วิธีการหลักในการปลูกผลึกเดี่ยวซิลิกอนคาร์ไบด์ ได้แก่ การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT), การเจริญเติบโตของสารละลายจากเมล็ดด้านบน (TSSG) และการสะสมไอเคมีที่อุณหภูมิสูง (HT-CVD)

วิธี PVT ได้กลายมาเป็นเทคนิคหลักสำหรับการผลิตในภาคอุตสาหกรรม เนื่องจากการตั้งค่าอุปกรณ์ที่ค่อนข้างง่าย การใช้งานและควบคุมที่ง่าย และมีต้นทุนอุปกรณ์และการดำเนินการที่ต่ำกว่า

---

จุดทางเทคนิคที่สำคัญของการเจริญเติบโตของผลึก SiC โดยใช้วิธี PVT

ในการปลูกผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์โดยใช้วิธี PVT จำเป็นต้องควบคุมด้านเทคนิคหลายประการอย่างระมัดระวัง:

1. ความบริสุทธิ์ของวัสดุกราไฟท์ในสนามความร้อน
   วัสดุกราไฟต์ที่ใช้ในภาคสนามความร้อนสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ที่เข้มงวด ปริมาณสิ่งเจือปนในส่วนประกอบกราไฟต์ควรต่ำกว่า 5×10⁻⁶ และสำหรับแผ่นฉนวนสักหลาดควรต่ำกว่า 10×10⁻⁶ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปริมาณโบรอน (B) และอะลูมิเนียม (Al) แต่ละชนิดต้องต่ำกว่า 0.1×10⁻⁶

2. ขั้วที่ถูกต้องของคริสตัลเมล็ดพันธุ์
   ข้อมูลเชิงประจักษ์แสดงให้เห็นว่าหน้า C (0001) เหมาะสมสำหรับการปลูกผลึก 4H-SiC ในขณะที่หน้า Si (0001) เหมาะสมสำหรับการปลูก 6H-SiC

3. การใช้คริสตัลเมล็ดนอกแกน
   เมล็ดพันธุ์นอกแกนสามารถเปลี่ยนความสมมาตรของการเจริญเติบโต ลดข้อบกพร่องของผลึก และส่งเสริมคุณภาพผลึกที่ดีขึ้น

4. เทคนิคการเชื่อมคริสตัลเมล็ดพันธุ์ที่เชื่อถือได้
   การยึดติดที่เหมาะสมระหว่างคริสตัลเมล็ดพันธุ์และตัวยึดถือเป็นสิ่งสำคัญต่อเสถียรภาพระหว่างการเจริญเติบโต

5. การรักษาเสถียรภาพของอินเทอร์เฟซการเติบโต
   ในระหว่างวงจรการเติบโตของผลึกทั้งหมด อินเทอร์เฟซการเติบโตจะต้องคงความเสถียรเพื่อให้แน่ใจว่าการพัฒนาผลึกมีคุณภาพสูง

 

---

เทคโนโลยีหลักในการเติบโตของผลึก SiC

1. เทคโนโลยีการโด๊ปสำหรับผง SiC

การเจือผง SiC ด้วยซีเรียม (Ce) สามารถทำให้การเติบโตของโพลีไทป์เดี่ยว เช่น 4H-SiC มีเสถียรภาพมากขึ้น ในทางปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าการเจือ Ce สามารถ:

• เพิ่มอัตราการเจริญเติบโตของผลึก SiC;

• ปรับปรุงการวางแนวของผลึกเพื่อการเจริญเติบโตที่สม่ำเสมอและมีทิศทางมากขึ้น

• ลดสิ่งเจือปนและตำหนิต่างๆ;

• ยับยั้งการกัดกร่อนด้านหลังของคริสตัล

• เพิ่มอัตราผลผลิตของผลึกเดี่ยว

2. การควบคุมการไล่ระดับความร้อนตามแนวแกนและแนวรัศมี

การไล่ระดับอุณหภูมิตามแนวแกนส่งผลกระทบต่อโพลีไทป์และอัตราการเติบโตของผลึก การไล่ระดับอุณหภูมิที่น้อยเกินไปอาจทำให้เกิดการปนเปื้อนของโพลีไทป์และการขนส่งวัสดุในเฟสไอลดลง การปรับความไล่ระดับอุณหภูมิทั้งตามแนวแกนและแนวรัศมีให้เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการเติบโตของผลึกที่รวดเร็วและเสถียรพร้อมคุณภาพที่สม่ำเสมอ

3. เทคโนโลยีการควบคุมการเคลื่อนตัวของระนาบฐาน (BPD)

