Pertimbangan Utama untuk Pembuatan Kristal Tunggal Silikon Karbida Berkualitas Tinggi

Metode utama untuk pembuatan kristal tunggal silikon meliputi: Physical Vapor Transport (PVT), Top-Seeded Solution Growth (TSSG), dan High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD). Di antara metode-metode ini, metode PVT banyak diadopsi dalam produksi industri karena peralatannya yang sederhana, kemudahan pengendalian, serta biaya peralatan dan operasional yang rendah.

Poin-Poin Teknis Utama untuk Pertumbuhan Kristal Silikon Karbida dengan Metode PVT

Saat menumbuhkan kristal silikon karbida menggunakan metode Physical Vapor Transport (PVT), aspek teknis berikut harus dipertimbangkan:

1. Kemurnian Material Grafit dalam Ruang Pertumbuhan: Kandungan pengotor dalam komponen grafit harus di bawah 5×10⁻⁶, sedangkan kandungan pengotor dalam bahan isolasi harus di bawah 10×10⁻⁶. Unsur-unsur seperti B dan Al harus dijaga di bawah 0,1×10⁻⁶.
2. Pemilihan Polaritas Kristal Benih yang Tepat: Studi empiris menunjukkan bahwa bidang C (0001) cocok untuk menumbuhkan kristal 4H-SiC, sedangkan bidang Si (0001) digunakan untuk menumbuhkan kristal 6H-SiC.
3. Penggunaan Kristal Benih Off-Axis: Kristal benih off-axis dapat mengubah simetri pertumbuhan kristal, mengurangi cacat pada kristal.
4. Proses Pengikatan Kristal Benih Berkualitas Tinggi.
5. Mempertahankan Stabilitas Antarmuka Pertumbuhan Kristal Selama Siklus Pertumbuhan.

Teknologi Utama untuk Pertumbuhan Kristal Silikon Karbida

1. Teknologi Doping untuk Serbuk Silikon Karbida
   Penambahan Ce dalam jumlah yang tepat ke dalam bubuk silikon karbida dapat menstabilkan pertumbuhan kristal tunggal 4H-SiC. Hasil praktis menunjukkan bahwa penambahan Ce dapat:

• Meningkatkan laju pertumbuhan kristal silikon karbida.
• Mengontrol orientasi pertumbuhan kristal, sehingga menjadi lebih seragam dan teratur.
• Menekan pembentukan pengotor, mengurangi cacat, dan memfasilitasi produksi kristal tunggal dan berkualitas tinggi.
• Menghambat korosi bagian belakang kristal dan meningkatkan hasil kristal tunggal.

• Teknologi Pengendalian Gradien Suhu Aksial dan Radial
  Gradien suhu aksial terutama memengaruhi jenis dan efisiensi pertumbuhan kristal. Gradien suhu yang terlalu kecil dapat menyebabkan pembentukan polikristal dan mengurangi laju pertumbuhan. Gradien suhu aksial dan radial yang tepat memfasilitasi pertumbuhan kristal SiC yang cepat sambil mempertahankan kualitas kristal yang stabil.
• Teknologi Pengendalian Dislokasi Bidang Basal (BPD)
  Cacat BPD terutama muncul ketika tegangan geser dalam kristal melebihi tegangan geser kritis SiC, yang mengaktifkan sistem slip. Karena BPD tegak lurus terhadap arah pertumbuhan kristal, cacat ini terutama terbentuk selama pertumbuhan dan pendinginan kristal.
• Teknologi Penyesuaian Rasio Komposisi Fase Uap
  Meningkatkan rasio karbon terhadap silikon dalam lingkungan pertumbuhan merupakan langkah efektif untuk menstabilkan pertumbuhan kristal tunggal. Rasio karbon terhadap silikon yang lebih tinggi mengurangi pengelompokan langkah besar, mempertahankan informasi pertumbuhan permukaan kristal benih, dan menekan pembentukan polipe.
• Teknologi Kontrol dengan Tingkat Stres Rendah
  Tekanan selama pertumbuhan kristal dapat menyebabkan pembengkokan bidang kristal, yang mengakibatkan kualitas kristal yang buruk atau bahkan retak. Tekanan tinggi juga meningkatkan dislokasi bidang basal, yang dapat berdampak buruk pada kualitas lapisan epitaksial dan kinerja perangkat.

Gambar hasil pemindaian wafer SiC 6 inci

Metode untuk Mengurangi Stres pada Kristal:

• Sesuaikan distribusi medan suhu dan parameter proses untuk memungkinkan pertumbuhan kristal tunggal SiC mendekati kesetimbangan.
• Optimalkan struktur wadah agar memungkinkan pertumbuhan kristal bebas dengan kendala minimal.
• Modifikasi teknik fiksasi kristal benih untuk mengurangi ketidaksesuaian ekspansi termal antara kristal benih dan penahan grafit. Pendekatan umum adalah dengan menyisakan celah 2 mm antara kristal benih dan penahan grafit.
• Meningkatkan proses anil dengan menerapkan anil tungku in-situ, menyesuaikan suhu dan durasi anil untuk sepenuhnya melepaskan tegangan internal.

Tren Masa Depan dalam Teknologi Pertumbuhan Kristal Silikon Karbida

Ke depan, teknologi pembuatan kristal tunggal SiC berkualitas tinggi akan berkembang ke arah berikut:

1. Pertumbuhan Skala Besar
   Diameter kristal tunggal silikon karbida telah berevolusi dari beberapa milimeter menjadi 6 inci, 8 inci, dan bahkan lebih besar lagi yaitu 12 inci. Kristal SiC berdiameter besar meningkatkan efisiensi produksi, mengurangi biaya, dan memenuhi tuntutan perangkat berdaya tinggi.
2. Pertumbuhan Berkualitas Tinggi
   Kristal tunggal SiC berkualitas tinggi sangat penting untuk perangkat berkinerja tinggi. Meskipun kemajuan signifikan telah dicapai, cacat seperti mikropipa, dislokasi, dan pengotor masih ada, yang memengaruhi kinerja dan keandalan perangkat.
3. Pengurangan Biaya
   Biaya pembuatan kristal SiC yang tinggi membatasi penerapannya di bidang-bidang tertentu. Mengoptimalkan proses pertumbuhan, meningkatkan efisiensi produksi, dan mengurangi biaya bahan baku dapat membantu menurunkan biaya produksi.
4. Pertumbuhan Cerdas
   Dengan kemajuan AI dan big data, teknologi pertumbuhan kristal SiC akan semakin mengadopsi solusi cerdas. Pemantauan dan pengendalian secara real-time menggunakan sensor dan sistem otomatis akan meningkatkan stabilitas dan kemampuan pengendalian proses. Selain itu, analitik big data dapat mengoptimalkan parameter pertumbuhan, meningkatkan kualitas kristal dan efisiensi produksi.

Teknologi pembuatan kristal tunggal silikon karbida berkualitas tinggi merupakan fokus utama dalam penelitian material semikonduktor. Seiring kemajuan teknologi, teknik pertumbuhan kristal SiC akan terus berkembang, memberikan landasan yang kokoh untuk aplikasi di bidang suhu tinggi, frekuensi tinggi, dan daya tinggi.