Geavanceerde halfgeleiderkristalmaterialen

Siliciumcarbide (SiC) is een van de meest strategische materialen geworden in vermogenselektronica, RF-apparaten en volgende-generatie halfgeleiderplatforms. Van alle beschikbare kristalgroeitechnologieën blijft Physical Vapor Transport (PVT) de dominante industriële methode voor het produceren van hoogwaardige bulk SiC-enkelkristallen.

In het PVT-proces wordt hoogzuiver SiC-poeder thermisch gesublimeerd in een afgesloten groeikamer, en de dampsoorten worden getransporteerd en opnieuw gecondenseerd op een zaadkristal, waardoor een enkelkristal SiC-boule wordt gevormd. Een typisch PVT-groeisysteem bestaat uit drie nauw gekoppelde subsystemen: temperatuurregeling, drukregeling en kristalgroei-assemblage.

1. Architectuur van het PVT-groeisysteem

1.1 Temperatuurregelsysteem

Twee verwarmingsmodi worden vaak gebruikt in SiC PVT-ovens:

• Inductieverwarming (10–100 kHz):
  Een watergekoelde dubbellaagse kwartscoil induceert wervelstromen in de grafietkroes, waardoor warmte wordt gegenereerd. De kroes is omgeven door grafietvilt voor thermische isolatie.

• Weerstandsverwarming:
  Een grafietverwarmingselement produceert Joule-warmte, die door straling wordt overgedragen op de kroes en vervolgens door geleiding op het SiC-poeder.

Vergeleken met weerstandsverwarming biedt inductieverwarming een hogere efficiëntie, lagere onderhoudskosten en een eenvoudiger ovenontwerp, maar het is gevoeliger voor externe verstoringen en vereist een meer geavanceerde thermische veldregeling.

1.2 Drukregelsysteem

Het druksysteem evacueert eerst de kamer tot hoog vacuüm en introduceert vervolgens een gecontroleerde hoeveelheid inert gas (meestal argon). De groeidruk moet nauwkeurig worden geregeld, aangezien SiC-sublimatie, damptransport en condensatie sterk drukgevoelig zijn. Hoogwaardige groei vereist een nauwe koppeling van temperatuur- en drukregeling.

1.3 Kristalgroei-assemblage

De kern van de groeiregio bestaat uit:

• Grafietkroes

• SiC-bronpoeder

• Zaadkristal

Bij hoge temperatuur ontleedt SiC-poeder in dampsoorten zoals Si, Si₂C en SiC₂. Deze gasvormige soorten migreren naar de koelere zaadkristalregio, waar ze recombineren en kristalliseren tot enkelkristal SiC.

2. Kroes- en interne structuurtechniek

De interne geometrie van de kroes beïnvloedt sterk de kristalgrootte, de uniformiteit van de groei en de defectdichtheid.

Vroeg werk van SiCrystal (Duitsland) gebruikte grafietpartities om parasitische nucleatie op offeroppervlakken te forceren, waardoor het hoofdkristal groter kon groeien. DENSO introduceerde beweegbare afschermplaten en conische stroomgeleiders om het damptransport te regelen en de randuniformiteit te verbeteren.

Latere ontwikkelingen omvatten:

• Gasfilterende partities (II-VI, SiCrystal)

• Zuiveringslagen voor de bron (TankeBlue, China)

• Beweegbare zaadhouders en instelbare groeizones (Institute of Physics, CAS; SKC; Showa Denko; Tianyue Advanced)

Meer recentelijk is de aandacht verschoven naar dynamische groeizone-regeling, zoals het optillen van het zaad of het bronpoeder om een stabiel temperatuurverschil te handhaven en grotere boulediameters mogelijk te maken.

3. Zaadkristalontwerp en -oriëntatie

SiC-groei is zeer anisotroop. De kristallografische oriëntatie van het zaad bepaalt direct de groeisnelheid, de defectvorming en de polytype stabiliteit.

Belangrijke historische ontwikkelingen zijn:

• Siemens (1989): (0001) polaire vlak

• Toyota (1997): off-axis vlakken gekanteld 20°–55°

• Wolfspeed (2005): kleine kanteling tussen c-as en thermische gradiënt

• Bridgestone (2008): convexe zaadoppervlakken om micropijpen te onderdrukken

Oppervlaktebewerking vermindert verder defecten:

• Groeven en periodieke texturen (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Holle microstructuren om de stapstroom te regelen

4. Engineering van grote zaaddiameters

Grote SiC-boules vereisen grote zaden. Omdat native grote zaden niet beschikbaar zijn, wordt mozaïekzaadtechnologie veel gebruikt.

• TankeBlue (2016): gebonden kleine zaden → 150 mm boules

• Shandong University (2019): mozaïek + laterale en oppervlakte-epitaxie → ≥8-inch zaden

Deze aanpak staat nu centraal in de ontwikkeling van 200 mm SiC-wafers.5. Kritische SiC-groeiparameters

5.1 Temperatuurgradiënt

Omdat directe meting in de kroes onmogelijk is, worden numerieke simulatietools (bijv. Virtual Reactor) gebruikt om interne temperatuurvelden te schatten. De axiale en radiale gradiënten bepalen de damptransportrichting, oververzadiging en kristalmorfologie.

5.2 Groeisnelheid

De SiC-groeisnelheid neemt toe wanneer:

De temperatuur stijgt

• De temperatuurgradiënt bron–zaad toeneemt

• De kamerdruk afneemt

• De afstand bron–zaad afneemt

• Overmatige groeisnelheden kunnen echter defecten, polytype instabiliteit en spanning veroorzaken.

5.3 Dampchemie

De C/Si-verhouding is de meest kritische thermodynamische parameter:

Laag C/Si → bevordert 3C-SiC

• Koolstofrijke damp → stabiliseert 4H-SiC

• Gascompositie, doteringsmiddelen en inerte gasdruk bepalen gezamenlijk de oververzadiging, het polytype en de doteringsuniformiteit.

6. Vooruitzichten

Moderne SiC-enkelkristalgroei is een multi-fysica optimalisatieprobleem, waarbij het volgende betrokken is:

Poederzuiverheid en deeltjesgrootte

• Kroes- en geleiderontwerp

• Zaadoriëntatie en oppervlaktetopologie

• Dynamische thermische en drukregeling

• Om boules groter dan 200 mm te maken, zijn de belangrijkste strategieën vergroting van de groeizone en mozaïekzaden met een groot oppervlak. Om de kristalkwaliteit te verbeteren, verschuift de focus naar druk-temperatuurschema's, controle van de dampchemie en brontechniek.

Omdat elektrische voertuigen, AI-vermogensmodules en hoogspanningsnetten de SiC-vraag stimuleren, blijft de beheersing van de PVT-kristalgroeifysica het belangrijkste concurrentievoordeel in de wereldwijde wide-bandgap halfgeleiderindustrie.