SiCpasižymi didele draustine juosta, dideliu šilumos laidumu, dideliu kritinio pramušimo lauko stipriu ir dideliu elektronų prisotinimo dreifo greičiu. Jis gali atitikti taikymo reikalavimus esant aukštai temperatūrai, aukštam slėgiui, aukštam dažniui ir didelei galiai. Jis gali būti plačiai naudojamas naujos energijos transporto priemonėse, fotovoltiniuose elementuose, pramoniniame valdyme, radijo dažnių ryšiuose ir kitose srityse. Sparčiai vystantis susijusioms pramonės šakoms, trečiosios kartos puslaidininkių rinka, kurią atstovauja silicio karbidas, atvėrė naujas galimybes.
Kristalų auginimas yra pagrindinė silicio karbido substrato gamybos grandis, o pagrindinė įranga yra kristalų auginimo krosnis. Panašiai kaip ir tradicinės kristalinio silicio kristalų auginimo krosnys, krosnies konstrukcija nėra labai sudėtinga. Ją daugiausia sudaro krosnies korpusas, šildymo sistema, ritės perdavimo mechanizmas, vakuumo surinkimo ir matavimo sistema, dujų kanalų sistema, aušinimo sistema, valdymo sistema ir kt. Šiluminis laukas ir proceso sąlygos lemia pagrindinius silicio karbido kristalų kokybės, dydžio, laidumo ir kitus pagrindinius rodiklius.
II. Silicio karbido kristalų augimo technologijos sunkumai
Silicio karbido kristalų augimo temperatūra yra labai aukšta ir jos negalima stebėti, todėl pagrindinis sunkumas slypi pačiame procese:
(1)Sunku valdyti terminį laukąUždaros aukštos temperatūros ertmės stebėjimas yra sudėtingas ir nekontroliuojamas. Skirtingai nuo tradicinės silicio pagrindu veikiančios tirpalo traukimo kristalų auginimo įrangos, kuri pasižymi aukštu automatizavimo laipsniu ir leidžia stebėti, kontroliuoti bei reguliuoti kristalų augimo procesą, silicio karbido kristalai auga uždaroje erdvėje, aukštoje temperatūroje, aukštesnėje nei 2000 °C, todėl gamybos metu augimo temperatūrą reikia tiksliai kontroliuoti, todėl temperatūros kontrolė yra sudėtinga;
(2)Sunku kontroliuoti kristalinę formąMikrovamzdeliai, polimorfiniai intarpai, dislokacijos ir kiti defektai yra linkę atsirasti augimo proceso metu, ir jie veikia vienas kitą bei vysto vienas kitą. Mikrovamzdeliai (MP) yra kiauriniai defektai, kurių dydis svyruoja nuo kelių mikronų iki dešimčių mikronų ir kurie yra prietaisų „žudikai“. Silicio karbido monokristalai apima daugiau nei 200 skirtingų kristalų formų, tačiau tik kelios kristalinės struktūros (4H tipas) yra puslaidininkinės medžiagos, reikalingos gamybai. Augimo proceso metu gali vykti kristalinės formos transformacija, dėl kurios atsiranda polimorfinių intarpų defektų. Todėl būtina tiksliai kontroliuoti tokius parametrus kaip silicio ir anglies santykis, augimo temperatūros gradientas, kristalų augimo greitis ir dujų srauto slėgis.
Be to, silicio karbido monokristalo augimo terminiame lauke yra temperatūros gradientas, kuris kristalo augimo proceso metu sukelia natūralų vidinį įtempį ir dėl to atsirandančias dislokacijas (bazinės plokštumos dislokacija BPD, sraigto dislokacija TSD, krašto dislokacija TED), taip paveikdamas vėlesnės epitaksijos ir įtaisų kokybę ir veikimą.
(3)Sunki dopingo kontrolėIšorinių priemaišų patekimas turi būti griežtai kontroliuojamas, kad būtų gautas laidus kristalas su kryptiniu legiravimu;
(4)Lėtas augimo tempasSilicio karbido augimo greitis yra labai lėtas. Tradicinissilicio medžiagoskristaliniam strypui išaugti reikia tik 3 dienų, o silicio karbido kristaliniams strypams – 7 dienų. Dėl to natūraliai sumažėja silicio karbido gamybos efektyvumas ir gaunama labai ribota produkcija.
Kita vertus, silicio karbido epitaksinio augimo parametrai yra itin griežti, įskaitant įrangos sandarumą, dujų slėgio stabilumą reakcijos kameroje, tikslų dujų įvedimo laiko valdymą, dujų santykio tikslumą ir griežtą nusodinimo temperatūros valdymą. Visų pirma, pagerėjus įrenginio atsparumo įtampai, labai išaugo epitaksinės plokštelės pagrindinių parametrų valdymo sudėtingumas.
