روش‌های اصلی برای تهیه تک بلور سیلیکون عبارتند از: انتقال بخار فیزیکی (PVT)، رشد محلول از بالا (TSSG) و رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HT-CVD). در میان این روش‌ها، روش PVT به دلیل تجهیزات ساده، سهولت کنترل و هزینه‌های پایین تجهیزات و عملیات، به طور گسترده در تولید صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نکات فنی کلیدی برای رشد PVT بلورهای کاربید سیلیکون
هنگام رشد کریستال‌های کاربید سیلیکون با استفاده از روش انتقال بخار فیزیکی (PVT)، جنبه‌های فنی زیر باید در نظر گرفته شوند:
- خلوص مواد گرافیتی در محفظه رشد: میزان ناخالصی در اجزای گرافیتی باید کمتر از 5×10⁻⁶ باشد، در حالی که میزان ناخالصی در نمد عایق باید کمتر از 10×10⁻⁶ باشد. عناصری مانند B و Al باید کمتر از 0.1×10⁻⁶ نگه داشته شوند.
- انتخاب صحیح قطبیت کریستال بذر: مطالعات تجربی نشان می‌دهد که وجه C (0001) برای رشد کریستال‌های 4H-SiC مناسب است، در حالی که وجه Si (0001) برای رشد کریستال‌های 6H-SiC استفاده می‌شود.
- استفاده از کریستال‌های بذری خارج از محور: کریستال‌های بذری خارج از محور می‌توانند تقارن رشد کریستال را تغییر دهند و باعث کاهش نقص در کریستال شوند.
- فرآیند پیوند کریستالی دانه با کیفیت بالا.
- حفظ پایداری سطح مشترک رشد کریستال در طول چرخه رشد.
فناوری‌های کلیدی برای رشد کریستال کاربید سیلیکون
- فناوری دوپینگ برای پودر کاربید سیلیکون
آلایش پودر کاربید سیلیکون با مقدار مناسبی از Ce می‌تواند رشد تک بلورهای 4H-SiC را پایدار کند. نتایج عملی نشان می‌دهد که آلایش Ce می‌تواند:
- افزایش سرعت رشد بلورهای کاربید سیلیکون.
- جهت رشد کریستال را کنترل کنید و آن را یکنواخت‌تر و منظم‌تر کنید.
- جلوگیری از تشکیل ناخالصی، کاهش عیوب و تسهیل تولید کریستال‌های تک کریستالی و با کیفیت بالا.
- خوردگی پشتی کریستال را مهار کرده و بازده تک کریستال را بهبود می‌بخشد.
- فناوری کنترل گرادیان دمایی محوری و شعاعی
گرادیان دمای محوری در درجه اول بر نوع و راندمان رشد کریستال تأثیر می‌گذارد. گرادیان دمایی بیش از حد کوچک می‌تواند منجر به تشکیل پلی کریستال و کاهش سرعت رشد شود. گرادیان‌های دمایی محوری و شعاعی مناسب، رشد سریع کریستال SiC را تسهیل می‌کنند و در عین حال کیفیت کریستال را پایدار نگه می‌دارند. - فناوری کنترل دررفتگی صفحه قاعده‌ای (BPD)
نقص‌های BPD عمدتاً زمانی ایجاد می‌شوند که تنش برشی در کریستال از تنش برشی بحرانی SiC بیشتر شود و سیستم‌های لغزش را فعال کند. از آنجایی که BPDها عمود بر جهت رشد کریستال هستند، در درجه اول در طول رشد و خنک شدن کریستال تشکیل می‌شوند. - فناوری تنظیم نسبت ترکیب فاز بخار
افزایش نسبت کربن به سیلیکون در محیط رشد، اقدامی مؤثر برای تثبیت رشد تک بلور است. نسبت کربن به سیلیکون بالاتر، خوشه‌بندی مرحله‌ای بزرگ را کاهش می‌دهد، اطلاعات رشد سطح بلور بذر را حفظ می‌کند و تشکیل چندنوعی را سرکوب می‌کند. - فناوری کنترل کم استرس
تنش در طول رشد کریستال می‌تواند باعث خم شدن صفحات کریستالی شود که منجر به کیفیت پایین کریستال یا حتی ترک خوردن آن می‌شود. تنش بالا همچنین باعث افزایش جابجایی‌های صفحه پایه می‌شود که می‌تواند بر کیفیت لایه اپیتاکسیال و عملکرد دستگاه تأثیر منفی بگذارد.