BPD เกิดขึ้นส่วนใหญ่เนื่องจากความเค้นเฉือนที่เกินเกณฑ์วิกฤตในผลึก SiC ซึ่งกระตุ้นระบบการลื่น เนื่องจาก BPD ตั้งฉากกับทิศทางการเจริญเติบโต จึงมักเกิดขึ้นระหว่างการเจริญเติบโตและการเย็นตัวของผลึก การลดความเค้นภายในให้น้อยที่สุดสามารถลดความหนาแน่นของ BPD ได้อย่างมาก

4. การควบคุมอัตราส่วนองค์ประกอบเฟสไอ

การเพิ่มอัตราส่วนคาร์บอนต่อซิลิกอนในเฟสไอเป็นวิธีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าช่วยส่งเสริมการเจริญเติบโตของโพลีไทป์เดี่ยว อัตราส่วน C/Si ที่สูงช่วยลดการจับตัวเป็นก้อนแบบมาโครสเต็ปและคงการสืบทอดพื้นผิวจากผลึกเมล็ดพืช จึงยับยั้งการเกิดโพลีไทป์ที่ไม่ต้องการ

5. เทคนิคการเจริญเติบโตแบบความเครียดต่ำ

ความเครียดระหว่างการเจริญเติบโตของผลึกอาจนำไปสู่ระนาบโครงตาข่ายโค้ง รอยแตก และความหนาแน่นของ BPD ที่สูงขึ้น ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจส่งผลต่อชั้นเอพิแทกเซียลและส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์

กลยุทธ์หลายประการในการลดความเครียดของคริสตัลภายใน ได้แก่:

• การปรับการกระจายสนามความร้อนและพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อส่งเสริมการเติบโตใกล้จุดสมดุล

• การปรับปรุงการออกแบบเบ้าหลอมเพื่อให้คริสตัลสามารถเติบโตได้อย่างอิสระโดยไม่มีข้อจำกัดทางกลไก

• การปรับปรุงการกำหนดค่าที่ยึดเมล็ดพันธุ์เพื่อลดความไม่ตรงกันของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่างเมล็ดพันธุ์และกราไฟต์ในระหว่างการให้ความร้อน โดยมักจะเว้นช่องว่าง 2 มม. ระหว่างเมล็ดพันธุ์และที่ยึด

• การปรับปรุงกระบวนการอบชุบให้บริสุทธิ์ ช่วยให้ผลึกเย็นลงด้วยเตาเผา และปรับอุณหภูมิและระยะเวลาเพื่อบรรเทาความเครียดภายในอย่างเต็มที่

---

แนวโน้มในเทคโนโลยีการเติบโตของผลึก SiC

1. ขนาดคริสตัลที่ใหญ่ขึ้น
เส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเดี่ยว SiC เพิ่มขึ้นจากเพียงไม่กี่มิลลิเมตร เป็นเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้ว 8 นิ้ว และแม้แต่ 12 นิ้ว เวเฟอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและลดต้นทุน ขณะเดียวกันก็ตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์กำลังสูง

2. คุณภาพคริสตัลที่สูงขึ้น
ผลึก SiC คุณภาพสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง แม้จะมีการปรับปรุงที่สำคัญ แต่ผลึกในปัจจุบันยังคงมีข้อบกพร่อง เช่น ไมโครไพพ์ ดิสโลเคชั่น และสิ่งเจือปน ซึ่งทั้งหมดนี้อาจทำให้ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ลดลง

3. การลดต้นทุน
การผลิตผลึก SiC ยังคงมีราคาค่อนข้างสูง ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการนำไปใช้อย่างกว้างขวาง การลดต้นทุนผ่านกระบวนการพัฒนาที่เหมาะสม เพิ่มประสิทธิภาพการผลิต และลดต้นทุนวัตถุดิบ เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการขยายการใช้งานในตลาด

4. การผลิตอัจฉริยะ
ด้วยความก้าวหน้าทางปัญญาประดิษฐ์และเทคโนโลยีบิ๊กดาต้า การเติบโตของผลึก SiC กำลังมุ่งสู่กระบวนการอัจฉริยะและอัตโนมัติ เซ็นเซอร์และระบบควบคุมสามารถตรวจสอบและปรับสภาพการเจริญเติบโตได้แบบเรียลไทม์ ช่วยเพิ่มเสถียรภาพและความสามารถในการคาดการณ์ของกระบวนการ การวิเคราะห์ข้อมูลยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์กระบวนการและคุณภาพของผลึกให้ดียิ่งขึ้น

การพัฒนาเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงเป็นประเด็นสำคัญในการวิจัยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าขึ้น วิธีการเติบโตของผลึกก็จะพัฒนาและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง นับเป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับการประยุกต์ใช้ SiC ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอุณหภูมิสูง ความถี่สูง และกำลังไฟฟ้าสูง