סיליקה קרבידבעל מאפיינים של פער אנרגיה גדול, מוליכות תרמית גבוהה, עוצמת שדה קריטי גבוהה וקצב סחיפה גבוה של רווית אלקטרונים. הוא יכול לעמוד בדרישות היישום בתנאי טמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה, תדר גבוה והספק גבוה. ניתן להשתמש בו באופן נרחב בכלי רכב לאנרגיה חדשה, פוטו-וולטאית, בקרה תעשייתית, תקשורת תדרי רדיו ותחומים אחרים. עם ההתפתחות המהירה של תעשיות קשורות, שוק המוליכים למחצה מהדור השלישי, המיוצג על ידי סיליקון קרביד, יצר הזדמנויות חדשות.
גידול גבישים הוא החוליה המרכזית בייצור מצע סיליקון קרביד, והציוד המרכזי הוא תנור גידול הגבישים. בדומה לתנורי גידול גבישים מסורתיים 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 של איכות גביש סיליקון קרביד, גודלו, מוליכותו ומדדים מרכזיים אחרים.
1. קשיים בטכנולוגיית גידול גבישי סיליקון קרביד
טמפרטורת גידול גבישי הסיליקון קרביד גבוהה מאוד ולא ניתן לנטר אותה, ולכן הקושי העיקרי טמון בתהליך עצמו:
(1)קושי בשליטה על השדה התרמיניטור חלל הטמפרטורה הגבוהה הסגור קשה ובלתי נשלט. בניגוד לציוד גידול גבישים מסורתי מבוסס סיליקון בתמיסה, בעל רמת אוטומציה גבוהה וניתן לצפות, לשלוט ולכוונן את תהליך גידול הגבישים, גבישי סיליקון קרביד גדלים בחלל סגור בסביבה בטמפרטורה גבוהה מעל 2,000 מעלות צלזיוס, ויש צורך לשלוט במדויק בטמפרטורת הגידול במהלך הייצור, מה שמקשה על בקרת הטמפרטורה;
(2)קושי בשליטה על צורת הגבישמיקרו-צינורות, תכלילים פולימורפיים, נקעים ופגמים אחרים נוטים להתרחש במהלך תהליך הגדילה, והם משפיעים ומתפתחים זה את זה. מיקרו-צינורות (MP) הם פגמים מסוג "דרך-דרך" בגודל של מספר מיקרונים עד עשרות מיקרונים, שהם פגמים מכריעים במכשירים. גבישים בודדים מסיליקון קרביד כוללים יותר מ-200 צורות גביש שונות, אך רק מעט מבני גביש (סוג 4H) הם חומרי המוליכים למחצה הנדרשים לייצור. טרנספורמציה של צורת גביש נוטה להתרחש במהלך תהליך הגידול, וכתוצאה מכך לפגמי הכללה פולימורפיים. לכן, יש צורך לשלוט במדויק בפרמטרים כגון יחס סיליקון-פחמן, גרדיאנט טמפרטורת הגידול, קצב גידול הגביש ולחץ זרימת הגז.
בנוסף, קיים גרדיאנט טמפרטורה בשדה התרמי של צמיחת גביש יחיד מסיליקון קרביד, מה שמוביל למאמץ פנימי טבעי ולנקעים הנובעים מכך (נקיעה במישור הבסיסי BPD, נקע בבורג TSD, נקע בקצה TED) במהלך תהליך צמיחת הגביש, ובכך משפיע על איכות וביצועי האפיטקסיה וההתקנים הבאים.
(3)בקרת סימום קשהיש לשלוט בקפדנות על החדרת זיהומים חיצוניים כדי להשיג גביש מוליך עם סימום כיווני;
(4)קצב צמיחה איטיקצב הצמיחה של סיליקון קרביד איטי מאוד. מסורתיחומרי סיליקוןנדרשים רק 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 מתח העמידה של המכשיר, הקושי בשליטה על פרמטרי הליבה של פרוסת הוופל 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 בקרה חשמלית, יש צורך לשלב חיישנים ומפעילים בעלי דיוק גבוה כדי להבטיח שניתן יהיה לווסת פרמטרים שונים בצורה מדויקת ויציבה. במקביל, אופטימיזציה של אלגוריתם הבקרה היא גם קריטית. יש צורך להתאים את אסטרטגיית הבקרה בזמן אמת בהתאם לאות המשוב כדי להסתגל לשינויים שונים ב...גידול אפיטקסיאלי של סיליקון קרבידתַהֲלִיך.
2. הקשיים העיקריים בייצור מצעים מסיליקון קרביד:
1. טמפרטורת הגידול היא מעל 2000 ℃, שהיא גבוהה פי שניים מזו של סיליקון.
2. עובי מוט הגביש קטן במהלך תקופת גידול הגביש, ומוט גביש סיליקון קרביד בגודל 2 ס"מ גדל תוך 7 ימים.
