Pertimbangan Utama untuk Persiapan Kristal Tunggal Karbida Silikon Berkualitas Tinggi

Metode utama untuk preparasi kristal tunggal silikon meliputi: Transportasi Uap Fisik (PVT), Pertumbuhan Larutan Top-Seeded (TSSG), dan Deposisi Uap Kimia Suhu Tinggi (HT-CVD). Di antara metode-metode tersebut, metode PVT banyak digunakan dalam produksi industri karena peralatannya yang sederhana, mudah dikontrol, serta biaya peralatan dan operasional yang rendah.

Poin Teknis Utama untuk Pertumbuhan PVT Kristal Karbida Silikon

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

1. Kemurnian Bahan Grafit di Ruang Pertumbuhan: Kandungan pengotor dalam komponen grafit harus di bawah 5×10⁻⁶, sedangkan kandungan pengotor dalam kain felt insulasi 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 Benar: Studi empiris menunjukkan bahwa permukaan C (0001) cocok untuk menumbuhkan kristal 4H-SiC, sedangkan permukaan 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 Ikatan Kristal Benih Berkualitas Tinggi.
5. Menjaga Stabilitas Antarmuka Pertumbuhan Kristal Selama Siklus Pertumbuhan.

Teknologi Utama untuk Pertumbuhan Kristal Karbida Silikon

1. Teknologi Doping untuk Serbuk Karbida Silikon
   Doping bubuk silikon karbida dengan jumlah Ce yang tepat dapat menstabilkan pertumbuhan kristal tunggal 4H-SiC. Hasil praktik menunjukkan bahwa doping Ce dapat:

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

• Teknologi Kontrol Gradien Suhu Aksial dan Radial
  Gradien suhu aksial terutama memengaruhi jenis dan efisiensi pertumbuhan kristal. Gradien suhu yang terlalu kecil dapat menyebabkan pembentukan polikristalin dan mengurangi laju pertumbuhan. Gradien suhu aksial dan radial yang tepat memfasilitasi pertumbuhan kristal SiC yang cepat sekaligus menjaga kualitas kristal yang stabil.
• Teknologi Pengendalian Dislokasi Bidang Basal (BPD)
  Cacat BPD terutama muncul ketika tegangan geser pada kristal melebihi tegangan geser kritis SiC, yang mengaktifkan sistem slip. Karena BPD tegak lurus terhadap arah pertumbuhan kristal, BPD terutama terbentuk selama pertumbuhan dan pendinginan kristal.
• Teknologi Penyesuaian Rasio Komposisi Fase Uap
  Peningkatan rasio karbon terhadap silikon dalam lingkungan pertumbuhan merupakan langkah efektif untuk menstabilkan pertumbuhan kristal tunggal. Rasio karbon terhadap silikon yang lebih tinggi mengurangi penumpukan langkah besar, mempertahankan informasi pertumbuhan permukaan kristal benih, dan menekan pembentukan politipe.
• Teknologi Kontrol 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 negatif pada kualitas lapisan epitaksial dan kinerja perangkat.

Gambar pemindaian wafer SiC 6 inci

Metode untuk Mengurangi Stres pada Kristal:

• Sesuaikan distribusi medan suhu dan parameter proses untuk memungkinkan pertumbuhan kristal tunggal SiC yang mendekati keseimbangan.
• Optimalkan struktur wadah peleburan untuk memungkinkan pertumbuhan kristal bebas dengan kendala minimal.
• Modifikasi teknik fiksasi kristal benih untuk mengurangi ketidaksesuaian ekspansi termal antara kristal benih dan dudukan grafit. Pendekatan yang umum adalah dengan menyisakan celah 2 mm antara kristal benih dan dudukan grafit.
• Tingkatkan proses anil dengan menerapkan anil tungku in-situ, sesuaikan suhu dan durasi anil untuk melepaskan tekanan internal sepenuhnya.

Tren Masa Depan dalam Teknologi Pertumbuhan Kristal Karbida Silikon

Ke depannya, teknologi persiapan kristal tunggal SiC berkualitas tinggi akan berkembang ke arah berikut:

1. Pertumbuhan Skala Besar
   Diameter kristal tunggal silikon karbida telah berkembang 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 kebutuhan 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
   Tingginya biaya persiapan kristal SiC 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 kontrol real-time menggunakan sensor dan sistem otomatis akan meningkatkan stabilitas dan pengendalian proses. Selain itu, analitik big data dapat mengoptimalkan parameter pertumbuhan, meningkatkan kualitas kristal dan efisiensi produksi.

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