Les principales méthodes de préparation de monocristaux de silicium comprennent : le transport physique en phase vapeur (PVT), la croissance en solution par germination par le haut (TSSG) et le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HT-CVD). Parmi ces méthodes, la méthode PVT est largement adoptée en production industrielle en raison de la simplicité de son équipement, de sa facilité de contrôle et de ses faibles coûts d'équipement et d'exploitation.
Points techniques clés pour la croissance PVT des cristaux de carbure de silicium
Lors de la croissance de cristaux de carbure de silicium à l'aide de la méthode de transport physique de vapeur (PVT), les aspects techniques suivants doivent être pris en compte :
- Pureté des matériaux en graphite dans la chambre de croissance : La teneur en impuretés des composants en graphite doit être inférieure à 5 × 10⁻⁶, tandis que celle du feutre isolant doit être inférieure à 10 × 10⁻⁶. Les éléments tels que B et Al doivent être maintenus en dessous de 0,1 × 10⁻⁶.
- Sélection correcte de la polarité du cristal de semence : des études empiriques montrent que la face C (0001) convient à la croissance des cristaux 4H-SiC, tandis que la face Si (0001) est utilisée pour la croissance des cristaux 6H-SiC.
- Utilisation de cristaux de germination hors axe : les cristaux de germination hors axe peuvent modifier la symétrie de la croissance cristalline, réduisant ainsi les défauts du cristal.
- Procédé de liaison de cristaux de semence de haute qualité.
- Maintien de la stabilité de l'interface de croissance cristalline pendant le cycle de croissance.
Technologies clés pour la croissance des cristaux de carbure de silicium
- Technologie de dopage pour la poudre de carbure de silicium
Le dopage de la poudre de carbure de silicium avec une quantité appropriée de Ce peut stabiliser la croissance des monocristaux de 4H-SiC. Les résultats pratiques montrent que le dopage au Ce permet :
- Augmenter le taux de croissance des cristaux de carbure de silicium.
- Contrôler l’orientation de la croissance cristalline, la rendant plus uniforme et régulière.
- Supprime la formation d'impuretés, réduit les défauts et facilite la production de cristaux monocristallins et de haute qualité.
- Inhibe la corrosion arrière du cristal et améliore le rendement du monocristal.
- Technologie de contrôle du gradient de température axial et radial
Le gradient de température axial affecte principalement le type et l'efficacité de la croissance cristalline. Un gradient de température trop faible peut entraîner la formation de polycristallins et réduire les taux de croissance. Des gradients de température axiaux et radiaux appropriés favorisent une croissance cristalline rapide du SiC tout en maintenant une qualité cristalline stable. - Technologie de contrôle de la luxation du plan basal (BPD)
Les défauts BPD apparaissent principalement lorsque la contrainte de cisaillement dans le cristal dépasse la contrainte de cisaillement critique du SiC, activant ainsi les systèmes de glissement. Les BPD étant perpendiculaires à la direction de croissance du cristal, ils se forment principalement lors de la croissance et du refroidissement du cristal. - Technologie d'ajustement du rapport de composition en phase vapeur
L'augmentation du rapport carbone/silicium dans l'environnement de croissance est une mesure efficace pour stabiliser la croissance des monocristaux. Un rapport carbone/silicium plus élevé réduit le regroupement par étapes importantes, préserve les informations de croissance de la surface des germes cristallins et supprime la formation de polytypes. - Technologie de contrôle à faible stress
Les contraintes lors de la croissance cristalline peuvent provoquer une courbure des plans cristallins, entraînant une mauvaise qualité du cristal, voire des fissures. Des contraintes élevées augmentent également les dislocations du plan basal, ce qui peut nuire à la qualité de la couche épitaxiale et aux performances du dispositif.
Image de numérisation d'une plaquette SiC de 6 pouces
Méthodes pour réduire le stress dans les cristaux :
- Ajustez la distribution du champ de température et les paramètres du processus pour permettre une croissance proche de l'équilibre des monocristaux de SiC.
- Optimiser la structure du creuset pour permettre une croissance cristalline libre avec des contraintes minimales.
- Modifier les techniques de fixation des germes cristallins afin de réduire l'écart de dilatation thermique entre le germe cristallin et le support en graphite. Une approche courante consiste à laisser un espace de 2 mm entre le germe cristallin et le support en graphite.
- Améliorez les processus de recuit en mettant en œuvre un recuit au four in situ, en ajustant la température et la durée du recuit pour libérer complètement les contraintes internes.
Tendances futures de la technologie de croissance des cristaux de carbure de silicium
À l’avenir, la technologie de préparation de monocristaux de SiC de haute qualité se développera dans les directions suivantes :
- Croissance à grande échelle
Le diamètre des monocristaux de carbure de silicium est passé de quelques millimètres à 6 pouces, 8 pouces, voire plus, 12 pouces. Les cristaux de SiC de grand diamètre améliorent l'efficacité de la production, réduisent les coûts et répondent aux exigences des dispositifs haute puissance. - Croissance de haute qualité
Des monocristaux de SiC de haute qualité sont essentiels pour les dispositifs hautes performances. Malgré des progrès significatifs, des défauts tels que des microtubes, des dislocations et des impuretés persistent, affectant les performances et la fiabilité des dispositifs. - Réduction des coûts
Le coût élevé de la préparation des cristaux de SiC limite son application dans certains domaines. L'optimisation des processus de croissance, l'amélioration de l'efficacité de la production et la réduction du coût des matières premières peuvent contribuer à réduire les dépenses de production. - Croissance intelligente
Grâce aux progrès de l'IA et du Big Data, la technologie de croissance des cristaux de SiC adoptera de plus en plus de solutions intelligentes. La surveillance et le contrôle en temps réel grâce à des capteurs et des systèmes automatisés amélioreront la stabilité et la contrôlabilité du processus. De plus, l'analyse du Big Data permet d'optimiser les paramètres de croissance, améliorant ainsi la qualité des cristaux et l'efficacité de la production.
La technologie de préparation de monocristaux de carbure de silicium de haute qualité est un élément clé de la recherche sur les matériaux semi-conducteurs. Avec les progrès technologiques, les techniques de croissance des cristaux de SiC continueront d'évoluer, offrant ainsi une base solide pour les applications à haute température, haute fréquence et haute puissance.
Date de publication : 25 juillet 2025