ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับการเตรียมผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์คุณภาพสูง

วิธีการหลักในการเตรียมผลึกเดี่ยวซิลิคอน ได้แก่ การขนส่งไอระเหยทางกายภาพ (Physical Vapor Transport, PVT) การเจริญเติบโตของสารละลายโดยใช้เมล็ดด้านบน (Top-Seeded Solution Growth, TSSG) และการตกตะกอนไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (High-Temperature Chemical Vapor Deposition, HT-CVD) ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ วิธี PVT ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตทางอุตสาหกรรม เนื่องจากอุปกรณ์ไม่ซับซ้อน ควบคุมง่าย และมีต้นทุนอุปกรณ์และค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานต่ำ

ประเด็นทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ด้วยวิธี PVT

ในการปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์โดยใช้วิธีการขนส่งไอระเหยทางกายภาพ (Physical Vapor Transport: PVT) ต้องพิจารณาประเด็นทางเทคนิคต่อไปนี้:

1. ความบริสุทธิ์ของวัสดุกราไฟต์ในห้องเจริญเติบโต: ปริมาณสิ่งเจือปนในส่วนประกอบกราไฟต์ต้องต่ำกว่า 5×10⁻⁶ ในขณะที่ปริมาณสิ่งเจือปนในแผ่นใยฉนวนต้องต่ำกว่า 10×10⁻⁶ ธาตุต่างๆ เช่น B และ Al ควรมีปริมาณต่ำกว่า 0.1×10⁻⁶
2. การเลือกขั้วของผลึกเมล็ดพันธุ์ที่ถูกต้อง: การศึกษาเชิงประจักษ์แสดงให้เห็นว่าระนาบ C (0001) เหมาะสำหรับการปลูกผลึก 4H-SiC ในขณะที่ระนาบ Si (0001) ใช้สำหรับการปลูกผลึก 6H-SiC
3. การใช้ผลึกเมล็ดพันธุ์แบบนอกแกน: ผลึกเมล็ดพันธุ์แบบนอกแกนสามารถเปลี่ยนแปลงความสมมาตรของการเจริญเติบโตของผลึก ลดข้อบกพร่องในผลึกได้
4. กระบวนการเชื่อมผลึกเมล็ดคุณภาพสูง
5. การรักษาเสถียรภาพของส่วนเชื่อมต่อการเจริญเติบโตของผลึกในระหว่างวงจรการเจริญเติบโต

เทคโนโลยีสำคัญสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์

1. เทคโนโลยีการเติมสารเจือปนสำหรับผงซิลิคอนคาร์ไบด์
   การเติมซีเรียม (Ce) ในปริมาณที่เหมาะสมลงในผงซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถช่วยให้การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว 4H-SiC มีเสถียรภาพมากขึ้น ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการเติมซีเรียมสามารถ:

• เพิ่มอัตราการเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์
• ควบคุมทิศทางการเจริญเติบโตของผลึก ทำให้ได้ผลึกที่สม่ำเสมอและเป็นระเบียบมากขึ้น
• ช่วยยับยั้งการเกิดสิ่งเจือปน ลดข้อบกพร่อง และส่งเสริมการผลิตผลึกเดี่ยวและผลึกคุณภาพสูง
• ยับยั้งการกัดกร่อนด้านหลังของผลึกและเพิ่มผลผลิตผลึกเดี่ยว

• เทคโนโลยีควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิในแนวแกนและแนวรัศมี
  การไล่ระดับอุณหภูมิในแนวแกนมีผลหลักต่อชนิดและประสิทธิภาพของการเจริญเติบโตของผลึก การไล่ระดับอุณหภูมิที่น้อยเกินไปอาจนำไปสู่การเกิดผลึกหลายเหลี่ยมและลดอัตราการเจริญเติบโต การไล่ระดับอุณหภูมิในแนวแกนและแนวรัศมีที่เหมาะสมจะช่วยให้ผลึก SiC เจริญเติบโตอย่างรวดเร็วในขณะที่รักษาคุณภาพของผลึกให้คงที่
• เทคโนโลยีควบคุมการเคลื่อนตัวของระนาบฐาน (BPD)
  ข้อบกพร่องแบบ BPD เกิดขึ้นเมื่อความเค้นเฉือนในผลึกเกินความเค้นเฉือนวิกฤตของ SiC ทำให้ระบบการเลื่อนตัวทำงาน เนื่องจาก BPD ตั้งฉากกับทิศทางการเติบโตของผลึก จึงเกิดขึ้นเป็นหลักในระหว่างการเติบโตของผลึกและการเย็นตัวลง
• เทคโนโลยีการปรับอัตราส่วนองค์ประกอบในเฟสไอ
  การเพิ่มอัตราส่วนคาร์บอนต่อซิลิคอนในสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตเป็นมาตรการที่มีประสิทธิภาพในการรักษาเสถียรภาพการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว อัตราส่วนคาร์บอนต่อซิลิคอนที่สูงขึ้นจะช่วยลดการรวมกลุ่มของขั้นบันไดขนาดใหญ่ รักษาข้อมูลการเจริญเติบโตของพื้นผิวผลึกเริ่มต้น และยับยั้งการเกิดโพลีไทป์
• เทคโนโลยีควบคุมความเครียดต่ำ
  ความเครียดระหว่างการเจริญเติบโตของผลึกอาจทำให้ระนาบผลึกโค้งงอ ส่งผลให้คุณภาพของผลึกไม่ดีหรืออาจถึงขั้นแตกได้ ความเครียดสูงยังเพิ่มจำนวนการเคลื่อนตัวของระนาบฐาน ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อคุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้

ภาพสแกนแผ่นเวเฟอร์ SiC ขนาด 6 นิ้ว

วิธีการลดความเครียดในผลึก:

• ปรับการกระจายสนามอุณหภูมิและพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อให้เกิดการเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC ในสภาวะใกล้สมดุล
• ปรับโครงสร้างของเบ้าหลอมให้เหมาะสม เพื่อให้ผลึกสามารถเจริญเติบโตได้อย่างอิสระโดยมีข้อจำกัดน้อยที่สุด
• ปรับปรุงเทคนิคการยึดผลึกต้นแบบเพื่อลดความไม่สอดคล้องกันของการขยายตัวทางความร้อนระหว่างผลึกต้นแบบและตัวยึดกราไฟต์ วิธีที่นิยมใช้คือการเว้นช่องว่าง 2 มิลลิเมตรระหว่างผลึกต้นแบบและตัวยึดกราไฟต์
• ปรับปรุงกระบวนการอบอ่อนโดยการใช้การอบอ่อนในเตาอบแบบติดตั้งในตัว ปรับอุณหภูมิและระยะเวลาการอบอ่อนเพื่อคลายความเครียดภายในอย่างสมบูรณ์

แนวโน้มในอนาคตของเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์

ในอนาคต เทคโนโลยีการเตรียมผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงจะพัฒนาไปในทิศทางต่อไปนี้:

1. การเติบโตขนาดใหญ่
   ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์ได้พัฒนาจากไม่กี่มิลลิเมตรไปเป็น 6 นิ้ว 8 นิ้ว และใหญ่กว่านั้นคือ 12 นิ้ว ผลึก SiC ขนาดใหญ่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต ลดต้นทุน และตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์กำลังสูง
2. การเติบโตที่มีคุณภาพสูง
   ผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่ข้อบกพร่องต่างๆ เช่น ท่อขนาดเล็ก การเคลื่อนตัวของอะตอม และสิ่งเจือปน ยังคงมีอยู่ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์
3. การลดต้นทุน
   ต้นทุนสูงในการเตรียมผลึก SiC เป็นข้อจำกัดในการนำไปประยุกต์ใช้ในบางสาขา การปรับปรุงกระบวนการเจริญเติบโต การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต และการลดต้นทุนวัตถุดิบ จะช่วยลดต้นทุนการผลิตได้
4. การเติบโตอย่างชาญฉลาด
   ด้วยความก้าวหน้าของ AI และบิ๊กดาต้า เทคโนโลยีการปลูกผลึก SiC จะนำโซลูชันอัจฉริยะมาใช้มากขึ้นเรื่อยๆ การตรวจสอบและควบคุมแบบเรียลไทม์โดยใช้เซ็นเซอร์และระบบอัตโนมัติจะช่วยเพิ่มเสถียรภาพและความสามารถในการควบคุมกระบวนการ นอกจากนี้ การวิเคราะห์บิ๊กดาต้ายังสามารถปรับพารามิเตอร์การเจริญเติบโตให้เหมาะสม ปรับปรุงคุณภาพผลึกและประสิทธิภาพการผลิตได้อีกด้วย

เทคโนโลยีการเตรียมผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์คุณภาพสูงเป็นหัวใจสำคัญในการวิจัยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาไปเรื่อย ๆ เทคนิคการปลูกผลึก SiC ก็จะพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะเป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับการใช้งานในด้านอุณหภูมิสูง ความถี่สูง และกำลังสูง