روش‌های اصلی برای رشد تک بلورهای کاربید سیلیکون شامل انتقال بخار فیزیکی (PVT)، رشد محلول از بالا (TSSG) و رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HT-CVD) است.

در میان این روش‌ها، روش PVT به دلیل راه‌اندازی نسبتاً ساده تجهیزات، سهولت بهره‌برداری و کنترل و هزینه‌های پایین‌تر تجهیزات و عملیات، به تکنیک اصلی برای تولید صنعتی تبدیل شده است.

---

نکات فنی کلیدی رشد کریستال SiC با استفاده از روش PVT

برای رشد کریستال‌های کاربید سیلیکون با استفاده از روش PVT، چندین جنبه فنی باید با دقت کنترل شوند:

1. خلوص مواد گرافیتی در میدان حرارتی
   مواد گرافیتی مورد استفاده در میدان حرارتی رشد کریستال باید الزامات سختگیرانه‌ای در مورد خلوص داشته باشند. میزان ناخالصی در اجزای گرافیتی باید کمتر از 5×10⁻⁶ و برای نمدهای عایق کمتر از 10×10⁻⁶ باشد. به طور خاص، میزان بور (B) و آلومینیوم (Al) باید هر کدام کمتر از 0.1×10⁻⁶ باشد.

2. قطبیت صحیح کریستال بذر
   داده‌های تجربی نشان می‌دهند که سطح C (0001) برای رشد کریستال‌های 4H-SiC مناسب است، در حالی که سطح Si (0001) برای رشد 6H-SiC مناسب است.

3. استفاده از کریستال‌های بذر خارج از محور
   دانه‌های خارج از محور می‌توانند تقارن رشد را تغییر دهند، نقص‌های کریستالی را کاهش دهند و کیفیت کریستال را بهبود بخشند.

4. تکنیک پیوند کریستالی قابل اعتماد
   پیوند مناسب بین کریستال بذر و نگهدارنده برای پایداری در طول رشد ضروری است.

5. حفظ ثبات رابط رشد
   در طول کل چرخه رشد کریستال، سطح مشترک رشد باید پایدار بماند تا از توسعه کریستال با کیفیت بالا اطمینان حاصل شود.

 

---

فناوری‌های اصلی در رشد کریستال SiC

1. فناوری دوپینگ برای پودر SiC

آلایش پودر SiC با سریم (Ce) می‌تواند رشد یک پلی‌تایپ منفرد مانند 4H-SiC را پایدار کند. تجربه نشان داده است که آلایش Ce می‌تواند:

• افزایش سرعت رشد بلورهای SiC؛

• بهبود جهت‌گیری کریستال برای رشد یکنواخت‌تر و جهت‌دارتر؛

• کاهش ناخالصی‌ها و نقص‌ها؛

• خوردگی پشت کریستال را سرکوب کنید.

• افزایش نرخ بازده تک کریستال.

2. کنترل گرادیان‌های حرارتی محوری و شعاعی

گرادیان‌های دمایی محوری بر چندنوعی کریستال و نرخ رشد تأثیر می‌گذارند. گرادیانی که خیلی کوچک باشد می‌تواند منجر به آخال‌های چندنوعی و کاهش انتقال مواد در فاز بخار شود. بهینه‌سازی گرادیان‌های محوری و شعاعی برای رشد سریع و پایدار کریستال با کیفیت ثابت بسیار مهم است.

3. فناوری کنترل دررفتگی صفحه قاعده‌ای (BPD)

BPD ها عمدتاً به دلیل تنش برشی بیش از آستانه بحرانی در کریستال‌های SiC تشکیل می‌شوند و سیستم‌های لغزش را فعال می‌کنند. از آنجایی که BPD ها عمود بر جهت رشد هستند، معمولاً در طول رشد و خنک شدن کریستال ایجاد می‌شوند. به حداقل رساندن تنش داخلی می‌تواند چگالی BPD را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

4. کنترل نسبت ترکیب فاز بخار

افزایش نسبت کربن به سیلیکون در فاز بخار، روشی اثبات‌شده برای افزایش رشد تک‌پلی‌تایپ است. نسبت بالای C/Si، خوشه‌بندی ماکروپله‌ای را کاهش می‌دهد و وراثت سطحی را از کریستال بذر حفظ می‌کند، بنابراین تشکیل پلی‌تایپ‌های نامطلوب را سرکوب می‌کند.

