SiCPossui características como grande gap de energia, alta condutividade térmica, alta rigidez dielétrica crítica e alta taxa de deriva de saturação de elétrons. Atende aos requisitos de aplicação em condições de alta temperatura, alta pressão, alta frequência e alta potência. Pode ser amplamente utilizado em veículos de novas energias, células fotovoltaicas, controle industrial, comunicações por radiofrequência e outros campos. Com o rápido desenvolvimento das indústrias relacionadas, o mercado de semicondutores de terceira geração, representado pelo carbeto de silício, abriu novas oportunidades.
O crescimento de cristais é a etapa fundamental na produção de substratos de carbeto de silício, e o equipamento principal é o forno de crescimento de cristais. Semelhante aos fornos tradicionais de crescimento de cristais de silício de grau cristalino, a estrutura do forno não é muito complexa. É composta principalmente por corpo do forno, sistema de aquecimento, mecanismo de transmissão da bobina, sistema de aquisição e medição de vácuo, sistema de circulação de gás, sistema de resfriamento, sistema de controle, etc. O campo térmico e as condições do processo determinam os principais indicadores de qualidade, tamanho, condutividade e outros parâmetros-chave dos cristais de carbeto de silício.
I. Dificuldades na tecnologia de crescimento de cristais de carbeto de silício
A temperatura de crescimento dos cristais de carbeto de silício é muito alta e não pode ser monitorada, portanto, a principal dificuldade reside no próprio processo:
(1)Dificuldade em controlar o campo térmicoO monitoramento da cavidade fechada em alta temperatura é difícil e incontrolável. Ao contrário dos equipamentos tradicionais de crescimento de cristais por extração em solução à base de silício, que possuem um alto grau de automação e permitem observar, controlar e ajustar o processo de crescimento do cristal, os cristais de carbeto de silício crescem em um espaço fechado em um ambiente de alta temperatura acima de 2.000 °C, e a temperatura de crescimento precisa ser controlada com precisão durante a produção, o que dificulta o controle da temperatura;
(2)Dificuldade em controlar a forma cristalinaMicroporos, inclusões polimórficas, deslocamentos e outros defeitos tendem a ocorrer durante o processo de crescimento, influenciando-se e evoluindo uns aos outros. Microporos (MP) são defeitos passantes com dimensões de alguns micrômetros a dezenas de micrômetros, sendo defeitos críticos para dispositivos. Os monocristais de carbeto de silício incluem mais de 200 formas cristalinas diferentes, mas apenas algumas estruturas cristalinas (Tipo 4HOs materiais semicondutores necessários para a produção de silício são aqueles que sofrem transformações na forma cristalina durante o processo de crescimento, resultando em defeitos de inclusão polimórficos. Portanto, é necessário controlar com precisão parâmetros como a proporção silício-carbono, o gradiente de temperatura de crescimento, a taxa de crescimento cristalino e a pressão do fluxo de gás.
Além disso, existe um gradiente de temperatura no campo térmico do crescimento de monocristais de carbeto de silício, o que leva a tensões internas intrínsecas e às consequentes discordâncias (discordância no plano basal - BPD, discordância helicoidal - TSD, discordância de aresta - TED) durante o processo de crescimento do cristal, afetando assim a qualidade e o desempenho da epitaxia subsequente e dos dispositivos.
(3)Controle antidoping difícilA introdução de impurezas externas deve ser rigorosamente controlada para se obter um cristal condutor com dopagem direcional;
(4)Taxa de crescimento lentaA taxa de crescimento do carbeto de silício é muito lenta. Tradicionalmateriais de silícioAs hastes cristalinas de carbeto de silício precisam de apenas 3 dias para crescer e se transformar em uma haste cristalina, enquanto as hastes cristalinas de carbeto de silício precisam de 7 dias. Isso resulta em uma eficiência de produção naturalmente menor para o carbeto de silício e em uma produção muito limitada.
Por outro lado, os parâmetros de crescimento epitaxial de carbeto de silício são extremamente exigentes, incluindo a estanqueidade do equipamento, a estabilidade da pressão do gás na câmara de reação, o controle preciso do tempo de introdução do gás, a exatidão da proporção de gases e o controle rigoroso da temperatura de deposição. Em particular, com o aumento da tensão de suporte dos dispositivos, a dificuldade de controlar os parâmetros principais do wafer epitaxial aumentou significativamente.
