Materiali avanzati per cristalli semiconduttori

Il carburo di silicio (SiC) è diventato uno dei materiali più strategici nell'elettronica di potenza, nei dispositivi RF e nelle piattaforme di semiconduttori di nuova generazione. Tra tutte le tecnologie di crescita dei cristalli disponibili, il trasporto di vapore fisico (PVT) rimane il metodo industriale dominante per la produzione di cristalli singoli di SiC sfusi di alta qualità.

Nel processo PVT, la polvere di SiC ad alta purezza viene sublimata termicamente in una camera di crescita sigillata e le specie di vapore vengono trasportate e ricondensate su un cristallo seme, formando un lingotto di SiC monocristallino. Un tipico sistema di crescita PVT è costituito da tre sottosistemi strettamente accoppiati: controllo della temperatura, controllo della pressione e assemblaggio della crescita dei cristalli.

1. Architettura del sistema di crescita PVT

1.1 Sistema di controllo della temperatura

Due modalità di riscaldamento sono comunemente utilizzate nei forni PVT SiC:

• Riscaldamento a induzione (10–100 kHz):
  Una bobina di quarzo a doppio strato raffreddata ad acqua induce correnti parassite nel crogiolo di grafite, generando calore. Il crogiolo è circondato da feltro di grafite per l'isolamento termico.

• Riscaldamento a resistenza:
  Un riscaldatore di grafite produce calore Joule, che viene trasferito al crogiolo per irraggiamento e quindi alla polvere di SiC per conduzione.

Rispetto al riscaldamento a resistenza, il riscaldamento a induzione offre maggiore efficienza, minori costi di manutenzione e un design del forno più semplice, ma è più sensibile alle perturbazioni esterne e richiede un controllo del campo termico più sofisticato.

1.2 Sistema di controllo della pressione

Il sistema di pressione evacua prima la camera ad alto vuoto, quindi introduce una quantità controllata di gas inerte (tipicamente argon). La pressione di crescita deve essere regolata con precisione, poiché la sublimazione del SiC, il trasporto del vapore e la condensazione dipendono fortemente dalla pressione. Una crescita di alta qualità richiede un stretto accoppiamento del controllo della temperatura e della pressione.

1.3 Assemblaggio della crescita dei cristalli

La regione di crescita principale è costituita da:

• Crogiolo di grafite

• Polvere di sorgente SiC

• Cristallo seme

Ad alta temperatura, la polvere di SiC si decompone in specie di vapore come Si, Si₂C e SiC₂. Queste specie gassose migrano verso la regione del cristallo seme più fredda, dove si ricombinano e cristallizzano in SiC monocristallino.

2. Crogiolo e ingegneria della struttura interna

La geometria interna del crogiolo influisce fortemente sulle dimensioni dei cristalli, sull'uniformità della crescita e sulla densità dei difetti.

I primi lavori di SiCrystal (Germania) utilizzavano partizioni di grafite per forzare la nucleazione parassita sulle superfici sacrificali, consentendo al cristallo principale di crescere più grande. DENSO ha introdotto piastre di schermatura mobili e guide di flusso coniche per controllare il trasporto del vapore e migliorare l'uniformità dei bordi.

Gli sviluppi successivi includono:

• Partizioni di filtraggio del gas (II-VI, SiCrystal)

• Strati di purificazione della sorgente (TankeBlue, Cina)

• Porta semi mobili e zone di crescita regolabili (Institute of Physics, CAS; SKC; Showa Denko; Tianyue Advanced)

Più recentemente, l'attenzione si è spostata sul controllo dinamico della zona di crescita, come il sollevamento del seme o della polvere di sorgente per mantenere una differenza di temperatura stabile e consentire diametri di lingotti maggiori.

3. Progettazione e orientamento del cristallo seme

La crescita del SiC è altamente anisotropa. L'orientamento cristallografico del seme determina direttamente la velocità di crescita, la formazione di difetti e la stabilità del politipo.

Gli sviluppi storici chiave includono:

• Siemens (1989): faccia polare (0001)

• Toyota (1997): facce fuori asse inclinate di 20°–55°

• Wolfspeed (2005): piccola inclinazione tra l'asse c e il gradiente termico

• Bridgestone (2008): superfici dei semi convesse per sopprimere i micropip

L'ingegneria delle superfici riduce ulteriormente i difetti:

• Scanalature e trame periodiche (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Microstrutture cave per controllare il flusso a gradini

4. Ingegneria dei semi di grande diametro

I lingotti di SiC di grandi dimensioni richiedono semi di grandi dimensioni. Poiché i semi nativi di grandi dimensioni non sono disponibili, la tecnologia dei semi a mosaico è ampiamente utilizzata.

• TankeBlue (2016): semi piccoli legati → lingotti da 150 mm

• Università di Shandong (2019): mosaico + epitassia laterale e superficiale → semi ≥8 pollici

Questo approccio è ora fondamentale per lo sviluppo di wafer SiC da 200 mm.5. Parametri critici di crescita del SiC5.1 Gradiente di temperatura

Poiché la misurazione diretta all'interno del crogiolo è impossibile, vengono utilizzati strumenti di simulazione numerica (ad esempio, Virtual Reactor) per stimare i campi di temperatura interni. I gradienti assiali e radiali determinano la direzione del trasporto del vapore, la sovrasaturazione e la morfologia dei cristalli.

5.2 Velocità di crescita

La velocità di crescita del SiC aumenta quando:

La temperatura aumenta

Il gradiente di temperatura sorgente–seme aumenta

• La pressione della camera diminuisce

• La distanza sorgente–seme diminuisce

• Tuttavia, velocità di crescita eccessive possono indurre difetti, instabilità del politipo e stress.

• 5.3 Chimica del vapore

Il rapporto C/Si è il parametro termodinamico più critico:

Basso C/Si → favorisce 3C-SiC

Vapore ricco di carbonio → stabilizza 4H-SiC

• La composizione del gas, i droganti e la pressione del gas inerte determinano congiuntamente la sovrasaturazione, il politipo e l'uniformità del drogaggio.

• 6. Prospettive

La moderna crescita di cristalli singoli di SiC è un problema di ottimizzazione multifisica, che coinvolge:

Purezza della polvere e dimensione delle particelle

Progettazione del crogiolo e della guida

• Orientamento del seme e topologia della superficie

• Controllo dinamico della temperatura e della pressione

• Per aumentare i lingotti oltre i 200 mm, le strategie principali sono l'ingrandimento della zona di crescita e i semi a mosaico di grandi dimensioni. Per migliorare la qualità dei cristalli, l'attenzione si sposta sulla programmazione della pressione-temperatura, sul controllo della chimica del vapore e sull'ingegneria della sorgente.

• Poiché i veicoli elettrici, i moduli di alimentazione AI e le reti ad alta tensione guidano la domanda di SiC, la padronanza della fisica della crescita dei cristalli PVT rimarrà il principale vantaggio competitivo nel settore globale dei semiconduttori a banda larga.