Mit der PVT-Methode hergestellte SiC-Kristalle

Die gängige Methode zur Herstellung von Siliziumkarbid-Einkristallen ist die physikalische Dampftransportmethode (PVT). Diese Methode besteht hauptsächlich aus aQuarzrohrhohlraum, AHeizkörper(Induktionsspule oder Graphitheizung),Graphit-Carbon-Filz-IsolierungMaterial, aGraphittiegel, ein Siliziumkarbid-Impfkristall, Siliziumkarbid-Pulver und ein Hochtemperaturthermometer. Das Siliziumkarbidpulver befindet sich am Boden des Graphittiegels, während der Impfkristall oben fixiert ist. Der Kristallwachstumsprozess läuft wie folgt ab: Die Temperatur am Boden des Tiegels wird durch Erhitzen (Induktion oder Widerstand) auf 2100–2400 °C erhöht. Das Siliziumkarbidpulver am Boden des Tiegels zersetzt sich bei dieser hohen Temperatur und erzeugt gasförmige Substanzen wie Si, Si₂C und SiC₂. Unter dem Einfluss der Temperatur- und Konzentrationsgradienten innerhalb des Hohlraums werden diese gasförmigen Substanzen zur Oberfläche des Impfkristalls mit niedrigerer Temperatur transportiert, wo sie nach und nach kondensieren und Keime bilden, wodurch letztendlich das Wachstum des Siliziumkarbidkristalls erreicht wird.

Die wichtigsten technischen Punkte, die bei der Züchtung von Siliziumkarbidkristallen mithilfe der physikalischen Dampftransportmethode zu beachten sind, sind folgende:

1) Die Reinheit des Graphitmaterials im Kristallwachstumstemperaturfeld muss den Anforderungen entsprechen. Die Reinheit der Graphitteile sollte unter 5×10-6 und die des Isolierfilzes unter 10×10-6 liegen. Unter diesen sollte die Reinheit der Elemente B und Al unter 0,1×10-6 liegen, da diese beiden Elemente während des Siliziumkarbidwachstums freie Löcher erzeugen. Übermäßige Mengen dieser beiden Elemente führen zu instabilen elektrischen Eigenschaften von Siliziumkarbid und beeinträchtigen die Leistung von Siliziumkarbid-Geräten. Gleichzeitig kann das Vorhandensein von Verunreinigungen zu Kristalldefekten und -versetzungen führen, die letztendlich die Qualität des Kristalls beeinträchtigen.

2) Die Polarität des Impfkristalls muss richtig gewählt sein. Es wurde bestätigt, dass die C(0001)-Ebene zum Züchten von 4H-SiC-Kristallen und die Si(0001)-Ebene zum Züchten von 6H-SiC-Kristallen verwendet werden kann.

3)Verwenden Sie außeraxiale Impfkristalle für das Wachstum. Der optimale Winkel des außeraxialen Impfkristalls beträgt 4° und zeigt in Richtung der Kristallorientierung. Außeraxiale Impfkristalle können nicht nur die Symmetrie des Kristallwachstums ändern und Defekte im Kristall reduzieren, sondern auch das Wachstum des Kristalls entlang einer bestimmten Kristallorientierung ermöglichen, was für die Herstellung von Einkristallkristallen von Vorteil ist. Gleichzeitig kann es das Kristallwachstum gleichmäßiger machen, innere Spannungen und Spannungen im Kristall reduzieren und die Kristallqualität verbessern.

4) Guter Impfkristall-Bindungsprozess. Die Rückseite des Impfkristalls zersetzt und sublimiert bei hoher Temperatur. Während des Kristallwachstums können sich im Inneren des Kristalls hexagonale Hohlräume oder sogar Mikroröhrendefekte bilden, und in schweren Fällen können großflächige polymorphe Kristalle entstehen. Daher muss die Rückseite des Impfkristalls vorbehandelt werden. Auf der Si-Oberfläche des Impfkristalls kann eine dichte Photoresistschicht mit einer Dicke von etwa 20 μm aufgetragen werden. Nach der Hochtemperaturkarbonisierung bei etwa 600 °C entsteht eine dichte karbonisierte Filmschicht. Anschließend wird es unter hoher Temperatur und hohem Druck mit einer Graphitplatte oder Graphitpapier verbunden. Der auf diese Weise erhaltene Impfkristall kann die Kristallisationsqualität erheblich verbessern und die Ablation der Rückseite des Impfkristalls wirksam verhindern.

5) Aufrechterhaltung der Stabilität der Kristallwachstumsschnittstelle während des Kristallwachstumszyklus. Wenn die Dicke der Siliziumkarbidkristalle allmählich zunimmt, verschiebt sich die Kristallwachstumsgrenzfläche allmählich in Richtung der oberen Oberfläche des Siliziumkarbidpulvers am Boden des Tiegels. Dies führt zu Veränderungen in der Wachstumsumgebung an der Kristallwachstumsgrenzfläche, was zu Schwankungen von Parametern wie dem thermischen Feld und dem Kohlenstoff-Silizium-Verhältnis führt. Gleichzeitig verringert es die atmosphärische Materialtransportrate und verlangsamt die Kristallwachstumsgeschwindigkeit, was ein Risiko für das kontinuierliche und stabile Wachstum des Kristalls darstellt. Diese Probleme können bis zu einem gewissen Grad durch die Optimierung der Struktur und der Kontrollmethoden gemildert werden. Das Hinzufügen eines Tiegelbewegungsmechanismus und die Steuerung des Tiegels so, dass er sich langsam entlang der axialen Richtung mit der Kristallwachstumsrate nach oben bewegt, kann die Stabilität der Wachstumsumgebung der Kristallwachstumsschnittstelle sicherstellen und einen stabilen axialen und radialen Temperaturgradienten aufrechterhalten.

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