השיטות העיקריות לגידול גבישים בודדים של סיליקון קרביד כוללות הובלת אדים פיזיקלית (PVT), גידול תמיסה מלמעלה (TSSG) ושקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה (HT-CVD).

מבין אלה, שיטת PVT הפכה לטכניקה העיקרית לייצור תעשייתי בשל הקמת הציוד הפשוטה יחסית שלה, קלות התפעול והבקרה, ועלויות הציוד והתפעול הנמוכות יותר.

---

נקודות טכניות מרכזיות של גידול גבישי SiC באמצעות שיטת PVT

כדי לגדל גבישי סיליקון קרביד בשיטת PVT, יש לשלוט בקפידה במספר היבטים טכניים:

1. טוהר חומרי גרפיט בתחום התרמי
   חומרי הגרפיט המשמשים בתחום התרמי של גידול גבישים חייבים לעמוד בדרישות טוהר מחמירות. תכולת הטוהר ברכיבי הגרפיט צריכה להיות מתחת ל-5×10⁻⁶, ובבדי בידוד מתחת ל-10×10⁻⁶. באופן ספציפי, תכולת הבורון (B) והאלומיניום (Al) חייבת להיות מתחת ל-0.1×10⁻⁶ כל אחד.

2. קוטביות נכונה של גביש הזרעים
   נתונים אמפיריים מראים שפני ה-C (0001) מתאימות לגידול גבישי 4H-SiC, בעוד שפני ה-Si (0001) מתאימות לגידול גבישי 6H-SiC.

3. שימוש בגבישי זרעים מחוץ לציר
   זרעים מחוץ לציר יכולים לשנות את סימטריית הצמיחה, להפחית פגמי גביש ולקדם איכות גביש טובה יותר.

4. טכניקת קשירת גבישי זרעים אמינה
   קשר תקין בין גביש הזרע למחזיק חיוני ליציבות במהלך הגידול.

5. שמירה על יציבות ממשק הצמיחה
   במהלך כל מחזור גידול הגביש, ממשק הגידול חייב להישאר יציב כדי להבטיח פיתוח גביש באיכות גבוהה.

 

---

טכנולוגיות ליבה בגידול גבישי SiC

1. טכנולוגיית סימום לאבקת SiC

סימום אבקת SiC עם צריום (Ce) יכול לייצב את הצמיחה של פוליטיפוס יחיד כגון 4H-SiC. התרגול הראה כי סימום Ce יכול:

• להגביר את קצב הצמיחה של גבישי SiC;

• שפר את כיוון הגביש לצמיחה אחידה וכיוונית יותר;

• להפחית זיהומים ופגמים;

• לדכא קורוזיה בצד האחורי של הגביש;

• שפר את קצב ניצולת הגביש היחיד.

2. בקרת גרדיאנטים תרמיים ציריים ורדיאליים

גרדיאנטים של טמפרטורה צירית משפיעים על פוליטיפוס הגביש וקצב הגדילה שלו. גרדיאנט קטן מדי יכול להוביל לתכלילים של פוליטיפוס ולהפחתת הובלת החומר בשלב האדים. אופטימיזציה של גרדיאנטים ציריים ורדיאליים כאחד היא קריטית לגדילת גבישים מהירה ויציבה באיכות עקבית.

3. טכנולוגיית בקרה של פריקה במישור הבסיסי (BPD)

סיבי זכוכית (BPD) נוצרים בעיקר עקב מאמץ גזירה העולה על הסף הקריטי בגבישי SiC, מה שמפעיל מערכות החלקה. מכיוון שסיבי זכוכית (BPD) ניצבים לכיוון הצמיחה, הם בדרך כלל נוצרים במהלך גידול גבישים וקירורם. מזעור מאמץ פנימי יכול להפחית משמעותית את צפיפות ה-BPD.

4. בקרת יחס הרכב פאזת אדים

הגדלת יחס הפחמן-סיליקון בשלב האדים היא שיטה מוכחת לקידום גידול פוליטיפ יחיד. יחס C/Si גבוה מפחית התקבצות מקרוסקופית ושומר על ירושה פני השטח מגביש הזרעים, ובכך מדכא היווצרות פוליטיפים לא רצויים.

5. טכניקות גידול בלחץ נמוך

מאמץ במהלך צמיחת הגביש עלול להוביל למישורי סריג עקומים, סדקים וצפיפויות BPD גבוהות יותר. פגמים אלה יכולים לעבור לשכבות האפיטקסיאליות ולהשפיע לרעה על ביצועי המכשיר.

מספר אסטרטגיות להפחתת לחץ פנימי על גבישים כוללות:

• התאמת פיזור שדה תרמי ופרמטרי תהליך כדי לקדם צמיחה קרובה לשיווי משקל;

• אופטימיזציה של עיצוב כור היתוך כדי לאפשר לגביש לגדול בחופשיות ללא אילוץ מכני;

• שיפור תצורת מחזיק הזרעים כדי להפחית את אי ההתאמה בהתפשטות תרמית בין הזרע לגרפיט במהלך החימום, לרוב על ידי השארת מרווח של 2 מ"מ בין הזרע למחזיק;

• זיקוק תהליכי חישול, מתן אפשרות לגביש להתקרר עם התנור, והתאמת הטמפרטורה ומשך הזמן כדי להקל באופן מלא על הלחץ הפנימי.

---

מגמות בטכנולוגיית צמיחת גבישי SiC

1. גבישים גדולים יותר
קוטר גביש יחיד SiC גדל ממילימטרים ספורים לפלים בגודל 6 אינץ', 8 אינץ' ואפילו 12 אינץ'. ופלים גדולים יותר משפרים את יעילות הייצור ומפחיתים עלויות, תוך עמידה בדרישות של יישומי התקנים בעלי הספק גבוה.

2. איכות גביש גבוהה יותר
גבישי SiC איכותיים חיוניים להתקנים בעלי ביצועים גבוהים. למרות שיפורים משמעותיים, גבישים קיימים עדיין מציגים פגמים כגון מיקרו-צינורות, נקעים וזיהומים, שכולם עלולים לפגוע בביצועי ההתקנים ובאמינותם.

3. הפחתת עלויות
ייצור גבישי SiC עדיין יקר יחסית, מה שמגביל אימוץ רחב יותר. הפחתת עלויות באמצעות תהליכי גידול אופטימליים, יעילות ייצור מוגברת ועלויות חומרי גלם נמוכות יותר היא קריטית להרחבת יישומי השוק.

4. ייצור חכם
עם ההתקדמות בטכנולוגיות בינה מלאכותית ונתוני ביג דאטה, גידול גבישי SiC נע לעבר תהליכים חכמים ואוטומטיים. חיישנים ומערכות בקרה יכולים לנטר ולהתאים את תנאי הגידול בזמן אמת, ולשפר את יציבות התהליך ואת יכולת החיזוי. ניתוח נתונים יכול לייעל עוד יותר את פרמטרי התהליך ואת איכות הגביש.

פיתוח טכנולוגיית גידול גבישים יחידים באיכות גבוהה מ-SiC הוא מוקד מרכזי במחקר חומרי מוליכים למחצה. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, שיטות גידול הגבישים ימשיכו להתפתח ולהשתפר, ויספקו בסיס איתן ליישומי SiC במכשירים אלקטרוניים בטמפרטורה גבוהה, בתדר גבוה ובעלי הספק גבוה.