Vad är en kristalltillväxtugn för kiselkarbid (SiC)?

Sichar egenskaper som stort bandgap, hög värmeledningsförmåga, hög kritisk genombrottsfältstyrka och hög elektronmättnadsdrift. Den kan uppfylla applikationskraven under höga temperaturer, högt tryck, höga frekvenser och höga effektförhållanden. Den kan användas i stor utsträckning inom nya energifordon, solceller, industriell styrning, radiofrekvenskommunikation och andra områden. Med den snabba utvecklingen av relaterade industrier har den tredje generationens halvledarmarknad, representerad av kiselkarbid, skapat nya möjligheter.

Kristalltillväxt är kärnan i produktionen av kiselkarbidsubstrat, och kärnutrustningen är kristalltillväxtugnen. I likhet med traditionella kristallina kiseltillväxtugnar är ugnsstrukturen inte särskilt komplicerad. Den består huvudsakligen av ugnskropp, värmesystem, spoltransmissionsmekanism, vakuummätningssystem, gasvägssystem, kylsystem, styrsystem etc. Det termiska fältet och processförhållandena avgör nyckelindikatorerna för kiselkarbidkristallernas kvalitet, storlek, konduktivitet och andra nyckelindikatorer.

Ⅰ. Svårigheter med kristalltillväxtteknik för kiselkarbid

Temperaturen för kiselkarbidkristalltillväxten är mycket hög och kan inte övervakas, så den största svårigheten ligger i själva processen:

(1)Svårigheter att kontrollera det termiska fältetÖvervakningen av det slutna högtemperaturhålrummet är svårt och okontrollerbart. Till skillnad från traditionell kiselbaserad lösningsdragen kristalltillväxtutrustning, som har en hög grad av automatisering och där kristalltillväxtprocessen kan observeras, kontrolleras och justeras, växer kiselkarbidkristaller i ett slutet utrymme i en högtemperaturmiljö över 2 000 °C, och tillväxttemperaturen måste kontrolleras exakt under produktionen, vilket gör temperaturkontrollen svår.

(2)Svårigheter att kontrollera kristallformenMikrorör, polymorfa inneslutningar, dislokationer och andra defekter är benägna att uppstå under tillväxtprocessen, och de påverkar och utvecklar varandra. Mikrorör (MP) är genomgående defekter med en storlek från flera mikrometer till tiotals mikrometer, vilka är avgörande defekter för anordningar. Enkristaller av kiselkarbid innefattar mer än 200 olika kristallformer, men endast ett fåtal kristallstrukturer (4H-typ) är de halvledarmaterial som krävs för produktion. Kristallformtransformation är benägen att inträffa under tillväxtprocessen, vilket resulterar i polymorfa inneslutningsdefekter. Därför är det nödvändigt att noggrant kontrollera parametrar som kisel-kol-förhållande, tillväxttemperaturgradient, kristalltillväxthastighet och gasflödestryck.

Dessutom finns det en temperaturgradient i det termiska fältet för kiselkarbid-enkristalltillväxt, vilket leder till nativ intern spänning och resulterande dislokationer (basalplansdislokation BPD, skruvdislokation TSD, kantdislokation TED) under kristalltillväxtprocessen, vilket påverkar kvaliteten och prestandan hos efterföljande epitaxi och anordningar.

(3)Svår dopingkontrollInförandet av externa föroreningar måste kontrolleras strikt för att erhålla en ledande kristall med riktad dopning;

(4)Långsam tillväxttaktTillväxthastigheten för kiselkarbid är mycket långsam. Traditionellkiselmaterialbehöver bara 3 dagar för att växa till en kristallstav, medan kristallstavar av kiselkarbid behöver 7 dagar. Detta leder till en naturligt lägre produktionseffektivitet för kiselkarbid och mycket begränsad produktion.

Å andra sidan är parametrarna för epitaxialtillväxt av kiselkarbid extremt krävande, inklusive utrustningens lufttäthet, stabiliteten hos gastrycket i reaktionskammaren, exakt kontroll av gasintroduktionstiden, noggrannheten hos gasförhållandet och strikt hantering av deponeringstemperaturen. I synnerhet har svårigheten att kontrollera kärnparametrarna för den epitaxiella wafern ökat avsevärt med förbättringen av anordningens motståndsspänningsnivå.

Dessutom, med den ökande tjockleken på det epitaxiella lagret, har det blivit en annan stor utmaning att kontrollera resistivitetens enhetlighet och minska defektdensiteten samtidigt som tjockleken säkerställs. I det elektrifierade styrsystemet är det nödvändigt att integrera högprecisionssensorer och ställdon för att säkerställa att olika parametrar kan regleras noggrant och stabilt. Samtidigt är optimeringen av styralgoritmen också avgörande. Den måste kunna justera styrstrategin i realtid enligt återkopplingssignalen för att anpassa sig till olika förändringar iepitaxiell tillväxt av kiselkarbidbehandla.

Ⅱ. De största svårigheterna vid tillverkning av kiselkarbidsubstrat:

1. Tillväxttemperaturen är över 2000 ℃, vilket är dubbelt så högt som för kisel.

2. Kristallstavens tjocklek är liten under kristalltillväxtperioden, och en 2 cm kiselkarbidkristallstav växer på 7 dagar.

3. Kraven på kristalltyp är höga, och det finns endast ett fåtal enkristallkiselkarbider med kristallstrukturer.

4. Skärslitaget är högt och kiselkarbid har extremt hög hårdhet.

Sammanfattningsvis avgör den dyra tidskostnaden och den komplexa bearbetningstekniken den höga kostnaden för kiselkarbidsubstrat, vilket begränsar tillämpningen av kiselkarbid.

III. Klassificering av kristalltillväxtugnar

Enligt olika uppvärmningsmetoder kan kristalltillväxtugnar delas in i induktionstyp och resistanstyp. För närvarande är den mesta utrustningen på marknaden av induktionstyp, vilket har fördelarna med låg kostnad, enkel struktur, bekvämt underhåll och hög termisk effektivitet. På grund av den elektromagnetiska induktionseffekten är dock den axiella temperaturen och den radiella temperaturen vid induktionsuppvärmning kopplade, och det är omöjligt att ta hänsyn till både kristalltillväxthastigheten och kristalltillväxtkvaliteten.

Resistansvärmefältets tillväxtplattform kan noggrant kontrollera axialtemperaturen respektive radialtemperaturen, vilket bidrar till tillväxten av stora kristaller och förbättrar kristalltillväxthastigheten. Det är en av lösningarna för framtidens högkvalitativa 8-tums kiselkarbidkristalltillväxt.

Jämförelse mellan induktionsmetod och resistansmetod: