Передовые материалы для полупроводниковых кристаллов

Карбид кремния (SiC) стал одним из самых стратегически важных материалов в силовой электронике, радиочастотных устройствах и платформах полупроводников следующего поколения. Среди всех доступных технологий выращивания кристаллов, физический транспорт пара (PVT) остается доминирующим промышленным методом производства высококачественных монокристаллов SiC.

В процессе PVT порошок SiC высокой чистоты термически возгоняется в герметичной камере роста, а парообразные вещества транспортируются и повторно конденсируются на затравочном кристалле, образуя монокристаллический слиток SiC. Типичная система роста PVT состоит из трех тесно связанных подсистем: контроля температуры, контроля давления и узла выращивания кристаллов.

1. Архитектура системы роста PVT

1.1 Система контроля температуры

В печах SiC PVT обычно используются два режима нагрева:

• Индукционный нагрев (10–100 кГц):
  Водяная охлаждаемая двухслойная кварцевая катушка индуцирует вихревые токи в графитовом тигле, генерируя тепло. Тигель окружен графитовым войлоком для теплоизоляции.

• Резистивный нагрев:
  Графитовый нагреватель производит тепло Джоуля, которое передается тиглю излучением, а затем порошку SiC кондукцией.

По сравнению с резистивным нагревом, индукционный нагрев обеспечивает более высокую эффективность, меньшие затраты на техническое обслуживание и более простую конструкцию печи, но он более чувствителен к внешним возмущениям и требует более сложного управления тепловым полем.

1.2 Система контроля давления

Система давления сначала вакуумирует камеру до высокого вакуума, затем вводит контролируемое количество инертного газа (обычно аргона). Давление роста должно быть точно отрегулировано, так как сублимация SiC, транспорт пара и конденсация сильно зависят от давления. Высококачественный рост требует тесной связи между контролем температуры и давления.

1.3 Узел выращивания кристаллов

Основная область роста состоит из:

• Графитовый тигель

• Порошок SiC-источника

• Затравочный кристалл

При высокой температуре порошок SiC разлагается на парообразные вещества, такие как Si, Si₂C и SiC₂. Эти газообразные вещества мигрируют к более холодной области затравочного кристалла, где они рекомбинируют и кристаллизуются в монокристаллический SiC.

2. Конструирование тигля и внутренней структуры

Внутренняя геометрия тигля сильно влияет на размер кристалла, однородность роста и плотность дефектов.

В ранних работах SiCrystal (Германия) использовались графитовые перегородки для принудительного зарождения паразитов на жертвенных поверхностях, что позволяло основному кристаллу расти больше. DENSO представила подвижные экранирующие пластины и конические направляющие потока для управления транспортом пара и улучшения однородности краев.

Более поздние разработки включают:

• Газофильтрующие перегородки (II-VI, SiCrystal)

• Слои очистки источника (TankeBlue, Китай)

• Подвижные держатели затравок и регулируемые зоны роста (Институт физики, CAS; SKC; Showa Denko; Tianyue Advanced)

В последнее время внимание переключилось на динамическое управление зоной роста, такое как подъем затравки или порошка источника для поддержания стабильной разницы температур и обеспечения больших диаметров слитков.

3. Конструкция и ориентация затравочного кристалла

Рост SiC сильно анизотропен. Кристаллографическая ориентация затравки напрямую определяет скорость роста, образование дефектов и стабильность политипа.

Основные исторические разработки включают:

• Siemens (1989): полярная грань (0001)

• Toyota (1997): внеосевые грани, наклоненные на 20°–55°

• Wolfspeed (2005): небольшой наклон между осью c и температурным градиентом

• Bridgestone (2008): выпуклые поверхности затравок для подавления микротрубок

Обработка поверхности дополнительно уменьшает дефекты:

• Канавки и периодические текстуры (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Полые микроструктуры для управления потоком ступеней

4. Конструирование затравок большого диаметра

Для больших слитков SiC требуются большие затравки. Поскольку нативные большие затравки недоступны, широко используется технология мозаичных затравок.

• TankeBlue (2016): склеенные небольшие затравки → слитки 150 мм

• Shandong University (2019): мозаика + латеральная и поверхностная эпитаксия → ≥8-дюймовые затравки

Этот подход в настоящее время является центральным для разработки 200 мм SiC пластин.5. Критические параметры роста SiC

5.1 Температурный градиент

Поскольку прямое измерение внутри тигля невозможно, для оценки внутренних температурных полей используются инструменты численного моделирования (например, Virtual Reactor). Осевые и радиальные градиенты определяют направление переноса пара, пересыщение и морфологию кристалла.

5.2 Скорость роста

Скорость роста SiC увеличивается, когда:

Температура повышается

• Увеличивается градиент температуры источник–затравка

• Давление в камере уменьшается

• Уменьшается расстояние источник–затравка

• Однако чрезмерные скорости роста могут вызывать дефекты, нестабильность политипа и напряжения.

5.3 Химия пара

Соотношение C/Si является наиболее критическим термодинамическим параметром:

Низкое C/Si → благоприятствует 3C-SiC

• Углеродно-насыщенный пар → стабилизирует 4H-SiC

• Состав газа, легирующие добавки и давление инертного газа совместно определяют пересыщение, политип и однородность легирования.

6. Перспективы

Современный рост монокристаллов SiC является задачей многофизической оптимизации, включающей:

Чистоту порошка и размер частиц

• Конструкцию тигля и направляющих

• Ориентацию затравок и топологию поверхности

• Динамическое управление температурой и давлением

• Для увеличения слитков свыше 200 мм основными стратегиями являются увеличение зоны роста и мозаичные затравки большой площади. Для улучшения качества кристаллов основное внимание уделяется планированию давления и температуры, контролю химии пара и конструированию источника.

Поскольку электромобили, силовые модули ИИ и высоковольтные сети стимулируют спрос на SiC, овладение физикой роста кристаллов PVT останется основным конкурентным преимуществом в мировой индустрии широкозонных полупроводников.