SiCОбладает такими характеристиками, как большая ширина запрещенной зоны, высокая теплопроводность, высокая критическая напряженность пробоя и высокая скорость дрейфа насыщения электронов. Может удовлетворять требованиям применения в условиях высоких температур, высокого давления, высокой частоты и высокой мощности. Широко используется в электромобилях, фотовольтаике, промышленном управлении, радиочастотной связи и других областях. С быстрым развитием смежных отраслей, рынок полупроводников третьего поколения, представленный карбидом кремния, открывает новые возможности.
Выращивание кристаллов является ключевым звеном в производстве подложек из карбида кремния, а основным оборудованием является печь для выращивания кристаллов. Подобно традиционным печам для выращивания кристаллов кремния, конструкция печи не очень сложна. Она в основном состоит из корпуса печи, системы нагрева, механизма подачи катушек, системы сбора и измерения вакуума, системы газопровода, системы охлаждения, системы управления и т. д. Тепловое поле и условия процесса определяют ключевые показатели качества, размера, проводимости и других параметров кристаллов карбида кремния.
I. Трудности в технологии выращивания кристаллов карбида кремния.
Температура выращивания кристаллов карбида кремния очень высока и не поддается контролю, поэтому основная трудность заключается в самом процессе:
(1)Трудности в управлении тепловым полем.Мониторинг закрытой высокотемпературной полости затруднен и неконтролируем. В отличие от традиционного оборудования для выращивания кристаллов из раствора на основе кремния, которое обладает высокой степенью автоматизации, позволяя наблюдать, контролировать и регулировать процесс роста кристаллов, кристаллы карбида кремния выращиваются в закрытом пространстве при высокой температуре выше 2000 °C, и температура роста должна точно контролироваться в процессе производства, что затрудняет регулирование температуры;
(2)Трудности в контроле кристаллической формы.Микротрубочки, полиморфные включения, дислокации и другие дефекты склонны возникать в процессе роста, влияя друг на друга и способствуя их развитию. Микротрубочки (МП) — это сквозные дефекты размером от нескольких до десятков микрон, которые являются критическими дефектами для устройств. Монокристаллы карбида кремния включают более 200 различных кристаллических форм, но лишь немногие кристаллические структуры (4H типДля производства требуются полупроводниковые материалы. В процессе роста часто происходят трансформации кристаллической формы, приводящие к образованию полиморфных включений. Поэтому необходимо точно контролировать такие параметры, как соотношение кремния и углерода, градиент температуры роста, скорость роста кристаллов и давление газового потока.
Кроме того, в тепловом поле роста монокристалла карбида кремния существует температурный градиент, который приводит к возникновению собственных внутренних напряжений и, как следствие, дислокаций (дислокации базисной плоскости, винтовые дислокации, краевые дислокации) в процессе роста кристалла, что, в свою очередь, влияет на качество и характеристики последующей эпитаксии и устройств.
(3)Сложный допинг-контрольДля получения проводящего кристалла с направленным легированием необходимо строго контролировать введение внешних примесей;
(4)Медленный темп ростаСкорость роста карбида кремния очень низкая. Традиционный подходкремниевые материалыДля образования кристаллического стержня требуется всего 3 дня, в то время как для кристаллических стержней карбида кремния требуется 7 дней. Это приводит к естественной более низкой эффективности производства карбида кремния и очень ограниченному объему выпуска.
С другой стороны, параметры эпитаксиального роста карбида кремния предъявляют чрезвычайно высокие требования, включая герметичность оборудования, стабильность давления газа в реакционной камере, точный контроль времени подачи газа, точность соотношения газов и строгое управление температурой осаждения. В частности, с повышением уровня выдерживаемого напряжения устройства значительно возросла сложность контроля основных параметров эпитаксиальной пластины.
Кроме того, с увеличением толщины эпитаксиального слоя еще одной важной задачей стало обеспечение равномерности удельного сопротивления и снижение плотности дефектов при сохранении заданной толщины. В электрифицированной системе управления необходимо интегрировать высокоточные датчики и исполнительные механизмы для обеспечения точной и стабильной регулировки различных параметров. В то же время оптимизация алгоритма управления также имеет решающее значение. Он должен обеспечивать возможность корректировки стратегии управления в реальном времени в соответствии с сигналом обратной связи для адаптации к различным изменениям.эпитаксиальный рост карбида кремнияпроцесс.
