Das Prinzip des PVT-Verfahrens zur Kristallzüchtung von Siliciumcarbid (SiC).

Das PVT-Verfahren, dessen vollständiger Name „Physical Vapor Transportation“ (physikalischer Dampftransport) lautet, ist eine gängige Methode zur Herstellung von Siliciumcarbid (SiCDie Kristallisation erfolgt unter hohen Temperaturen und hohem Druck. Das Grundprinzip besteht darin, Siliciumcarbidpulver bei einer Temperatur über 2300 °C und in einer Umgebung mit niedrigem Druck nahe dem Vakuum zu sublimieren. Dabei entsteht ein Reaktionsgas, das gasförmige Komponenten wie Si, Si₂C und SiC₂ enthält. Aufgrund der unterschiedlichen Partialdrücke der durch die Festphasensublimation entstehenden Si- und C-Komponenten in der Gasphase variiert das stöchiometrische Verhältnis von Si zu C mit der Temperaturverteilung. Daher ist es notwendig, die Verteilung und den Transport der gasförmigen Komponenten zu kontrollieren, um sicherzustellen, dass sie die spezifischen Kristallisationspositionen in der Wachstumskammer erreichen.

Um eine ungeordnete Gasphasenkristallisation und damit die Bildung von polykristallinem Siliciumcarbid zu verhindern, werden Siliciumcarbid-Impfkristalle oben in die Wachstumskammer eingebracht. Unter dem Einfluss der Gasphasenübersättigung lagern sich die Gaskomponenten auf der Oberfläche der Impfkristalle ab und bilden so Siliciumcarbid-Einkristalle. Der gesamte Reaktionsprozess findet in einer geschlossenen Wachstumskammer statt, in der alle Parameter des Reaktionssystems miteinander gekoppelt sind. Jegliche Schwankungen der Wachstumsbedingungen beeinträchtigen die Stabilität des Einkristallwachstums.

Darüber hinaus führen die unterschiedlichen dicht gepackten Strukturen von Siliciumcarbid-Einkristallen in Abhängigkeit von ihrer Kristallorientierung zu vielfältigen atomaren Verbindungen und Bindungsarten, wodurch über 200 Kristallformen von Siliciumcarbid-Isomeren entstehen. Die Energiebarriere zwischen den verschiedenen Kristallformen ist extrem niedrig, sodass Kristallformumwandlungen im PVT-Einkristallzüchtungssystem sehr wahrscheinlich sind. Dies führt zu ungeordneten Zielkristallformen und verschiedenen Kristallisationsdefekten. Daher ist der Einsatz spezieller Prüfgeräte zur Erkennung der Kristallform und verschiedener Defekte des Kristallblocks erforderlich.

Der Herstellungsprozess von Siliciumcarbid stellt extrem hohe Anforderungen, die sich vor allem in folgenden Aspekten äußern:

• Bei der Synthese von Siliciumcarbidpulver treten zahlreiche Umweltverunreinigungen auf, was die Gewinnung hochreinem Pulver erschwert. Die unvollständige Reaktion zwischen Silicium- und Kohlenstoffpulver als Reaktionsquelle führt häufig zu einem Ungleichgewicht im Si/C-Verhältnis. Kristallform und Partikelgröße des synthetisierten Siliciumcarbidpulvers sind schwer zu kontrollieren.
• Unter Bedingungen hoher Temperaturen über 2300 °C und nahezu Vakuum durchläuft Siliciumcarbid in einer geschlossenen Graphitkammer einen Fest-Gas-Fest-Umwandlungs- und Rekristallisationsprozess. Dieser Prozess weist einen langen Wachstumszyklus auf, ist schwer zu kontrollieren und neigt zu Defekten wie Mikrotubuli und Einschlüssen.
• Siliciumcarbid existiert in über 200 verschiedenen Kristallformen, für die Produktion wird jedoch üblicherweise nur eine benötigt. Während des Wachstumsprozesses kommt es häufig zu Kristallformumwandlungen, die zu vielfältigen Einschlussdefekten führen. Die stabile Kontrolle einer einzelnen Kristallform ist im Herstellungsprozess schwierig, und die Energiebarriere zwischen verschiedenen Kristallformen ist extrem niedrig, was die Kontrolle zusätzlich erschwert. Die Parameterkontrolle und die damit verbundene Forschung erfordern in diesem Zeitraum hohe F&E-Kosten, was auch einer der Gründe für die hohen Kosten von kompatiblem Siliciumcarbid ist.