Ce este un cuptor de creștere a cristalelor de carbură de siliciu (SiC)?

SicAre caracteristici precum o bandă interzisă mare, conductivitate termică ridicată, intensitate mare a câmpului de străpungere critică și rată mare de derivă a saturației electronilor. Poate îndeplini cerințele aplicațiilor în condiții de temperatură ridicată, presiune ridicată, frecvență ridicată și putere mare. Poate fi utilizat pe scară largă în vehicule cu energie nouă, fotovoltaică, control industrial, comunicații de radiofrecvență și alte domenii. Odată cu dezvoltarea rapidă a industriilor conexe, piața semiconductorilor de a treia generație, reprezentată de carbura de siliciu, a deschis noi oportunități.

Creșterea cristalelor este veriga centrală a producției substratului de carbură de siliciu, iar echipamentul principal este cuptorul de creștere a cristalelor. Similar cuptoarelor tradiționale de creștere a cristalelor de calitate siliciu cristalin, structura cuptorului nu este foarte complicată. Este compusă în principal din corpul cuptorului, sistemul de încălzire, mecanismul de transmisie a bobinei, sistemul de achiziție și măsurare a vidului, sistemul de cale a gazelor, sistemul de răcire, sistemul de control etc. Câmpul termic și condițiile de proces determină indicatorii cheie ai calității, dimensiunii, conductivității și ai altor indicatori cheie ai cristalului de carbură de siliciu.

Ⅰ. Dificultăți în tehnologia de creștere a cristalelor de carbură de siliciu

Temperatura de creștere a cristalelor de carbură de siliciu este foarte ridicată și nu poate fi monitorizată, așadar principala dificultate constă în procesul în sine:

(1)Dificultate în controlul câmpului termicMonitorizarea cavității închise la temperatură înaltă este dificilă și incontrolabilă. Spre deosebire de echipamentele tradiționale de creștere a cristalelor prin tragere în soluție pe bază de siliciu, care au un grad ridicat de automatizare și procesul de creștere a cristalelor poate fi observat, controlat și ajustat, cristalele de carbură de siliciu cresc într-un spațiu închis, într-un mediu cu temperatură ridicată peste 2.000°C, iar temperatura de creștere trebuie controlată cu precizie în timpul producției, ceea ce îngreunează controlul temperaturii;

(2)Dificultate în controlul formei cristalineMicroțevile, incluziunile polimorfe, dislocațiile și alte defecte sunt predispuse să apară în timpul procesului de creștere și se afectează și evoluează reciproc. Microțevile (MP) sunt defecte de tip transversal cu o dimensiune de la câțiva microni până la zeci de microni, care sunt defecte ucigașe ale dispozitivelor. Monocristalele de carbură de siliciu includ peste 200 de forme cristaline diferite, dar doar câteva structuri cristaline (Tip 4H) sunt materialele semiconductoare necesare pentru producție. Transformarea formei cristaline este predispusă să aibă loc în timpul procesului de creștere, rezultând defecte de incluziune polimorfă. Prin urmare, este necesar să se controleze cu precizie parametri precum raportul siliciu-carbon, gradientul temperaturii de creștere, rata de creștere a cristalului și presiunea de curgere a gazului.

În plus, există un gradient de temperatură în câmpul termic al creșterii monocristalului de carbură de siliciu, ceea ce duce la stres intern nativ și dislocațiile rezultate (dislocația planului bazal BPD, dislocația șurubului TSD, dislocația marginii TED) în timpul procesului de creștere a cristalului, afectând astfel calitatea și performanța epitaxiei și dispozitivelor ulterioare.

(3)Controlul antidoping dificilIntroducerea impurităților externe trebuie strict controlată pentru a obține un cristal conductiv cu dopare direcțională;

(4)Ritm lent de creștereRata de creștere a carburii de siliciu este foarte lentă. Tradiționalămateriale siliconiceare nevoie de doar 3 zile pentru a se transforma într-o tijă de cristal, în timp ce tijele de cristal din carbură de siliciu au nevoie de 7 zile. Acest lucru duce la o eficiență de producție a carburii de siliciu în mod natural mai scăzută și la o producție foarte limitată.

Pe de altă parte, parametrii creșterii epitaxiale a carburii de siliciu sunt extrem de exigenți, inclusiv etanșeitatea echipamentului, stabilitatea presiunii gazului în camera de reacție, controlul precis al timpului de introducere a gazului, acuratețea raportului de gaz și gestionarea strictă a temperaturii de depunere. În special, odată cu îmbunătățirea nivelului tensiunii de rezistență a dispozitivului, dificultatea controlului parametrilor de bază ai plachetei epitaxiale a crescut semnificativ.

În plus, odată cu creșterea grosimii stratului epitaxial, modul de control al uniformității rezistivității și de reducere a densității defectelor, asigurând în același timp grosimea, a devenit o altă provocare majoră. În sistemul de control electrificat, este necesară integrarea senzorilor și actuatoarelor de înaltă precizie pentru a asigura reglarea precisă și stabilă a diverșilor parametri. În același timp, optimizarea algoritmului de control este, de asemenea, crucială. Acesta trebuie să poată ajusta strategia de control în timp real, în funcție de semnalul de feedback, pentru a se adapta la diverse schimbări.creșterea epitaxială a carburii de siliciuproces.

Ⅱ. Principalele dificultăți în fabricarea substraturilor din carbură de siliciu:

1. Temperatura de creștere este peste 2000 ℃, care este de două ori mai mare decât cea a siliciului.

2. Grosimea tijei de cristal este mică în timpul perioadei de creștere a cristalului, iar o tijă de cristal de carbură de siliciu de 2 cm crește în 7 zile.

3. Cerințele privind tipul de cristal sunt ridicate și există doar câteva carburi de siliciu monocristaline cu structuri cristaline.

4. Uzura la așchiere este mare, iar carbura de siliciu are o duritate extrem de mare.

În concluzie, costul ridicat al substraturilor din carbură de siliciu și tehnologia complexă de procesare determină costul ridicat al acestora, ceea ce limitează aplicarea acesteia.

III. Clasificarea cuptoarelor de creștere a cristalelor

Conform diferitelor metode de încălzire, cuptoarele de creștere a cristalelor pot fi împărțite în cuptoare cu inducție și cuptoare cu rezistență. În prezent, majoritatea echipamentelor de pe piață sunt de tip inducție, având avantajele costului redus, structurii simple, întreținerii convenabile și eficienței termice ridicate. Cu toate acestea, datorită efectului de inducție electromagnetică, temperatura axială și temperatura radială a încălzirii prin inducție sunt cuplate și este imposibil să se ia în considerare atât viteza de creștere a cristalului, cât și calitatea acestuia.

Platforma de creștere a câmpului termic cu rezistență poate controla cu precizie temperatura axială, respectiv temperatura radială, ceea ce favorizează creșterea cristalelor de dimensiuni mari și îmbunătățește rata de creștere a cristalelor. Este una dintre soluțiile pentru creșterea viitoare a cristalelor de carbură de siliciu de înaltă calitate de 8 inch.

Comparație între metoda de inducție și metoda de rezistență: