SicPresenta características como una amplia banda prohibida, alta conductividad térmica, alta rigidez dieléctrica y alta tasa de deriva de saturación electrónica. Cumple con los requisitos de aplicación en condiciones de alta temperatura, alta presión, alta frecuencia y alta potencia. Se utiliza ampliamente en vehículos de nueva energía, energía fotovoltaica, control industrial, comunicaciones por radiofrecuencia y otros campos. Con el rápido desarrollo de las industrias relacionadas, el mercado de semiconductores de tercera generación, representado por el carburo de silicio, ha abierto nuevas oportunidades.
El crecimiento de cristales es el eslabón fundamental en la producción de sustratos de carburo de silicio, y el equipo principal es el horno de crecimiento de cristales. Al igual que los hornos tradicionales de crecimiento de cristales de silicio cristalino, la estructura del horno no es muy compleja. Se compone principalmente del cuerpo del horno, el sistema de calentamiento, el mecanismo de transmisión de la bobina, el sistema de adquisición y medición de vacío, el sistema de flujo de gas, el sistema de enfriamiento, el sistema de control, etc. El campo térmico y las condiciones del proceso determinan los indicadores clave de la calidad, el tamaño, la conductividad y otros parámetros del cristal de carburo de silicio.
I. Dificultades en la tecnología de crecimiento de cristales de carburo de silicio
La temperatura de crecimiento de los cristales de carburo de silicio es muy alta y no se puede controlar, por lo que la principal dificultad reside en el proceso en sí:
(1)Dificultad para controlar el campo térmico: La monitorización de la cavidad cerrada de alta temperatura es difícil e incontrolable. A diferencia de los equipos tradicionales de crecimiento de cristales por extracción de solución basados en silicio, que tienen un alto grado de automatización y el proceso de crecimiento del cristal se puede observar, controlar y ajustar, los cristales de carburo de silicio crecen en un espacio cerrado en un entorno de alta temperatura por encima de los 2000 °C, y la temperatura de crecimiento debe controlarse con precisión durante la producción, lo que dificulta el control de la temperatura;
(2)Dificultad para controlar la forma cristalina: Las micropipas, las inclusiones polimórficas, las dislocaciones y otros defectos son propensos a ocurrir durante el proceso de crecimiento, y se afectan y evolucionan entre sí. Las micropipas (MP) son defectos de tipo pasante con un tamaño de varias micras a decenas de micras, que son defectos críticos para los dispositivos. Los monocristales de carburo de silicio incluyen más de 200 formas cristalinas diferentes, pero solo unas pocas estructuras cristalinas (tipo 4HLos materiales semiconductores necesarios para la producción son... Durante el proceso de crecimiento, es probable que se produzcan transformaciones en la forma cristalina, lo que da lugar a defectos de inclusión polimórfica. Por lo tanto, es necesario controlar con precisión parámetros como la relación silicio-carbono, el gradiente de temperatura de crecimiento, la velocidad de crecimiento del cristal y la presión del flujo de gas.
Además, existe un gradiente de temperatura en el campo térmico del crecimiento de monocristales de carburo de silicio, lo que genera tensiones internas intrínsecas y las dislocaciones resultantes (dislocación del plano basal BPD, dislocación helicoidal TSD, dislocación de borde TED) durante el proceso de crecimiento del cristal, afectando así la calidad y el rendimiento de la epitaxia y los dispositivos posteriores.
(3)Control de dopaje difícil: La introducción de impurezas externas debe controlarse estrictamente para obtener un cristal conductor con dopaje direccional;
(4)Tasa de crecimiento lenta: La tasa de crecimiento del carburo de silicio es muy lenta. Tradicionalmateriales de silicioLas varillas de cristal de silicio solo necesitan 3 días para crecer, mientras que las de carburo de silicio requieren 7 días. Esto conlleva una menor eficiencia de producción de carburo de silicio y una producción muy limitada.
Por otro lado, los parámetros del crecimiento epitaxial de carburo de silicio son extremadamente exigentes, incluyendo la hermeticidad del equipo, la estabilidad de la presión del gas en la cámara de reacción, el control preciso del tiempo de introducción del gas, la exactitud de la proporción de gases y la gestión rigurosa de la temperatura de deposición. En particular, con la mejora del nivel de tensión de ruptura del dispositivo, la dificultad para controlar los parámetros clave de la oblea epitaxial ha aumentado significativamente.