5. تکنیک‌های رشد کم‌استرس

تنش در طول رشد کریستال ممکن است منجر به صفحات شبکه‌ای خمیده، ترک‌ها و چگالی‌های بالاتر BPD شود. این نقص‌ها می‌توانند به لایه‌های اپیتاکسیال منتقل شوند و بر عملکرد دستگاه تأثیر منفی بگذارند.

چندین استراتژی برای کاهش تنش داخلی کریستال عبارتند از:

• تنظیم توزیع میدان حرارتی و پارامترهای فرآیند برای ارتقای رشد نزدیک به تعادل؛

• بهینه‌سازی طراحی بوته برای رشد آزادانه کریستال بدون محدودیت مکانیکی؛

• بهبود پیکربندی نگهدارنده بذر برای کاهش عدم تطابق انبساط حرارتی بین بذر و گرافیت در حین گرمایش، اغلب با ایجاد فاصله ۲ میلی‌متری بین بذر و نگهدارنده؛

• اصلاح فرآیندهای آنیل، اجازه دادن به کریستال برای خنک شدن با کوره، و تنظیم دما و مدت زمان برای رفع کامل تنش داخلی.

---

روندها در فناوری رشد کریستال SiC

۱. اندازه‌های بزرگتر کریستال
قطر تک بلورهای SiC از تنها چند میلی‌متر به ویفرهای 6، 8 و حتی 12 اینچی افزایش یافته است. ویفرهای بزرگتر، راندمان تولید را افزایش و هزینه‌ها را کاهش می‌دهند، در حالی که نیازهای کاربردهای دستگاه‌های پرقدرت را برآورده می‌کنند.

۲. کیفیت کریستال بالاتر
کریستال‌های SiC با کیفیت بالا برای دستگاه‌های با کارایی بالا ضروری هستند. با وجود پیشرفت‌های قابل توجه، کریستال‌های فعلی هنوز نقص‌هایی مانند میکروپایپ‌ها، نابجایی‌ها و ناخالصی‌ها را نشان می‌دهند که همه اینها می‌توانند عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه را کاهش دهند.

۳. کاهش هزینه
تولید کریستال SiC هنوز نسبتاً گران است و پذیرش گسترده‌تر آن را محدود می‌کند. کاهش هزینه‌ها از طریق فرآیندهای رشد بهینه، افزایش راندمان تولید و کاهش هزینه‌های مواد اولیه برای گسترش کاربردهای بازار بسیار مهم است.

۴. تولید هوشمند
با پیشرفت در هوش مصنوعی و فناوری‌های کلان‌داده، رشد کریستال SiC به سمت فرآیندهای هوشمند و خودکار حرکت می‌کند. حسگرها و سیستم‌های کنترل می‌توانند شرایط رشد را در زمان واقعی رصد و تنظیم کنند و پایداری و پیش‌بینی‌پذیری فرآیند را بهبود بخشند. تجزیه و تحلیل داده‌ها می‌تواند پارامترهای فرآیند و کیفیت کریستال را بیشتر بهینه کند.

توسعه فناوری رشد تک بلور SiC با کیفیت بالا، تمرکز اصلی در تحقیقات مواد نیمه‌هادی است. با پیشرفت فناوری، روش‌های رشد بلور همچنان در حال تکامل و بهبود خواهند بود و پایه محکمی برای کاربردهای SiC در دستگاه‌های الکترونیکی با دمای بالا، فرکانس بالا و توان بالا فراهم می‌کنند.