วิธีการหลักในการปลูกผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์ ได้แก่ การขนส่งไอระเหยทางกายภาพ (Physical Vapor Transport: PVT), การเจริญเติบโตของสารละลายโดยใช้เมล็ดด้านบน (Top-Seeded Solution Growth: TSSG) และการตกตะกอนไอระเหยทางเคมีที่อุณหภูมิสูง (High-Temperature Chemical Vapor Deposition: HT-CVD)

ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ วิธี PVT ได้กลายเป็นเทคนิคหลักสำหรับการผลิตในภาคอุตสาหกรรม เนื่องจากมีการติดตั้งอุปกรณ์ที่ค่อนข้างง่าย ใช้งานและควบคุมได้ง่าย และมีต้นทุนอุปกรณ์และค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานที่ต่ำกว่า

---

ประเด็นทางเทคนิคที่สำคัญของการปลูกผลึก SiC โดยใช้วิธี PVT

ในการปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์โดยใช้วิธี PVT จำเป็นต้องควบคุมแง่มุมทางเทคนิคหลายประการอย่างระมัดระวัง:

1. ความบริสุทธิ์ของวัสดุกราไฟต์ในด้านความร้อน
   วัสดุกราไฟต์ที่ใช้ในด้านความร้อนสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ที่เข้มงวด ปริมาณสิ่งเจือปนในส่วนประกอบกราไฟต์ควรต่ำกว่า 5×10⁻⁶ และสำหรับแผ่นฉนวนควรต่ำกว่า 10×10⁻⁶ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปริมาณของโบรอน (B) และอะลูมิเนียม (Al) ต้องต่ำกว่า 0.1×10⁻⁶ ในแต่ละชนิด

2. ขั้วที่ถูกต้องของผลึกเมล็ด
   ข้อมูลเชิงประจักษ์แสดงให้เห็นว่าระนาบ C (0001) เหมาะสำหรับการปลูกผลึก 4H-SiC ในขณะที่ระนาบ Si (0001) เหมาะสำหรับการปลูกผลึก 6H-SiC

3. การใช้ผลึกเมล็ดพันธุ์แบบนอกแกน
   การฝังเมล็ดในตำแหน่งที่ไม่ตรงแกนสามารถเปลี่ยนแปลงความสมมาตรของการเจริญเติบโต ลดข้อบกพร่องของผลึก และส่งเสริมคุณภาพผลึกที่ดีขึ้นได้

4. เทคนิคการเชื่อมผลึกเมล็ดพันธุ์ที่เชื่อถือได้
   การยึดติดที่เหมาะสมระหว่างผลึกเริ่มต้นกับตัวยึดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเสถียรในระหว่างการเจริญเติบโต

5. การรักษาเสถียรภาพของส่วนต่อประสานการเจริญเติบโต
   ตลอดวงจรการเจริญเติบโตของผลึก พื้นผิวการเจริญเติบโตจะต้องคงที่เพื่อให้มั่นใจได้ว่าผลึกจะพัฒนาเป็นคุณภาพสูง

 

---

เทคโนโลยีหลักในการเจริญเติบโตของผลึก SiC

1. เทคโนโลยีการเติมสารเจือปนสำหรับผง SiC

การเติมซีเรียม (Ce) ลงในผง SiC สามารถช่วยให้การเจริญเติบโตของโพลีไทป์เดียว เช่น 4H-SiC มีเสถียรภาพมากขึ้น จากประสบการณ์จริงพบว่าการเติม Ce สามารถ:

• เพิ่มอัตราการเติบโตของผลึก SiC;

• ปรับทิศทางการเรียงตัวของผลึกเพื่อให้การเจริญเติบโตสม่ำเสมอและมีทิศทางมากขึ้น

• ลดสิ่งเจือปนและข้อบกพร่อง;

• ป้องกันการกัดกร่อนด้านหลังของผลึก;

• เพิ่มอัตราผลผลิตของผลึกเดี่ยวให้สูงขึ้น

2. การควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิในแนวแกนและแนวรัศมี

ความแตกต่างของอุณหภูมิในแนวแกนมีผลต่อชนิดของผลึกและอัตราการเติบโต ความแตกต่างของอุณหภูมิที่น้อยเกินไปอาจทำให้เกิดสิ่งเจือปนในผลึกและลดการขนส่งวัสดุในเฟสไอ การปรับความแตกต่างของอุณหภูมิทั้งในแนวแกนและแนวรัศมีให้เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเติบโตของผลึกที่รวดเร็วและเสถียรด้วยคุณภาพที่สม่ำเสมอ

3. เทคโนโลยีควบคุมการเคลื่อนตัวของระนาบฐาน (BPD)