Be to, didėjant epitaksinio sluoksnio storiui, dar vienas didelis iššūkis tapo varžos vienodumo valdymas ir defektų tankio mažinimas, tuo pačiu užtikrinant storį. Elektrifikuotoje valdymo sistemoje būtina integruoti didelio tikslumo jutiklius ir pavaras, kad būtų galima tiksliai ir stabiliai reguliuoti įvairius parametrus. Tuo pačiu metu labai svarbu optimizuoti valdymo algoritmą. Jis turi turėti galimybę realiuoju laiku koreguoti valdymo strategiją pagal grįžtamojo ryšio signalą, kad prisitaikytų prie įvairių pokyčių.silicio karbido epitaksinis augimasprocesas.
II. Pagrindiniai silicio karbido substratų gamybos sunkumai:
1. Augimo temperatūra yra aukštesnė nei 2000 ℃, tai yra dvigubai daugiau nei silicio.
2. Kristalinio strypo storis kristalo augimo laikotarpiu yra mažas, o 2 cm silicio karbido kristalinis strypas užauga per 7 dienas.
3. Kristalų tipo reikalavimai yra aukšti, ir yra tik keletas monokristalinių silicio karbido su kristalinėmis struktūromis.
4. Pjovimo dilimas yra didelis, o silicio karbidas yra itin kietas.
Apibendrinant galima teigti, kad brangios laiko sąnaudos ir sudėtinga apdorojimo technologija lemia didelę silicio karbido substratų kainą, o tai riboja silicio karbido pritaikymą.
III. Kristalų auginimo krosnių klasifikacija
Pagal skirtingus kaitinimo metodus kristalų auginimo krosnis galima suskirstyti į indukcines ir varžines. Šiuo metu dauguma rinkoje esančių įrenginių yra indukcinio tipo, todėl pasižymi maža kaina, paprasta konstrukcija, patogia priežiūra ir dideliu šiluminiu efektyvumu. Tačiau dėl elektromagnetinės indukcijos efekto indukcinio kaitinimo ašinė ir radialinė temperatūros yra susietos, todėl neįmanoma atsižvelgti tiek į kristalų augimo greitį, tiek į kristalų augimo kokybę.
Varžinio šiluminio lauko augimo platforma gali tiksliai kontroliuoti atitinkamai ašinę ir radialinę temperatūrą, o tai skatina didelių kristalų augimą ir pagerina kristalų augimo greitį. Tai vienas iš sprendimų, kaip ateityje auginti aukštos kokybės 8 colių silicio karbido kristalus.
Indukcijos metodo ir varžos metodo palyginimas:
| Indukcijos metodas | Atsparumo metodas | |
| Veikimo principas | Indukcinis kaitinimas yra terminio apdorojimo metodas, kurio metu, naudojant magnetinį elektros srovės poveikį, ruošinio paviršiaus sluoksnyje sukuriamas santykinai didelis indukuotos srovės tankis, greitai įkaitinamas iki austenito būsenos, o po to greitai atvėsinamas, kad būtų gauta martensitinė struktūra. | Varžinis šildymas naudoja Džaulio šilumą, kurią sukuria srovė, praeinanti per laidininką. Jį galima suskirstyti į dvi kategorijas: netiesioginį varžinį šildymą (elektrinis kaitinimo elementas arba laidžioji terpė) ir tiesioginį varžinį šildymą. |
| Temperatūros kontrolė | Indukcinio metodo metu vidinis magnetinis laukas kaitinamas per indukcinę ritę, esančią už tiglio ribų. Šildymo greitis yra didelis, tačiau atstumas tarp indukcinės ritės ir tiglio yra didelis, spinduliuotės plotas yra išsklaidytas, todėl sunku tiksliai kontroliuoti tiglio paviršiaus šilumos susidarymą horizontalia kryptimi. | Varžos metodas nustato atskirą šildytuvą, kuris yra arti tiglio. Reguliuojant šildytuvą, galima tiksliau kontroliuoti tiglio paviršiaus temperatūrą. |
| Didelio dydžio kristalų augimas | Pridėjus kelias kaitinimo rites prie indukcinio metodo šiluminio lauko struktūros, magnetiniai laukai gali trukdyti vienas kitam, todėl magnetinis laukas ir šiluma nebus lengvai paskirstyti pagal projektavimo tikslą, o tai turės įtakos kaitinimo efektui ir kristalų augimui. | Lengviau suprojektuoti daugiapakopę nepriklausomą valdymo šildymo sistemą varžinio šildymo kristalų augimo įrangai, o pačios įrangos radialinis gradientas yra mažas, todėl galima patenkinti didelio dydžio kristalų augimo poreikius. |
| Kristalų augimo ciklas | Indukcinio metodo kristalų augimas trunka apie 10 dienų, atkaitinimas – 10–15 dienų, o bendras augimo ciklas – 20–25 dienos. | Kristalų augimo ciklas yra apie 5–7 dienas, jis gali būti automatiškai atkaitintas, o nutrūkus elektros tiekimui, temperatūra lėtai krenta. |
| Energijos suvartojimas | Varžinio metodo energijos suvartojimas yra 2–3 kartus didesnis nei indukcinio metodo. | |
| Derlingumo lygis | Kristalų, išaugintų varžinio metodo kristalų auginimo krosnyje, išeiga yra žymiai didesnė, palyginti su indukcinio metodo kristalų auginimo krosnimi. | |
Įrašo laikas: 2025 m. birželio 24 d.