SiCPresenta caratteristiche quali un ampio bandgap, un'elevata conduttività termica, un'elevata rigidità dielettrica e un'elevata velocità di deriva della saturazione elettronica. È in grado di soddisfare i requisiti applicativi in condizioni di alta temperatura, alta pressione, alta frequenza e alta potenza. Può essere ampiamente utilizzato in veicoli a energia alternativa, fotovoltaico, controllo industriale, comunicazioni a radiofrequenza e altri settori. Con il rapido sviluppo delle industrie correlate, il mercato dei semiconduttori di terza generazione, rappresentato dal carburo di silicio, ha aperto nuove opportunità.
La crescita cristallina è l'anello centrale della produzione di substrati di carburo di silicio, e l'apparecchiatura principale è il forno di crescita cristallina. Similmente ai tradizionali forni di crescita cristallina per silicio cristallino, la struttura del forno non è particolarmente complessa. È composta principalmente da corpo del forno, sistema di riscaldamento, meccanismo di trasmissione a serpentina, sistema di acquisizione e misurazione del vuoto, sistema di percorso del gas, sistema di raffreddamento, sistema di controllo, ecc. Il campo termico e le condizioni di processo determinano gli indicatori chiave della qualità, delle dimensioni, della conduttività e di altri parametri fondamentali del cristallo di carburo di silicio.
I. Difficoltà nella tecnologia di crescita dei cristalli di carburo di silicio
La temperatura di crescita dei cristalli di carburo di silicio è molto elevata e non può essere monitorata, quindi la difficoltà principale risiede nel processo stesso:
(1)Difficoltà nel controllo del campo termicoIl monitoraggio della cavità chiusa ad alta temperatura è difficile e incontrollabile. A differenza delle tradizionali apparecchiature per la crescita di cristalli da soluzione a base di silicio, che presentano un elevato grado di automazione e consentono di osservare, controllare e regolare il processo di crescita dei cristalli, i cristalli di carburo di silicio crescono in uno spazio chiuso in un ambiente ad alta temperatura superiore a 2.000 °C, e la temperatura di crescita deve essere controllata con precisione durante la produzione, il che rende difficile il controllo della temperatura;
(2)Difficoltà nel controllo della forma cristallina: Micropipe, inclusioni polimorfiche, dislocazioni e altri difetti tendono a verificarsi durante il processo di crescita e si influenzano e si evolvono a vicenda. I micropipe (MP) sono difetti passanti con una dimensione da pochi micron a decine di micron, che sono difetti killer dei dispositivi. I monocristalli di carburo di silicio includono più di 200 forme cristalline diverse, ma solo poche strutture cristalline (Tipo 4HI materiali semiconduttori necessari per la produzione sono quelli che presentano una trasformazione della forma cristallina. Durante il processo di crescita, si verificano spesso difetti di inclusione polimorfici. Pertanto, è necessario controllare con precisione parametri quali il rapporto silicio-carbonio, il gradiente di temperatura di crescita, la velocità di crescita dei cristalli e la pressione del flusso di gas.
Inoltre, nel campo termico di crescita del monocristallo di carburo di silicio si crea un gradiente di temperatura che genera tensioni interne intrinseche e le conseguenti dislocazioni (dislocazioni del piano basale BPD, dislocazioni a vite TSD, dislocazioni a spigolo TED) durante il processo di crescita del cristallo, influenzando così la qualità e le prestazioni dell'epitassia e dei dispositivi successivi.
(3)Difficile controllo antidoping: L'introduzione di impurità esterne deve essere rigorosamente controllata per ottenere un cristallo conduttivo con drogaggio direzionale;
(4)Tasso di crescita lento: Il tasso di crescita del carburo di silicio è molto lento. Tradizionalemateriali di riferimentoPer crescere fino a diventare una barra di cristallo, bastano solo 3 giorni, mentre per le barre di cristallo di carburo di silicio ne occorrono 7. Ciò comporta una minore efficienza produttiva del carburo di silicio e una produzione molto limitata.
D'altro canto, i parametri della crescita epitassiale del carburo di silicio sono estremamente esigenti e includono la tenuta stagna dell'apparecchiatura, la stabilità della pressione del gas nella camera di reazione, il controllo preciso del tempo di introduzione del gas, l'accuratezza del rapporto tra i gas e la gestione rigorosa della temperatura di deposizione. In particolare, con il miglioramento del livello di tensione di tenuta del dispositivo, la difficoltà di controllare i parametri fondamentali del wafer epitassiale è aumentata significativamente.
Inoltre, con l'aumento dello spessore dello strato epitassiale, come controllare l'uniformità della resistività e ridurre la densità dei difetti garantendo al contempo lo spessore è diventata un'altra grande sfida. Nel sistema di controllo elettrificato, è necessario integrare sensori e attuatori ad alta precisione per garantire che vari parametri possano essere regolati in modo accurato e stabile. Allo stesso tempo, è cruciale anche l'ottimizzazione dell'algoritmo di controllo. Deve essere in grado di regolare la strategia di controllo in tempo reale in base al segnale di feedback per adattarsi a vari cambiamenti nelcrescita epitassiale del carburo di silicioprocesso.
