Consideraciones clave para la producción de cristales únicos de carburo de silicio (SiC) de alta calidad

Los principales métodos para producir cristales únicos de carburo de silicio incluyen el transporte físico de vapor (PVT), el crecimiento por solución con semilla superior (TSSG) y la deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD).

Entre estos, PVT es el método más ampliamente adoptado en la producción industrial debido a su configuración de equipo relativamente simple, facilidad de control y menores costos de equipo y operación.

Aspectos técnicos destacados del método PVT para el crecimiento de cristales de SiC

Al cultivar cristales únicos de SiC utilizando el método PVT, los siguientes aspectos técnicos son críticos:

• Pureza de los materiales de grafito

El grafito utilizado en el campo térmico debe cumplir con estrictos requisitos de pureza. El contenido de impurezas en las piezas de grafito debe ser inferior a 5×10⁻⁶, mientras que los fieltros aislantes deben estar por debajo de 10×10⁻⁶. En particular, el contenido de boro (B) y aluminio (Al) debe ser inferior a 0,1×10⁻⁶.​

• Selección correcta de la polaridad del cristal semilla

Los experimentos han demostrado que la cara C (0001) es adecuada para cultivar 4H-SiC, mientras que la cara Si (0001) se utiliza para el crecimiento de 6H-SiC.

• Uso de cristales semilla fuera de eje

Las semillas fuera de eje ayudan a romper la simetría del crecimiento y a reducir los defectos en el cristal resultante.

• Proceso de unión de semillas de alta calidad

La unión confiable entre el cristal semilla y el sustrato es esencial para un crecimiento estable.

• Mantenimiento de una interfaz de crecimiento estable

A lo largo del ciclo de crecimiento, es crucial mantener la estabilidad de la interfaz de crecimiento del cristal para garantizar una calidad uniforme.

Tecnologías centrales en el crecimiento de cristales de SiC

• Tecnología de dopaje en polvo de SiC

  El dopaje de polvo de carburo de silicio con cerio (Ce) promueve el crecimiento estable de 4H-SiC de un solo politipo. Esta técnica de dopaje puede:

   

  • Aumentar la velocidad de crecimiento;

  • Mejorar la orientación cristalográfica;

  • Suprimir la incorporación de impurezas y la formación de defectos;

  • Mejorar el rendimiento de los cristales de alta calidad;

  • Prevenir la corrosión en la parte posterior y aumentar la monocristalinidad.

• Control del gradiente de temperatura axial y radial

  El gradiente axial afecta significativamente la morfología del cristal y la eficiencia del crecimiento. Un gradiente demasiado pequeño puede conducir a la mezcla de politipos y a la reducción del transporte de vapor. Los gradientes axial y radial óptimos favorecen un crecimiento de cristal rápido y estable.

• Control de la dislocación del plano basal (BPD)

  Las BPD surgen cuando la tensión de cizallamiento interna excede el umbral crítico, típicamente durante el crecimiento y el enfriamiento. La gestión de estas tensiones es clave para minimizar los defectos de BPD.

• Control de la relación de composición de la fase gaseosa

  Aumentar la proporción de carbono a silicio en la fase de vapor ayuda a estabilizar el crecimiento de un solo politipo y evita el agrupamiento de macro-pasos, suprimiendo así la formación de politipos.

• Técnicas de crecimiento de cristales de baja tensión

  La tensión interna puede conducir a la distorsión de la red, el agrietamiento del cristal y el aumento de la densidad de dislocación, todo lo cual degrada la calidad del cristal y el rendimiento del dispositivo posterior. La tensión se puede mitigar a través de:

   

  • Optimización del campo de temperatura y del proceso para un crecimiento cercano al equilibrio;

  • Rediseño de la estructura del crisol para permitir la expansión libre del cristal;

  • Mejora de los métodos de montaje de semillas dejando un espacio de 2 mm entre la semilla y el soporte de grafito para reducir la desajuste de la expansión térmica;

  • Recocido del cristal en el horno para liberar la tensión residual, con un ajuste cuidadoso de la temperatura y la duración.

Tendencias futuras en la tecnología de crecimiento de cristales únicos de SiC

• Mayor tamaño de cristal

  El diámetro de los cristales únicos de SiC ha crecido de unos pocos milímetros a obleas de 6 pulgadas, 8 pulgadas e incluso 12 pulgadas. El escalado mejora la eficiencia de la producción, reduce el costo por unidad y satisface las necesidades de los dispositivos de alta potencia.

• Mayor calidad del cristal

  Si bien los cristales actuales han mejorado enormemente, quedan desafíos como micropipos, dislocaciones e impurezas. La eliminación de estos defectos es fundamental para lograr dispositivos de mayor rendimiento.

• Reducción de costos

  El alto costo del crecimiento de cristales de SiC es una barrera para la adopción generalizada. La reducción de costos a través de la optimización del proceso, una mejor utilización de los recursos y materias primas más baratas es un área clave de investigación.

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• Fabricación inteligente

  Con los avances en IA y big data, el crecimiento inteligente de cristales está en el horizonte. Los sensores y los sistemas de control automatizados pueden monitorear y ajustar las condiciones en tiempo real, mejorando la estabilidad y la reproducibilidad. El análisis de datos puede refinar aún más el proceso para mejorar el rendimiento y la calidad.