SiCIma karakteristike velikog energetskog procjepa, visoke toplinske provodljivosti, visoke kritične jačine probojnog polja i visoke brzine zasićenja elektrona. Može zadovoljiti zahtjeve primjene pod visokim temperaturama, visokim pritiskom, visokim frekvencijama i uslovima velike snage. Može se široko koristiti u vozilima s novom energijom, fotonaponskim sistemima, industrijskoj kontroli, radiofrekventnim komunikacijama i drugim oblastima. S brzim razvojem srodnih industrija, tržište poluprovodnika treće generacije, predstavljeno silicijum karbidom, otvorilo je nove mogućnosti.
Rast kristala je ključna karika u proizvodnji silicijum karbidne podloge, a osnovna oprema je peć za rast kristala. Slično tradicionalnim pećima za rast kristala kristalnog silicijuma, struktura peći nije jako složena. Uglavnom se sastoji od tijela peći, sistema grijanja, mehanizma za prijenos zavojnice, sistema za akviziciju i mjerenje vakuuma, sistema za protok plina, sistema za hlađenje, sistema za kontrolu itd. Termičko polje i procesni uslovi određuju ključne pokazatelje kvaliteta, veličine, provodljivosti i drugih ključnih pokazatelja kristala silicijum karbida.
Ⅰ. Teškoće u tehnologiji rasta kristala silicijum karbida
Temperatura rasta kristala silicijum karbida je veoma visoka i ne može se pratiti, tako da glavna poteškoća leži u samom procesu:
(1)Teškoće u kontroli termalnog poljaPraćenje zatvorene visokotemperaturne šupljine je teško i nekontrolirano. Za razliku od tradicionalne opreme za rast kristala na bazi silicija izvlačenjem rastvora, koja ima visok stepen automatizacije i proces rasta kristala se može posmatrati, kontrolisati i podešavati, kristali silicijum karbida rastu u zatvorenom prostoru u okruženju visoke temperature iznad 2.000°C, a temperatura rasta mora biti precizno kontrolisana tokom proizvodnje, što otežava kontrolu temperature;
(2)Teškoća u kontroli kristalnog oblikaMikrocjevčice, polimorfne inkluzije, dislokacije i drugi defekti skloni su pojavi tokom procesa rasta, te utiču jedna na drugu i razvijaju se. Mikrocjevčice (MP) su defekti prolaznog tipa veličine od nekoliko mikrona do desetina mikrona, koji su ključni defekti uređaja. Monokristali silicijum karbida uključuju više od 200 različitih kristalnih oblika, ali samo nekoliko kristalnih struktura (Tip 4H) su poluprovodnički materijali potrebni za proizvodnju. Tokom procesa rasta sklona je transformaciji kristalnog oblika, što rezultira polimorfnim inkluzijskim defektima. Stoga je potrebno precizno kontrolirati parametre kao što su odnos silicija i ugljika, gradijent temperature rasta, brzina rasta kristala i pritisak protoka plina.
Pored toga, postoji temperaturni gradijent u termalnom polju rasta monokristala silicijum karbida, što dovodi do nativnog unutrašnjeg napona i rezultirajućih dislokacija (dislokacija bazalne ravni BPD, dislokacija vijaka TSD, dislokacija ivice TED) tokom procesa rasta kristala, što utiče na kvalitet i performanse naknadne epitaksije i uređaja.
(3)Teška doping kontrolaUvođenje vanjskih nečistoća mora biti strogo kontrolirano kako bi se dobio provodni kristal s usmjerenim dopiranjem;
(4)Spora stopa rastaStopa rasta silicijum karbida je veoma spora. Tradicionalnosilikonski materijaliPotrebna su samo 3 dana da izrastu u kristalnu šipku, dok je kristalnim šipkama silicijum karbida potrebno 7 dana. To dovodi do prirodno niže efikasnosti proizvodnje silicijum karbida i vrlo ograničenog prinosa.
S druge strane, parametri epitaksijalnog rasta silicijum karbida su izuzetno zahtjevni, uključujući hermetičnost opreme, stabilnost pritiska gasa u reakcijskoj komori, preciznu kontrolu vremena uvođenja gasa, tačnost odnosa gasa i strogo upravljanje temperaturom taloženja. Posebno, s poboljšanjem nivoa napona otpornosti uređaja, teškoća kontrole parametara jezgra epitaksijalne pločice značajno se povećala.