II. Le principali difficoltà nella produzione di substrati in carburo di silicio:
1. La temperatura di crescita è superiore a 2000℃, ovvero il doppio di quella del silicio.
2. Lo spessore della bacchetta di cristallo è ridotto durante il periodo di crescita del cristallo, e una bacchetta di cristallo di carburo di silicio di 2 cm cresce in 7 giorni.
3. I requisiti relativi al tipo di cristallo sono elevati e sono pochi i carburi di silicio monocristallini con struttura cristallina.
4. L'usura da taglio è elevata e il carburo di silicio ha una durezza estremamente elevata.
In sintesi, i tempi di lavorazione elevati e la complessa tecnologia di elaborazione determinano l'alto costo dei substrati in carburo di silicio, limitandone l'applicazione.
III. Classificazione dei forni per la crescita di cristalli
In base al metodo di riscaldamento, i forni per la crescita di cristalli possono essere suddivisi in forni a induzione e forni a resistenza. Attualmente, la maggior parte delle apparecchiature sul mercato è di tipo a induzione, che presenta i vantaggi di un costo contenuto, una struttura semplice, una manutenzione agevole e un'elevata efficienza termica. Tuttavia, a causa dell'effetto di induzione elettromagnetica, la temperatura assiale e quella radiale del riscaldamento a induzione sono accoppiate, rendendo impossibile tenere conto contemporaneamente della velocità di crescita dei cristalli e della loro qualità.
La piattaforma di crescita a campo termico resistivo consente di controllare con precisione la temperatura assiale e quella radiale, favorendo la crescita di cristalli di grandi dimensioni e migliorando la velocità di crescita. Rappresenta una delle soluzioni per la futura crescita di cristalli di carburo di silicio di alta qualità da 8 pollici.
Confronto tra metodo a induzione e metodo a resistenza:
| Metodo di induzione | Metodo di resistenza | |
| Principio di funzionamento | Il riscaldamento a induzione è un metodo di trattamento termico che utilizza l'effetto magnetico della corrente elettrica per creare una densità di corrente indotta relativamente elevata sullo strato superficiale del pezzo, riscaldandolo rapidamente fino allo stato austenitico, e quindi raffreddandolo altrettanto rapidamente per ottenere una struttura martensitica. | Il riscaldamento a resistenza utilizza il calore Joule generato dalla corrente che attraversa il conduttore come fonte di calore. Si può suddividere in due categorie: riscaldamento a resistenza indiretto (tramite elemento riscaldante elettrico o mezzo conduttivo) e riscaldamento a resistenza diretto. |
| Controllo della temperatura | Il metodo a induzione riscalda il campo magnetico interno tramite una bobina di induzione posta all'esterno del crogiolo. La velocità di riscaldamento è elevata, ma la distanza tra la bobina di induzione e il crogiolo è considerevole, l'area di irraggiamento è dispersa ed è difficile controllare con precisione la generazione di calore sulla superficie del crogiolo in direzione orizzontale. | Il metodo a resistenza prevede l'utilizzo di un riscaldatore separato, posizionato vicino al crogiolo. Regolando il riscaldatore, è possibile controllare con maggiore precisione la temperatura della superficie del crogiolo. |
| Crescita di cristalli di grandi dimensioni | Quando si aggiungono più bobine di riscaldamento alla struttura del campo termico a induzione, i campi magnetici possono interferire tra loro, impedendo una distribuzione uniforme del campo magnetico e del calore secondo lo scopo previsto, compromettendo l'efficacia del riscaldamento e la crescita dei cristalli. | È più semplice progettare un sistema di riscaldamento a controllo indipendente multistadio per le apparecchiature di crescita di cristalli a riscaldamento resistivo, e il gradiente radiale dell'apparecchiatura stessa è ridotto, il che può soddisfare le esigenze di crescita di cristalli di grandi dimensioni. |
| ciclo di crescita dei cristalli | Il metodo di crescita cristallina a induzione richiede circa 10 giorni, la ricottura richiede 10-15 giorni e il ciclo di crescita complessivo è di 20-25 giorni. | Il ciclo di crescita del cristallo è di circa 5-7 giorni, può essere ricotto automaticamente e la temperatura scende lentamente dopo un'interruzione di corrente. |
| consumo di energia | Il consumo energetico del metodo a resistenza è 2-3 volte superiore a quello del metodo a induzione. | |
| Livello di rendimento | La resa dei cristalli cresciuti con il forno di crescita cristallina a resistenza è notevolmente migliorata rispetto a quella ottenuta con il forno di crescita cristallina a induzione. | |
Data di pubblicazione: 24 giugno 2025