Sicnagy tiltott sáv, magas hővezető képesség, nagy kritikus átütési térerősség és magas elektrontelítési sodródási sebesség jellemzi. Magas hőmérséklet, nagy nyomás, nagy frekvencia és nagy teljesítményű körülmények között is képes megfelelni az alkalmazási követelményeknek. Széles körben alkalmazható új energiahordozókban, fotovoltaikus elemekben, ipari vezérlésben, rádiófrekvenciás kommunikációban és más területeken. A kapcsolódó iparágak gyors fejlődésével a szilícium-karbid által képviselt harmadik generációs félvezető piac új lehetőségeket teremtett.
A kristálynövekedés a szilícium-karbid szubsztrát gyártásának központi eleme, és a központi berendezés a kristálynövesztő kemence. A hagyományos kristályos szilícium minőségű kristálynövesztő kemencékhez hasonlóan a kemence szerkezete nem túl bonyolult. Főként a kemencetestből, a fűtőrendszerből, a tekercsátviteli mechanizmusból, a vákuumfelvételi és -mérő rendszerből, a gázútrendszerből, a hűtőrendszerből, a vezérlőrendszerből stb. áll. A hőtér és a folyamatfeltételek határozzák meg a szilícium-karbid kristály minőségének, méretének, vezetőképességének és egyéb kulcsfontosságú mutatóinak főbb mutatóit.
II. Nehézségek a szilícium-karbid kristálynövekedési technológiában
A szilícium-karbid kristálynövekedés hőmérséklete nagyon magas és nem követhető, így a fő nehézség magában a folyamatban rejlik:
(1)Nehézségek a hőmező szabályozásábanA zárt, magas hőmérsékletű üreg monitorozása nehézkes és nem kontrollálható. A hagyományos, szilícium alapú, oldathúzásos kristálynövesztő berendezésekkel ellentétben, amelyek magas fokú automatizálással rendelkeznek, és a kristálynövekedési folyamat megfigyelhető, szabályozható és beállítható, a szilícium-karbid kristályok zárt térben, 2000°C feletti magas hőmérsékletű környezetben nőnek, és a növekedési hőmérsékletet a gyártás során pontosan szabályozni kell, ami megnehezíti a hőmérséklet-szabályozást.
(2)Nehézségek a kristályforma szabályozásábanA mikrocsövek, polimorf zárványok, diszlokációk és egyéb hibák hajlamosak a növekedési folyamat során előfordulni, és ezek kölcsönösen hatnak egymásra, illetve kölcsönösen befolyásolják egymást. A mikrocsövek (MP) átmenő típusú hibák, amelyek mérete néhány mikrontól több tíz mikronig terjed, és az eszközök gyilkos hibái. A szilícium-karbid egykristályok több mint 200 különböző kristályformát tartalmaznak, de csak néhány kristályszerkezet (4H típus) a gyártáshoz szükséges félvezető anyagok. A növekedési folyamat során hajlamos a kristályforma átalakulása, ami polimorf zárványhibákhoz vezet. Ezért pontosan szabályozni kell az olyan paramétereket, mint a szilícium-szén arány, a növekedési hőmérsékleti gradiens, a kristálynövekedési sebesség és a gázáramlási nyomás.
Ezenkívül a szilícium-karbid egykristály növekedésének termikus mezőjében hőmérsékleti gradiens van, ami natív belső feszültséghez és az ebből eredő diszlokációkhoz (alapsík diszlokáció BPD, csavar diszlokáció TSD, él diszlokáció TED) vezet a kristálynövekedési folyamat során, ezáltal befolyásolva a későbbi epitaxia és eszközök minőségét és teljesítményét.
(3)Nehéz doppingellenőrzésA külső szennyeződések bevezetését szigorúan ellenőrizni kell, hogy irányított adalékolású vezetőképes kristályt kapjunk;
(4)Lassú növekedési ütemA szilícium-karbid növekedési üteme nagyon lassú. Hagyományosszilícium anyagoka szilícium-karbid kristályrudaknak mindössze 3 napra van szükségük a kristályrúddá való növesztéshez, míg a szilícium-karbid kristályrudaknak 7 napra van szükségük. Ez a szilícium-karbid természetes módon alacsonyabb termelési hatékonyságához és nagyon korlátozott kibocsátáshoz vezet.
Másrészt a szilícium-karbid epitaxiális növekedésének paraméterei rendkívül igényesek, beleértve a berendezés légmentességét, a reakciókamrában lévő gáznyomás stabilitását, a gázbevezetési idő pontos szabályozását, a gázarány pontosságát és a lerakódási hőmérséklet szigorú kezelését. Különösen az eszköz ellenállófeszültségének javulásával az epitaxiális ostya magparamétereinek szabályozása nehézségei nőttek jelentősen.
Ezenkívül az epitaxiális réteg vastagságának növekedésével egyre nagyobb kihívást jelent az ellenállás egyenletességének szabályozása és a hibasűrűség csökkentése a vastagság biztosítása mellett. Az elektromos vezérlőrendszerben nagy pontosságú érzékelőket és aktuátorokat kell integrálni annak érdekében, hogy a különböző paraméterek pontosan és stabilan szabályozhatók legyenek. Ugyanakkor a vezérlőalgoritmus optimalizálása is kulcsfontosságú. Képesnek kell lennie a szabályozási stratégia valós idejű beállítására a visszacsatoló jel alapján, hogy alkalmazkodjon a különböző változásokhoz.szilícium-karbid epitaxiális növekedésfolyamat.
II. A szilícium-karbid szubsztrátok gyártásának fő nehézségei:
1. A növekedési hőmérséklet 2000 ℃ felett van, ami kétszer olyan magas, mint a szilíciumé.
2. A kristályrúd vastagsága kicsi a kristálynövekedési időszak alatt, és egy 2 cm-es szilícium-karbid kristályrúd 7 nap alatt nő.
3. A kristálytípusra vonatkozó követelmények magasak, és csak kevés egykristályos szilícium-karbid létezik kristályszerkezettel.
4. A vágási kopás magas, és a szilícium-karbid rendkívül nagy keménységgel rendelkezik.
Összefoglalva, a drága időköltség és az összetett feldolgozási technológia határozza meg a szilícium-karbid szubsztrátok magas költségét, ami korlátozza a szilícium-karbid alkalmazását.
III. A kristálynövesztő kemencék osztályozása
A különböző fűtési módszerek szerint a kristálynövesztő kemencék indukciós és ellenállásos típusúakra oszthatók. Jelenleg a piacon lévő berendezések többsége indukciós típusú, amelynek előnyei az alacsony költség, az egyszerű szerkezet, a könnyű karbantartás és a magas hőhatásfok. Az elektromágneses indukciós hatás miatt azonban az indukciós fűtés axiális és radiális hőmérséklete összefügg, és lehetetlen figyelembe venni mind a kristálynövekedési sebességet, mind a kristálynövekedés minőségét.
Az ellenállásos hőmező növekedési platform pontosan szabályozhatja az axiális és a radiális hőmérsékletet, ami elősegíti a nagy méretű kristályok növekedését és javítja a kristálynövekedési sebességet. Ez az egyik megoldás a jövőbeli kiváló minőségű 8 hüvelykes szilícium-karbid kristálynövekedésre.
Az indukciós módszer és az ellenállásos módszer összehasonlítása:
| Indukciós módszer | Ellenállási módszer | |
| Működési elv | Az indukciós hevítés egy olyan hőkezelési módszer, amely az elektromos áram mágneses hatását használja fel arra, hogy viszonylag nagy sűrűségű indukált áramot hozzon létre a munkadarab felületi rétegén, gyorsan felmelegíti azt ausztenites állapotba, majd gyorsan lehűti, hogy martenzites szerkezetet kapjon. | Az ellenállásfűtés a vezetőn áthaladó áram által termelt Joule-hőt használja hőforrásként. Két kategóriába sorolható: közvetett ellenállásfűtés (elektromos fűtőelem vagy vezetőképes közeg) és közvetlen ellenállásfűtés. |
| Hőmérséklet-szabályozás | Az indukciós módszer a tégelyen kívüli indukciós tekercsen keresztül melegíti a belső mágneses mezőt. A melegítési sebesség gyors, de az indukciós tekercs és a tégely közötti távolság nagy, a sugárzási terület szétszórt, és nehéz pontosan szabályozni a tégely felületének hőtermelését vízszintes irányban. | Az ellenállásos módszer külön fűtőtestet használ, amely közel van a tégelyhez. A fűtőtest beállításával a tégely felületének hőmérséklete pontosabban szabályozható. |
| Nagyméretű kristálynövekedés | Amikor több fűtőtekercset adunk az indukciós módszerrel működő hőtér-szerkezethez, a mágneses mezők kereszt-interferenciát okozhatnak, ami azt eredményezheti, hogy a mágneses mező és a hő nem oszlik el könnyen a tervezett célnak megfelelően, ami befolyásolja a fűtőhatást és a kristálynövekedést. | Könnyebb egy többlépcsős, független vezérlőfűtési rendszert tervezni az ellenállásfűtéses kristálynövesztő berendezésekhez, és maga a berendezés radiális gradiense kicsi, ami kielégíti a nagyméretű kristálynövekedés igényeit. |
| Kristálynövekedési ciklus | Az indukciós módszerrel a kristálynövekedés körülbelül 10 napot vesz igénybe, a hőkezelés 10-15 napot, a teljes növekedési ciklus pedig 20-25 nap. | A kristálynövekedési ciklus körülbelül 5-7 nap, automatikusan lágyítható, és áramkimaradás után a hőmérséklet lassan csökken. |
| Energiafogyasztás | Az ellenállásos módszer energiafogyasztása 2-3-szor nagyobb, mint az indukciós módszeré. | |
| Hozamszint | Az ellenállásos módszerrel növesztett kristálynövesztő kemencével növesztett kristályok hozama jelentősen javul az indukciós módszerrel növesztett kristálynövesztő kemencéhez képest. | |
Közzététel ideje: 2025. június 24.