Apa itu tungku pertumbuhan kristal silikon karbida (SiC)?

SiCSilikon karbida memiliki karakteristik celah pita energi yang besar, konduktivitas termal yang tinggi, kekuatan medan tembus kritis yang tinggi, dan laju pergeseran saturasi elektron yang tinggi. Material ini dapat memenuhi persyaratan aplikasi dalam kondisi suhu tinggi, tekanan tinggi, frekuensi tinggi, dan daya tinggi. Silikon karbida dapat digunakan secara luas dalam kendaraan energi baru, fotovoltaik, kontrol industri, komunikasi frekuensi radio, dan bidang lainnya. Dengan perkembangan pesat industri terkait, pasar semikonduktor generasi ketiga yang diwakili oleh silikon karbida telah membuka peluang baru.

Pertumbuhan kristal merupakan mata rantai inti produksi substrat silikon karbida, dan peralatan intinya adalah tungku pertumbuhan kristal. Mirip dengan tungku pertumbuhan kristal silikon kelas kristal tradisional, struktur tungku tidak terlalu rumit. Tungku ini terutama terdiri dari badan tungku, sistem pemanas, mekanisme transmisi kumparan, sistem akuisisi dan pengukuran vakum, sistem jalur gas, sistem pendingin, sistem kontrol, dan lain-lain. Medan termal dan kondisi proses menentukan indikator kunci kualitas kristal silikon karbida, ukuran, konduktivitas, dan indikator kunci lainnya.

Ⅰ. Kesulitan dalam teknologi pertumbuhan kristal silikon karbida

Suhu pertumbuhan kristal silikon karbida sangat tinggi dan tidak dapat dipantau, sehingga kesulitan utamanya terletak pada proses itu sendiri:

(1)Kesulitan dalam mengendalikan medan termalPemantauan rongga suhu tinggi tertutup sulit dan tidak terkendali. Tidak seperti peralatan pertumbuhan kristal berbasis silikon tradisional yang memiliki tingkat otomatisasi tinggi dan proses pertumbuhan kristal dapat diamati, dikendalikan, dan disesuaikan, kristal silikon karbida tumbuh di ruang tertutup dalam lingkungan suhu tinggi di atas 2.000°C, dan suhu pertumbuhan perlu dikontrol secara tepat selama produksi, yang membuat pengendalian suhu menjadi sulit;

(2)Kesulitan dalam mengendalikan bentuk kristalMikropipa, inklusi polimorfik, dislokasi, dan cacat lainnya cenderung terjadi selama proses pertumbuhan, dan saling memengaruhi serta berkembang satu sama lain. Mikropipa (MP) adalah cacat tipe tembus dengan ukuran beberapa mikron hingga puluhan mikron, yang merupakan cacat fatal pada perangkat. Kristal tunggal silikon karbida mencakup lebih dari 200 bentuk kristal yang berbeda, tetapi hanya beberapa struktur kristal (tipe 4HBahan semikonduktor yang dibutuhkan untuk produksi adalah silikon-karbon. Transformasi bentuk kristal rentan terjadi selama proses pertumbuhan, yang mengakibatkan cacat inklusi polimorfik. Oleh karena itu, perlu untuk mengontrol secara akurat parameter seperti rasio silikon-karbon, gradien suhu pertumbuhan, laju pertumbuhan kristal, dan tekanan aliran gas.

Selain itu, terdapat gradien suhu dalam medan termal pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, yang menyebabkan tegangan internal alami dan dislokasi yang dihasilkan (dislokasi bidang basal BPD, dislokasi sekrup TSD, dislokasi tepi TED) selama proses pertumbuhan kristal, sehingga memengaruhi kualitas dan kinerja epitaksi dan perangkat selanjutnya.

(3)Kontrol doping yang sulitMasuknya pengotor eksternal harus dikontrol secara ketat untuk mendapatkan kristal konduktif dengan doping terarah;

(4)Tingkat pertumbuhan yang lambatLaju pertumbuhan silikon karbida sangat lambat. Tradisionalbahan silikonHanya membutuhkan waktu 3 hari untuk tumbuh menjadi batang kristal, sedangkan batang kristal silikon karbida membutuhkan waktu 7 hari. Hal ini menyebabkan efisiensi produksi silikon karbida secara alami lebih rendah dan hasil produksinya sangat terbatas.

Di sisi lain, parameter pertumbuhan epitaksial silikon karbida sangat menuntut, termasuk kekedapan udara peralatan, stabilitas tekanan gas dalam ruang reaksi, kontrol yang tepat terhadap waktu pemasukan gas, akurasi rasio gas, dan manajemen suhu deposisi yang ketat. Secara khusus, dengan peningkatan tingkat tegangan tahan perangkat, kesulitan dalam mengontrol parameter inti wafer epitaksial telah meningkat secara signifikan.

Selain itu, dengan meningkatnya ketebalan lapisan epitaksial, bagaimana mengendalikan keseragaman resistivitas dan mengurangi kepadatan cacat sambil memastikan ketebalan telah menjadi tantangan utama lainnya. Dalam sistem kontrol elektrifikasi, perlu untuk mengintegrasikan sensor dan aktuator presisi tinggi untuk memastikan bahwa berbagai parameter dapat diatur secara akurat dan stabil. Pada saat yang sama, optimasi algoritma kontrol juga sangat penting. Algoritma tersebut perlu mampu menyesuaikan strategi kontrol secara real-time sesuai dengan sinyal umpan balik untuk beradaptasi dengan berbagai perubahan padapertumbuhan epitaksial silikon karbidaproses.

II. Kesulitan utama dalam pembuatan substrat silikon karbida:

1. Suhu pertumbuhan berada di atas 2000℃, yang dua kali lebih tinggi daripada suhu pertumbuhan silikon.

2. Ketebalan batang kristal kecil selama periode pertumbuhan kristal, dan batang kristal silikon karbida sepanjang 2 cm tumbuh dalam 7 hari.

3. Persyaratan jenis kristal sangat tinggi, dan hanya ada sedikit silikon karbida kristal tunggal dengan struktur kristal.

4. Keausan akibat pemotongan tinggi, dan silikon karbida memiliki kekerasan yang sangat tinggi.

Singkatnya, biaya waktu yang mahal dan teknologi pemrosesan yang kompleks menyebabkan tingginya biaya substrat silikon karbida, yang membatasi penerapan silikon karbida.

III. Klasifikasi tungku pertumbuhan kristal

Berdasarkan metode pemanasan yang berbeda, tungku pertumbuhan kristal dapat dibagi menjadi tipe induksi dan tipe resistansi. Saat ini, sebagian besar peralatan di pasaran adalah tipe induksi, yang memiliki keunggulan biaya rendah, struktur sederhana, perawatan mudah, dan efisiensi termal tinggi. Namun, karena efek induksi elektromagnetik, suhu aksial dan suhu radial pemanasan induksi saling terkait, sehingga tidak mungkin untuk mempertimbangkan kecepatan pertumbuhan kristal dan kualitas pertumbuhan kristal secara bersamaan.

Platform pertumbuhan medan termal resistansi dapat secara akurat mengontrol suhu aksial dan suhu radial, yang bermanfaat untuk pertumbuhan kristal berukuran besar dan meningkatkan laju pertumbuhan kristal. Ini adalah salah satu solusi untuk pertumbuhan kristal silikon karbida 8 inci berkualitas tinggi di masa depan.

Perbandingan antara metode induksi dan metode resistansi: