سی سیدارای ویژگیهای شکاف باند بزرگ، رسانایی حرارتی بالا، قدرت میدان شکست بحرانی بالا و نرخ رانش اشباع الکترونی بالا است. این ماده میتواند نیازهای کاربردی را در شرایط دمای بالا، فشار بالا، فرکانس بالا و توان بالا برآورده کند. میتوان از آن به طور گسترده در وسایل نقلیه با انرژی جدید، فتوولتائیک، کنترل صنعتی، ارتباطات فرکانس رادیویی و سایر زمینهها استفاده کرد. با توسعه سریع صنایع مرتبط، بازار نیمههادی نسل سوم که توسط کاربید سیلیکون ارائه میشود، فرصتهای جدیدی را به وجود آورده است.
رشد کریستال حلقه اصلی تولید زیرلایه کاربید سیلیکون است و تجهیزات اصلی کوره رشد کریستال است. مشابه کورههای رشد کریستال کریستالی سنتی با درجه سیلیکون کریستالی، ساختار کوره خیلی پیچیده نیست. این کوره عمدتاً از بدنه کوره، سیستم گرمایش، مکانیسم انتقال کویل، سیستم جمعآوری و اندازهگیری خلاء، سیستم مسیر گاز، سیستم خنککننده، سیستم کنترل و غیره تشکیل شده است. میدان حرارتی و شرایط فرآیند، شاخصهای کلیدی کیفیت، اندازه، رسانایی و سایر شاخصهای کلیدی کریستال کاربید سیلیکون را تعیین میکنند.
Ⅰ. مشکلات در فناوری رشد کریستال کاربید سیلیکون
دمای رشد کریستال کاربید سیلیکون بسیار بالاست و قابل کنترل نیست، بنابراین مشکل اصلی در خود فرآیند نهفته است:
(1)دشواری در کنترل میدان حرارتینظارت بر حفره بسته با دمای بالا دشوار و غیرقابل کنترل است. برخلاف تجهیزات سنتی رشد کریستال مبتنی بر سیلیکون که از درجه اتوماسیون بالایی برخوردار هستند و فرآیند رشد کریستال را میتوان مشاهده، کنترل و تنظیم کرد، کریستالهای کاربید سیلیکون در یک فضای بسته در یک محیط با دمای بالا بالای 2000 درجه سانتیگراد رشد میکنند و دمای رشد باید در طول تولید دقیقاً کنترل شود، که کنترل دما را دشوار میکند.
(2)مشکل در کنترل شکل کریستالمیکروپایپها، آخالهای چندشکلی، نابجاییها و سایر نقصها در طول فرآیند رشد مستعد بروز هستند و بر یکدیگر تأثیر میگذارند و تکامل مییابند. میکروپایپها (MP) نقصهای از نوع سرتاسری با اندازه چند میکرون تا دهها میکرون هستند که نقصهای کشندهای در دستگاهها محسوب میشوند. تک بلورهای کاربید سیلیکون شامل بیش از 200 شکل بلوری مختلف هستند، اما تنها چند ساختار بلوری (نوع 4H) مواد نیمههادی مورد نیاز برای تولید هستند. تغییر شکل کریستالی در طول فرآیند رشد مستعد رخ دادن است که منجر به نقصهای چندشکلی میشود. بنابراین، کنترل دقیق پارامترهایی مانند نسبت سیلیکون-کربن، گرادیان دمای رشد، سرعت رشد کریستال و فشار جریان گاز ضروری است.
علاوه بر این، یک گرادیان دما در میدان حرارتی رشد تک بلور کاربید سیلیکون وجود دارد که منجر به تنش داخلی بومی و نابجاییهای حاصل (نابهجایی صفحه پایه BPD، نابجایی پیچ TSD، نابجایی لبه TED) در طول فرآیند رشد بلور میشود و در نتیجه بر کیفیت و عملکرد اپیتاکسی و دستگاههای بعدی تأثیر میگذارد.
(3)کنترل دوپینگ دشوار: برای به دست آوردن یک کریستال رسانا با آلایش جهتدار، باید ورود ناخالصیهای خارجی به شدت کنترل شود؛
(4)نرخ رشد آهسته: سرعت رشد کاربید سیلیکون بسیار کند است. روش سنتیمواد سیلیکونیفقط به ۳ روز زمان نیاز دارند تا به یک میله کریستالی تبدیل شوند، در حالی که میلههای کریستالی کاربید سیلیکون به ۷ روز زمان نیاز دارند. این امر منجر به راندمان تولید پایینتر کاربید سیلیکون و خروجی بسیار محدود میشود.
از سوی دیگر، پارامترهای رشد اپیتاکسیال کاربید سیلیکون بسیار مورد توجه هستند، از جمله هوابندی تجهیزات، پایداری فشار گاز در محفظه واکنش، کنترل دقیق زمان ورود گاز، دقت نسبت گاز و مدیریت دقیق دمای رسوب. به طور خاص، با بهبود سطح ولتاژ قابل تحمل دستگاه، دشواری کنترل پارامترهای اصلی ویفر اپیتاکسیال به طور قابل توجهی افزایش یافته است.
