Các phương pháp chính để chế tạo tinh thể đơn silic bao gồm: Vận chuyển hơi vật lý (PVT), Tăng trưởng dung dịch hạt trên cùng (TSSG) và Lắng đọng hơi hóa học nhiệt độ cao (HT-CVD). Trong số đó, phương pháp PVT được áp dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp nhờ thiết bị đơn giản, dễ kiểm soát, chi phí thiết bị và vận hành thấp.
Các điểm kỹ thuật chính cho sự phát triển PVT của tinh thể silicon carbide
Khi phát triển tinh thể silicon carbide bằng phương pháp Vận chuyển hơi vật lý (PVT), cần phải xem xét các khía cạnh kỹ thuật sau:
- Độ tinh khiết của vật liệu than chì trong buồng nuôi cấy: Hàm lượng tạp chất trong các thành phần than chì phải dưới 5×10⁻⁶, trong khi hàm lượng tạp chất trong nỉ cách nhiệt phải dưới 10×10⁻⁶. Các nguyên tố như B và Al phải được giữ dưới 0,1×10⁻⁶.
- Lựa chọn độ phân cực tinh thể hạt giống chính xác: Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy mặt C (0001) thích hợp để phát triển tinh thể 4H-SiC, trong khi mặt Si (0001) được sử dụng để phát triển tinh thể 6H-SiC.
- Sử dụng tinh thể hạt giống lệch trục: Tinh thể hạt giống lệch trục có thể thay đổi tính đối xứng của quá trình phát triển tinh thể, làm giảm các khuyết tật trong tinh thể.
- Quy trình liên kết tinh thể hạt giống chất lượng cao.
- Duy trì sự ổn định của giao diện phát triển tinh thể trong suốt chu kỳ phát triển.
Công nghệ chính cho sự phát triển tinh thể silicon carbide
- Công nghệ pha tạp cho bột Silicon Carbide
Việc pha tạp bột silicon carbide với một lượng Ce thích hợp có thể ổn định sự phát triển của tinh thể đơn 4H-SiC. Kết quả thực tế cho thấy việc pha tạp Ce có thể:
- Tăng tốc độ phát triển của tinh thể silicon carbide.
- Kiểm soát hướng phát triển của tinh thể, làm cho chúng đồng đều và đều đặn hơn.
- Ngăn chặn sự hình thành tạp chất, giảm thiểu khuyết tật và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất tinh thể đơn tinh thể và tinh thể chất lượng cao.
- Ngăn chặn sự ăn mòn mặt sau của tinh thể và cải thiện năng suất tinh thể đơn.
- Công nghệ kiểm soát độ dốc nhiệt độ theo trục và hướng tâm
Độ dốc nhiệt độ dọc trục chủ yếu ảnh hưởng đến loại và hiệu suất tăng trưởng tinh thể. Độ dốc nhiệt độ quá nhỏ có thể dẫn đến sự hình thành đa tinh thể và làm giảm tốc độ tăng trưởng. Độ dốc nhiệt độ dọc trục và xuyên tâm thích hợp tạo điều kiện cho tinh thể SiC phát triển nhanh chóng trong khi vẫn duy trì chất lượng tinh thể ổn định. - Công nghệ kiểm soát trật khớp mặt phẳng cơ sở (BPD)
Các khuyết tật BPD chủ yếu phát sinh khi ứng suất cắt trong tinh thể vượt quá ứng suất cắt tới hạn của SiC, kích hoạt hệ thống trượt. Vì BPD vuông góc với hướng phát triển tinh thể, chúng chủ yếu hình thành trong quá trình phát triển và làm nguội tinh thể. - Công nghệ điều chỉnh tỷ lệ thành phần pha hơi
Tăng tỷ lệ carbon/silicon trong môi trường nuôi cấy là một biện pháp hiệu quả để ổn định sự tăng trưởng đơn tinh thể. Tỷ lệ carbon/silicon cao hơn làm giảm hiện tượng tụ cụm bước lớn, bảo tồn thông tin tăng trưởng bề mặt tinh thể mầm và ngăn chặn sự hình thành polytype. - Công nghệ kiểm soát ứng suất thấp
Ứng suất trong quá trình phát triển tinh thể có thể gây cong vênh các mặt phẳng tinh thể, dẫn đến chất lượng tinh thể kém hoặc thậm chí nứt. Ứng suất cao cũng làm tăng sự sai lệch mặt phẳng cơ sở, có thể ảnh hưởng xấu đến chất lượng lớp epitaxy và hiệu suất của thiết bị.
Hình ảnh quét wafer SiC 6 inch
Phương pháp giảm ứng suất trong tinh thể:
- Điều chỉnh phân bố trường nhiệt độ và các thông số quy trình để cho phép tinh thể đơn SiC phát triển gần như cân bằng.
- Tối ưu hóa cấu trúc nồi nấu để cho phép tinh thể phát triển tự do với những hạn chế tối thiểu.
- Điều chỉnh kỹ thuật cố định tinh thể hạt giống để giảm sự không tương thích giãn nở nhiệt giữa tinh thể hạt giống và giá đỡ than chì. Một phương pháp phổ biến là chừa một khoảng trống 2 mm giữa tinh thể hạt giống và giá đỡ than chì.
- Cải thiện quy trình ủ bằng cách thực hiện ủ lò tại chỗ, điều chỉnh nhiệt độ và thời gian ủ để giải phóng hoàn toàn ứng suất bên trong.
Xu hướng tương lai trong công nghệ phát triển tinh thể silicon carbide
Nhìn về phía trước, công nghệ chế tạo tinh thể đơn SiC chất lượng cao sẽ phát triển theo các hướng sau:
- Tăng trưởng quy mô lớn
Đường kính của tinh thể đơn silicon carbide đã phát triển từ vài milimét lên đến 6 inch, 8 inch và thậm chí lớn hơn là 12 inch. Tinh thể SiC đường kính lớn giúp cải thiện hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và đáp ứng nhu cầu của các thiết bị công suất cao. - Tăng trưởng chất lượng cao
Tinh thể đơn SiC chất lượng cao là yếu tố thiết yếu cho các thiết bị hiệu suất cao. Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể, nhưng các khuyết tật như micropipe, sai lệch và tạp chất vẫn còn tồn tại, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị. - Giảm chi phí
Chi phí chế tạo tinh thể SiC cao hạn chế ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực. Việc tối ưu hóa quy trình phát triển, cải thiện hiệu quả sản xuất và giảm chi phí nguyên liệu thô có thể giúp giảm chi phí sản xuất. - Tăng trưởng thông minh
Với những tiến bộ trong AI và dữ liệu lớn, công nghệ nuôi cấy tinh thể SiC sẽ ngày càng áp dụng các giải pháp thông minh. Giám sát và điều khiển theo thời gian thực bằng cảm biến và hệ thống tự động sẽ nâng cao tính ổn định và khả năng kiểm soát của quy trình. Ngoài ra, phân tích dữ liệu lớn có thể tối ưu hóa các thông số nuôi cấy, cải thiện chất lượng tinh thể và hiệu quả sản xuất.
Công nghệ chế tạo tinh thể đơn silicon carbide chất lượng cao là trọng tâm chính trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn. Khi công nghệ phát triển, các kỹ thuật chế tạo tinh thể SiC sẽ tiếp tục phát triển, tạo nền tảng vững chắc cho các ứng dụng trong lĩnh vực nhiệt độ cao, tần số cao và công suất cao.
Thời gian đăng: 25-07-2025