SiCIma značilnosti velikega pasovnega razmika, visoke toplotne prevodnosti, visoke kritične prebojne poljske jakosti in visoke hitrosti driftanja elektronskih nasičenj. Izpolnjuje zahteve uporabe pri visokih temperaturah, visokem tlaku, visokih frekvencah in visokih porabah. Široko se uporablja v vozilih z novo energijo, fotovoltaiki, industrijskem nadzoru, radiofrekvenčnih komunikacijah in drugih področjih. S hitrim razvojem sorodnih industrij je trg polprevodnikov tretje generacije, ki ga predstavlja silicijev karbid, odprl nove priložnosti.
Rast kristalov je osrednji člen proizvodnje substrata silicijevega karbida, osrednja oprema pa je peč za rast kristalov. Podobno kot pri tradicionalnih pečeh za rast kristalov kristalnega silicija tudi struktura peči ni zelo zapletena. Sestavljena je predvsem iz telesa peči, ogrevalnega sistema, mehanizma za prenos tuljave, sistema za zajemanje in merjenje vakuuma, sistema za plinske poti, hladilnega sistema, krmilnega sistema itd. Toplotno polje in procesni pogoji določajo ključne kazalnike kakovosti, velikosti, prevodnosti in drugih ključnih kazalnikov kristalov silicijevega karbida.
Ⅰ. Težave pri tehnologiji rasti kristalov silicijevega karbida
Temperatura rasti kristalov silicijevega karbida je zelo visoka in je ni mogoče nadzorovati, zato je glavna težava v samem procesu:
(1)Težave pri nadzoru toplotnega poljaSpremljanje zaprte visokotemperaturne votline je težavno in neobvladljivo. Za razliko od tradicionalne opreme za rast kristalov na osnovi silicija z raztopino, ki ima visoko stopnjo avtomatizacije in omogoča opazovanje, nadzor in prilagajanje procesa rasti kristalov, kristali silicijevega karbida rastejo v zaprtem prostoru v visokotemperaturnem okolju nad 2000 °C, zato je treba temperaturo rasti med proizvodnjo natančno nadzorovati, kar otežuje nadzor temperature;
(2)Težave pri nadzoru kristalne oblikeMikrocevke, polimorfni vključki, dislokacije in druge napake se pogosto pojavljajo med procesom rasti, ki vplivajo in se razvijajo druga na drugo. Mikrocevke (MP) so napake skoznjega tipa z velikostjo od nekaj mikronov do deset mikronov, ki so uničujoče napake naprav. Monokristali silicijevega karbida vključujejo več kot 200 različnih kristalnih oblik, vendar le nekaj kristalnih struktur (Tip 4H) so polprevodniški materiali, potrebni za proizvodnjo. Med rastjo lahko pride do transformacije kristalne oblike, kar povzroči polimorfne vključke. Zato je treba natančno nadzorovati parametre, kot so razmerje med silicijem in ogljikom, temperaturni gradient rasti, hitrost rasti kristalov in tlak pretoka plina.
Poleg tega obstaja temperaturni gradient v toplotnem polju rasti monokristala silicijevega karbida, ki vodi do izvorne notranje napetosti in posledičnih dislokacij (bazalna ravninska dislokacija BPD, vijačna dislokacija TSD, robna dislokacija TED) med procesom rasti kristalov, kar vpliva na kakovost in delovanje nadaljnje epitaksije in naprav.
(3)Težka kontrola dopingaVnos zunanjih nečistoč mora biti strogo nadzorovan, da se dobi prevodni kristal z usmerjenim dopiranjem;
(4)Počasna stopnja rastiRast silicijevega karbida je zelo počasna. Tradicionalnosilicijevega materialaZa rast v kristalno palico potrebujejo le 3 dni, medtem ko kristalne palice silicijevega karbida potrebujejo 7 dni. To vodi do naravno nižje proizvodne učinkovitosti silicijevega karbida in zelo omejene proizvodnje.
Po drugi strani pa so parametri epitaksialne rasti silicijevega karbida izjemno zahtevni, vključno z zrakotesnostjo opreme, stabilnostjo tlaka plina v reakcijski komori, natančnim nadzorom časa dovajanja plina, natančnostjo razmerja plinov in strogim nadzorom temperature nanašanja. Zlasti z izboljšanjem ravni vzdržljivosti naprave se je težavnost nadzora parametrov jedra epitaksialne rezine znatno povečala.