علاوه بر این، با افزایش ضخامت لایه اپیتاکسیال، چگونگی کنترل یکنواختی مقاومت ویژه و کاهش چگالی نقص ضمن اطمینان از ضخامت، به چالش بزرگ دیگری تبدیل شده است. در سیستم کنترل الکتریکی، لازم است حسگرها و محرکهای با دقت بالا ادغام شوند تا از تنظیم دقیق و پایدار پارامترهای مختلف اطمینان حاصل شود. در عین حال، بهینهسازی الگوریتم کنترل نیز بسیار مهم است. باید بتواند استراتژی کنترل را در زمان واقعی مطابق با سیگنال بازخورد تنظیم کند تا با تغییرات مختلف در ... سازگار شود.رشد اپیتاکسیال کاربید سیلیکونفرآیند.
Ⅱ مشکلات اصلی در ساخت زیرلایههای کاربید سیلیکون:
۱. دمای رشد بالای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد است که دو برابر دمای سیلیکون است.
۲. ضخامت میله کریستالی در طول دوره رشد کریستال کم است و یک میله کریستالی سیلیکون کاربید ۲ سانتیمتری در ۷ روز رشد میکند.
۳. الزامات نوع کریستال بالا است و فقط تعداد کمی کاربید سیلیکون تک کریستالی با ساختارهای کریستالی وجود دارد.
۴. سایش برشی زیاد است و کاربید سیلیکون سختی بسیار بالایی دارد.
به طور خلاصه، هزینه زمانی زیاد و فناوری پیچیده پردازش، هزینه بالای زیرلایههای کاربید سیلیکون را تعیین میکند که کاربرد کاربید سیلیکون را محدود میکند.
III. طبقهبندی کورههای رشد کریستال
با توجه به روشهای مختلف گرمایش، کورههای رشد کریستال را میتوان به نوع القایی و نوع مقاومتی تقسیم کرد. در حال حاضر، بیشتر تجهیزات موجود در بازار از نوع القایی هستند که مزایای هزینه کم، ساختار ساده، نگهداری راحت و راندمان حرارتی بالا را دارند. با این حال، به دلیل اثر القایی الکترومغناطیسی، دمای محوری و دمای شعاعی گرمایش القایی با هم مرتبط هستند و در نظر گرفتن همزمان سرعت رشد کریستال و کیفیت رشد کریستال غیرممکن است.
پلتفرم رشد میدان حرارتی مقاومتی میتواند به ترتیب دمای محوری و دمای شعاعی را به طور دقیق کنترل کند، که برای رشد کریستالهای بزرگ مفید است و سرعت رشد کریستال را بهبود میبخشد. این یکی از راهحلها برای رشد کریستال کاربید سیلیکون ۸ اینچی با کیفیت بالا در آینده است.
مقایسه بین روش القایی و روش مقاومتی:
| روش القایی | روش مقاومت | |
| اصل کار | گرمایش القایی یک روش عملیات حرارتی است که از اثر مغناطیسی جریان الکتریکی برای ایجاد چگالی نسبتاً بالایی از جریان القایی روی لایه سطحی قطعه کار استفاده میکند، آن را به سرعت تا حالت آستنیت گرم میکند و سپس به سرعت آن را سرد میکند تا ساختار مارتنزیتی به دست آید. | گرمایش مقاومتی از گرمای ژول تولید شده توسط جریان عبوری از رسانا به عنوان منبع گرما استفاده میکند. این روش را میتوان به دو دسته تقسیم کرد: گرمایش مقاومتی غیرمستقیم (المنت گرمایش الکتریکی یا محیط رسانا) و گرمایش مقاومتی مستقیم. |
| کنترل دما | روش القایی، میدان مغناطیسی داخلی را از طریق سیمپیچ القایی خارج از بوته گرم میکند. سرعت گرمایش سریع است، اما فاصله بین سیمپیچ القایی و بوته زیاد است، ناحیه تابش پراکنده است و کنترل دقیق تولید گرما از سطح بوته در جهت افقی دشوار است. | روش مقاومتی یک گرمکن جداگانه را تنظیم میکند که نزدیک به بوته است. با تنظیم گرمکن، دمای سطح بوته را میتوان با دقت بیشتری کنترل کرد. |
| رشد کریستالهای بزرگ | هنگام افزودن چندین کویل گرمایشی به ساختار میدان حرارتی روش القایی، میدانهای مغناطیسی ممکن است با یکدیگر تداخل متقاطع داشته باشند و در نتیجه میدان مغناطیسی و گرما به راحتی مطابق با هدف طراحی توزیع نشوند و بر اثر گرمایش و رشد کریستال تأثیر بگذارند. | طراحی یک سیستم گرمایش چند مرحلهای با کنترل مستقل برای تجهیزات رشد کریستال گرمایش مقاومتی آسانتر است و گرادیان شعاعی خود تجهیزات کوچک است که میتواند نیازهای رشد کریستال در اندازه بزرگ را برآورده کند. |
| چرخه رشد کریستال | روش القایی رشد کریستال حدود 10 روز طول میکشد، آنیلینگ 10-15 روز طول میکشد و چرخه کلی رشد 20-25 روز است. | چرخه رشد کریستال حدود 5-7 روز است و میتواند به طور خودکار آنیل شود و پس از قطع برق، دما به آرامی کاهش مییابد. |
| مصرف انرژی | مصرف انرژی روش مقاومتی ۲ تا ۳ برابر بیشتر از روش القایی است. | |
| سطح بازده | بازده کریستالهای رشد یافته با روش مقاومتی کوره رشد کریستال در مقایسه با کوره رشد کریستال به روش القایی، به میزان قابل توجهی بهبود یافته است. | |
زمان ارسال: ۲۴ ژوئن ۲۰۲۵