ข้อควรพิจารณาหลักสำหรับการเตรียมผลึกเดี่ยวซิลิกอนคาร์ไบด์คุณภาพสูง

วิธีการหลักในการเตรียมผลึกเดี่ยวซิลิคอน ได้แก่ การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT), การเจริญเติบโตของสารละลายแบบ Top-Seeded (TSSG) และการสะสมไอเคมีที่อุณหภูมิสูง (HT-CVD) ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ วิธี PVT ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในการผลิตภาคอุตสาหกรรม เนื่องจากอุปกรณ์ที่เรียบง่าย ควบคุมง่าย และมีต้นทุนอุปกรณ์และการดำเนินงานต่ำ

จุดสำคัญทางเทคนิคสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์ด้วย PVT

เมื่อปลูกผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์โดยใช้วิธี Physical Vapor Transport (PVT) จะต้องพิจารณาประเด็นทางเทคนิคต่อไปนี้:

1. ความบริสุทธิ์ของวัสดุกราไฟต์ในห้องเพาะเลี้ยง: ปริมาณสิ่งเจือปนในส่วนประกอบกราไฟต์ต้องต่ำกว่า 5×10⁻⁶ ขณะที่ปริมาณสิ่งเจือปนในแผ่นฉนวนต้องต่ำกว่า 10×10⁻⁶ ธาตุต่างๆ เช่น B และ Al ควรควบคุมให้ต่ำกว่า 0.1×10⁻⁶
2. การเลือกขั้วคริสตัลเมล็ดพันธุ์ที่ถูกต้อง: การศึกษาเชิงประจักษ์แสดงให้เห็นว่าด้าน C (0001) เหมาะสำหรับการเพาะผลึก 4H-SiC ในขณะที่ด้าน Si (0001) ใช้สำหรับเพาะผลึก 6H-SiC
3. การใช้คริสตัลเมล็ดพันธุ์นอกแกน: คริสตัลเมล็ดพันธุ์นอกแกนสามารถเปลี่ยนความสมมาตรของการเจริญเติบโตของผลึก ช่วยลดข้อบกพร่องในผลึก
4. กระบวนการพันธะคริสตัลเมล็ดพันธุ์คุณภาพสูง
5. การรักษาเสถียรภาพของอินเทอร์เฟซการเติบโตของผลึกในระหว่างวงจรการเติบโต

เทคโนโลยีหลักสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์

1. เทคโนโลยีการโด๊ปสำหรับผงซิลิกอนคาร์ไบด์
   การเจือผงซิลิกอนคาร์ไบด์ด้วย Ce ในปริมาณที่เหมาะสมสามารถทำให้การเติบโตของผลึกเดี่ยว 4H-SiC มีเสถียรภาพ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการเจือ Ce สามารถ:

• เพิ่มอัตราการเจริญเติบโตของผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์
• ควบคุมทิศทางการเติบโตของผลึกให้มีความสม่ำเสมอและสม่ำเสมอมากขึ้น
• ยับยั้งการก่อตัวของสิ่งเจือปน ลดข้อบกพร่อง และอำนวยความสะดวกในการผลิตผลึกเดี่ยวและผลึกคุณภาพสูง
• ยับยั้งการกัดกร่อนด้านหลังของผลึกและปรับปรุงผลผลิตผลึกเดี่ยว

• เทคโนโลยีการควบคุมอุณหภูมิแบบแกนและรัศมี
  การไล่ระดับอุณหภูมิตามแนวแกนส่งผลกระทบหลักต่อประเภทและประสิทธิภาพของการเติบโตของผลึก การไล่ระดับอุณหภูมิที่น้อยเกินไปอาจนำไปสู่การเกิดผลึกโพลีคริสตัลไลน์และลดอัตราการเติบโต การไล่ระดับอุณหภูมิตามแนวแกนและแนวรัศมีที่เหมาะสมจะช่วยให้ผลึก SiC เติบโตอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ยังคงรักษาคุณภาพของผลึกให้คงที่
• เทคโนโลยีการควบคุมการเคลื่อนตัวของระนาบฐาน (BPD)
  ข้อบกพร่องของ BPD ส่วนใหญ่เกิดขึ้นเมื่อแรงเฉือนในผลึกมีค่ามากกว่าแรงเฉือนวิกฤตของ SiC ซึ่งกระตุ้นให้ระบบสลิปทำงาน เนื่องจาก BPD ตั้งฉากกับทิศทางการเติบโตของผลึก จึงเกิดขึ้นเป็นหลักระหว่างการเจริญเติบโตและการเย็นตัวของผลึก
• เทคโนโลยีการปรับอัตราส่วนองค์ประกอบเฟสไอ
  การเพิ่มอัตราส่วนคาร์บอนต่อซิลิกอนในสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตเป็นมาตรการที่มีประสิทธิภาพในการรักษาเสถียรภาพการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว อัตราส่วนคาร์บอนต่อซิลิกอนที่สูงขึ้นช่วยลดการเกาะกลุ่มของขั้นบันไดขนาดใหญ่ รักษาข้อมูลการเจริญเติบโตบนพื้นผิวของผลึกเมล็ด และยับยั้งการก่อตัวของโพลีไทป์
• เทคโนโลยีการควบคุมความเครียดต่ำ
  ความเครียดระหว่างการเจริญเติบโตของผลึกอาจทำให้ระนาบผลึกโค้งงอ ส่งผลให้คุณภาพผลึกต่ำหรืออาจถึงขั้นแตกร้าวได้ ความเครียดที่สูงยังเพิ่มการเคลื่อนตัวของระนาบฐาน ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อคุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

ภาพสแกนเวเฟอร์ SiC ขนาด 6 นิ้ว

วิธีการลดความเครียดในคริสตัล:

• ปรับการกระจายของสนามอุณหภูมิและพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อให้สามารถเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC ได้ใกล้จุดสมดุล
• ปรับปรุงโครงสร้างเบ้าหลอมเพื่อให้ผลึกเติบโตได้อย่างอิสระโดยมีข้อจำกัดน้อยที่สุด
• ปรับเปลี่ยนเทคนิคการตรึงผลึกเมล็ดเพื่อลดความไม่ตรงกันของการขยายตัวทางความร้อนระหว่างผลึกเมล็ดและตัวรองรับกราไฟต์ วิธีการทั่วไปคือการเว้นช่องว่าง 2 มม. ระหว่างผลึกเมล็ดและตัวรองรับกราไฟต์
• ปรับปรุงกระบวนการอบอ่อนด้วยการนำการอบอ่อนในเตาเผามาใช้ โดยปรับอุณหภูมิและระยะเวลาในการอบอ่อนเพื่อปลดปล่อยความเครียดภายในอย่างเต็มที่

แนวโน้มในอนาคตของเทคโนโลยีการเติบโตของผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์

เมื่อมองไปข้างหน้า เทคโนโลยีการเตรียมผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงจะพัฒนาไปในทิศทางต่อไปนี้:

1. การเติบโตในระดับขนาดใหญ่
   เส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์ได้พัฒนาจากเพียงไม่กี่มิลลิเมตร มาเป็นขนาด 6 นิ้ว 8 นิ้ว และใหญ่ขึ้นเป็น 12 นิ้ว ผลึก SiC เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต ลดต้นทุน และตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์กำลังสูง
2. การเติบโตคุณภาพสูง
   ผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่ข้อบกพร่องต่างๆ เช่น ไมโครไพพ์ การเคลื่อนตัว และสิ่งเจือปนต่างๆ ยังคงมีอยู่ ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์
3. การลดต้นทุน
   ต้นทุนที่สูงของการเตรียมผลึก SiC ทำให้เกิดข้อจำกัดในการนำไปใช้งานในบางสาขา การปรับปรุงกระบวนการเจริญเติบโตให้เหมาะสม การปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต และการลดต้นทุนวัตถุดิบ สามารถช่วยลดต้นทุนการผลิตได้
4. การเติบโตอย่างชาญฉลาด
   ด้วยความก้าวหน้าของ AI และข้อมูลขนาดใหญ่ เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึก SiC จะนำโซลูชันอัจฉริยะมาใช้มากขึ้น การตรวจสอบและควบคุมแบบเรียลไทม์โดยใช้เซ็นเซอร์และระบบอัตโนมัติจะช่วยเพิ่มเสถียรภาพและความสามารถในการควบคุมของกระบวนการ นอกจากนี้ การวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่ยังสามารถปรับพารามิเตอร์การเจริญเติบโตให้เหมาะสมที่สุด ปรับปรุงคุณภาพผลึกและประสิทธิภาพการผลิต

เทคโนโลยีการเตรียมผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์คุณภาพสูงเป็นหัวใจสำคัญในการวิจัยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี เทคนิคการเจริญเติบโตของผลึก SiC จะยังคงพัฒนาต่อไป เพื่อสร้างรากฐานที่มั่นคงสำหรับการใช้งานในสาขาอุณหภูมิสูง ความถี่สูง และกำลังไฟฟ้าสูง