Metode utama untuk menumbuhkan kristal tunggal silikon karbida meliputi Pengangkutan Uap Fisik (PVT), Pertumbuhan Larutan Benih Atas (TSSG), dan Pengendapan Uap Kimia Suhu Tinggi (HT-CVD).

Di antara ini, metode PVT telah menjadi teknik utama untuk produksi industri karena pengaturan peralatannya yang relatif sederhana, kemudahan pengoperasian dan kontrol, serta biaya peralatan dan operasional yang lebih rendah.

---

Poin Teknis Utama Pertumbuhan Kristal SiC Menggunakan Metode PVT

Untuk menumbuhkan kristal silikon karbida menggunakan metode PVT, beberapa aspek teknis harus dikontrol dengan cermat:

1. Kemurnian Bahan Grafit di Bidang Termal
   Material grafit yang digunakan dalam bidang termal pertumbuhan kristal harus memenuhi persyaratan kemurnian yang ketat. Kandungan pengotor dalam komponen grafit harus di bawah 5×10⁻⁶, dan untuk kain felt insulasi di bawah 10×10⁻⁶. Khususnya, kandungan boron (B) dan aluminium (Al) masing-masing harus di bawah 0,1×10⁻⁶.

2. Polaritas Kristal Benih yang Benar
   Data empiris menunjukkan bahwa permukaan C (0001) cocok untuk menumbuhkan kristal 4H-SiC, sedangkan permukaan Si (0001) cocok untuk pertumbuhan 6H-SiC.

3. Penggunaan Kristal Benih Off-Axis
   Benih di luar sumbu dapat mengubah simetri pertumbuhan, mengurangi cacat kristal, dan meningkatkan kualitas kristal yang lebih baik.

4. Teknik Ikatan Kristal Benih yang Andal
   Ikatan yang tepat antara kristal benih dan tempatnya sangat penting untuk stabilitas selama pertumbuhan.

5. Menjaga Stabilitas Antarmuka Pertumbuhan
   Selama seluruh siklus pertumbuhan kristal, antarmuka pertumbuhan harus tetap stabil untuk memastikan pengembangan kristal berkualitas tinggi.

 

---

Teknologi Inti dalam Pertumbuhan Kristal SiC

1. Teknologi Doping untuk Bubuk SiC

Doping serbuk SiC dengan cerium (Ce) dapat menstabilkan pertumbuhan politipe tunggal seperti 4H-SiC. Praktik telah menunjukkan bahwa doping Ce dapat:

• Meningkatkan laju pertumbuhan kristal SiC;

• Memperbaiki orientasi kristal untuk pertumbuhan yang lebih seragam dan terarah;

• Mengurangi kotoran dan cacat;

• Menekan korosi bagian belakang kristal;

• Meningkatkan tingkat hasil kristal tunggal.

2. Kontrol Gradien Termal Aksial dan Radial

Gradien suhu aksial memengaruhi politipe kristal dan laju pertumbuhan. Gradien yang terlalu kecil dapat menyebabkan inklusi politipe dan berkurangnya transpor material dalam fase uap. Mengoptimalkan gradien aksial dan radial sangat penting untuk pertumbuhan kristal yang cepat dan stabil dengan kualitas yang konsisten.

3. Teknologi Pengendalian Dislokasi Bidang Basal (BPD)

BPD terbentuk terutama karena tegangan geser yang melebihi ambang batas kritis pada kristal SiC, yang mengaktifkan sistem slip. Karena BPD tegak lurus terhadap arah pertumbuhan, BPD biasanya terbentuk selama pertumbuhan dan pendinginan kristal. Meminimalkan tegangan internal dapat mengurangi kepadatan BPD secara signifikan.

4. Kontrol Rasio Komposisi Fase Uap

Peningkatan rasio karbon terhadap silikon dalam fase uap merupakan metode yang terbukti efektif untuk mendorong pertumbuhan politipe tunggal. Rasio C/Si yang tinggi mengurangi penumpukan makrostep dan mempertahankan pewarisan permukaan dari kristal benih, sehingga menghambat pembentukan politipe yang tidak diinginkan.

5. Teknik Pertumbuhan Rendah Stres

Tekanan selama pertumbuhan kristal dapat menyebabkan bidang kisi melengkung, retakan, dan kepadatan BPD yang lebih tinggi. Cacat ini dapat terbawa ke lapisan epitaksial dan berdampak negatif pada kinerja perangkat.

Beberapa strategi untuk mengurangi tekanan kristal internal meliputi:

• Menyesuaikan distribusi medan termal dan parameter proses untuk mendorong pertumbuhan mendekati keseimbangan;

• Mengoptimalkan desain wadah peleburan untuk memungkinkan kristal tumbuh bebas tanpa kendala mekanis;

• Memperbaiki konfigurasi tempat penampung benih untuk mengurangi ketidaksesuaian ekspansi termal antara benih dan grafit selama pemanasan, seringkali dengan menyisakan celah 2 mm antara benih dan tempat penampung;

• Memperbaiki proses anil, membiarkan kristal mendingin dengan tungku, dan menyesuaikan suhu dan durasi untuk sepenuhnya menghilangkan tekanan internal.

---

Tren dalam Teknologi Pertumbuhan Kristal SiC

1. Ukuran Kristal yang Lebih Besar
Diameter kristal tunggal SiC telah meningkat dari hanya beberapa milimeter menjadi wafer 6 inci, 8 inci, dan bahkan 12 inci. Wafer yang lebih besar meningkatkan efisiensi produksi dan mengurangi biaya, sekaligus memenuhi kebutuhan aplikasi perangkat berdaya tinggi.

2. Kualitas Kristal Lebih Tinggi
Kristal SiC berkualitas tinggi sangat penting untuk perangkat berkinerja tinggi. Meskipun telah mengalami peningkatan yang signifikan, kristal yang ada saat ini masih menunjukkan cacat seperti mikropipa, dislokasi, dan pengotor, yang semuanya dapat menurunkan kinerja dan keandalan perangkat.

3. Pengurangan Biaya
Produksi kristal SiC masih relatif mahal, sehingga membatasi adopsi yang lebih luas. Mengurangi biaya melalui proses pertumbuhan yang optimal, peningkatan efisiensi produksi, dan biaya bahan baku yang lebih rendah sangat penting untuk memperluas aplikasi pasar.

4. Manufaktur Cerdas
Dengan kemajuan dalam kecerdasan buatan dan teknologi data besar, pertumbuhan kristal SiC bergerak menuju proses yang cerdas dan otomatis. Sensor dan sistem kontrol dapat memantau dan menyesuaikan kondisi pertumbuhan secara real-time, meningkatkan stabilitas dan prediktabilitas proses. Analisis data dapat lebih mengoptimalkan parameter proses dan kualitas kristal.

Pengembangan teknologi pertumbuhan kristal tunggal SiC berkualitas tinggi menjadi fokus utama dalam penelitian material semikonduktor. Seiring kemajuan teknologi, metode pertumbuhan kristal akan terus berkembang dan disempurnakan, memberikan fondasi yang kokoh bagi aplikasi SiC pada perangkat elektronik bersuhu tinggi, berfrekuensi tinggi, dan berdaya tinggi.