Além disso, com o aumento da espessura da camada epitaxial, controlar a uniformidade da resistividade e reduzir a densidade de defeitos, garantindo ao mesmo tempo a espessura desejada, tornou-se outro grande desafio. No sistema de controle eletrificado, é necessário integrar sensores e atuadores de alta precisão para garantir que vários parâmetros possam ser regulados com precisão e estabilidade. Ao mesmo tempo, a otimização do algoritmo de controle também é crucial. É preciso ser capaz de ajustar a estratégia de controle em tempo real, de acordo com o sinal de feedback, para se adaptar às diversas mudanças no sistema.crescimento epitaxial de carbeto de silícioprocesso.
II. As principais dificuldades na fabricação de substratos de carbeto de silício:
1. A temperatura de crescimento é superior a 2000℃, o que é o dobro da temperatura do silício.
2. A espessura da haste de cristal é pequena durante o período de crescimento do cristal, e uma haste de cristal de carbeto de silício de 2 cm cresce em 7 dias.
3. Os requisitos quanto ao tipo de cristal são elevados, e existem apenas alguns monocristais de carbeto de silício com estruturas cristalinas.
4. O desgaste por corte é elevado, e o carboneto de silício possui dureza extremamente alta.
Em resumo, o alto custo em termos de tempo e a complexidade da tecnologia de processamento determinam o elevado custo dos substratos de carbeto de silício, o que limita a aplicação desse material.
III. Classificação de fornos de crescimento de cristais
De acordo com os diferentes métodos de aquecimento, os fornos de crescimento de cristais podem ser divididos em fornos de indução e fornos de resistência. Atualmente, a maioria dos equipamentos disponíveis no mercado é do tipo de indução, que apresenta vantagens como baixo custo, estrutura simples, manutenção facilitada e alta eficiência térmica. No entanto, devido ao efeito de indução eletromagnética, a temperatura axial e a temperatura radial do aquecimento por indução ficam acopladas, e não é possível controlar simultaneamente a velocidade e a qualidade do crescimento do cristal.
A plataforma de crescimento por campo térmico resistivo permite o controle preciso das temperaturas axial e radial, o que favorece o crescimento de cristais de grandes dimensões e melhora a taxa de crescimento cristalino. Trata-se de uma das soluções para o futuro crescimento de cristais de carbeto de silício de alta qualidade com 8 polegadas de diâmetro.
Comparação entre o método de indução e o método de resistência:
| Método de indução | Método de resistência | |
| Princípio de funcionamento | O aquecimento por indução é um método de tratamento térmico que utiliza o efeito magnético da corrente elétrica para criar uma densidade relativamente alta de corrente induzida na camada superficial da peça de trabalho, aquecendo-a rapidamente até o estado austenítico e, em seguida, resfriando-a rapidamente para obter uma estrutura martensítica. | O aquecimento por resistência utiliza o calor Joule gerado pela corrente elétrica que passa pelo condutor como fonte de calor. Ele pode ser dividido em duas categorias: aquecimento por resistência indireto (elemento de aquecimento elétrico ou meio condutor) e aquecimento por resistência direto. |
| Controle de temperatura | O método de indução aquece o campo magnético interno através da bobina de indução externa ao cadinho. A velocidade de aquecimento é alta, mas a distância entre a bobina de indução e o cadinho é grande, a área de irradiação é dispersa e é difícil controlar com precisão a geração de calor na superfície do cadinho na direção horizontal. | O método de resistência utiliza um aquecedor separado, posicionado próximo ao cadinho. Ajustando o aquecedor, é possível controlar com maior precisão a temperatura da superfície do cadinho. |
| Crescimento de cristais de grande porte | Ao adicionar múltiplas bobinas de aquecimento à estrutura de campo térmico do método de indução, os campos magnéticos podem interferir uns com os outros, resultando em uma distribuição desigual do campo magnético e do calor, de acordo com o projeto, o que afeta o efeito de aquecimento e o crescimento do cristal. | É mais fácil projetar um sistema de aquecimento com controle independente em vários estágios para equipamentos de crescimento de cristais por aquecimento resistivo, e o gradiente radial do próprio equipamento é pequeno, o que pode atender às necessidades de crescimento de cristais de grande porte. |
| Ciclo de crescimento de cristais | O crescimento de cristais pelo método de indução leva cerca de 10 dias, o recozimento leva de 10 a 15 dias e o ciclo de crescimento total dura de 20 a 25 dias. | O ciclo de crescimento do cristal dura cerca de 5 a 7 dias, e o recozimento pode ser feito automaticamente, com a temperatura caindo lentamente após uma falha de energia. |
| Consumo de energia | O consumo de energia do método de resistência é 2 a 3 vezes maior do que o do método de indução. | |
| Nível de rendimento | O rendimento de cristais cultivados pelo método de crescimento de cristais em forno de resistência é significativamente maior em comparação com o método de crescimento de cristais em forno de indução. | |
Data da publicação: 24/06/2025