II. Основные трудности при изготовлении подложек из карбида кремния:
1. Температура роста превышает 2000℃, что в два раза выше, чем у кремния.
2. Толщина кристаллического стержня невелика в период роста кристалла, и кристаллический стержень карбида кремния размером 2 см вырастает за 7 дней.
3. Требования к типу кристаллов высоки, и существует лишь небольшое количество монокристаллических карбидов кремния с кристаллической структурой.
4. Износ при резке высок, а карбид кремния обладает чрезвычайно высокой твердостью.
В заключение следует отметить, что высокая стоимость подложек из карбида кремния обусловлена большими временными затратами и сложной технологией обработки, что ограничивает область применения карбида кремния.
III. Классификация печей для выращивания кристаллов
В зависимости от метода нагрева печи для выращивания кристаллов можно разделить на индукционные и резистивные. В настоящее время большая часть оборудования на рынке относится к индукционному типу, который обладает преимуществами низкой стоимости, простой конструкции, удобства обслуживания и высокой тепловой эффективности. Однако из-за эффекта электромагнитной индукции осевая и радиальная температуры при индукционном нагреве взаимосвязаны, и невозможно одновременно учитывать скорость и качество роста кристаллов.
Платформа для выращивания кристаллов в условиях резистивного теплового поля позволяет точно контролировать осевую и радиальную температуры, что способствует выращиванию кристаллов больших размеров и повышает скорость роста. Это одно из решений для будущего выращивания высококачественных 8-дюймовых кристаллов карбида кремния.
Сравнение индукционного метода и метода определения сопротивления:
| Метод индукции | Метод сопротивления | |
| Принцип работы | Индукционный нагрев — это метод термообработки, при котором используется магнитное воздействие электрического тока для создания относительно высокой плотности индуцированного тока на поверхностном слое заготовки, быстрого нагрева до аустенитного состояния, а затем быстрого охлаждения для получения мартенситной структуры. | Резистивный нагрев использует в качестве источника тепла джоулево тепло, выделяемое током, проходящим через проводник. Его можно разделить на две категории: косвенный резистивный нагрев (электрический нагревательный элемент или проводящая среда) и прямой резистивный нагрев. |
| Регулировка температуры | Индукционный метод нагревает внутреннее магнитное поле с помощью индукционной катушки, расположенной снаружи тигля. Скорость нагрева высока, но расстояние между индукционной катушкой и тиглем велико, зона излучения рассеяна, и трудно точно контролировать тепловыделение на поверхности тигля в горизонтальном направлении. | При резистивном методе используется отдельный нагреватель, расположенный близко к тиглю. Регулируя нагреватель, можно более точно контролировать температуру поверхности тигля. |
| выращивание кристаллов больших размеров | При добавлении нескольких нагревательных катушек к структуре теплового поля индукционного метода магнитные поля могут интерферировать друг с другом, в результате чего магнитное поле и тепло не будут распределяться должным образом в соответствии с проектными целями, что повлияет на эффективность нагрева и рост кристаллов. | Для оборудования для выращивания кристаллов с резистивным нагревом проще спроектировать многоступенчатую систему независимого управления нагревом, а радиальный градиент самого оборудования невелик, что позволяет удовлетворить потребности в выращивании кристаллов больших размеров. |
| Цикл роста кристаллов | Процесс выращивания кристаллов индукционным методом занимает около 10 дней, отжиг – 10-15 дней, а общий цикл выращивания составляет 20-25 дней. | Цикл роста кристалла составляет примерно 5-7 дней, после чего происходит автоматический отжиг, а температура медленно снижается после отключения электроэнергии. |
| Потребление энергии | Энергопотребление резистивного метода в 2-3 раза выше, чем индукционного. | |
| Уровень урожайности | Выход кристаллов, выращенных методом резистивного выращивания в печи, значительно выше по сравнению с кристаллами, выращенными индукционным методом. | |
Дата публикации: 24 июня 2025 г.