Les principales méthodes de croissance des monocristaux de carbure de silicium comprennent le transport physique en phase vapeur (PVT), la croissance en solution à germe supérieur (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 la simplicité relative de son installation, de sa facilité d'utilisation et de contrôle, et de ses coûts d'équipement et d'exploitation plus faibles.

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Points techniques clés de la croissance de cristaux de SiC par la méthode PVT

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

1. Pureté des matériaux en graphite dans le champ thermique
   Les matériaux en graphite utilisés dans le domaine thermique 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) est adaptée à la croissance de cristaux 4H-SiC, tandis que la face Si (0001) est appropriée à la croissance de 6H-SiC.

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

4. Technique fiable de liaison des germes cristallins
   Une bonne liaison entre le germe cristallin et son support est essentielle à la stabilité pendant la croissance.

5. Maintien de la stabilité de l'interface de croissance
   Durant tout le cycle de croissance cristalline, l'interface de croissance doit rester stable pour garantir un développement cristallin de haute qualité.

 

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Technologies clés pour la croissance des cristaux de SiC

1. Technologie de dopage pour la poudre de SiC

Le dopage de la poudre de SiC avec du cérium (Ce) permet de stabiliser la croissance d'un seul polytype, tel que le 4H-SiC. L'expérience a montré que le dopage au Ce peut :

• Augmenter la vitesse de croissance des cristaux de SiC ;

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

• Réduire les impuretés et les défauts ;

• Supprimer la corrosion de la face arrière du cristal ;

• Améliorer le taux de rendement des monocristaux.

2. Contrôle des gradients thermiques axiaux et radiaux

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

3. Technologie de contrôle des luxations du plan basal (LPB)

Les défauts de cisaillement (BPD) se forment principalement lorsque la contrainte de cisaillement dépasse le seuil critique dans les cristaux de SiC, activant ainsi les systèmes de glissement. Comme les BPD sont perpendiculaires à la direction de croissance, ils apparaissent généralement pendant la croissance et le refroidissement du cristal. La réduction des contraintes internes permet de diminuer significativement 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 d'un seul polytype. Un rapport C/Si élevé réduit le regroupement des macro-marches et préserve l'héritage de surface du germe cristallin, supprimant ainsi la formation de polytypes indésirables.

5. Techniques de croissance à faible stress

Les contraintes subies lors de la croissance cristalline peuvent engendrer des plans cristallins incurvés, des fissures et une densité de défauts de liaison plus élevée. Ces défauts peuvent se propager dans les couches épitaxiales et nuire aux performances du dispositif.

Plusieurs stratégies permettent de réduire les contraintes internes des cristaux :

• Ajustement de la distribution du champ thermique et des paramètres de 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 ;

• Améliorer la configuration du porte-graine pour réduire la différence 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 porte-graine ;

• Amélioration des procédés de recuit, en laissant le cristal refroidir dans le four, et en ajustant la température et la durée pour éliminer complètement les contraintes internes.

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Tendances dans la technologie de croissance des cristaux de SiC

1. Cristaux de plus grande taille
Le diamètre des monocristaux de SiC est passé de quelques millimètres à des plaquettes de 6, 8 et même 12 pouces. Ces plaquettes plus grandes permettent d'accroître l'efficacité de la production et de réduire les coûts, tout en répondant aux exigences des applications pour dispositifs de forte puissance.

2. Qualité cristalline supérieure
Des cristaux de SiC de haute qualité sont indispensables aux dispositifs hautes performances. Malgré des progrès significatifs, les cristaux actuels présentent encore des défauts tels que des micropipes, 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 demeure relativement coûteuse, ce qui freine son adoption à grande échelle. La réduction des coûts grâce à l'optimisation des procédés de croissance, à l'amélioration de l'efficacité de la production et à la baisse du prix des matières premières est essentielle pour développer les applications commerciales.

4. Production intelligente
Grâce aux progrès de l'intelligence artificielle et des technologies du Big Data, la croissance des cristaux de SiC évolue vers des procédés 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 procédé. L'analyse des données permet d'optimiser davantage les paramètres de production et la qualité des cristaux.

Le développement de technologies de croissance de monocristaux de SiC de haute qualité constitue un axe majeur de la recherche sur les matériaux semi-conducteurs. À mesure que les technologies progressent, les méthodes de croissance cristalline continueront d'évoluer et de s'améliorer, jetant ainsi les bases d'applications solides du SiC dans les dispositifs électroniques haute température, haute fréquence et haute puissance.