Los principales métodos para la preparación de monocristales de silicio incluyen: el transporte físico de vapor (PVT), el crecimiento en solución de siembra superior (TSSG) y la deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD). Entre estos, el método PVT se adopta ampliamente en la producción industrial debido a su equipo simple, fácil control y bajos costos operativos y de equipo.
Puntos técnicos clave para el crecimiento de cristales de carburo de silicio mediante PVT
Al cultivar cristales de carburo de silicio utilizando el método de transporte físico de vapor (PVT), se deben considerar los siguientes aspectos técnicos:
- Pureza de los materiales de grafito en la cámara de crecimiento: El contenido de impurezas en los componentes de grafito debe ser inferior a 5×10⁻⁶, mientras que el del fieltro aislante debe ser inferior a 10×10⁻⁶. Elementos como el boro y el aluminio deben mantenerse por debajo de 0,1×10⁻⁶.
- Selección correcta de la polaridad del cristal semilla: los estudios empíricos muestran que la cara C (0001) es adecuada para el crecimiento de cristales de 4H-SiC, mientras que la cara Si (0001) se utiliza para el crecimiento de cristales de 6H-SiC.
- Uso de cristales semilla fuera de eje: los cristales semilla fuera de eje pueden alterar la simetría del crecimiento del cristal, reduciendo los defectos en el cristal.
- Proceso de unión de cristales semilla de alta calidad.
- Mantenimiento de la estabilidad de la interfaz de crecimiento cristalino durante el ciclo de crecimiento.
Tecnologías clave para el crecimiento de cristales de carburo de silicio
- Tecnología de dopaje para polvo de carburo de silicio
Dopar el polvo de carburo de silicio con una cantidad adecuada de Ce puede estabilizar el crecimiento de monocristales de 4H-SiC. Los resultados prácticos demuestran que dopar con Ce puede:
- Aumenta la tasa de crecimiento de los cristales de carburo de silicio.
- Controla la orientación del crecimiento de los cristales, haciéndolo más uniforme y regular.
- Suprime la formación de impurezas, reduciendo defectos y facilitando la producción de cristales monocristalinos y de alta calidad.
- Inhibe la corrosión posterior del cristal y mejora el rendimiento del monocristal.
- Tecnología de control de gradiente de temperatura axial y radial
El gradiente de temperatura axial afecta principalmente el tipo y la eficiencia del crecimiento cristalino. Un gradiente de temperatura excesivamente pequeño puede provocar la formación de policristales y reducir las tasas de crecimiento. Los gradientes de temperatura axiales y radiales adecuados facilitan el rápido crecimiento de los cristales de SiC, manteniendo al mismo tiempo una calidad cristalina estable. - Tecnología de control de dislocación del plano basal (BPD)
Los defectos de BPD surgen principalmente cuando la tensión de corte en el cristal supera la tensión de corte crítica del SiC, lo que activa sistemas de deslizamiento. Dado que los BPD son perpendiculares a la dirección de crecimiento del cristal, se forman principalmente durante el crecimiento y el enfriamiento del cristal. - Tecnología de ajuste de la relación de composición de la fase de vapor
Aumentar la relación carbono-silicio en el entorno de crecimiento es una medida eficaz para estabilizar el crecimiento de monocristales. Una relación carbono-silicio más alta reduce la formación de agrupamientos en grandes pasos, preserva la información de crecimiento superficial del cristal semilla y suprime la formación de politipos. - Tecnología de control de bajo estrés
La tensión durante el crecimiento cristalino puede provocar la flexión de los planos cristalinos, lo que resulta en una mala calidad del cristal o incluso en su agrietamiento. Una tensión elevada también aumenta las dislocaciones del plano basal, lo que puede afectar negativamente la calidad de la capa epitaxial y el rendimiento del dispositivo.
Imagen de escaneo de oblea de SiC de 6 pulgadas
Métodos para reducir el estrés en los cristales:
- Ajustar la distribución del campo de temperatura y los parámetros del proceso para permitir el crecimiento cercano al equilibrio de los monocristales de SiC.
- Optimizar la estructura del crisol para permitir el libre crecimiento de los cristales con restricciones mínimas.
- Modificar las técnicas de fijación del cristal semilla para reducir la discrepancia en la expansión térmica entre el cristal semilla y el soporte de grafito. Un método común consiste en dejar una separación de 2 mm entre el cristal semilla y el soporte de grafito.
- Mejore los procesos de recocido implementando el recocido en horno in situ, ajustando la temperatura y la duración del recocido para liberar completamente la tensión interna.
Tendencias futuras en la tecnología de crecimiento de cristales de carburo de silicio
De cara al futuro, la tecnología de preparación de monocristales de SiC de alta calidad se desarrollará en las siguientes direcciones:
- Crecimiento a gran escala
El diámetro de los monocristales de carburo de silicio ha evolucionado desde unos pocos milímetros hasta tamaños de 6, 8 e incluso 12 pulgadas. Los cristales de SiC de gran diámetro mejoran la eficiencia de producción, reducen costos y satisfacen las demandas de dispositivos de alta potencia. - Crecimiento de alta calidad
Los monocristales de SiC de alta calidad son esenciales para dispositivos de alto rendimiento. Si bien se han logrado avances significativos, aún existen defectos como microtubos, dislocaciones e impurezas que afectan el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo. - Reducción de costos
El alto costo de la preparación de cristales de SiC limita su aplicación en ciertos campos. Optimizar los procesos de crecimiento, mejorar la eficiencia de la producción y reducir los costos de las materias primas puede contribuir a disminuir los gastos de producción. - Crecimiento inteligente
Con los avances en IA y big data, la tecnología de crecimiento de cristales de SiC adoptará cada vez más soluciones inteligentes. La monitorización y el control en tiempo real mediante sensores y sistemas automatizados mejorarán la estabilidad y la controlabilidad del proceso. Además, el análisis de big data puede optimizar los parámetros de crecimiento, mejorando así la calidad de los cristales y la eficiencia de la producción.
La tecnología de preparación de monocristales de carburo de silicio de alta calidad es un aspecto clave en la investigación de materiales semiconductores. A medida que la tecnología avanza, las técnicas de crecimiento de cristales de SiC seguirán evolucionando, proporcionando una base sólida para aplicaciones en campos de alta temperatura, alta frecuencia y alta potencia.
Hora de publicación: 25 de julio de 2025