Pored toga, s povećanjem debljine epitaksijalnog sloja, još jedan veliki izazov je postao kako kontrolisati ujednačenost otpornosti i smanjiti gustinu defekata uz osiguranje debljine. U elektrificiranom sistemu upravljanja potrebno je integrisati visokoprecizne senzore i aktuatore kako bi se osiguralo da se različiti parametri mogu precizno i stabilno regulisati. Istovremeno, optimizacija algoritma upravljanja je također ključna. Potrebno je da bude moguće prilagoditi strategiju upravljanja u realnom vremenu prema povratnom signalu kako bi se prilagodio različitim promjenama uEpitaksijalni rast silicijum karbidaproces.
Ⅱ. Glavne poteškoće u proizvodnji silicijum-karbidnih podloga:
1. Temperatura rasta je iznad 2000℃, što je dvostruko više od temperature rasta silicija.
2. Debljina kristalnog štapića je mala tokom perioda rasta kristala, a štapić kristala silicijum karbida od 2 cm naraste za 7 dana.
3. Zahtjevi za tip kristala su visoki, a postoji samo nekoliko monokristalnih silicijum karbida sa kristalnim strukturama.
4. Habanje rezanjem je veliko, a silicijum karbid ima izuzetno visoku tvrdoću.
Ukratko, visoki vremenski troškovi i složena tehnologija obrade određuju visoku cijenu silicijum karbidnih supstrata, što ograničava primjenu silicijum karbida.
III. Klasifikacija peći za rast kristala
Prema različitim metodama zagrijavanja, peći za rast kristala mogu se podijeliti na indukcijske i otporne peći. Trenutno je većina opreme na tržištu indukcijskog tipa, koja ima prednosti niske cijene, jednostavne strukture, jednostavnog održavanja i visoke termičke efikasnosti. Međutim, zbog efekta elektromagnetne indukcije, aksijalna i radijalna temperatura indukcijskog zagrijavanja su povezane, te je nemoguće uzeti u obzir i brzinu rasta kristala i kvalitet rasta kristala.
Platforma za rast otpornim termalnim poljem može precizno kontrolisati aksijalnu i radijalnu temperaturu, što pogoduje rastu kristala velikih dimenzija i poboljšava brzinu rasta kristala. To je jedno od rješenja za budući rast visokokvalitetnih kristala silicijum karbida od 8 inča.
Poređenje između indukcijske metode i metode otpora:
| Indukcijska metoda | Metoda otpora | |
| Princip rada | Indukcijsko zagrijavanje je metoda termičke obrade koja koristi magnetski učinak električne struje za stvaranje relativno visoke gustoće indukovane struje na površinskom sloju obratka, brzo ga zagrijava do austenitnog stanja, a zatim ga brzo hladi kako bi se dobila martenzitna struktura. | Otporno zagrijavanje koristi Džulovu toplinu koju generira struja koja prolazi kroz provodnik kao izvor topline. Može se podijeliti u dvije kategorije: indirektno otporno zagrijavanje (električni grijaći element ili provodni medij) i direktno otporno zagrijavanje. |
| Kontrola temperature | Indukcijska metoda zagrijava unutrašnje magnetsko polje putem indukcijske zavojnice izvan lončića. Brzina zagrijavanja je velika, ali je udaljenost između indukcijske zavojnice i lončića velika, područje zračenja je raspršeno i teško je precizno kontrolirati stvaranje topline površine lončića u horizontalnom smjeru. | Metoda otpora postavlja zaseban grijač, koji je blizu lončića. Podešavanjem grijača, temperatura površine lončića može se preciznije kontrolirati. |
| Rast velikih kristala | Prilikom dodavanja više grijaćih zavojnica strukturi termalnog polja indukcijske metode, magnetska polja mogu međusobno interferirati, što rezultira time da se magnetsko polje i toplina ne raspoređuju lako u skladu s namjenom, što utječe na učinak zagrijavanja i rast kristala. | Lakše je dizajnirati višestepeni nezavisni kontrolni sistem grijanja za opremu za rast kristala otpornim zagrijavanjem, a radijalni gradijent same opreme je mali, što može zadovoljiti potrebe rasta kristala velikih dimenzija. |
| Ciklus rasta kristala | Rast kristala indukcijskom metodom traje oko 10 dana, žarenje traje 10-15 dana, a ukupni ciklus rasta je 20-25 dana. | Ciklus rasta kristala traje oko 5-7 dana, može se automatski žariti, a temperatura polako pada nakon nestanka struje. |
| Potrošnja energije | Potrošnja energije kod metode otpora je 2-3 puta veća od one kod indukcijske metode. | |
| Nivo prinosa | Prinos kristala uzgojenih u peći za rast kristala otpornom metodom znatno je poboljšan u poređenju sa peći za rast kristala indukcijskom metodom. | |
Vrijeme objave: 24. juni 2025.