbidi-yksittäiskiteiden kasvattamisen päämenetelmiä ovat fysikaalinen höyrykuljetus (PVT), pinnaltaan siementetty liuoskasvatus (TSSG) ja korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HT-CVD).

Näistä PVT-menetelmästä on tullut ensisijainen tekniikka teollisessa tuotannossa suhteellisen yksinkertaisen laitekokoonpanon, helpon käytön ja hallinnan sekä alhaisempien laite- ja käyttökustannusten ansiosta.

---

SiC-kiteiden kasvun keskeiset tekniset kohdat PVT-menetelmällä

Piikarbidikiteiden kasvattamiseksi PVT-menetelmällä on huolellisesti valvottava useita teknisiä näkökohtia:

1. Grafiittimateriaalien puhtaus lämpökentässä
   Kiteenkasvatuslämpökentässä käytettävien grafiittimateriaalien on täytettävä tiukat puhtausvaatimukset. Grafiittikomponenttien epäpuhtauspitoisuuden tulee olla alle 5 × 10⁻⁶ ja eristyshuopien alle 10 × 10⁻⁶. Tarkemmin sanottuna boorin (B) ja alumiinin (Al) pitoisuuksien on oltava alle 0,1 × 10⁻⁶.

2. Siemenkiteen oikea napaisuus
   Empiiriset tiedot osoittavat, että C-pinta (0001) soveltuu 4H-SiC-kiteiden kasvattamiseen, kun taas Si-pinta (0001) sopii 6H-SiC-kiteiden kasvattamiseen.

3. Akselin ulkopuolisten siemenkiteiden käyttö
   Akselin ulkopuoliset siemenet voivat muuttaa kasvusymmetriaa, vähentää kidevirheitä ja edistää parempaa kidelaatua.

4. Luotettava siemenkiteiden liimaustekniikka
   Siemenkiteen ja pidikkeen välinen asianmukainen sidos on välttämätöntä kasvun vakauden kannalta.

5. Kasvurajapinnan vakauden ylläpitäminen
   Koko kiteen kasvusyklin ajan kasvurajapinnan on pysyttävä vakaana korkealaatuisen kiteenkehityksen varmistamiseksi.

 

---

SiC-kiteiden kasvun ydinteknologiat

1. SiC-jauheen dopingtekniikka

Piikarbidijauheen dopingilla ceriumilla (Ce) voidaan stabiloida yksittäisen polytyypin, kuten 4H-SiC:n, kasvua. Käytäntö on osoittanut, että Ce-doping voi:

• Lisää piikarbidikiteiden kasvunopeutta;

• Paranna kiteiden orientaatiota tasaisemman ja suunnatumman kasvun saavuttamiseksi;

• Vähennä epäpuhtauksia ja vikoja;

• Estää kiteen takapuolen korroosiota;

• Paranna yksittäisen kiteen saantoastetta.

2. Aksiaalisten ja radiaalisten lämpögradienttien hallinta

Aksiaaliset lämpötilagradientit vaikuttavat kiteen polytyyppiin ja kasvunopeuteen. Liian pieni gradientti voi johtaa polytyyppi-inkluusioihin ja heikentyneeseen materiaalin kulkeutumiseen höyryfaasissa. Sekä aksiaalisten että radiaalisten gradienttien optimointi on ratkaisevan tärkeää nopean ja vakaan kiteen kasvun ja tasaisen laadun saavuttamiseksi.

3. Basaalitason sijoiltaanmenon (BPD) hallintatekniikka

BPD-rakenteet muodostuvat pääasiassa piikarbidikiteiden kriittisen kynnyksen ylittävän leikkausjännityksen seurauksena, mikä aktivoi liukujärjestelmiä. Koska BPD-rakenteet ovat kohtisuorassa kasvusuuntaan nähden, ne syntyvät tyypillisesti kiteen kasvun ja jäähtymisen aikana. Sisäisen jännityksen minimointi voi vähentää BPD-tiheyttä merkittävästi.

4. Höyryfaasikoostumuksen suhteen säätö

Hiili-pii-suhteen nostaminen höyryfaasissa on todistettu menetelmä yksittäisten polytyyppien kasvun edistämiseksi. Korkea C/Si-suhde vähentää makroaskelten kasautumista ja säilyttää siemenkiteen pinnan periytymisen, mikä estää ei-toivottujen polytyyppien muodostumisen.

5. Vähästressiset kasvutekniikat

Kiteen kasvun aikainen jännitys voi johtaa kaareviin hila-tasoihin, halkeamiin ja suurempiin BPD-tiheyksiin. Nämä viat voivat siirtyä epitaksiaalisiin kerroksiin ja vaikuttaa negatiivisesti laitteen suorituskykyyn.

Useita strategioita sisäisen kidejännityksen vähentämiseksi ovat:

• Lämpökentän jakautumisen ja prosessiparametrien säätäminen lähes tasapainoisen kasvun edistämiseksi;

• Upokkaan suunnittelun optimointi, jotta kide voi kasvaa vapaasti ilman mekaanisia rajoituksia;

• Siemenpitimen kokoonpanon parantaminen siemenen ja grafiitin välisen lämpölaajenemisen epäsuhdan vähentämiseksi kuumennuksen aikana, usein jättämällä 2 mm:n rako siemenen ja pidikkeen väliin;

• Hehkutusprosessien jalostaminen, kiteen jäähtyminen uunin mukana sekä lämpötilan ja keston säätäminen sisäisen jännityksen täydelliseksi poistamiseksi.

---

SiC-kiteiden kasvatusteknologian trendit

1. Suuremmat kidekoot
Piikarbidin (SiC) yksittäiskiteiden halkaisijat ovat kasvaneet muutamasta millimetristä 6, 8 ja jopa 12 tuuman kiekkoihin. Suuremmat kiekot parantavat tuotantotehokkuutta ja alentavat kustannuksia samalla, kun ne täyttävät suuritehoisten laitesovellusten vaatimukset.

2. Korkeampi kiteen laatu
Korkealaatuiset piikarbidikiteet ovat välttämättömiä tehokkaille laitteille. Merkittävistä parannuksista huolimatta nykyisissä kiteissä on edelleen vikoja, kuten mikroputkia, dislokaatioita ja epäpuhtauksia, jotka kaikki voivat heikentää laitteen suorituskykyä ja luotettavuutta.

3. Kustannusten alentaminen
Piikarbidikiteiden tuotanto on edelleen suhteellisen kallista, mikä rajoittaa laajempaa käyttöönottoa. Kustannusten alentaminen optimoimalla kasvuprosesseja, parantamalla tuotantotehokkuutta ja alentamalla raaka-ainekustannuksia on ratkaisevan tärkeää markkinasovellusten laajentamiseksi.

4. Älykäs valmistus
Tekoälyn ja big data -teknologioiden kehityksen myötä piikarbidikiteiden kasvu siirtyy kohti älykkäitä, automatisoituja prosesseja. Anturit ja ohjausjärjestelmät voivat valvoa ja säätää kasvuolosuhteita reaaliajassa, mikä parantaa prosessin vakautta ja ennustettavuutta. Data-analytiikka voi optimoida prosessiparametreja ja kiteiden laatua entisestään.

Korkealaatuisen piikarbidin (SiC) yksittäiskiteiden kasvatusteknologian kehittäminen on yksi puolijohdemateriaalitutkimuksen pääpainopisteistä. Teknologian kehittyessä kiteiden kasvatusmenetelmät kehittyvät ja paranevat jatkuvasti, mikä tarjoaa vankan pohjan piikarbidin sovelluksille korkean lämpötilan, korkeataajuuksisissa ja suuritehoisissa elektronisissa laitteissa.