תנור צמיחת הגבישים הוא הציוד המרכזי עבורסיליקון קרבידגידול גבישים. זה דומה לתנור גידול גבישים מסורתי בדרגת סיליקון גבישי. מבנה התנור אינו מסובך במיוחד. הוא מורכב בעיקר מגוף התנור, מערכת חימום, מנגנון העברת סליל, מערכת רכישה ומדידת ואקום, מערכת נתיב גז, מערכת קירור, מערכת בקרה וכו'. השדה התרמי ותנאי התהליך קובעים את האינדיקטורים המרכזיים שלגביש סיליקון קרבידכמו איכות, גודל, מוליכות וכן הלאה.
מצד אחד, הטמפרטורה במהלך הגידול שלגביש סיליקון קרבידגבוה מאוד ולא ניתן לנטר אותו. לכן, הקושי העיקרי טמון בתהליך עצמו. הקשיים העיקריים הם כדלקמן:
(1) קושי בבקרת שדה תרמי:
ניטור חלל הטמפרטורה הגבוהה הסגור קשה ובלתי נשלט. בשונה מציוד גידול גבישים מסורתי מבוסס סיליקון במשיכה ישירה, בעל רמת אוטומציה גבוהה ותהליך גידול גבישים ניתן לצפייה ולשליטה, גבישי סיליקון קרביד גדלים בחלל סגור בסביבה בטמפרטורה גבוהה מעל 2,000 ℃, ויש צורך לשלוט במדויק בטמפרטורת הגידול במהלך הייצור, מה שמקשה על בקרת הטמפרטורה;
(2) קושי בשליטה על צורת הגביש:
מיקרו-צינורות, תכלילים פולימורפיים, נקעים ופגמים אחרים נוטים להתרחש במהלך תהליך הגידול, והם משפיעים ומתפתחים זה את זה. מיקרו-צינורות (MP) הם פגמים מסוג "דרך-דרך" בגודל של מספר מיקרונים עד עשרות מיקרונים, שהם פגמים מכריעים של התקנים. גבישים בודדים מסיליקון קרביד כוללים יותר מ-200 צורות גביש שונות, אך רק מבני גביש מעטים (סוג 4H) הם חומרי המוליכים למחצה הנדרשים לייצור. קל להתרחש שינוי צורת גביש במהלך תהליך הגידול, וכתוצאה מכך לפגמי תכלילים פולימורפיים. לכן, יש צורך לשלוט במדויק בפרמטרים כגון יחס סיליקון-פחמן, גרדיאנט טמפרטורת הגידול, קצב גידול הגביש ולחץ זרימת האוויר. בנוסף, קיים גרדיאנט טמפרטורה בשדה התרמי של גידול גביש בודדים מסיליקון קרביד, מה שמוביל למאמץ פנימי טבעי ולנקעים הנובעים מכך (נקע מישור בסיסי BPD, נקע בורג TSD, נקע קצה TED) במהלך תהליך גידול הגביש, ובכך משפיע על איכות וביצועי האפיטקסיה וההתקנים הבאים.
(3) בקרת סימום קשה:
יש לשלוט בקפדנות על החדרת זיהומים חיצוניים כדי להשיג גביש מוליך עם סימום כיווני;
(4) קצב צמיחה איטי:
קצב הגידול של סיליקון קרביד הוא איטי מאוד. חומרי סיליקון מסורתיים זקוקים רק ל-3 ימים כדי לגדול למוט גביש, בעוד שמוטות גביש מסיליקון קרביד זקוקים ל-7 ימים. זה מוביל ליעילות ייצור נמוכה יותר באופן טבעי של סיליקון קרביד ותפוקה מוגבלת מאוד.
מצד שני, הפרמטרים של גידול אפיטקסיאלי של סיליקון קרביד הם תובעניים ביותר, כולל אטימות הציוד, יציבות לחץ הגז בתא התגובה, שליטה מדויקת בזמן הכנסת הגז, דיוק יחס הגז וניהול קפדני של טמפרטורת השיקוע. בפרט, עם שיפור רמת התנגדות המתח של המכשיר, הקושי לשלוט בפרמטרי הליבה של פרוסת השכבה האפיטקסיאלית גדל משמעותית. בנוסף, עם העלייה בעובי השכבה האפיטקסיאלית, כיצד לשלוט באחידות ההתנגדות ולהפחית את צפיפות הפגמים תוך הבטחת העובי הפך לאתגר מרכזי נוסף. במערכת הבקרה החשמלית, יש צורך לשלב חיישנים ומפעילים בעלי דיוק גבוה כדי להבטיח שניתן יהיה לווסת פרמטרים שונים בצורה מדויקת ויציבה. יחד עם זאת, אופטימיזציה של אלגוריתם הבקרה היא גם קריטית. יש צורך להתאים את אסטרטגיית הבקרה בזמן אמת בהתאם לאות המשוב כדי להסתגל לשינויים שונים בתהליך גידול האפיטקסיאלי של סיליקון קרביד.
קשיים עיקריים במצע סיליקון קרבידייצור:
זמן פרסום: 07 ביוני 2024