3. דרישות סוג הגביש הן גבוהות, ויש רק מעט סיליקון קרביד חד-גבישי עם מבנה גבישי.
4. שחיקת החיתוך גבוהה, ולסיליקון קרביד קשיות גבוהה במיוחד.
לסיכום, עלות הזמן היקרה וטכנולוגיית העיבוד המורכבת קובעות את העלות הגבוהה של מצעי סיליקון קרביד, מה שמגביל את השימוש בסיליקון קרביד.
ג. סיווג תנורי גידול גבישים
לפי שיטות חימום שונות, ניתן לחלק תנורי צמיחת גבישים לסוג אינדוקציה וסוג התנגדות. כיום, רוב הציוד בשוק הוא מסוג אינדוקציה, אשר לו יתרונות של עלות נמוכה, מבנה פשוט, תחזוקה נוחה ויעילות תרמית גבוהה. עם זאת, עקב אפקט האינדוקציה האלקטרומגנטית, הטמפרטורה הצירית והטמפרטורה הרדיאלית של חימום אינדוקציה משולבות זו בזו, ואי אפשר לקחת בחשבון הן את מהירות צמיחת הגביש והן את איכות צמיחת הגביש.
פלטפורמת גידול שדה תרמי בעלת התנגדות יכולה לשלוט במדויק בטמפרטורה הצירית ובטמפרטורה הרדיאלית בהתאמה, דבר התורם לגידול גבישים גדולים ומשפר את קצב גידול הגבישים. זהו אחד הפתרונות לגידול גבישי סיליקון קרביד באיכות גבוהה בגודל 8 אינץ' בעתיד.
השוואה בין שיטת האינדוקציה לשיטת ההתנגדות:
| שיטת אינדוקציה | שיטת ההתנגדות | |
| עקרון העבודה | חימום אינדוקציה הוא שיטת טיפול בחום המשתמשת באפקט המגנטי של זרם חשמלי כדי ליצור צפיפות גבוהה יחסית של זרם מושרה על שכבת פני השטח של חומר העבודה, מחמם אותו במהירות למצב אוסטניט, ולאחר מכן מקרר אותו במהירות כדי לקבל מבנה מרטנזיטי. | חימום התנגדות משתמש בחום ג'אול הנוצר מהזרם העובר דרך המוליך כמקור חום. ניתן לחלק אותו לשתי קטגוריות: חימום התנגדות עקיף (גוף חימום חשמלי או תווך מוליך) וחימום התנגדות ישיר. |
| בקרת טמפרטורה | שיטת האינדוקציה מחממת את השדה המגנטי הפנימי דרך סליל האינדוקציה מחוץ לכור ההיתוך. מהירות החימום מהירה, אך המרחק בין סליל האינדוקציה לכור ההיתוך גדול, אזור הקרינה מפוזר, וקשה לשלוט במדויק על יצירת החום של פני כור ההיתוך בכיוון האופקי. | שיטת ההתנגדות מגדירה גוף חימום נפרד, הקרוב לכור ההיתוך. על ידי כוונון הגוף, ניתן לשלוט בצורה מדויקת יותר על טמפרטורת פני השטח של כור ההיתוך. |
| גידול גבישים בגודל גדול | בעת הוספת מספר סלילי חימום למבנה השדה התרמי של שיטת האינדוקציה, השדות המגנטיים עלולים להתערב זה בזה, וכתוצאה מכך השדה המגנטי והחום לא יתפזרו בקלות בהתאם למטרת התכנון, דבר המשפיע על אפקט החימום ועל צמיחת הגביש. | קל יותר לתכנן מערכת חימום רב-שלבית עצמאית בקרה עבור ציוד צמיחת גבישים לחימום התנגדות, והגרדיאנט הרדיאלי של הציוד עצמו קטן, מה שיכול לענות על הצרכים של צמיחת גבישים בגודל גדול. |
| מחזור גידול גבישים | גידול גבישים בשיטת אינדוקציה אורך כ-10 ימים, חישול אורך 10-15 ימים, ומחזור הגידול הכולל הוא 20-25 ימים. | מחזור גידול הגביש הוא כ-5-7 ימים, וניתן לחשל אותו באופן אוטומטי, והטמפרטורה יורדת באיטיות לאחר הפסקת חשמל. |
| צריכת אנרגיה | צריכת האנרגיה של שיטת ההתנגדות גבוהה פי 2-3 מזו של שיטת האינדוקציה. | |
| רמת התשואה | תפוקת הגבישים שגודלו באמצעות תנור גידול גבישים בשיטת ההתנגדות משופרת משמעותית בהשוואה לתנור גידול גבישים בשיטת האינדוקציה. | |
זמן פרסום: 24 ביוני 2025