Wat is een siliciumcarbide (SiC) kristalgroeioven?

SiCHet materiaal kenmerkt zich door een grote bandgap, hoge thermische geleidbaarheid, hoge kritische doorslagveldsterkte en een hoge elektronenverzadigingsdriftsnelheid. Het voldoet aan de toepassingsvereisten onder hoge temperaturen, hoge drukken, hoge frequenties en hoge vermogens. Het kan breed worden toegepast in elektrische voertuigen, fotovoltaïsche cellen, industriële besturing, radiofrequentiecommunicatie en andere gebieden. Met de snelle ontwikkeling van aanverwante industrieën biedt de markt voor halfgeleiders van de derde generatie, vertegenwoordigd door siliciumcarbide, nieuwe kansen.

Kristalgroei is de kern van de productie van siliciumcarbidesubstraten, en de belangrijkste apparatuur hiervoor is de kristalgroeioven. Net als traditionele kristalgroeiovens voor kristallijn silicium is de structuur van de oven niet erg complex. Deze bestaat hoofdzakelijk uit een ovenlichaam, een verwarmingssysteem, een spoeltransportmechanisme, een vacuümmeet- en -opvangsysteem, een gasstroomsysteem, een koelsysteem, een besturingssysteem, enzovoort. Het thermische veld en de procesomstandigheden bepalen de belangrijkste indicatoren voor de kwaliteit, grootte en geleidbaarheid van de siliciumcarbidekristallen.

I. Moeilijkheden bij de kristalgroei van siliciumcarbide

De temperatuur waarbij siliciumcarbidekristallen groeien is erg hoog en kan niet worden gecontroleerd, waardoor de grootste moeilijkheid in het proces zelf ligt:

(1)Moeilijkheden bij het beheersen van het thermische veldHet bewaken van de gesloten hogetemperatuurholte is moeilijk en oncontroleerbaar. In tegenstelling tot traditionele siliciumgebaseerde kristalgroeiapparatuur, die een hoge mate van automatisering kent en waarbij het kristalgroeiproces kan worden geobserveerd, gecontroleerd en aangepast, groeien siliciumcarbidekristallen in een gesloten ruimte in een omgeving met hoge temperaturen boven de 2000 °C. De groeitstemperatuur moet tijdens de productie nauwkeurig worden geregeld, wat temperatuurbeheersing lastig maakt.

(2)Moeilijkheid bij het beheersen van de kristalvormMicropijpen, polymorfe insluitingen, dislocaties en andere defecten kunnen tijdens het groeiproces ontstaan ​​en beïnvloeden elkaar, waardoor ze zich verder ontwikkelen. Micropijpen (MP) zijn doorlopende defecten met een grootte van enkele micrometers tot tientallen micrometers, die funest zijn voor apparaten. Siliciumcarbide-eenkristallen omvatten meer dan 200 verschillende kristalvormen, maar slechts een paar kristalstructuren (4H-type) zijn de halfgeleidermaterialen die nodig zijn voor de productie. Tijdens het groeiproces kan een kristalvormverandering optreden, wat resulteert in polymorfe insluitingsdefecten. Daarom is het noodzakelijk om parameters zoals de silicium-koolstofverhouding, de temperatuurgradiënt tijdens de groei, de kristalgroeisnelheid en de gasstroomdruk nauwkeurig te controleren.

Daarnaast is er een temperatuurgradiënt in het thermische veld van de groei van siliciumcarbide-eenkristallen, wat leidt tot inherente interne spanningen en de daaruit voortvloeiende dislocaties (basale vlakdislocaties BPD, schroefdislocaties TSD, randdislocaties TED) tijdens het kristalgroeiproces, waardoor de kwaliteit en prestaties van de daaropvolgende epitaxie en apparaten worden beïnvloed.

(3)Moeilijke dopingcontroleDe introductie van externe onzuiverheden moet strikt gecontroleerd worden om een ​​geleidend kristal met gerichte dotering te verkrijgen;

(4)Trage groeisnelheidDe groeisnelheid van siliciumcarbide is erg laag. TraditioneelsiliciummaterialenHet duurt slechts 3 dagen voordat een kristalstaaf uitgroeit tot een kristal, terwijl siliciumcarbidekristalstaven daar 7 dagen voor nodig hebben. Dit leidt van nature tot een lagere productie-efficiëntie van siliciumcarbide en een zeer beperkte output.

Aan de andere kant zijn de parameters voor de epitaxiale groei van siliciumcarbide extreem veeleisend, waaronder de luchtdichtheid van de apparatuur, de stabiliteit van de gasdruk in de reactiekamer, de nauwkeurige controle van de gasintroductietijd, de nauwkeurigheid van de gasverhouding en de strikte beheersing van de afzettingstemperatuur. Met name door de verbetering van de doorslagspanning van het apparaat is de moeilijkheid om de kernparameters van de epitaxiale wafer te beheersen aanzienlijk toegenomen.

Daarnaast is het, met de toename van de dikte van de epitaxiale laag, een grote uitdaging geworden om de uniformiteit van de soortelijke weerstand te beheersen en de defectdichtheid te verminderen, terwijl de dikte behouden blijft. In een elektrisch besturingssysteem is het noodzakelijk om zeer nauwkeurige sensoren en actuatoren te integreren om ervoor te zorgen dat verschillende parameters nauwkeurig en stabiel kunnen worden geregeld. Tegelijkertijd is de optimalisatie van het besturingsalgoritme cruciaal. Het moet de besturingsstrategie in realtime kunnen aanpassen aan de hand van het feedbacksignaal om te kunnen inspelen op diverse veranderingen in de epitaxiale laag.epitaxiale groei van siliciumcarbideproces.

II. De belangrijkste moeilijkheden bij de productie van siliciumcarbidesubstraten:

1. De groeitstemperatuur ligt boven de 2000℃, wat twee keer zo hoog is als die van silicium.

2. De dikte van de kristalstaaf is klein tijdens de kristalgroeiperiode, en een siliciumcarbide kristalstaaf van 2 cm groeit in 7 dagen.

3. De eisen aan het kristaltype zijn hoog, en er zijn maar weinig eenkristallijne siliciumcarbiden met een geschikte kristalstructuur.

4. De slijtage tijdens het snijden is hoog en siliciumcarbide heeft een extreem hoge hardheid.

Samenvattend bepalen de hoge kosten van siliciumcarbidesubstraten de kostbare tijd en de complexe verwerkingstechnologie, wat de toepassingsmogelijkheden van siliciumcarbide beperkt.

III. Classificatie van kristalgroeiovens

Afhankelijk van de verwarmingsmethode kunnen kristalgroeiovens worden onderverdeeld in inductie- en weerstandsovens. Momenteel is het merendeel van de apparatuur op de markt van het inductietype, wat voordelen biedt zoals lage kosten, een eenvoudige structuur, gemakkelijk onderhoud en een hoog thermisch rendement. Door het elektromagnetische inductie-effect zijn de axiale en radiale temperatuur bij inductieverwarming echter gekoppeld, waardoor het onmogelijk is om zowel de kristalgroeisnelheid als de kristalgroeikwaliteit in acht te nemen.

Het groeiplatform met thermisch weerstandsveld maakt nauwkeurige regeling van de axiale en radiale temperatuur mogelijk, wat de groei van grote kristallen bevordert en de kristalgroeisnelheid verbetert. Het is een van de oplossingen voor de toekomstige groei van hoogwaardige 8-inch siliciumcarbidekristallen.

Vergelijking tussen de inductiemethode en de weerstandsmethode: