SiCTé les característiques d'un gran interval de banda, alta conductivitat tèrmica, alta força de camp de ruptura crítica i alta taxa de deriva de saturació d'electrons. Pot complir els requisits de l'aplicació en condicions d'alta temperatura, alta pressió, alta freqüència i alta potència. Es pot utilitzar àmpliament en vehicles de nova energia, fotovoltaica, control industrial, comunicacions per radiofreqüència i altres camps. Amb el ràpid desenvolupament d'indústries relacionades, el mercat de semiconductors de tercera generació representat pel carbur de silici ha obert noves oportunitats.
El creixement de cristalls és l'enllaç central de la producció de substrats de carbur de silici, i l'equip principal és el forn de creixement de cristalls. De manera similar als forns de creixement de cristalls de grau silici cristal·lí tradicionals, l'estructura del forn no és gaire complicada. Està composta principalment pel cos del forn, el sistema de calefacció, el mecanisme de transmissió de la bobina, el sistema d'adquisició i mesurament del buit, el sistema de ruta de gas, el sistema de refrigeració, el sistema de control, etc. El camp tèrmic i les condicions del procés determinen els indicadors clau de la qualitat, la mida, la conductivitat i altres indicadors clau del cristall de carbur de silici.
Ⅰ. Dificultats en la tecnologia de creixement de cristalls de carbur de silici
La temperatura de creixement del cristall de carbur de silici és molt alta i no es pot controlar, per la qual cosa la principal dificultat rau en el procés en si:
(1)Dificultat per controlar el camp tèrmicLa monitorització de la cavitat tancada a alta temperatura és difícil i incontrolable. A diferència dels equips tradicionals de creixement de cristalls estirats per solució basats en silici, que tenen un alt grau d'automatització i el procés de creixement del cristall es pot observar, controlar i ajustar, els cristalls de carbur de silici creixen en un espai tancat en un entorn d'alta temperatura per sobre dels 2.000 °C, i la temperatura de creixement s'ha de controlar amb precisió durant la producció, cosa que dificulta el control de la temperatura;
(2)Dificultat per controlar la forma cristal·linaEls microtubs, les inclusions polimòrfiques, les dislocacions i altres defectes són propensos a aparèixer durant el procés de creixement, i s'afecten i evolucionen mútuament. Els microtubs (MP) són defectes de tipus transvers amb una mida de diverses micres a desenes de micres, que són defectes importants dels dispositius. Els monocristalls de carbur de silici inclouen més de 200 formes cristal·lines diferents, però només unes poques estructures cristal·lines (Tipus 4H) són els materials semiconductors necessaris per a la producció. La transformació de la forma cristal·lina és propensa a produir-se durant el procés de creixement, donant lloc a defectes d'inclusió polimòrfica. Per tant, cal controlar amb precisió paràmetres com la relació silici-carboni, el gradient de temperatura de creixement, la velocitat de creixement del cristall i la pressió del flux de gas.
A més, hi ha un gradient de temperatura en el camp tèrmic del creixement del monocristall de carbur de silici, que condueix a una tensió interna nativa i les dislocacions resultants (dislocació del pla basal BPD, dislocació del cargol TSD, dislocació de la vora TED) durant el procés de creixement del cristall, afectant així la qualitat i el rendiment de l'epitàxia i els dispositius posteriors.
(3)Control de dopatge difícilLa introducció d'impureses externes ha de ser estrictament controlada per obtenir un cristall conductor amb dopatge direccional;
(4)Taxa de creixement lentaLa taxa de creixement del carbur de silici és molt lenta. Tradicionalmaterials de silicinomés necessiten 3 dies per convertir-se en una vareta de cristall, mentre que les varetes de cristall de carbur de silici necessiten 7 dies. Això porta a una eficiència de producció naturalment menor de carbur de silici i a una producció molt limitada.
D'altra banda, els paràmetres del creixement epitaxial del carbur de silici són extremadament exigents, com ara l'hermeticitat de l'equip, l'estabilitat de la pressió del gas a la cambra de reacció, el control precís del temps d'introducció del gas, la precisió de la relació de gas i la gestió estricta de la temperatura de deposició. En particular, amb la millora del nivell de tensió de resistència del dispositiu, la dificultat de controlar els paràmetres bàsics de l'oblia epitaxial ha augmentat significativament.
