Considérations clés pour la production de monocristaux de carbure de silicium (SiC) de haute qualité

Les principales méthodes de production de monocristaux de carbure de silicium comprennent le transport physique en phase vapeur (PVT), la croissance en solution avec ensemencement par le haut (TSSG) et le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HT-CVD).

Parmi ceux-ci, PVT est la méthode la plus largement adoptée dans la production industrielle en raison de sa configuration d'équipement relativement simple, de sa facilité de contrôle et de coûts d'équipement et d'exploitation moins élevés.

Points forts techniques de la méthode PVT pour la croissance de cristaux de SiC

Lors de la croissance de monocristaux de SiC en utilisant la méthode PVT, les aspects techniques suivants sont essentiels :

• Pureté des matériaux en graphite

Le graphite utilisé dans le champ thermique doit répondre à des exigences de pureté strictes. La teneur en impuretés dans les pièces en graphite doit être inférieure à 5×10⁻⁶, tandis que les feutres isolants doivent être inférieurs à 10×10⁻⁶. En particulier, la teneur en bore (B) et en aluminium (Al) doit être inférieure à 0,1×10⁻⁶.​

• Sélection correcte de la polarité du cristal germe

Des expériences ont montré que la face C (0001) est adaptée à la croissance de 4H-SiC, tandis que la face Si (0001) est utilisée pour la croissance de 6H-SiC.

• Utilisation de cristaux germes hors axe

Les germes hors axe aident à briser la symétrie de croissance et à réduire les défauts dans le cristal résultant.

• Processus de liaison des germes de haute qualité

Une liaison fiable entre le cristal germe et le substrat est essentielle pour une croissance stable.

• Maintien d'une interface de croissance stable

Tout au long du cycle de croissance, il est crucial de maintenir la stabilité de l'interface de croissance cristalline pour garantir une qualité uniforme.

Technologies de base dans la croissance des cristaux de SiC

• Technologie de dopage dans la poudre de SiC

  Le dopage de la poudre de carbure de silicium avec du cérium (Ce) favorise la croissance stable du 4H-SiC à polytype unique. Cette technique de dopage peut :

   

  • Augmenter le taux de croissance ;

  • Améliorer l'orientation cristallographique ;

  • Supprimer l'incorporation d'impuretés et la formation de défauts ;

  • Améliorer le rendement des cristaux de haute qualité ;

  • Prévenir la corrosion du dos et augmenter la monocristallinité.

• Contrôle du gradient de température axial et radial

  Le gradient axial affecte de manière significative la morphologie des cristaux et l'efficacité de la croissance. Un gradient trop faible peut entraîner un mélange de polytypes et une réduction du transport de vapeur. Des gradients axiaux et radiaux optimaux favorisent une croissance cristalline rapide et stable.

• Contrôle des dislocations du plan basal (BPD)

  Les BPD apparaissent lorsque la contrainte de cisaillement interne dépasse le seuil critique, généralement pendant la croissance et le refroidissement. La gestion de ces contraintes est essentielle pour minimiser les défauts BPD.

• Contrôle du rapport de composition en phase gazeuse

  L'augmentation du rapport carbone/silicium dans la phase vapeur aide à stabiliser la croissance à polytype unique et empêche l'agglomération de macro-marches, supprimant ainsi la formation de polytypes.

• Techniques de croissance de cristaux à faible contrainte

  La contrainte interne peut entraîner une distorsion du réseau, une fissuration des cristaux et une augmentation de la densité des dislocations, ce qui dégrade la qualité des cristaux et les performances des dispositifs en aval. La contrainte peut être atténuée grâce à :

   

  • L'optimisation du champ de température et du processus pour une croissance proche de l'équilibre ;

  • La refonte de la structure du creuset pour permettre la libre expansion des cristaux ;

  • L'amélioration des méthodes de montage des germes en laissant un espace de 2 mm entre le germe et le support en graphite pour réduire le déséquilibre de dilatation thermique ;

  • Le recuit du cristal dans le four pour relâcher la contrainte résiduelle, avec un ajustement minutieux de la température et de la durée.

Tendances futures de la technologie de croissance de monocristaux de SiC

• Taille des cristaux plus grande

  Le diamètre des monocristaux de SiC est passé de quelques millimètres à des plaquettes de 6 pouces, 8 pouces et même 12 pouces. L'augmentation de l'échelle améliore l'efficacité de la production, réduit le coût par unité et répond aux besoins des dispositifs haute puissance.

• Qualité des cristaux plus élevée

  Bien que les cristaux actuels soient considérablement améliorés, des défis subsistent, tels que les micropores, les dislocations et les impuretés. L'élimination de ces défauts est essentielle pour obtenir des dispositifs plus performants.

• Réduction des coûts

  Le coût élevé de la croissance des cristaux de SiC est un obstacle à une adoption généralisée. La réduction des coûts grâce à l'optimisation des processus, à une meilleure utilisation des ressources et à des matières premières moins chères est un domaine de recherche clé.

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• Fabrication intelligente

  Avec les progrès de l'IA et du Big Data, la croissance intelligente des cristaux est à l'horizon. Les capteurs et les systèmes de contrôle automatisés peuvent surveiller et ajuster les conditions en temps réel, améliorant ainsi la stabilité et la reproductibilité. L'analyse des données peut en outre affiner le processus pour améliorer le rendement et la qualité.