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

Parmi celles-ci, la méthode PVT est devenue la principale technique de production industrielle en raison de sa configuration d'équipement relativement simple, de sa facilité d'utilisation et de contrôle, et de ses coûts d'équipement et d'exploitation inférieurs.

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Points techniques clés de la croissance des cristaux de SiC à l'aide de la méthode PVT

Pour faire croître des cristaux de carbure de silicium en utilisant la méthode PVT, plusieurs aspects techniques doivent être soigneusement contrôlés :

1. Pureté des matériaux graphites dans le domaine thermique
   Les matériaux en graphite utilisés dans le domaine de la croissance cristalline doivent répondre à des exigences de pureté strictes. La teneur en impuretés des composants en graphite doit être inférieure à 5 × 10⁻⁶, et celle des feutres isolants inférieure à 10 × 10⁻⁶. Plus précisément, les teneurs en bore (B) et en aluminium (Al) doivent être inférieures à 0,1 × 10⁻⁶.

2. Polarité correcte du cristal germe
   Les données empiriques montrent que la face C (0001) convient à la croissance de cristaux 4H-SiC, tandis que la face Si (0001) convient à la croissance 6H-SiC.

3. Utilisation de cristaux de germination hors axe
   Les graines hors axe peuvent modifier la symétrie de croissance, réduire les défauts cristallins et favoriser une meilleure qualité cristalline.

4. Technique fiable de liaison de cristaux germes
   Une liaison appropriée entre le cristal germe et le support est essentielle pour la stabilité pendant la croissance.

5. Maintenir la stabilité de l'interface de croissance
   Pendant tout le cycle de croissance cristalline, l’interface de croissance doit rester stable pour assurer un développement cristallin de haute qualité.

 

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Technologies de base dans la croissance des cristaux de SiC

1. Technologie de dopage pour la poudre de SiC

Le dopage de la poudre de SiC au cérium (Ce) peut stabiliser la croissance d'un polytype unique tel que le 4H-SiC. La pratique a montré que le dopage au Ce permet :

• Augmenter le taux de croissance des cristaux de SiC ;

• Améliorer l’orientation des cristaux pour une croissance plus uniforme et directionnelle ;

• Réduire les impuretés et les défauts ;

• Supprime la corrosion arrière du cristal ;

• Améliorer le taux de rendement des monocristallins.

2. Contrôle des gradients thermiques axiaux et radiaux

Les gradients de température axiaux influencent le polytype cristallin et la vitesse de croissance. Un gradient trop faible peut entraîner des inclusions de polytypes et réduire le transport de matière en phase vapeur. L'optimisation des gradients axiaux et radiaux est essentielle pour une croissance cristalline rapide et stable, avec une qualité constante.

3. Technologie de contrôle de la luxation du plan basal (BPD)

Les BPD se forment principalement en raison d'une contrainte de cisaillement dépassant le seuil critique dans les cristaux de SiC, activant ainsi les systèmes de glissement. Les BPD étant perpendiculaires à la direction de croissance, ils apparaissent généralement lors de la croissance et du refroidissement du cristal. La réduction des contraintes internes peut réduire considérablement la densité des BPD.

4. Contrôle du rapport de composition en phase vapeur

L'augmentation du rapport carbone/silicium en phase vapeur est une méthode éprouvée pour favoriser la croissance de polytypes uniques. Un rapport C/Si élevé réduit le regroupement en macro-étapes et préserve l'héritage de surface du cristal germe, supprimant ainsi la formation de polytypes indésirables.

5. Techniques de croissance à faible stress

Les contraintes lors de la croissance cristalline peuvent entraîner des plans de réseau courbés, des fissures et des densités de BPD plus élevées. Ces défauts peuvent se propager aux couches épitaxiales et nuire aux performances du dispositif.

Plusieurs stratégies pour réduire le stress cristallin interne comprennent :

• Ajuster la distribution du champ thermique et les paramètres du processus pour favoriser une croissance proche de l’équilibre ;

• Optimisation de la conception du creuset pour permettre au cristal de croître librement sans contrainte mécanique ;

• Amélioration de la configuration du support de graines pour réduire le décalage de dilatation thermique entre la graine et le graphite pendant le chauffage, souvent en laissant un espace de 2 mm entre la graine et le support ;

• Affiner les processus de recuit, permettre au cristal de refroidir avec le four et ajuster la température et la durée pour soulager complètement les contraintes internes.

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Tendances de la technologie de croissance des cristaux de SiC

1. Tailles de cristaux plus grandes
Le diamètre des monocristaux de SiC est passé de quelques millimètres à des plaquettes de 6, 8 et même 12 pouces. Des plaquettes plus grandes améliorent l'efficacité de la production et réduisent les coûts, tout en répondant aux exigences des applications de composants haute puissance.

2. Qualité de cristal supérieure
Des cristaux de SiC de haute qualité sont essentiels pour les dispositifs hautes performances. Malgré des améliorations significatives, les cristaux actuels présentent encore des défauts tels que des microtuyaux, des dislocations et des impuretés, qui peuvent tous dégrader les performances et la fiabilité des dispositifs.

3. Réduction des coûts
La production de cristaux de SiC reste relativement coûteuse, ce qui limite son adoption à grande échelle. La réduction des coûts grâce à des procédés de croissance optimisés, une efficacité de production accrue et une baisse du coût des matières premières est essentielle pour développer les applications commerciales.

4. Fabrication intelligente
Grâce aux progrès de l'intelligence artificielle et des technologies du Big Data, la croissance des cristaux de SiC évolue vers des processus intelligents et automatisés. Des capteurs et des systèmes de contrôle permettent de surveiller et d'ajuster les conditions de croissance en temps réel, améliorant ainsi la stabilité et la prévisibilité du processus. L'analyse des données permet d'optimiser davantage les paramètres du processus et la qualité des cristaux.

Le développement d'une technologie de croissance de monocristaux de SiC de haute qualité est un axe majeur de la recherche sur les matériaux semi-conducteurs. Avec les progrès technologiques, les méthodes de croissance cristalline continueront d'évoluer et de s'améliorer, offrant ainsi une base solide aux applications du SiC dans les dispositifs électroniques haute température, haute fréquence et haute puissance.