SiCCharakteryzuje się szeroką przerwą energetyczną, wysoką przewodnością cieplną, wysoką krytyczną wytrzymałością pola przebicia i wysokim współczynnikiem dryftu nasycenia elektronów. Spełnia wymagania zastosowań w warunkach wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia, wysokiej częstotliwości i dużej mocy. Może być szeroko stosowany w pojazdach nowej generacji, fotowoltaice, sterowaniu przemysłowym, komunikacji radiowej i innych dziedzinach. Wraz z szybkim rozwojem pokrewnych branż, rynek półprzewodników trzeciej generacji, reprezentowany przez węglik krzemu, otworzył nowe możliwości.
Wzrost kryształów jest kluczowym ogniwem w procesie produkcji podłoża z węglika krzemu, a jego kluczowym elementem jest piec do wzrostu kryształów. Podobnie jak w tradycyjnych piecach do wzrostu kryształów z krzemu krystalicznego, konstrukcja pieca nie jest zbyt skomplikowana. Składa się on głównie z korpusu pieca, układu grzewczego, mechanizmu transmisyjnego cewki, systemu akwizycji i pomiaru próżni, układu ścieżki gazowej, układu chłodzenia, układu sterowania itp. Pole termiczne i warunki procesu determinują kluczowe wskaźniki jakości, rozmiaru, przewodności i innych kluczowych wskaźników kryształu węglika krzemu.
I. Trudności w technologii wzrostu kryształów węglika krzemu
Temperatura wzrostu kryształów węglika krzemu jest bardzo wysoka i nie można jej kontrolować, więc główna trudność tkwi w samym procesie:
(1)Trudności w kontrolowaniu pola termicznegoMonitorowanie zamkniętej komory wysokotemperaturowej jest trudne i niekontrolowane. W przeciwieństwie do tradycyjnych urządzeń do wzrostu kryształów metodą wyciągania roztworu na bazie krzemu, które charakteryzują się wysokim stopniem automatyzacji, a proces wzrostu kryształów można obserwować, kontrolować i regulować, kryształy węglika krzemu rosną w zamkniętej przestrzeni w środowisku o wysokiej temperaturze powyżej 2000°C, a temperatura wzrostu wymaga precyzyjnej kontroli podczas produkcji, co utrudnia kontrolę temperatury.
(2)Trudności w kontrolowaniu formy kryształu: Mikrorurki, inkluzje polimorficzne, dyslokacje i inne defekty są podatne na powstawanie w procesie wzrostu, wpływając na siebie nawzajem i ewoluując. Mikrorurki (MP) to defekty typu przelotowego o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu mikronów, które są zabójczymi defektami urządzeń. Monokryształy węglika krzemu obejmują ponad 200 różnych form krystalicznych, ale tylko kilka struktur krystalicznych (Typ 4H) to materiały półprzewodnikowe niezbędne do produkcji. Podczas procesu wzrostu zachodzi transformacja formy krystalicznej, co prowadzi do powstawania defektów w postaci inkluzji polimorficznych. Dlatego konieczna jest precyzyjna kontrola parametrów, takich jak stosunek krzemu do węgla, gradient temperatury wzrostu, tempo wzrostu kryształów oraz ciśnienie przepływu gazu.
Ponadto w polu termicznym wzrostu monokryształu węglika krzemu występuje gradient temperatury, który powoduje powstawanie naprężeń wewnętrznych i wynikających z nich dyslokacji (dyslokacja płaszczyzny podstawowej BPD, dyslokacja śrubowa TSD, dyslokacja krawędziowa TED) w trakcie procesu wzrostu kryształów, co wpływa na jakość i wydajność późniejszej epitaksji i urządzeń.
(3)Trudna kontrola antydopingowa:Wprowadzanie zanieczyszczeń zewnętrznych musi być ściśle kontrolowane, aby uzyskać kryształ przewodzący z domieszkowaniem kierunkowym;
(4)Powolne tempo wzrostuTempo wzrostu węglika krzemu jest bardzo powolne. Tradycyjnemateriały silikonowePotrzebują zaledwie 3 dni, aby uformować pręt krystaliczny, podczas gdy pręty z węglika krzemu potrzebują 7 dni. Prowadzi to do naturalnie niższej wydajności produkcji węglika krzemu i bardzo ograniczonej wydajności.
Z drugiej strony, parametry epitaksjalnego wzrostu węglika krzemu są niezwykle wymagające, w tym szczelność urządzenia, stabilność ciśnienia gazu w komorze reakcyjnej, precyzyjna kontrola czasu wprowadzania gazu, dokładność stosunku gazu oraz ścisłe zarządzanie temperaturą osadzania. W szczególności, wraz z poprawą poziomu napięcia wytrzymywanego urządzenia, trudność w kontrolowaniu parametrów rdzenia płytki epitaksjalnej znacznie wzrosła.
Ponadto, wraz ze wzrostem grubości warstwy epitaksjalnej, kolejnym poważnym wyzwaniem stało się kontrolowanie jednorodności rezystywności i redukcja gęstości defektów przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej grubości. W zelektryfikowanym systemie sterowania konieczna jest integracja precyzyjnych czujników i siłowników, aby zapewnić precyzyjną i stabilną regulację różnych parametrów. Jednocześnie kluczowa jest optymalizacja algorytmu sterowania. Musi on być w stanie dostosowywać strategię sterowania w czasie rzeczywistym, zgodnie z sygnałem sprzężenia zwrotnego, aby dostosować się do różnych zmian wwzrost epitaksjalny węglika krzemuproces.
II. Główne trudności w produkcji podłoży z węglika krzemu:
1. Temperatura wzrostu wynosi ponad 2000℃, co jest wartością dwukrotnie wyższą niż w przypadku krzemu.
2. Grubość pręta krystalicznego jest niewielka w okresie wzrostu kryształu, a pręt krystaliczny z węglika krzemu o średnicy 2 cm rośnie w ciągu 7 dni.
3. Wymagania odnośnie typu kryształu są wysokie, a dostępnych jest tylko kilka monokrystalicznych węglików krzemu o strukturze krystalicznej.
4. Zużycie podczas cięcia jest wysokie, a węglik krzemu charakteryzuje się wyjątkowo dużą twardością.
Podsumowując, wysoki koszt obróbki i skomplikowana technologia decydują o wysokich kosztach podłoży z węglika krzemu, co ogranicza zastosowanie węglika krzemu.
III. Klasyfikacja pieców do wzrostu kryształów
Ze względu na różne metody ogrzewania, piece do wzrostu kryształów można podzielić na indukcyjne i oporowe. Obecnie większość urządzeń dostępnych na rynku to piece indukcyjne, które charakteryzują się niskim kosztem, prostą konstrukcją, wygodą konserwacji i wysoką sprawnością cieplną. Jednak ze względu na zjawisko indukcji elektromagnetycznej, temperatura osiowa i promieniowa podczas ogrzewania indukcyjnego są ze sobą powiązane, co uniemożliwia uwzględnienie zarówno szybkości, jak i jakości wzrostu kryształów.
Platforma wzrostu w polu termicznym oporowym umożliwia precyzyjną kontrolę temperatury osiowej i promieniowej, co sprzyja wzrostowi kryształów o dużych rozmiarach i poprawia tempo ich wzrostu. Jest to jedno z rozwiązań dla przyszłościowych, wysokiej jakości 8-calowych kryształów węglika krzemu.
Porównanie metody indukcyjnej i metody oporowej:
| Metoda indukcyjna | Metoda oporowa | |
| Zasada działania | Nagrzewanie indukcyjne to metoda obróbki cieplnej, która wykorzystuje efekt magnetyczny prądu elektrycznego w celu wytworzenia stosunkowo dużej gęstości prądu indukowanego na warstwie powierzchniowej przedmiotu obrabianego, szybkiego nagrzania go do stanu austenitu, a następnie szybkiego schłodzenia w celu uzyskania struktury martenzytycznej. | Ogrzewanie rezystancyjne wykorzystuje ciepło Joule'a generowane przez prąd przepływający przez przewodnik jako źródło ciepła. Można je podzielić na dwie kategorie: pośrednie ogrzewanie rezystancyjne (elektryczny element grzejny lub medium przewodzące) oraz bezpośrednie ogrzewanie rezystancyjne. |
| Kontrola temperatury | Metoda indukcyjna nagrzewa wewnętrzne pole magnetyczne poprzez cewkę indukcyjną na zewnątrz tygla. Prędkość nagrzewania jest duża, ale odległość między cewką indukcyjną a tyglem jest duża, obszar promieniowania jest rozproszony i trudno jest precyzyjnie kontrolować generowanie ciepła przez powierzchnię tygla w kierunku poziomym. | Metoda rezystancyjna polega na umieszczeniu oddzielnej grzałki blisko tygla. Regulacja grzałki pozwala na dokładniejszą kontrolę temperatury powierzchni tygla. |
| Wzrost kryształów wielkogabarytowych | W przypadku dodania wielu cewek grzewczych do struktury pola cieplnego uzyskanej metodą indukcyjną, pola magnetyczne mogą wzajemnie na siebie oddziaływać, co może skutkować tym, że pole magnetyczne i ciepło nie będą się łatwo rozprowadzać zgodnie z przeznaczeniem, co wpłynie na efekt grzewczy i wzrost kryształów. | Łatwiej jest zaprojektować wieloetapowy, niezależny układ sterowania ogrzewaniem dla urządzeń do wzrostu kryształów metodą ogrzewania oporowego, a gradient promieniowy samego urządzenia jest niewielki, co może sprostać potrzebom wzrostu kryształów o dużych rozmiarach. |
| Cykl wzrostu kryształów | Wzrost kryształów metodą indukcyjną trwa około 10 dni, wyżarzanie trwa 10–15 dni, a cały cykl wzrostu wynosi 20–25 dni. | Cykl wzrostu kryształów trwa około 5-7 dni, a wyżarzanie może odbywać się automatycznie. Po awarii zasilania temperatura powoli spada. |
| Zużycie energii | Zużycie energii w metodzie oporowej jest 2-3 razy większe niż w metodzie indukcyjnej. | |
| Poziom plonu | Wydajność kryształów hodowanych w piecu do wzrostu kryształów metodą oporową jest znacznie lepsza w porównaniu z piecem do wzrostu kryształów metodą indukcyjną | |
Czas publikacji: 24-06-2025