Además, con el aumento del espesor de la capa epitaxial, controlar la uniformidad de la resistividad y reducir la densidad de defectos, al tiempo que se garantiza el espesor, se ha convertido en otro desafío importante. En el sistema de control electrificado, es necesario integrar sensores y actuadores de alta precisión para garantizar que los diversos parámetros se puedan regular de forma precisa y estable. Al mismo tiempo, la optimización del algoritmo de control también es crucial. Debe ser capaz de ajustar la estrategia de control en tiempo real según la señal de retroalimentación para adaptarse a los diversos cambios en lacrecimiento epitaxial de carburo de silicioproceso.
II. Las principales dificultades en la fabricación de sustratos de carburo de silicio:
1. La temperatura de crecimiento es superior a 2000℃, el doble de alta que la del silicio.
2. El grosor de la varilla de cristal es pequeño durante el período de crecimiento del cristal, y una varilla de cristal de carburo de silicio de 2 cm crece en 7 días.
3. Los requisitos del tipo de cristal son altos, y solo existen unos pocos carburos de silicio monocristalinos con estructuras cristalinas.
4. El desgaste por corte es elevado y el carburo de silicio tiene una dureza extremadamente alta.
En resumen, el elevado coste en tiempo y la compleja tecnología de procesamiento determinan el alto coste de los sustratos de carburo de silicio, lo que limita su aplicación.
III. Clasificación de los hornos de crecimiento de cristales
Según el método de calentamiento, los hornos de crecimiento de cristales se dividen en hornos de inducción y hornos de resistencia. Actualmente, la mayoría de los equipos en el mercado son de inducción, los cuales ofrecen ventajas como bajo costo, estructura simple, fácil mantenimiento y alta eficiencia térmica. Sin embargo, debido al efecto de inducción electromagnética, la temperatura axial y radial del calentamiento por inducción están acopladas, lo que imposibilita controlar simultáneamente la velocidad y la calidad del crecimiento cristalino.
La plataforma de crecimiento por campo térmico resistivo permite controlar con precisión la temperatura axial y radial, lo que favorece el crecimiento de cristales de gran tamaño y mejora la velocidad de crecimiento cristalino. Representa una de las soluciones para el futuro crecimiento de cristales de carburo de silicio de 8 pulgadas de alta calidad.
Comparación entre el método de inducción y el método de resistencia:
| Método de inducción | Método de resistencia | |
| Principio de funcionamiento | El calentamiento por inducción es un método de tratamiento térmico que utiliza el efecto magnético de la corriente eléctrica para crear una densidad relativamente alta de corriente inducida en la capa superficial de la pieza de trabajo, calentándola rápidamente hasta el estado austenítico y luego enfriándola rápidamente para obtener una estructura martensítica. | El calentamiento por resistencia utiliza el calor Joule generado por la corriente que pasa a través del conductor como fuente de calor. Se puede dividir en dos categorías: calentamiento por resistencia indirecta (elemento calefactor eléctrico o medio conductor) y calentamiento por resistencia directa. |
| Control de temperatura | El método de inducción calienta el campo magnético interno mediante una bobina de inducción situada fuera del crisol. El calentamiento es rápido, pero la distancia entre la bobina de inducción y el crisol es grande, el área de radiación es dispersa y resulta difícil controlar con precisión la generación de calor en la superficie del crisol en dirección horizontal. | El método de resistencia utiliza un calentador independiente, ubicado cerca del crisol. Al ajustar este calentador, se puede controlar con mayor precisión la temperatura de la superficie del crisol. |
| Crecimiento de cristales de gran tamaño | Al añadir varias bobinas calefactoras a la estructura del campo térmico del método de inducción, los campos magnéticos pueden interferir entre sí, lo que provoca que el campo magnético y el calor no se distribuyan fácilmente según el objetivo de diseño, afectando al efecto de calentamiento y al crecimiento del cristal. | Es más sencillo diseñar un sistema de calentamiento de control independiente de varias etapas para equipos de crecimiento de cristales por calentamiento por resistencia, y el gradiente radial del propio equipo es pequeño, lo que puede satisfacer las necesidades de crecimiento de cristales de gran tamaño. |
| Ciclo de crecimiento de cristales | El método de inducción para el crecimiento de cristales tarda unos 10 días, el recocido entre 10 y 15 días, y el ciclo de crecimiento total es de 20 a 25 días. | El ciclo de crecimiento del cristal es de aproximadamente 5 a 7 días, y se puede recocer automáticamente; además, la temperatura desciende lentamente después de un corte de energía. |
| consumo de energía | El consumo de energía del método de resistencia es de 2 a 3 veces mayor que el del método de inducción. | |
| Nivel de rendimiento | El rendimiento de los cristales cultivados mediante el horno de crecimiento de cristales por el método de resistencia mejora notablemente en comparación con el horno de crecimiento de cristales por el método de inducción. | |
Fecha de publicación: 24 de junio de 2025