การเกิด BPD ส่วนใหญ่เกิดจากแรงเฉือนที่เกินเกณฑ์วิกฤตในผลึก SiC ซึ่งกระตุ้นระบบการเลื่อนตัว เนื่องจาก BPD ตั้งฉากกับทิศทางการเติบโต จึงมักเกิดขึ้นระหว่างการเติบโตของผลึกและการเย็นตัว การลดความเครียดภายในสามารถลดความหนาแน่นของ BPD ได้อย่างมาก

4. การควบคุมอัตราส่วนองค์ประกอบของเฟสไอ

การเพิ่มอัตราส่วนคาร์บอนต่อซิลิคอนในเฟสไอเป็นวิธีการที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าช่วยส่งเสริมการเติบโตของผลึกชนิดเดียว อัตราส่วน C/Si ที่สูงจะช่วยลดการรวมกลุ่มของขั้นบันไดขนาดใหญ่และรักษาการสืบทอดพื้นผิวจากผลึกต้นแบบ จึงช่วยยับยั้งการก่อตัวของผลึกชนิดที่ไม่พึงประสงค์

5. เทคนิคการเจริญเติบโตแบบลดความเครียด

ความเครียดระหว่างการเจริญเติบโตของผลึกอาจนำไปสู่ระนาบแลตติสโค้งงอ รอยแตก และความหนาแน่นของ BPD ที่สูงขึ้น ข้อบกพร่องเหล่านี้สามารถส่งผลต่อเนื่องไปยังชั้นเอพิแทกเซียลและส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้

กลยุทธ์หลายประการในการลดความเครียดภายในผลึก ได้แก่:

• ปรับการกระจายสนามความร้อนและพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตที่ใกล้สภาวะสมดุล

• ปรับปรุงการออกแบบเบ้าหลอมเพื่อให้ผลึกสามารถเติบโตได้อย่างอิสระโดยไม่มีข้อจำกัดทางกลไก

• การปรับปรุงการออกแบบตัวยึดเมล็ดพันธุ์เพื่อลดความไม่สอดคล้องกันของการขยายตัวทางความร้อนระหว่างเมล็ดพันธุ์และกราไฟต์ในระหว่างการให้ความร้อน โดยมักจะเว้นช่องว่าง 2 มิลลิเมตรระหว่างเมล็ดพันธุ์และตัวยึด

• การปรับปรุงกระบวนการอบอ่อน การปล่อยให้ผลึกเย็นตัวลงพร้อมกับเตาเผา และการปรับอุณหภูมิและระยะเวลาเพื่อคลายความเครียดภายในอย่างสมบูรณ์

---

แนวโน้มในเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึก SiC

1. ขนาดผลึกที่ใหญ่ขึ้น
ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเดี่ยว SiC เพิ่มขึ้นจากเพียงไม่กี่มิลลิเมตรเป็นแผ่นเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้ว 8 นิ้ว และแม้กระทั่ง 12 นิ้ว แผ่นเวเฟอร์ขนาดใหญ่ขึ้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและลดต้นทุน ในขณะเดียวกันก็ตอบสนองความต้องการของการใช้งานอุปกรณ์กำลังสูงได้

2. คุณภาพคริสตัลสูงขึ้น
ผลึก SiC คุณภาพสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง แม้ว่าจะมีการปรับปรุงอย่างมากแล้ว แต่ผลึกในปัจจุบันก็ยังคงมีข้อบกพร่อง เช่น ท่อขนาดเล็ก การเคลื่อนตัวของอะตอม และสิ่งเจือปน ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถลดทอนประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ได้

3. การลดต้นทุน
การผลิตผลึก SiC ยังคงมีราคาค่อนข้างสูง ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการนำไปใช้งานในวงกว้าง การลดต้นทุนผ่านกระบวนการเจริญเติบโตที่เหมาะสม การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต และการลดต้นทุนวัตถุดิบ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการขยายการใช้งานในตลาด

4. การผลิตอัจฉริยะ
ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์และข้อมูลขนาดใหญ่ การเจริญเติบโตของผลึก SiC กำลังก้าวไปสู่กระบวนการอัจฉริยะและอัตโนมัติ เซ็นเซอร์และระบบควบคุมสามารถตรวจสอบและปรับสภาวะการเจริญเติบโตแบบเรียลไทม์ ช่วยเพิ่มเสถียรภาพและความสามารถในการคาดการณ์ของกระบวนการ การวิเคราะห์ข้อมูลยังสามารถปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการและคุณภาพของผลึกให้เหมาะสมยิ่งขึ้นได้อีกด้วย

การพัฒนาเทคโนโลยีการปลูกผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงเป็นเป้าหมายสำคัญในการวิจัยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาไป วิธีการปลูกผลึกก็จะพัฒนาและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะเป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับการใช้งาน SiC ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง ความถี่สูง และกำลังสูง