SiCIma karakteristike velikog zabranjenog pojasa, visoke toplinske vodljivosti, visoke kritične jakosti probojnog polja i visoke brzine pomicanja zasićenja elektrona. Može zadovoljiti zahtjeve primjene pod uvjetima visoke temperature, visokog tlaka, visoke frekvencije i velike snage. Može se široko koristiti u vozilima s novom energijom, fotonaponskim sustavima, industrijskoj kontroli, radiofrekventnim komunikacijama i drugim područjima. S brzim razvojem srodnih industrija, tržište poluvodiča treće generacije, predstavljeno silicijevim karbidom, otvorilo je nove mogućnosti.
Rast kristala je ključna karika u proizvodnji silicijevog karbidnog supstrata, a ključna oprema je peć za rast kristala. Slično tradicionalnim pećima za rast kristala kristalnog silicija, struktura peći nije jako komplicirana. Uglavnom se sastoji od tijela peći, sustava grijanja, mehanizma za prijenos zavojnice, sustava za akviziciju i mjerenje vakuuma, sustava za plinske putove, sustava hlađenja, upravljačkog sustava itd. Toplinsko polje i uvjeti procesa određuju ključne pokazatelje kvalitete, veličine, vodljivosti i drugih ključnih pokazatelja kristala silicijevog karbida.
Ⅰ. Poteškoće u tehnologiji rasta kristala silicijevog karbida
Temperatura rasta kristala silicijevog karbida je vrlo visoka i ne može se pratiti, pa glavna poteškoća leži u samom procesu:
(1)Teškoće u kontroli toplinskog poljaPraćenje zatvorene visokotemperaturne šupljine je teško i nekontrolirano. Za razliku od tradicionalne opreme za rast kristala na bazi silicija izvlačenjem otopine, koja ima visok stupanj automatizacije i proces rasta kristala se može promatrati, kontrolirati i podešavati, kristali silicijevog karbida rastu u zatvorenom prostoru u okruženju visoke temperature iznad 2000 °C, a temperatura rasta mora se precizno kontrolirati tijekom proizvodnje, što otežava kontrolu temperature;
(2)Teškoće u kontroli kristalnog oblikaMikrocjevčice, polimorfne inkluzije, dislokacije i drugi defekti skloni su pojavi tijekom procesa rasta, a međusobno utječu i razvijaju se. Mikrocjevčice (MP) su defekti prolaznog tipa veličine od nekoliko mikrona do desetaka mikrona, koji su smrtonosni defekti uređaja. Monokristali silicijevog karbida uključuju više od 200 različitih kristalnih oblika, ali samo nekoliko kristalnih struktura (Tip 4H) su poluvodički materijali potrebni za proizvodnju. Tijekom procesa rasta sklona je transformaciji kristalnog oblika, što rezultira polimorfnim inkluzijskim defektima. Stoga je potrebno točno kontrolirati parametre kao što su omjer silicija i ugljika, gradijent temperature rasta, brzina rasta kristala i tlak protoka plina.
Osim toga, postoji temperaturni gradijent u toplinskom polju rasta monokristala silicijevog karbida, što dovodi do izvornog unutarnjeg naprezanja i rezultirajućih dislokacija (dislokacija bazalne ravnine BPD, dislokacija vijaka TSD, dislokacija ruba TED) tijekom procesa rasta kristala, što utječe na kvalitetu i performanse naknadne epitaksije i uređaja.
(3)Teška doping kontrolaUnos vanjskih nečistoća mora biti strogo kontroliran kako bi se dobio vodljivi kristal s usmjerenim dopiranjem;
(4)Spora stopa rastaStopa rasta silicijevog karbida je vrlo spora. Tradicionalnosilicijski materijaliPotrebna su samo 3 dana da izrastu u kristalnu šipku, dok kristalnim šipkama silicij-karbida treba 7 dana. To dovodi do prirodno niže učinkovitosti proizvodnje silicij-karbida i vrlo ograničenog prinosa.
S druge strane, parametri epitaksijalnog rasta silicijevog karbida izuzetno su zahtjevni, uključujući hermetičnost opreme, stabilnost tlaka plina u reakcijskoj komori, preciznu kontrolu vremena uvođenja plina, točnost omjera plina i strogo upravljanje temperaturom taloženja. Posebno se s poboljšanjem razine napona otpora uređaja, teškoća kontrole parametara jezgre epitaksijalne pločice značajno povećala.
Osim toga, s povećanjem debljine epitaksijalnog sloja, još jedan veliki izazov postao je kako kontrolirati ujednačenost otpora i smanjiti gustoću defekata uz osiguranje debljine. U elektrificiranom upravljačkom sustavu potrebno je integrirati visokoprecizne senzore i aktuatore kako bi se osiguralo da se različiti parametri mogu točno i stabilno regulirati. Istovremeno, ključna je i optimizacija upravljačkog algoritma. Potrebno je moći prilagoditi strategiju upravljanja u stvarnom vremenu prema povratnom signalu kako bi se prilagodio različitim promjenama uepitaksijalni rast silicijevog karbidaproces.
Ⅱ. Glavne poteškoće u proizvodnji silicij-karbidnih podloga:
1. Temperatura rasta je iznad 2000 ℃, što je dvostruko više od temperature silicija.
2. Debljina kristalnog štapića je mala tijekom razdoblja rasta kristala, a štapić kristala silicij-karbida od 2 cm naraste za 7 dana.
3. Zahtjevi za vrstu kristala su visoki, a postoji samo nekoliko monokristalnih silicijevih karbida s kristalnim strukturama.
4. Trošenje rezanjem je veliko, a silicijev karbid ima izuzetno visoku tvrdoću.
Ukratko, skupi vremenski troškovi i složena tehnologija obrade određuju visoku cijenu silicij-karbidnih supstrata, što ograničava primjenu silicij-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, što ima prednosti niske cijene, jednostavne strukture, jednostavnog održavanja i visoke toplinske učinkovitosti. Međutim, zbog elektromagnetskog indukcijskog efekta, aksijalna i radijalna temperatura indukcijskog zagrijavanja su povezane te je nemoguće uzeti u obzir i brzinu rasta kristala i kvalitetu rasta kristala.
Platforma za rast toplinskim poljem otpora može precizno kontrolirati 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 silicijevog karbida od 8 inča.
Usporedba indukcijske metode i metode otpora:
| Indukcijska metoda | Metoda otpora | |
| Princip rada | Indukcijsko zagrijavanje je metoda toplinske obrade koja koristi magnetski učinak električne struje za stvaranje relativno visoke gustoće inducirane struje na površinskom sloju obratka, brzo ga zagrijava do austenitnog stanja, a zatim ga brzo hladi kako bi se dobila martenzitna struktura. | Otporno grijanje koristi Jouleovu toplinu koju stvara struja koja prolazi kroz vodič kao izvor topline. Može se podijeliti u dvije kategorije: neizravno otporno grijanje (električni grijaći element ili vodljivi medij) i izravno otporno grijanje. |
| Kontrola temperature | Indukcijska metoda zagrijava unutarnje magnetsko polje putem indukcijske zavojnice izvan lončića. Brzina zagrijavanja je velika, ali udaljenost između indukcijske zavojnice i lončića je velika, područje zračenja je raspršeno i teško je točno 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 u strukturu toplinskog polja indukcijske metode, magnetska polja mogu se 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 višestupanjski neovisni sustav grijanja za opremu za rast kristala otpornim grijanjem, 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. | |
| Razina prinosa | Prinos kristala uzgojenih u peći za rast kristala metodom otpora znatno je poboljšan u usporedbi s peći za rast kristala metodom indukcije. | |
Vrijeme objave: 24. lipnja 2025.