Poleg tega je z naraščanjem debeline epitaksialne plasti postal še en velik izziv, kako nadzorovati enakomernost upornosti in zmanjšati gostoto napak ob hkratnem zagotavljanju debeline. V elektrificiranem krmilnem sistemu je treba integrirati visoko natančne senzorje in aktuatorje, da se zagotovi natančno in stabilno regulacijo različnih parametrov. Hkrati je ključnega pomena tudi optimizacija krmilnega algoritma. Ta mora biti sposoben prilagajati strategijo krmiljenja v realnem času glede na povratni signal, da se prilagodi različnim spremembam v...epitaksialna rast silicijevega karbidapostopek.
Ⅱ. Glavne težave pri izdelavi substratov iz silicijevega karbida:
1. Rastna temperatura je nad 2000 ℃, kar je dvakrat več kot pri siliciju.
2. Debelina kristalne palice je med rastjo kristala majhna, 2 cm dolga kristalna palica silicijevega karbida pa zraste v 7 dneh.
3. Zahteve glede kristalnega tipa so visoke in obstaja le nekaj monokristalnih silicijevih karbidov s kristalno strukturo.
4. Obraba pri rezanju je visoka, silicijev karbid pa ima izjemno visoko trdoto.
Skratka, dragi časovni stroški in kompleksna tehnologija obdelave določajo visoke stroške silicijevega karbidnega substrata, kar omejuje uporabo silicijevega karbida.
III. Razvrstitev peči za rast kristalov
Glede na različne metode segrevanja lahko kristalne rastne peči razdelimo na indukcijske in uporovne. Trenutno je večina opreme na trgu indukcijskega tipa, ki ima prednosti nizkih stroškov, preproste strukture, enostavnega vzdrževanja in visoke toplotne učinkovitosti. Vendar pa sta zaradi elektromagnetne indukcije aksialna in radialna temperatura indukcijskega segrevanja povezani, zato ni mogoče upoštevati tako hitrosti rasti kristalov kot tudi kakovosti rasti kristalov.
Platforma za rast z uporovnim termičnim poljem lahko natančno nadzoruje aksialno oziroma radialno temperaturo, kar spodbuja rast velikih kristalov in izboljšuje hitrost rasti kristalov. To je ena od rešitev za prihodnjo rast visokokakovostnih 8-palčnih kristalov silicijevega karbida.
Primerjava med indukcijsko metodo in uporovno metodo:
| Indukcijska metoda | Metoda odpornosti | |
| Načelo delovanja | Indukcijsko segrevanje je metoda toplotne obdelave, ki uporablja magnetni učinek električnega toka za ustvarjanje relativno visoke gostote induciranega toka na površinski plasti obdelovanca, ga hitro segreje do avstenitnega stanja in nato hitro ohladi, da dobi martenzitno strukturo. | Uporovno segrevanje uporablja Joulovo toploto, ki jo ustvarja tok, ki teče skozi prevodnik, kot vir toplote. Lahko ga razdelimo v dve kategoriji: posredno uporovno segrevanje (električni grelni element ali prevodni medij) in neposredno uporovno segrevanje. |
| Nadzor temperature | Indukcijska metoda segreva notranje magnetno polje z indukcijsko tuljavo zunaj lončka. Hitrost segrevanja je velika, vendar je razdalja med indukcijsko tuljavo in lončkom velika, območje sevanja je razpršeno in težko je natančno nadzorovati ustvarjanje toplote na površini lončka v vodoravni smeri. | Pri uporovni metodi je nameščen ločen grelec, ki je nameščen blizu lončka. Z nastavitvijo grelca je mogoče natančneje nadzorovati temperaturo površine lončka. |
| Rast velikih kristalov | Pri dodajanju več grelnih tuljav strukturi toplotnega polja indukcijske metode se lahko magnetna polja medsebojno prepletajo, zaradi česar se magnetno polje in toplota ne porazdelita enakomerno glede na namen zasnove, kar vpliva na učinek segrevanja in rast kristalov. | Za opremo za rast kristalov z uporovnim ogrevanjem je lažje zasnovati večstopenjski neodvisen krmilni ogrevalni sistem, radialni gradient same opreme pa je majhen, kar lahko zadosti potrebam rasti kristalov velikih velikosti. |
| Cikel rasti kristalov | Rast kristalov z indukcijsko metodo traja približno 10 dni, žarjenje traja 10-15 dni, celoten rastni cikel pa je 20-25 dni. | Cikel rasti kristalov traja približno 5-7 dni in se lahko samodejno žari, temperatura pa po izpadu električne energije počasi pade. |
| Poraba energije | Poraba energije pri uporovni metodi je 2-3-krat večja kot pri indukcijski metodi. | |
| Raven donosa | Izkoristek kristalov, vzgojenih s pečjo za rast kristalov z uporovno metodo, je v primerjavi s pečjo za rast kristalov z indukcijsko metodo močno izboljšan. | |
Čas objave: 24. junij 2025