Silisyum karbür tek kristallerinin yetiştirilmesinde kullanılan başlıca yöntemler arasında Fiziksel Buhar Taşıma (PVT), Üstten Tohumlu Çözelti Büyümesi (TSSG) ve Yüksek Sıcaklıkta Kimyasal Buhar Biriktirme (HT-CVD) yer alır.

Bunlar arasında PVT yöntemi, nispeten basit ekipman kurulumu, işletme ve kontrol kolaylığı, düşük ekipman ve işletme maliyetleri nedeniyle endüstriyel üretimde birincil teknik haline gelmiştir.

---

PVT Yöntemi Kullanılarak SiC Kristal Büyümesinin Temel Teknik Noktaları

Silisyum karbür kristallerini PVT yöntemiyle büyütmek için birkaç teknik hususun dikkatlice kontrol edilmesi gerekir:

1. Termal Alanda Grafit Malzemelerin Saflığı
   Kristal büyütme termal alanında kullanılan grafit malzemeler sıkı saflık gerekliliklerini karşılamalıdır. Grafit bileşenlerindeki safsızlık oranı 5×10⁻⁶'nin, yalıtım keçelerindeki safsızlık oranı ise 10×10⁻⁶'nin altında olmalıdır. Özellikle, bor (B) ve alüminyum (Al) içeriklerinin her biri 0,1×10⁻⁶'nin altında olmalıdır.

2. Tohum Kristalinin Doğru Polaritesi
   Deneysel veriler, C-yüzeyinin (0001) 4H-SiC kristallerinin büyümesi için uygun olduğunu, Si-yüzeyinin (0001) ise 6H-SiC büyümesi için uygun olduğunu göstermektedir.

3. Eksen Dışı Tohum Kristallerinin Kullanımı
   Eksen dışı tohumlar büyüme simetrisini değiştirebilir, kristal kusurlarını azaltabilir ve daha iyi kristal kalitesini teşvik edebilir.

4. Güvenilir Tohum Kristal Bağlama Tekniği
   Tohum kristali ile tutucu arasında uygun bir bağın oluşması, büyüme sırasında stabilite için önemlidir.

5. Büyüme Arayüzünün İstikrarının Korunması
   Kristal büyüme döngüsü boyunca, yüksek kaliteli kristal gelişimini sağlamak için büyüme arayüzünün stabil kalması gerekir.

 

---

SiC Kristal Büyümesindeki Temel Teknolojiler

1. SiC Tozu için Doping Teknolojisi

SiC tozunun seryum (Ce) ile dopinglenmesi, 4H-SiC gibi tek bir politipinin büyümesini stabilize edebilir. Uygulama, Ce dopinginin şunları sağlayabileceğini göstermiştir:

• SiC kristallerinin büyüme hızını artırmak;

• Daha düzgün ve yönlü büyüme için kristal yönelimini iyileştirin;

• Kirlilikleri ve kusurları azaltır;

• Kristalin arka yüzey korozyonunu bastırır;

• Tek kristal verim oranını artırın.

2. Eksenel ve Radyal Termal Gradyanların Kontrolü

Eksenel sıcaklık gradyanları, kristal politipini ve büyüme hızını etkiler. Çok küçük bir gradyan, politip kapanımlarına ve buhar fazında malzeme taşınmasının azalmasına yol açabilir. Hem eksenel hem de radyal gradyanların optimize edilmesi, tutarlı kalitede hızlı ve istikrarlı kristal büyümesi için kritik öneme sahiptir.

3. Bazal Düzlem Çıkığı (BPD) Kontrol Teknolojisi

BPD'ler, esas olarak SiC kristallerinde kayma geriliminin kritik eşiği aşması ve kayma sistemlerini aktive etmesi nedeniyle oluşur. BPD'ler büyüme yönüne dik oldukları için, genellikle kristal büyümesi ve soğuması sırasında ortaya çıkarlar. İç gerilimi en aza indirmek, BPD yoğunluğunu önemli ölçüde azaltabilir.

4. Buhar Fazı Kompozisyon Oranı Kontrolü

Buhar fazında karbon-silisyum oranını artırmak, tek politipli büyümeyi teşvik etmek için kanıtlanmış bir yöntemdir. Yüksek bir C/Si oranı, makro adım kümeleşmesini azaltır ve tohum kristalinden yüzey kalıtımını koruyarak istenmeyen politiplerin oluşumunu engeller.

5. Düşük Stresli Büyüme Teknikleri

Kristal büyümesi sırasında oluşan stres, kavisli kafes düzlemlerine, çatlaklara ve daha yüksek BPD yoğunluklarına yol açabilir. Bu kusurlar epitaksiyel katmanlara taşınarak cihaz performansını olumsuz etkileyebilir.

İç kristal stresini azaltmak için birkaç strateji şunlardır:

• Dengeye yakın büyümeyi teşvik etmek için termal alan dağılımının ve işlem parametrelerinin ayarlanması;

• Kristalin mekanik kısıtlama olmadan serbestçe büyümesine olanak sağlamak için pota tasarımının optimize edilmesi;

• Isıtma sırasında tohum ile grafit arasındaki termal genleşme uyumsuzluğunu azaltmak için tohum tutucu konfigürasyonunun iyileştirilmesi, genellikle tohum ile tutucu arasında 2 mm boşluk bırakılması yoluyla;

• Tavlama işlemlerinin rafine edilmesi, kristalin fırında soğumasının sağlanması ve iç gerilimi tamamen giderecek şekilde sıcaklık ve sürenin ayarlanması.

---

SiC Kristal Büyüme Teknolojisindeki Trendler

1. Daha Büyük Kristal Boyutları
SiC tek kristal çapları sadece birkaç milimetreden 6 inç, 8 inç ve hatta 12 inçlik gofretlere kadar çıktı. Daha büyük gofretler, yüksek güçlü cihaz uygulamalarının taleplerini karşılarken üretim verimliliğini artırıp maliyetleri düşürüyor.

2. Daha Yüksek Kristal Kalitesi
Yüksek performanslı cihazlar için yüksek kaliteli SiC kristalleri olmazsa olmazdır. Önemli gelişmelere rağmen, mevcut kristaller hala mikro borular, çıkıklar ve safsızlıklar gibi kusurlar sergilemektedir ve bunların tümü cihaz performansını ve güvenilirliğini düşürebilir.

3. Maliyet Azaltma
SiC kristal üretimi hâlâ nispeten pahalıdır ve bu da daha geniş çapta benimsenmesini sınırlamaktadır. Optimize edilmiş büyüme süreçleri, artan üretim verimliliği ve daha düşük hammadde maliyetleri yoluyla maliyetlerin düşürülmesi, pazar uygulamalarının genişlemesi için hayati önem taşımaktadır.

4. Akıllı Üretim
Yapay zekâ ve büyük veri teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte, SiC kristal üretimi akıllı ve otomatik süreçlere doğru ilerliyor. Sensörler ve kontrol sistemleri, üretim koşullarını gerçek zamanlı olarak izleyip ayarlayarak süreç kararlılığını ve öngörülebilirliğini artırabilir. Veri analitiği, süreç parametrelerini ve kristal kalitesini daha da optimize edebilir.

Yüksek kaliteli SiC tek kristal büyüme teknolojisinin geliştirilmesi, yarı iletken malzeme araştırmalarının önemli bir odak noktasıdır. Teknoloji ilerledikçe, kristal büyüme yöntemleri de gelişmeye ve iyileşmeye devam edecek ve yüksek sıcaklık, yüksek frekans ve yüksek güçlü elektronik cihazlarda SiC uygulamaları için sağlam bir temel oluşturacaktır.