Yüksek Kaliteli Silisyum Karbür (SiC) Tek Kristaller Üretimi İçin Önemli Hususlar

Silisyum karbür tek kristaller üretmek için başlıca yöntemler arasında Fiziksel Buhar Taşınımı (PVT), Üstten Tohumlanmış Çözelti Büyütme (TSSG) ve Yüksek Sıcaklıkta Kimyasal Buhar Biriktirme (HT-CVD) bulunmaktadır.

Bunlar arasında, PVT nispeten basit ekipman kurulumu, kolay kontrol ve daha düşük ekipman ve işletme maliyetleri nedeniyle endüstriyel üretimde en yaygın olarak benimsenen yöntemdir.

SiC Kristal Büyütme için PVT Yönteminin Teknik Vurguları

PVT yöntemi kullanılarak SiC tek kristaller büyütülürken, aşağıdaki teknik hususlar kritiktir:

• Grafit Malzemelerin Saflığı

Termal alanda kullanılan grafit, sıkı saflık gereksinimlerini karşılamalıdır. Grafit parçalarındaki safsızlık içeriği 5×10⁻⁶'dan az olmalı, yalıtım keçeleri ise 10×10⁻⁶'dan düşük olmalıdır. Özellikle, bor (B) ve alüminyum (Al) içeriği 0.1×10⁻⁶'dan düşük olmalıdır.​

• Doğru Tohum Kristal Polarite Seçimi

Deneyler, C (0001) yüzeyinin 4H-SiC büyütmek için uygun olduğunu, Si (0001) yüzeyinin ise 6H-SiC büyütmek için kullanıldığını göstermiştir.

• Eksen Dışı Tohum Kristallerin Kullanımı

Eksen dışı tohumlar, büyüme simetrisini kırmaya ve elde edilen kristaldeki kusurları azaltmaya yardımcı olur.

• Yüksek Kaliteli Tohum Bağlama Süreci

Tohum kristali ve alt tabaka arasındaki güvenilir bağ, kararlı büyüme için esastır.

• Kararlı Bir Büyüme Arayüzünün Korunması

Büyüme döngüsü boyunca, tek tip kalite sağlamak için kristal büyüme arayüzünün kararlılığını korumak çok önemlidir.

SiC Kristal Büyütmede Çekirdek Teknolojiler

• SiC Tozunda Katkılama Teknolojisi

  Silisyum karbür tozunu seryum (Ce) ile katkılamak, tek çoklu tip 4H-SiC'nin kararlı büyümesini teşvik eder. Bu katkılama tekniği şunları yapabilir:

   

  • Büyüme hızını artırır;

  • Kristalografik yönelimi artırır;

  • Safsızlık birleşmesini ve kusur oluşumunu bastırır;

  • Yüksek kaliteli kristallerin verimini artırır;

  • Arka taraf korozyonunu önler ve monokristalliği artırır.

• Eksenel ve Radyal Sıcaklık Gradyan Kontrolü

  Eksenel gradyan, kristal morfolojisini ve büyüme verimliliğini önemli ölçüde etkiler. Çok küçük bir gradyan, çoklu tip karışımına ve azalmış buhar taşınımına yol açabilir. Optimal eksenel ve radyal gradyanlar, hızlı ve kararlı kristal büyümesini destekler.

• Bazal Düzlem Dislokasyon (BPD) Kontrolü

  BPD'ler, iç kesme gerilimi kritik eşiği aştığında, tipik olarak büyüme ve soğuma sırasında ortaya çıkar. Bu gerilmeleri yönetmek, BPD kusurlarını en aza indirmenin anahtarıdır.

• Gaz Fazı Bileşim Oranı Kontrolü

  Buhar fazındaki karbon-silisyum oranını artırmak, tek çoklu tip büyümeyi stabilize etmeye ve makro-basamak kümelenmesini önlemeye yardımcı olur, böylece çoklu tip oluşumunu bastırır.

• Düşük Gerilimli Kristal Büyütme Teknikleri

  İç gerilim, kafes bozulmasına, kristal çatlamasına ve artan dislokasyon yoğunluğuna yol açabilir, bunların tümü kristal kalitesini ve sonraki cihaz performansını düşürür. Gerilim, aşağıdakiler aracılığıyla azaltılabilir:

   

  • Neredeyse denge büyümesi için sıcaklık alanı ve proses optimizasyonu;

  • Serbest kristal genleşmesine izin vermek için pota yapısının yeniden tasarlanması;

  • Termal genleşme uyumsuzluğunu azaltmak için tohum ile grafit tutucu arasında 2 mm'lik bir boşluk bırakarak tohum montaj yöntemlerinin iyileştirilmesi;

  • Kalıntı gerilimi gidermek için kristali fırında tavlama, sıcaklık ve sürenin dikkatli bir şekilde ayarlanmasıyla.

SiC Tek Kristal Büyütme Teknolojisindeki Gelecek Trendler

• Daha Büyük Kristal Boyutu

  SiC tek kristallerin çapı birkaç milimetreden 6 inç, 8 inç ve hatta 12 inçlik gofretlere kadar büyümüştür. Ölçek büyütme, üretim verimliliğini artırır, birim başına maliyeti düşürür ve yüksek güçlü cihazların ihtiyaçlarını karşılar.

• Daha Yüksek Kristal Kalitesi

  Mevcut kristaller büyük ölçüde iyileştirilmiş olsa da, mikropipeler, dislokasyonlar ve safsızlıklar gibi zorluklar devam etmektedir. Daha yüksek performanslı cihazlar elde etmek için bu kusurların ortadan kaldırılması kritiktir.

• Maliyet Azaltma

  SiC kristal büyümesinin yüksek maliyeti, yaygın olarak benimsenmesinin önünde bir engeldir. Proses optimizasyonu, daha iyi kaynak kullanımı ve daha ucuz hammaddeler yoluyla maliyetleri düşürmek, önemli bir araştırma alanıdır.

​

• Akıllı Üretim

  Yapay zeka ve büyük verideki gelişmelerle, akıllı kristal büyümesi ufukta. Sensörler ve otomatik kontrol sistemleri, koşulları gerçek zamanlı olarak izleyebilir ve ayarlayabilir, kararlılığı ve tekrarlanabilirliği artırabilir. Veri analitiği, verimi ve kaliteyi artırmak için süreci daha da iyileştirebilir.