Các phương pháp chính để phát triển tinh thể đơn silicon carbide bao gồm Vận chuyển hơi vật lý (PVT), Phát triển dung dịch gieo hạt trên cùng (TSSG) và Lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (HT-CVD).

Trong số đó, phương pháp PVT đã trở thành kỹ thuật chính trong sản xuất công nghiệp do thiết bị tương đối đơn giản, dễ vận hành và kiểm soát, chi phí thiết bị và vận hành thấp hơn.

---

Các điểm kỹ thuật chính của quá trình phát triển tinh thể SiC bằng phương pháp PVT

Để phát triển tinh thể silicon carbide bằng phương pháp PVT, cần phải kiểm soát cẩn thận một số khía cạnh kỹ thuật sau:

1. Độ tinh khiết của vật liệu than chì trong lĩnh vực nhiệt
   Vật liệu than chì được sử dụng trong trường nhiệt phát triển tinh thể phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về độ tinh khiết. Hàm lượng tạp chất trong các thành phần than chì phải dưới 5×10⁻⁶, và đối với nỉ cách nhiệt phải dưới 10×10⁻⁶. Cụ thể, hàm lượng boron (B) và nhôm (Al) phải dưới 0,1×10⁻⁶.

2. Cực tính chính xác của tinh thể hạt giống
   Dữ liệu thực nghiệm cho thấy mặt C (0001) thích hợp để phát triển tinh thể 4H-SiC, trong khi mặt Si (0001) thích hợp để phát triển tinh thể 6H-SiC.

3. Sử dụng tinh thể hạt giống ngoài trục
   Hạt lệch trục có thể thay đổi tính đối xứng của sự phát triển, giảm khuyết tật tinh thể và thúc đẩy chất lượng tinh thể tốt hơn.

4. Kỹ thuật liên kết tinh thể hạt giống đáng tin cậy
   Sự liên kết thích hợp giữa tinh thể hạt giống và giá đỡ là điều cần thiết để đảm bảo sự ổn định trong quá trình phát triển.

5. Duy trì sự ổn định của giao diện tăng trưởng
   Trong suốt chu kỳ phát triển của tinh thể, giao diện phát triển phải luôn ổn định để đảm bảo tinh thể phát triển chất lượng cao.

 

---

Công nghệ cốt lõi trong phát triển tinh thể SiC

1. Công nghệ pha tạp cho bột SiC

Việc pha tạp bột SiC với xeri (Ce) có thể ổn định sự phát triển của một polytype đơn lẻ như 4H-SiC. Thực tế đã chứng minh rằng việc pha tạp Ce có thể:

• Tăng tốc độ phát triển của tinh thể SiC;

• Cải thiện hướng tinh thể để phát triển đồng đều và có hướng hơn;

• Giảm tạp chất và khuyết tật;

• Ngăn chặn sự ăn mòn mặt sau của tinh thể;

• Nâng cao tỷ lệ sản lượng tinh thể đơn.

2. Kiểm soát sự chênh lệch nhiệt độ theo trục và hướng tâm

Độ dốc nhiệt độ dọc trục ảnh hưởng đến polytype tinh thể và tốc độ tăng trưởng. Độ dốc quá nhỏ có thể dẫn đến sự hình thành các tạp chất polytype và làm giảm khả năng vận chuyển vật liệu trong pha hơi. Việc tối ưu hóa cả độ dốc dọc trục và xuyên tâm là rất quan trọng để tinh thể phát triển nhanh chóng và ổn định với chất lượng đồng đều.

3. Công nghệ kiểm soát trật khớp mặt phẳng cơ sở (BPD)

BPD hình thành chủ yếu do ứng suất cắt vượt quá ngưỡng tới hạn trong tinh thể SiC, kích hoạt hệ thống trượt. Vì BPD vuông góc với hướng phát triển, chúng thường xuất hiện trong quá trình phát triển và làm nguội tinh thể. Việc giảm thiểu ứng suất bên trong có thể làm giảm đáng kể mật độ BPD.

4. Kiểm soát tỷ lệ thành phần pha hơi

Tăng tỷ lệ carbon/silicon trong pha hơi là một phương pháp đã được chứng minh để thúc đẩy sự phát triển của polytype đơn. Tỷ lệ C/Si cao làm giảm hiện tượng tụ cụm macrostep và giữ lại sự kế thừa bề mặt từ tinh thể mầm, do đó ngăn chặn sự hình thành các polytype không mong muốn.

5. Kỹ thuật tăng trưởng ít căng thẳng

Ứng suất trong quá trình phát triển tinh thể có thể dẫn đến các mặt phẳng mạng cong, vết nứt và mật độ BPD cao hơn. Những khuyết tật này có thể lan sang các lớp epitaxial và ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất thiết bị.

Một số chiến lược để giảm ứng suất tinh thể bên trong bao gồm:

• Điều chỉnh sự phân bố trường nhiệt và các thông số quy trình để thúc đẩy sự phát triển gần cân bằng;

• Tối ưu hóa thiết kế lò nung để cho phép tinh thể phát triển tự do mà không bị hạn chế về mặt cơ học;

• Cải thiện cấu hình giá đỡ hạt giống để giảm sự không tương thích giãn nở nhiệt giữa hạt giống và than chì trong quá trình gia nhiệt, thường bằng cách để khoảng cách 2 mm giữa hạt giống và giá đỡ;

• Tinh chế quá trình ủ, cho tinh thể nguội đi trong lò và điều chỉnh nhiệt độ và thời gian để giải phóng hoàn toàn ứng suất bên trong.

---

Xu hướng trong công nghệ phát triển tinh thể SiC

1. Kích thước tinh thể lớn hơn
Đường kính tinh thể đơn SiC đã tăng từ chỉ vài milimét lên đến các tấm wafer 6 inch, 8 inch và thậm chí 12 inch. Các tấm wafer lớn hơn giúp tăng hiệu quả sản xuất và giảm chi phí, đồng thời đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng thiết bị công suất cao.

2. Chất lượng tinh thể cao hơn
Tinh thể SiC chất lượng cao là yếu tố thiết yếu cho các thiết bị hiệu suất cao. Mặc dù đã có những cải tiến đáng kể, các tinh thể hiện tại vẫn còn tồn tại các khuyết tật như ống dẫn siêu nhỏ, sai lệch và tạp chất, tất cả đều có thể làm giảm hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.

3. Giảm chi phí
Việc sản xuất tinh thể SiC vẫn còn tương đối tốn kém, hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi. Việc giảm chi phí thông qua quy trình sản xuất được tối ưu hóa, tăng hiệu quả sản xuất và giảm chi phí nguyên liệu thô là rất quan trọng để mở rộng ứng dụng thị trường.

4. Sản xuất thông minh
Với những tiến bộ trong công nghệ trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn, sự phát triển của tinh thể SiC đang hướng tới các quy trình thông minh, tự động. Các cảm biến và hệ thống điều khiển có thể giám sát và điều chỉnh các điều kiện tăng trưởng theo thời gian thực, cải thiện tính ổn định và khả năng dự đoán của quy trình. Phân tích dữ liệu có thể tối ưu hóa hơn nữa các thông số quy trình và chất lượng tinh thể.

Việc phát triển công nghệ nuôi cấy tinh thể đơn SiC chất lượng cao là trọng tâm chính trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn. Khi công nghệ phát triển, các phương pháp nuôi cấy tinh thể sẽ tiếp tục phát triển và cải tiến, tạo nền tảng vững chắc cho các ứng dụng SiC trong các thiết bị điện tử nhiệt độ cao, tần số cao và công suất cao.