שיקולים מרכזיים להכנת גביש יחיד מסיליקון קרביד באיכות גבוהה

השיטות העיקריות להכנת סיליקון גביש יחיד כוללות: הובלת אדים פיזיקלית (PVT), גידול תמיסה מלמעלה (TSSG), ושקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה (HT-CVD). בין אלה, שיטת PVT מאומצת באופן נרחב בייצור תעשייתי בשל הציוד הפשוט שלה, קלות הבקרה ועלויות הציוד והתפעול הנמוכות שלה.

נקודות טכניות מרכזיות לגידול PVT של גבישי סיליקון קרביד

בעת גידול גבישי סיליקון קרביד בשיטת הובלת אדים פיזיקלית (PVT), יש לקחת בחשבון את ההיבטים הטכניים הבאים:

1. טוהר חומרי הגרפיט בתא הגידול: תכולת הטוהר ברכיבי הגרפיט חייבת להיות מתחת ל-5×10⁻⁶, בעוד שתכולת הטוהר בבד הבידוד חייבת להיות מתחת ל-10×10⁻⁶. יש לשמור על רמת יסודות כמו B ו-Al מתחת ל-0.1×10⁻⁶.
2. בחירת קוטביות נכונה של גביש זרעים: מחקרים אמפיריים מראים שפני ה-C (0001) מתאימות לגידול גבישי 4H-SiC, בעוד שפני ה-Si (0001) משמשות לגידול גבישי 6H-SiC.
3. שימוש בגבישי זרעים מחוץ לציר: גבישי זרעים מחוץ לציר יכולים לשנות את הסימטריה של צמיחת הגביש, ולהפחית פגמים בגביש.
4. תהליך קשירת גבישי זרעים באיכות גבוהה.
5. שמירה על יציבות ממשק גידול הגביש במהלך מחזור הגידול.

טכנולוגיות מפתח לגידול גבישי סיליקון קרביד

1. טכנולוגיית סימום לאבקת סיליקון קרביד
   סימום אבקת סיליקון קרביד בכמות מתאימה של Ce יכול לייצב את הצמיחה של גבישים יחידים של 4H-SiC. תוצאות מעשיות מראות שסימום Ce יכול:

• להגביר את קצב הצמיחה של גבישי סיליקון קרביד.
• שלטו בכיוון צמיחת הגביש, מה שהופך אותו לאחיד וסדיר יותר.
• מדכא היווצרות זיהומים, מפחית פגמים ומקל על ייצור גבישים חד-גבישיים ואיכותיים.
• לעכב קורוזיה אחורית של הגביש ולשפר את תפוקת הגביש הבודד.

• טכנולוגיית בקרת גרדיאנט טמפרטורה צירית ורדיאלית
  גרדיאנט הטמפרטורה הצירי משפיע בעיקר על סוג גידול הגביש ויעילותו. גרדיאנט טמפרטורה קטן מדי יכול להוביל להיווצרות רב-גבישית ולהפחית את קצב הגידול. גרדיאנטים טמפרטורה ציריים ורדיאליים מתאימים מאפשרים גידול מהיר של גבישי SiC תוך שמירה על איכות גביש יציבה.
• טכנולוגיית בקרה של פריקה במישור הבסיסי (BPD)
  פגמי BPD נוצרים בעיקר כאשר מאמץ הגזירה בגביש עולה על מאמץ הגזירה הקריטי של SiC, מה שמפעיל מערכות החלקה. מכיוון ש-BPDs ניצבים לכיוון צמיחת הגביש, הם נוצרים בעיקר במהלך צמיחת הגביש וקירורו.
• טכנולוגיית התאמת יחס הרכב פאזת האדים
  הגדלת יחס הפחמן-סיליקון בסביבת הגידול היא מדד יעיל לייצוב גידול גביש בודד. יחס פחמן-סיליקון גבוה יותר מפחית התקבצות בצעדים גדולים, משמר מידע על גידול פני השטח של גבישי הזרעים ומדכא היווצרות פוליטיפים.
• טכנולוגיית בקרת מתח נמוך
  מאמץ במהלך גדילת הגביש יכול לגרום לכיפוף של מישורי הגביש, מה שמוביל לאיכות ירודה של הגביש או אפילו לסדיקה. מאמץ גבוה גם מגביר את תזוזות המישורים הבסיסיים, מה שעלול להשפיע לרעה על איכות השכבה האפיטקסיאלית ועל ביצועי המכשיר.

תמונת סריקת פרוסות סיליקון בגודל 6 אינץ'

שיטות להפחתת מתח בגבישים:

• התאם את התפלגות שדה הטמפרטורה ואת פרמטרי התהליך כדי לאפשר צמיחה כמעט-שיווי משקל של גבישים בודדים של SiC.
• אופטימיזציה של מבנה כור היתוך כדי לאפשר צמיחה חופשית של גבישים עם מינימום אילוצים.
• שינוי טכניקות קיבוע גביש זרעים כדי להפחית אי התאמה בהתפשטות תרמית בין גביש הזרעים למחזיק הגרפיט. גישה נפוצה היא להשאיר פער של 2 מ"מ בין גביש הזרעים למחזיק הגרפיט.
• שיפור תהליכי חישול על ידי יישום חישול בתנור באתר, התאמת טמפרטורת החישול ומשכו לשחרור מלא של מתח פנימי.

מגמות עתידיות בטכנולוגיית צמיחת גבישי סיליקון קרביד

במבט קדימה, טכנולוגיית הכנת גביש יחיד SiC באיכות גבוהה תתפתח בכיוונים הבאים:

1. צמיחה בקנה מידה גדול
   קוטר גבישי הסיליקון קרביד הבודדים התפתח מכמה מילימטרים לגדלים של 6 אינץ', 8 אינץ' ואף 12 אינץ'. גבישי SiC בקוטר גדול משפרים את יעילות הייצור, מפחיתים עלויות ועומדים בדרישות של התקנים בעלי הספק גבוה.
2. צמיחה איכותית
   גבישים יחידים מ-SiC איכותיים חיוניים להתקנים בעלי ביצועים גבוהים. למרות שהושגה התקדמות משמעותית, פגמים כגון מיקרו-צינורות, נקעים וזיהומים עדיין קיימים, ומשפיעים על ביצועי ההתקן ואמינותו.
3. הפחתת עלויות
   העלות הגבוהה של הכנת גבישי SiC מגבילה את יישומם בתחומים מסוימים. אופטימיזציה של תהליכי גידול, שיפור יעילות הייצור והפחתת עלויות חומרי הגלם יכולים לסייע בהפחתת הוצאות הייצור.
4. צמיחה חכמה
   עם ההתקדמות בבינה מלאכותית ובנתוני עתק, טכנולוגיית גידול גבישים מסיליקון פחמימני (SiC) תאמץ יותר ויותר פתרונות חכמים. ניטור ובקרה בזמן אמת באמצעות חיישנים ומערכות אוטומטיות ישפרו את יציבות התהליך ואת יכולת הבקרה. בנוסף, ניתוח נתוני עתק יכול לייעל את פרמטרי הגידול, לשפר את איכות הגביש ואת יעילות הייצור.

טכנולוגיית הכנת גביש יחיד מסיליקון קרביד באיכות גבוהה היא מוקד מרכזי במחקר חומרי מוליכים למחצה. עם התקדמות הטכנולוגיה, טכניקות גידול גבישי SiC ימשיכו להתפתח, ויספקו בסיס איתן ליישומים בתחומים של טמפרטורה גבוהה, תדר גבוה והספק גבוה.