تصویر اسکن ویفر SiC 6 اینچی
روش‌های کاهش تنش در کریستال‌ها:
- توزیع میدان دما و پارامترهای فرآیند را تنظیم کنید تا رشد تقریباً تعادلی تک بلورهای SiC امکان‌پذیر شود.
- ساختار بوته را بهینه کنید تا رشد کریستال آزاد با حداقل محدودیت‌ها امکان‌پذیر باشد.
- اصلاح تکنیک‌های تثبیت کریستال بذر برای کاهش عدم تطابق انبساط حرارتی بین کریستال بذر و نگهدارنده گرافیت. یک رویکرد رایج، ایجاد فاصله ۲ میلی‌متری بین کریستال بذر و نگهدارنده گرافیت است.
- بهبود فرآیندهای آنیل با اجرای آنیل کوره درجا، تنظیم دما و مدت زمان آنیل برای آزادسازی کامل تنش داخلی.
روندهای آینده در فناوری رشد کریستال کاربید سیلیکون
با نگاهی به آینده، فناوری آماده‌سازی تک بلور SiC با کیفیت بالا در جهات زیر توسعه خواهد یافت:
- رشد در مقیاس بزرگ
قطر تک بلورهای کاربید سیلیکون از چند میلی‌متر به اندازه‌های ۶ اینچ، ۸ اینچ و حتی بزرگتر از ۱۲ اینچ تکامل یافته است. بلورهای SiC با قطر بزرگ، راندمان تولید را بهبود می‌بخشند، هزینه‌ها را کاهش می‌دهند و نیازهای دستگاه‌های پرقدرت را برآورده می‌کنند. - رشد با کیفیت بالا
تک بلورهای SiC با کیفیت بالا برای دستگاه‌های با کارایی بالا ضروری هستند. اگرچه پیشرفت‌های قابل توجهی حاصل شده است، اما نقص‌هایی مانند میکروپایپ‌ها، نابجایی‌ها و ناخالصی‌ها هنوز وجود دارند که بر عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه تأثیر می‌گذارند. - کاهش هزینه
هزینه بالای تهیه کریستال SiC کاربرد آن را در برخی زمینه‌ها محدود می‌کند. بهینه‌سازی فرآیندهای رشد، بهبود راندمان تولید و کاهش هزینه‌های مواد اولیه می‌تواند به کاهش هزینه‌های تولید کمک کند. - رشد هوشمند
با پیشرفت در هوش مصنوعی و کلان‌داده، فناوری رشد کریستال SiC به طور فزاینده‌ای از راه‌حل‌های هوشمند استفاده خواهد کرد. نظارت و کنترل در زمان واقعی با استفاده از حسگرها و سیستم‌های خودکار، پایداری و کنترل‌پذیری فرآیند را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل کلان‌داده می‌تواند پارامترهای رشد را بهینه کند و کیفیت کریستال و راندمان تولید را بهبود بخشد.
فناوری آماده‌سازی تک بلور کاربید سیلیکون با کیفیت بالا، تمرکز اصلی در تحقیقات مواد نیمه‌هادی است. با پیشرفت فناوری، تکنیک‌های رشد بلور SiC به تکامل خود ادامه خواهند داد و پایه محکمی برای کاربردها در میدان‌های دما بالا، فرکانس بالا و توان بالا فراهم می‌کنند.
زمان ارسال: ۲۵ ژوئیه ۲۰۲۵