A més, amb l'augment del gruix de la capa epitaxial, com controlar la uniformitat de la resistivitat i reduir la densitat de defectes alhora que es garanteix el gruix s'ha convertit en un altre repte important. En el sistema de control electrificat, cal integrar sensors i actuadors d'alta precisió per garantir que diversos paràmetres es puguin regular amb precisió i estabilitat. Al mateix temps, l'optimització de l'algoritme de control també és crucial. Cal poder ajustar l'estratègia de control en temps real segons el senyal de retroalimentació per adaptar-se a diversos canvis en elcreixement epitaxial de carbur de siliciprocés.
Ⅱ. Les principals dificultats en la fabricació de substrats de carbur de silici:
1. La temperatura de creixement és superior a 2000 ℃, que és el doble que la del silici.
2. El gruix de la vareta de cristall és petit durant el període de creixement del cristall, i una vareta de cristall de carbur de silici de 2 cm creix en 7 dies.
3. Els requisits del tipus de cristall són alts i només hi ha uns quants carburs de silici monocristallins amb estructures cristal·lines.
4. El desgast del tall és elevat i el carbur de silici té una duresa extremadament alta.
En resum, el cost de temps elevat i la tecnologia de processament complexa determinen l'alt cost dels substrats de carbur de silici, cosa que limita l'aplicació del carbur de silici.
III. Classificació dels forns de creixement de cristalls
Segons els diferents mètodes d'escalfament, els forns de creixement de cristalls es poden dividir en tipus d'inducció i tipus de resistència. Actualment, la majoria dels equips del mercat són de tipus d'inducció, que tenen els avantatges de baix cost, estructura senzilla, manteniment convenient i alta eficiència tèrmica. Tanmateix, a causa de l'efecte d'inducció electromagnètica, la temperatura axial i la temperatura radial de l'escalfament per inducció estan acoblades, i és impossible tenir en compte tant la velocitat de creixement del cristall com la qualitat del creixement del cristall.
La plataforma de creixement de camp tèrmic de resistència pot controlar amb precisió la temperatura axial i la temperatura radial respectivament, cosa que afavoreix el creixement de cristalls de gran mida i millora la taxa de creixement del cristall. És una de les solucions per al futur creixement de cristalls de carbur de silici d'alta qualitat de 8 polzades.
Comparació entre el mètode d'inducció i el mètode de resistència:
| Mètode d'inducció | Mètode de resistència | |
| Principi de funcionament | L'escalfament per inducció és un mètode de tractament tèrmic que utilitza l'efecte magnètic del corrent elèctric per crear una densitat relativament alta de corrent induït a la capa superficial de la peça, l'escalfa ràpidament a l'estat d'austenita i després la refreda ràpidament per obtenir una estructura martensítica. | L'escalfament per resistència utilitza la calor per Joule generada pel corrent que passa pel conductor com a font de calor. Es pot dividir en dues categories: escalfament per resistència indirecta (element calefactor elèctric o medi conductor) i escalfament per resistència directa. |
| Control de temperatura | El mètode d'inducció escalfa el camp magnètic intern a través de la bobina d'inducció a l'exterior del gresol. La velocitat d'escalfament és ràpida, però la distància entre la bobina d'inducció i el gresol és gran, la zona de radiació es dispersa i és difícil controlar amb precisió la generació de calor de la superfície del gresol en direcció horitzontal. | El mètode de resistència estableix un escalfador separat, que es troba a prop del gresol. Ajustant l'escalfador, la temperatura de la superfície del gresol es pot controlar amb més precisió. |
| Creixement de cristalls de gran mida | Quan s'afegeixen diverses bobines de calefacció a l'estructura del camp tèrmic del mètode d'inducció, els camps magnètics poden interferir entre si, cosa que fa que el camp magnètic i la calor no es distribueixin fàcilment segons el propòsit del disseny, cosa que afecta l'efecte de calefacció i el creixement del cristall. | És més fàcil dissenyar un sistema de calefacció de control independent de diverses etapes per a equips de creixement de cristalls de calefacció per resistència, i el gradient radial de l'equip en si és petit, cosa que pot satisfer les necessitats del creixement de cristalls de gran mida. |
| Cicle de creixement dels cristalls | El creixement del cristall per mètode d'inducció triga uns 10 dies, el recuit triga entre 10 i 15 dies i el cicle de creixement total és de 20 a 25 dies. | El cicle de creixement del cristall és d'uns 5-7 dies, i es pot recuit automàticament, i la temperatura baixa lentament després d'una fallada d'energia. |
| Consum d'energia | El consum d'energia del mètode de resistència és 2-3 vegades superior al del mètode d'inducció. | |
| Nivell de rendiment | El rendiment dels cristalls cultivats pel forn de creixement de cristalls amb mètode de resistència millora considerablement en comparació amb el forn de creixement de cristalls amb mètode d'inducció. | |
Data de publicació: 24 de juny de 2025