SiCMá vlastnosti velkého zakázaného pásma, vysoké tepelné vodivosti, vysoké kritické intenzity průrazného pole a vysoké rychlosti driftu elektronové saturace. Dokáže splnit aplikační požadavky za podmínek vysokých teplot, vysokého tlaku, vysoké frekvence a vysokého výkonu. Může být široce používán v nových energetických vozidlech, fotovoltaice, průmyslovém řízení, radiofrekvenční komunikaci a dalších oblastech. S rychlým rozvojem souvisejících odvětví otevírá trh s polovodiči třetí generace, reprezentovaný karbidem křemíku, nové příležitosti.
Růst krystalů je základním článkem výroby substrátu z karbidu křemíku a základním zařízením je pec pro růst krystalů. Podobně jako u tradičních pecí pro růst krystalů krystalů krystalického křemíku není konstrukce pece příliš složitá. Skládá se hlavně z tělesa pece, topného systému, mechanismu přenosu cívky, systému pro snímání a měření vakua, systému plynových cest, chladicího systému, řídicího systému atd. Tepelné pole a procesní podmínky určují klíčové ukazatele kvality, velikosti, vodivosti a dalších klíčových ukazatelů krystalů karbidu křemíku.
Ⅰ. Problémy s technologií růstu krystalů karbidu křemíku
Teplota růstu krystalů karbidu křemíku je velmi vysoká a nelze ji monitorovat, takže hlavní problém spočívá v samotném procesu:
(1)Obtížnost s ovládáním tepelného poleMonitorování uzavřené vysokoteplotní dutiny je obtížné a nekontrolovatelné. Na rozdíl od tradičního zařízení pro růst krystalů na bázi křemíku s vysokým stupněm automatizace, které umožňuje pozorovat, kontrolovat a upravovat proces růstu krystalů, krystaly karbidu křemíku rostou v uzavřeném prostoru ve vysokoteplotním prostředí nad 2 000 °C a teplota růstu musí být během výroby přesně kontrolována, což ztěžuje regulaci teploty.
(2)Obtížnost s kontrolou krystalové formyMikrotrubice, polymorfní inkluze, dislokace a další defekty se mohou vyskytovat během procesu růstu a vzájemně se ovlivňují a vyvíjejí. Mikrotrubice (MP) jsou průchozí defekty o velikosti několika mikronů až desítek mikronů, které jsou klíčovými defekty zařízení. Monokrystaly karbidu křemíku zahrnují více než 200 různých krystalových forem, ale pouze několik krystalových struktur (Typ 4H) jsou polovodičové materiály potřebné pro výrobu. Během procesu růstu je pravděpodobné, že dojde k transformaci krystalové formy, což vede k polymorfním inkluzním defektům. Proto je nutné přesně kontrolovat parametry, jako je poměr křemíku a uhlíku, teplotní gradient růstu, rychlost růstu krystalů a tlak proudění plynu.
Kromě toho existuje v tepelném poli růstu monokrystalů karbidu křemíku teplotní gradient, který vede k přirozenému vnitřnímu napětí a výsledným dislokacím (dislokace bazální roviny BPD, šroubová dislokace TSD, okrajová dislokace TED) během procesu růstu krystalů, což ovlivňuje kvalitu a výkon následné epitaxe a zařízení.
(3)Obtížná dopingová kontrolaZavádění vnějších nečistot musí být přísně kontrolováno, aby se získal vodivý krystal se směrovým dopingem;
(4)Pomalé tempo růstuRychlost růstu karbidu křemíku je velmi pomalá. Tradičnísilikonové materiályK vyrůstání do krystalové tyčinky potřebují pouze 3 dny, zatímco krystalové tyčinky z karbidu křemíku potřebují 7 dní. To vede k přirozeně nižší efektivitě výroby karbidu křemíku a velmi omezenému výstupu.
Na druhou stranu jsou parametry epitaxního růstu karbidu křemíku extrémně náročné, včetně vzduchotěsnosti zařízení, stability tlaku plynu v reakční komoře, přesné regulace doby zavádění plynu, přesnosti poměru plynů a přísného řízení depoziční teploty. Zejména se zlepšením úrovně výdržného napětí zařízení výrazně zvýšila obtížnost regulace parametrů jádra epitaxní destičky.
Kromě toho se s rostoucí tloušťkou epitaxní vrstvy stává další velkou výzvou, jak řídit rovnoměrnost rezistivity a snížit hustotu defektů při současném zajištění tloušťky. V elektrifikovaném řídicím systému je nutné integrovat vysoce přesné senzory a akční členy, aby bylo zajištěno, že různé parametry lze přesně a stabilně regulovat. Současně je klíčová také optimalizace řídicího algoritmu. Musí být schopen upravovat řídicí strategii v reálném čase podle signálu zpětné vazby, aby se přizpůsobil různým změnám v...epitaxní růst karbidu křemíkuproces.
Ⅱ. Hlavní obtíže při výrobě substrátů z karbidu křemíku:
1. Růstová teplota je nad 2000 ℃, což je dvakrát více než u křemíku.
2. Tloušťka krystalové tyčinky je během růstu krystalu malá a 2cm krystalová tyčinka karbidu křemíku vyroste za 7 dní.
3. Požadavky na typ krystalu jsou vysoké a existuje jen málo monokrystalických karbidů křemíku s krystalovou strukturou.
4. Opotřebení při řezání je vysoké a karbid křemíku má extrémně vysokou tvrdost.
Stručně řečeno, vysoké časové náklady a složitá technologie zpracování určují vysokou cenu substrátů z karbidu křemíku, což omezuje použití karbidu křemíku.
III. Klasifikace pecí pro růst krystalů
Podle různých metod ohřevu lze pece pro růst krystalů rozdělit na indukční a odporové. V současné době je většina zařízení na trhu indukčního typu, což má výhody nízké ceny, jednoduché konstrukce, snadné údržby a vysoké tepelné účinnosti. V důsledku elektromagnetického indukčního efektu jsou však axiální a radiální teplota indukčního ohřevu propojeny a není možné zohlednit jak rychlost růstu krystalů, tak i kvalitu růstu krystalů.
Platforma pro růst s využitím tepelného pole s odporem dokáže přesně řídit axiální a radiální teplotu, což vede k růstu velkých krystalů a zlepšuje jejich rychlost růstu. Je to jedno z řešení pro budoucí růst vysoce kvalitních 20cm krystalů karbidu křemíku.
Porovnání indukční metody a metody odporu:
| Indukční metoda | Metoda odporu | |
| Princip fungování | Indukční ohřev je metoda tepelného zpracování, která využívá magnetický účinek elektrického proudu k vytvoření relativně vysoké hustoty indukovaného proudu na povrchové vrstvě obrobku, rychle jej ohřeje do austenitického stavu a poté jej rychle ochladí, aby se dosáhlo martenzitické struktury. | Odporový ohřev využívá jako zdroj tepla Jouleovo teplo generované proudem procházejícím vodičem. Lze jej rozdělit do dvou kategorií: nepřímý odporový ohřev (elektrický topný článek nebo vodivé médium) a přímý odporový ohřev. |
| Regulace teploty | Indukční metoda ohřívá vnitřní magnetické pole prostřednictvím indukční cívky vně kelímku. Rychlost ohřevu je vysoká, ale vzdálenost mezi indukční cívkou a kelímkem je velká, oblast záření je rozptýlená a je obtížné přesně regulovat generování tepla na povrchu kelímku v horizontálním směru. | Odporová metoda používá samostatný ohřívač, který je umístěn blízko kelímku. Nastavením ohřívače lze přesněji regulovat teplotu povrchu kelímku. |
| Růst velkých krystalů | Při přidání více topných cívek do struktury tepelného pole indukční metody se mohou magnetická pole křížově ovlivňovat, což má za následek, že magnetické pole a teplo se nerozdělují snadno podle konstrukčního účelu, což ovlivňuje topný účinek a růst krystalů. | Je snazší navrhnout vícestupňový nezávislý řídicí systém ohřevu pro zařízení pro růst krystalů s odporovým ohřevem a radiální gradient samotného zařízení je malý, což může splňovat potřeby růstu krystalů velkých rozměrů. |
| Cyklus růstu krystalů | Růst krystalů indukční metodou trvá přibližně 10 dní, žíhání 10–15 dní a celkový růstový cyklus je 20–25 dní. | Cyklus růstu krystalů je přibližně 5-7 dní a lze je automaticky žíhat a teplota po výpadku napájení pomalu klesá. |
| Spotřeba energie | Spotřeba energie u odporové metody je 2–3krát vyšší než u indukční metody. | |
| Úroveň výnosu | Výtěžek krystalů vypěstovaných v peci pro růst krystalů s odporovou metodou je výrazně lepší ve srovnání s pecí pro růst krystalů s indukční metodou. | |
Čas zveřejnění: 24. června 2025