Matériaux cristallins avancés pour semi-conducteurs

Le carbure de silicium (SiC) est devenu l'un des matériaux les plus stratégiques dans l'électronique de puissance, les dispositifs RF et les plateformes de semi-conducteurs de nouvelle génération. Parmi toutes les technologies de croissance cristalline disponibles, le transport physique en phase vapeur (PVT) reste la méthode industrielle dominante pour la production de monocristaux de SiC de haute qualité.

Dans le processus PVT, la poudre de SiC de haute pureté est sublimée thermiquement dans une chambre de croissance scellée, et les espèces de vapeur sont transportées et re-condensées sur un cristal germe, formant une boule de SiC monocristalline. Un système de croissance PVT typique se compose de trois sous-systèmes étroitement couplés : contrôle de la température, contrôle de la pression et assemblage de croissance cristalline.

1. Architecture du système de croissance PVT

1.1 Système de contrôle de la température

Deux modes de chauffage sont couramment utilisés dans les fours PVT SiC :

• Chauffage par induction (10 – 100 kHz) :
  Une bobine en quartz à double couche refroidie par eau induit des courants de Foucault dans le creuset en graphite, générant de la chaleur. Le creuset est entouré d'un feutre de graphite pour l'isolation thermique.

• Chauffage par résistance :
  Un élément chauffant en graphite produit de la chaleur Joule, qui est transférée au creuset par rayonnement, puis à la poudre de SiC par conduction.

Comparé au chauffage par résistance, le chauffage par induction offre un rendement plus élevé, des coûts de maintenance plus faibles et une conception de four plus simple, mais il est plus sensible aux perturbations externes et nécessite un contrôle du champ thermique plus sophistiqué.

1.2 Système de contrôle de la pression

Le système de pression vide d'abord la chambre à un vide poussé, puis introduit une quantité contrôlée de gaz inerte (généralement de l'argon). La pression de croissance doit être régulée avec précision, car la sublimation du SiC, le transport de la vapeur et la condensation dépendent fortement de la pression. Une croissance de haute qualité nécessite un couplage étroit du contrôle de la température et de la pression.

1.3 Assemblage de croissance cristalline

La région de croissance centrale se compose de :

• Creuset en graphite

• Poudre source de SiC

• Cristal germe

À haute température, la poudre de SiC se décompose en espèces de vapeur telles que Si, Si₂C et SiC₂. Ces espèces gazeuses migrent vers la région du cristal germe plus froide, où elles se recombinent et se cristallisent en SiC monocristallin.

2. Ingénierie du creuset et de la structure interne

La géométrie interne du creuset affecte fortement la taille des cristaux, l'uniformité de la croissance et la densité des défauts.

Les premiers travaux de SiCrystal (Allemagne) ont utilisé des cloisons en graphite pour forcer la nucléation parasite sur des surfaces sacrificielles, permettant au cristal principal de croître plus grand. DENSO a introduit des plaques de protection mobiles et des guides d'écoulement coniques pour contrôler le transport de la vapeur et améliorer l'uniformité des bords.

Les développements ultérieurs incluent :

• Cloisons de filtration des gaz (II-VI, SiCrystal)

• Couches de purification de la source (TankeBlue, Chine)

• Porte-germes mobiles et zones de croissance réglables (Institute of Physics, CAS ; SKC ; Showa Denko ; Tianyue Advanced)

Plus récemment, l'attention s'est portée sur le contrôle dynamique de la zone de croissance, tel que le levage du germe ou de la poudre source pour maintenir une différence de température stable et permettre des diamètres de boule plus importants.

3. Conception et orientation du cristal germe

La croissance du SiC est très anisotrope. L'orientation cristallographique du germe détermine directement le taux de croissance, la formation de défauts et la stabilité du polytype.

Les principaux développements historiques incluent :

• Siemens (1989) : face polaire (0001)

• Toyota (1997) : faces hors axe inclinées de 20°–55°

• Wolfspeed (2005) : petite inclinaison entre l'axe c et le gradient thermique

• Bridgestone (2008) : surfaces de germes convexes pour supprimer les micropipes

L'ingénierie de surface réduit encore les défauts :

• Rainures et textures périodiques (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Microstructures creuses pour contrôler l'écoulement des marches

4. Ingénierie des germes de grand diamètre

Les grosses boules de SiC nécessitent de gros germes. Puisque les gros germes natifs ne sont pas disponibles, la technologie des germes en mosaïque est largement utilisée.

• TankeBlue (2016) : petits germes liés → boules de 150 mm

• Université de Shandong (2019) : mosaïque + épitaxie latérale et de surface → ≥ 8 pouces de germes

Cette approche est désormais au cœur du développement des plaquettes de SiC de 200 mm.

5. Paramètres critiques de croissance du SiC

5.1 Gradient de température

Étant donné que la mesure directe à l'intérieur du creuset est impossible, des outils de simulation numérique (par exemple, Virtual Reactor) sont utilisés pour estimer les champs de température internes. Les gradients axial et radial déterminent la direction du transport de la vapeur, la sursaturation et la morphologie des cristaux.

5.2 Taux de croissance

Le taux de croissance du SiC augmente lorsque :

• La température augmente

• Le gradient de température source–germe augmente

• La pression de la chambre diminue

• La distance source–germe diminue

Cependant, des taux de croissance excessifs peuvent induire des défauts, une instabilité des polytypes et des contraintes.

5.3 Chimie de la vapeur

Le rapport C/Si est le paramètre thermodynamique le plus critique :

• Faible C/Si → favorise le 3C-SiC

• Vapeur riche en carbone → stabilise le 4H-SiC

La composition du gaz, les dopants et la pression du gaz inerte déterminent conjointement la sursaturation, le polytype et l'uniformité du dopage.

6. Perspectives

La croissance moderne de monocristaux de SiC est un problème d'optimisation multi-physique, impliquant :

• Pureté de la poudre et granulométrie

• Conception du creuset et du guide

• Orientation du germe et topologie de surface

• Contrôle dynamique de la température et de la pression

Pour augmenter les boules au-delà de 200 mm, les principales stratégies sont l'agrandissement de la zone de croissance et les germes en mosaïque de grande surface. Pour améliorer la qualité des cristaux, l'accent est mis sur la programmation pression-température, le contrôle de la chimie de la vapeur et l'ingénierie de la source.

Alors que les véhicules électriques, les modules d'alimentation IA et les réseaux haute tension stimulent la demande de SiC, la maîtrise de la physique de la croissance cristalline PVT restera l'avantage concurrentiel de base dans l'industrie mondiale des semi-conducteurs à large bande interdite.