Fortgeschrittene Halbleiter-Kristallmaterialien

Siliziumkarbid (SiC) hat sich zu einem der strategisch wichtigsten Materialien in der Leistungselektronik, HF-Geräten und Halbleiterplattformen der nächsten Generation entwickelt. Unter allen verfügbaren Kristallzüchtungstechnologien ist das Physical Vapor Transport (PVT) die dominierende industrielle Methode zur Herstellung hochwertiger SiC-Einkristalle.

Im PVT-Verfahren wird hochreines SiC-Pulver in einer versiegelten Wachstumskammer thermisch sublimiert, und die Dampfarten werden transportiert und auf einem Impfkristall rekondensiert, wodurch ein SiC-Einkristall-Boule entsteht. Ein typisches PVT-Wachstumssystem besteht aus drei eng gekoppelten Untersystemen: Temperaturregelung, Druckregelung und Kristallwachstumsanordnung.

1. Architektur des PVT-Wachstumssystems

1.1 Temperaturregelungssystem

In SiC-PVT-Öfen werden üblicherweise zwei Heizmodi verwendet:

• Induktionsheizung (10–100 kHz):
  Eine wassergekühlte Doppelquarzspule induziert Wirbelströme im Graphittiegel, wodurch Wärme erzeugt wird. Der Tiegel ist zur Wärmeisolierung von Graphitfilz umgeben.

• Widerstandsheizung:
  Ein Graphitheizer erzeugt Joule-Wärme, die durch Strahlung auf den Tiegel und dann durch Leitung auf das SiC-Pulver übertragen wird.

Im Vergleich zur Widerstandsheizung bietet die Induktionsheizung einen höheren Wirkungsgrad, geringere Wartungskosten und ein einfacheres Ofendesign, ist aber anfälliger für äußere Störungen und erfordert eine ausgefeiltere Temperaturfeldregelung.

1.2 Druckregelungssystem

Das Drucksystem evakuiert zunächst die Kammer auf Hochvakuum und führt dann eine kontrollierte Menge an Inertgas (typischerweise Argon) ein. Der Wachstumsdruck muss präzise geregelt werden, da die SiC-Sublimation, der Dampftransport und die Kondensation stark druckabhängig sind. Ein hochwertiges Wachstum erfordert eine enge Kopplung von Temperatur- und Druckregelung.

1.3 Kristallwachstumsanordnung

Der Kernwachstumsbereich besteht aus:

• Graphittiegel

• SiC-Quellpulver

• Impfkristall

Bei hoher Temperatur zersetzt sich SiC-Pulver in Dampfarten wie Si, Si₂C und SiC₂. Diese gasförmigen Arten wandern in Richtung des kühleren Impfkristallbereichs, wo sie rekombinieren und zu SiC-Einkristallen kristallisieren.

2. Tiegel- und Innenstrukturtechnik

Die innere Geometrie des Tiegels beeinflusst stark die Kristallgröße, die Wachstumsgleichmäßigkeit und die Defektdichte.

Frühe Arbeiten von SiCrystal (Deutschland) verwendeten Graphitwände, um parasitäre Keimbildung auf Opferoberflächen zu erzwingen, wodurch der Hauptkristall größer wachsen konnte. DENSO führte bewegliche Abschirmplatten und konische Strömungsführungen ein, um den Dampftransport zu steuern und die Kantengleichmäßigkeit zu verbessern.

Spätere Entwicklungen umfassen:

• Gasfilterwände (II-VI, SiCrystal)

• Quellreinigungsschichten (TankeBlue, China)

• Bewegliche Saatguthalter und einstellbare Wachstumszonen (Institute of Physics, CAS; SKC; Showa Denko; Tianyue Advanced)

In jüngerer Zeit hat sich die Aufmerksamkeit auf die dynamische Wachstumszonensteuerung verlagert, z. B. das Anheben des Saatguts oder des Quellpulvers, um eine stabile Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten und größere Bouledurchmesser zu ermöglichen.

3. Impfkristalldesign und -orientierung

SiC-Wachstum ist hoch anisotrop. Die kristallographische Orientierung des Saatguts bestimmt direkt die Wachstumsrate, die Defektbildung und die Polytypstabilität.

Wichtige historische Entwicklungen umfassen:

• Siemens (1989): (0001) polare Fläche

• Toyota (1997): Off-Axis-Flächen mit einer Neigung von 20°–55°

• Wolfspeed (2005): kleine Neigung zwischen c-Achse und Temperaturgradienten

• Bridgestone (2008): konvexe Saatgutoberflächen zur Unterdrückung von Mikroröhren

Oberflächentechnik reduziert Defekte weiter:

• Rillen und periodische Texturen (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Hohle Mikrostrukturen zur Steuerung des Stufenflusses

4. Technik für Saatgut mit großem Durchmesser

Große SiC-Boules benötigen große Saatgut. Da keine nativen großen Saatgut verfügbar sind, wird die Mosaik-Saatgut-Technologie häufig verwendet.

• TankeBlue (2016): gebundene kleine Saatgut → 150 mm Boules

• Shandong University (2019): Mosaik + laterale und Oberflächenepitaxie → ≥8-Zoll-Saatgut

Dieser Ansatz ist jetzt zentral für die 200 mm SiC-Wafer Entwicklung.

5. Kritische SiC-Wachstumsparameter

5.1 Temperaturgradient

Da eine direkte Messung im Tiegel unmöglich ist, werden numerische Simulationswerkzeuge (z. B. Virtual Reactor) verwendet, um interne Temperaturfelder abzuschätzen. Die axialen und radialen Gradienten bestimmen die Dampftransportrichtung, die Übersättigung und die Kristallmorphologie.

5.2 Wachstumsrate

Die SiC-Wachstumsrate steigt, wenn:

• Die Temperatur steigt

• Der Temperaturgradient zwischen Quelle und Saatgut zunimmt

• Der Kammerdruck abnimmt

• Der Abstand zwischen Quelle und Saatgut abnimmt

Übermäßige Wachstumsraten können jedoch Defekte, Polytypinstabilität und Spannungen verursachen.

5.3 Dampfchemie

Das C/Si-Verhältnis ist der kritischste thermodynamische Parameter:

• Niedriges C/Si → begünstigt 3C-SiC

• Kohlenstoffreicher Dampf → stabilisiert 4H-SiC

Die Gaszusammensetzung, die Dotierstoffe und der Inertgasdruck bestimmen gemeinsam die Übersättigung, das Polytyp und die Dotierungsgleichmäßigkeit.

6. Ausblick

Das moderne SiC-Einkristallwachstum ist ein Multi-Physik-Optimierungsproblem, das Folgendes beinhaltet:

• Pulverreinheit und Partikelgröße

• Tiegel- und Führungsdesign

• Saatgutorientierung und Oberflächentopologie

• Dynamische Temperatur- und Druckregelung

Um Boules über 200 mm hinaus zu vergrößern, sind die Hauptstrategien die Vergrößerung der Wachstumszone und großflächige Mosaik-Saatgut. Um die Kristallqualität zu verbessern, verlagert sich der Fokus auf die Druck-Temperatur-Planung, die Steuerung der Dampfchemie und die Quelltechnik.

Da Elektrofahrzeuge, KI-Leistungsmodule und Hochspannungsnetze die SiC-Nachfrage antreiben, wird die Beherrschung der PVT-Kristallwachstumsphysik der wichtigste Wettbewerbsvorteil in der globalen Wide-Bandgap-Halbleiterindustrie bleiben.