ملاحظات کلیدی برای تولید تک کریستال‌های با کیفیت بالای کاربید سیلیکون (SiC)

روش‌های اصلی برای تولید تک کریستال‌های کاربید سیلیکون شامل انتقال بخار فیزیکی (PVT)، رشد محلول با دانه‌بندی بالا (TSSG) و رسوب‌دهی بخار شیمیایی در دمای بالا (HT-CVD) است.

در میان این روش‌ها،PVT به دلیل راه‌اندازی نسبتاً ساده تجهیزات، سهولت کنترل و هزینه‌های کمتر تجهیزات و عملیات، پرکاربردترین روش در تولید صنعتی است.

نکات برجسته فنی روش PVT برای رشد کریستال SiC

هنگام رشد تک کریستال‌های SiC با استفاده از روش PVT، جنبه‌های فنی زیر حیاتی هستند:

• خلوص مواد گرافیتی

گرافیت مورد استفاده در میدان حرارتی باید الزامات خلوص دقیقی را برآورده کند. محتوای ناخالصی در قطعات گرافیتی باید کمتر از 5×10⁻⁶ باشد، در حالی که عایق‌های نمدی باید زیر 10×10⁻⁶ باشند. به طور خاص، محتوای بور (B) و آلومینیوم (Al) باید زیر 0.1×10⁻⁶ باشد.​

• انتخاب صحیح قطبیت کریستال دانه

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که سطح C (0001) برای رشد 4H-SiC مناسب است، در حالی که سطح Si (0001) برای رشد 6H-SiC استفاده می‌شود.

• استفاده از کریستال‌های دانه خارج از محور

دانه‌های خارج از محور به شکستن تقارن رشد و کاهش نقص در کریستال حاصل کمک می‌کنند.

• فرآیند اتصال دانه با کیفیت بالا

اتصال قابل اعتماد بین کریستال دانه و بستر برای رشد پایدار ضروری است.

• حفظ یک رابط رشد پایدار

در طول چرخه رشد، حفظ پایداری رابط رشد کریستال برای اطمینان از کیفیت یکنواخت بسیار مهم است.

فناوری‌های اصلی در رشد کریستال SiC

• فناوری دوپینگ در پودر SiC

  دوپینگ پودر کاربید سیلیکون با سریم (Ce) رشد پایدار تک پلی‌تایپ 4H-SiC را ترویج می‌کند. این تکنیک دوپینگ می‌تواند:

   

  • افزایش سرعت رشد؛

  • بهبود جهت‌گیری کریستالوگرافی؛

  • سرکوب ادغام ناخالصی‌ها و تشکیل نقص؛

  • بهبود بازده کریستال‌های با کیفیت بالا؛

  • جلوگیری از خوردگی پشت و افزایش تک‌کریستالی.

• کنترل گرادیان دما محوری و شعاعی

  گرادیان محوری به طور قابل توجهی بر مورفولوژی کریستال و راندمان رشد تأثیر می‌گذارد. یک گرادیان که خیلی کوچک باشد ممکن است منجر به اختلاط پلی‌تایپ و کاهش انتقال بخار شود. گرادیان‌های محوری و شعاعی بهینه از رشد سریع و پایدار کریستال پشتیبانی می‌کنند.

• کنترل نابجایی صفحه پایه (BPD)

  BPDها زمانی به وجود می‌آیند که تنش برشی داخلی از آستانه بحرانی فراتر رود، معمولاً در طول رشد و خنک‌سازی. مدیریت این تنش‌ها برای به حداقل رساندن نقص‌های BPD کلیدی است.

• کنترل نسبت ترکیب فاز گاز

  افزایش نسبت کربن به سیلیکون در فاز بخار به تثبیت رشد تک پلی‌تایپ کمک می‌کند و از خوشه‌بندی ماکرو-استپ جلوگیری می‌کند، در نتیجه تشکیل پلی‌تایپ را سرکوب می‌کند.

• تکنیک‌های رشد کریستال با تنش کم

  تنش داخلی می‌تواند منجر به اعوجاج شبکه، ترک خوردن کریستال و افزایش تراکم نابجایی شود که همگی کیفیت کریستال و عملکرد دستگاه‌های پایین‌دستی را کاهش می‌دهند. تنش را می‌توان از طریق موارد زیر کاهش داد:

   

  • بهینه‌سازی میدان دما و فرآیند برای رشد نزدیک به تعادل؛

  • طراحی مجدد ساختار بوته برای اجازه دادن به انبساط آزاد کریستال؛

  • بهبود روش‌های نصب دانه با گذاشتن یک شکاف 2 میلی‌متری بین دانه و نگهدارنده گرافیتی برای کاهش عدم تطابق انبساط حرارتی؛

  • بازپخت کریستال در کوره برای آزاد کردن تنش‌های باقیمانده، با تنظیم دقیق دما و مدت زمان.

روندهای آینده در فناوری رشد تک کریستال SiC

• اندازه بزرگتر کریستال

  قطر تک کریستال‌های SiC از چند میلی‌متر به ویفرهای 6 اینچی، 8 اینچی و حتی 12 اینچی رسیده است. مقیاس‌بندی باعث بهبود راندمان تولید، کاهش هزینه واحد و رفع نیازهای دستگاه‌های پرقدرت می‌شود.

• کیفیت بالاتر کریستال

  در حالی که کریستال‌های فعلی بسیار بهبود یافته‌اند، چالش‌هایی مانند میکروپایپ‌ها، نابجایی‌ها و ناخالصی‌ها همچنان باقی مانده است. حذف این نقص‌ها برای دستیابی به دستگاه‌های با عملکرد بالاتر بسیار مهم است.

• کاهش هزینه

  هزینه بالای رشد کریستال SiC مانعی برای پذیرش گسترده است. کاهش هزینه‌ها از طریق بهینه‌سازی فرآیند، استفاده بهتر از منابع و مواد اولیه ارزان‌تر یک حوزه کلیدی تحقیق است.

​

• تولید هوشمند

  با پیشرفت‌های هوش مصنوعی و داده‌های بزرگ، رشد کریستال هوشمند در افق است. حسگرها و سیستم‌های کنترل خودکار می‌توانند شرایط را در زمان واقعی نظارت و تنظیم کنند و پایداری و تکرارپذیری را بهبود بخشند. تجزیه و تحلیل داده‌ها می‌تواند فرآیند را برای افزایش بازده و کیفیت بیشتر اصلاح کند.