เตาเผาสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) คืออะไร?

ซีซีมีคุณสมบัติเด่นคือ ช่องว่างพลังงานขนาดใหญ่ การนำความร้อนสูง ความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าวิกฤตสูง และอัตราการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูง สามารถตอบสนองความต้องการใช้งานภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง ความดันสูง ความถี่สูง และกำลังสูง สามารถนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวางในยานยนต์พลังงานใหม่ พลังงานแสงอาทิตย์ การควบคุมทางอุตสาหกรรม การสื่อสารความถี่วิทยุ และสาขาอื่นๆ ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง ตลาดเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามซึ่งมีซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นตัวแทน ได้เปิดโอกาสใหม่ๆ มากมาย

การเจริญเติบโตของผลึกเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตแผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์ และอุปกรณ์หลักคือเตาเจริญเติบโตของผลึก โครงสร้างของเตาไม่ซับซ้อนมากนัก คล้ายกับเตาเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนแบบดั้งเดิม โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวเตา ระบบทำความร้อน กลไกการส่งกำลังของขดลวด ระบบดูดและวัดสุญญากาศ ระบบทางเดินก๊าซ ระบบระบายความร้อน ระบบควบคุม เป็นต้น สนามความร้อนและสภาวะกระบวนการเป็นตัวกำหนดตัวชี้วัดสำคัญของคุณภาพ ขนาด การนำไฟฟ้า และตัวชี้วัดสำคัญอื่นๆ ของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์

Ⅰ. ความยากลำบากในเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์

อุณหภูมิในการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นสูงมากและไม่สามารถตรวจสอบได้ ดังนั้นความยากลำบากหลักจึงอยู่ที่กระบวนการนั้นเอง:

(1)ความยากลำบากในการควบคุมสนามความร้อนการตรวจสอบภายในโพรงอุณหภูมิสูงแบบปิดนั้นทำได้ยากและควบคุมไม่ได้ แตกต่างจากอุปกรณ์การเจริญเติบโตของผลึกแบบดึงสารละลายที่ใช้ซิลิคอนเป็นฐานแบบดั้งเดิม ซึ่งมีระบบอัตโนมัติสูงและสามารถสังเกต ควบคุม และปรับกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกได้ ผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์เจริญเติบโตในพื้นที่ปิดในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 2,000°C และจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิการเจริญเติบโตอย่างแม่นยำในระหว่างการผลิต ซึ่งทำให้การควบคุมอุณหภูมิทำได้ยาก

(2)ความยากลำบากในการควบคุมรูปทรงของผลึก: ไมโครไพพ์, สิ่งเจือปนแบบโพลีมอร์ฟิก, ดิสโลเคชัน และข้อบกพร่องอื่นๆ มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต และข้อบกพร่องเหล่านี้ส่งผลกระทบและพัฒนาซึ่งกันและกัน ไมโครไพพ์ (MP) เป็นข้อบกพร่องแบบทะลุที่มีขนาดตั้งแต่หลายไมครอนไปจนถึงหลายสิบไมครอน ซึ่งเป็นข้อบกพร่องร้ายแรงของอุปกรณ์ ผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์ประกอบด้วยรูปแบบผลึกที่แตกต่างกันมากกว่า 200 รูปแบบ แต่มีโครงสร้างผลึกเพียงไม่กี่โครงสร้างเท่านั้น (ประเภท 4Hวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่จำเป็นสำหรับการผลิตนั้น มีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างผลึกในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องจากการรวมตัวของผลึกหลายรูปแบบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ อย่างแม่นยำ เช่น อัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอน การไล่ระดับอุณหภูมิในการเจริญเติบโต อัตราการเจริญเติบโตของผลึก และความดันการไหลของก๊าซ

นอกจากนี้ ยังมีการไล่ระดับอุณหภูมิในบริเวณความร้อนของการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งนำไปสู่ความเครียดภายในและข้อบกพร่องที่เกิดขึ้น (ข้อบกพร่องระนาบฐาน BPD, ข้อบกพร่องแบบเกลียว TSD, ข้อบกพร่องขอบ TED) ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของผลึก ส่งผลกระทบต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซีและอุปกรณ์ในภายหลัง

(3)การควบคุมการใช้สารต้องห้ามทำได้ยาก: การนำสิ่งเจือปนจากภายนอกเข้ามาต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อให้ได้ผลึกนำไฟฟ้าที่มีการเจือปนในทิศทางที่กำหนด

(4)อัตราการเติบโตช้าอัตราการเติบโตของซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นช้ามาก แบบดั้งเดิมวัสดุซิลิคอนผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ใช้เวลาเพียง 3 วันในการเจริญเติบโตเป็นแท่งผลึก ในขณะที่แท่งผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ต้องใช้เวลา 7 วัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ต่ำกว่าและมีปริมาณผลผลิตที่จำกัดมาก

ในทางกลับกัน พารามิเตอร์ของการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียของซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นมีความเข้มงวดอย่างมาก ซึ่งรวมถึงความแน่นหนาของอุปกรณ์ ความเสถียรของความดันก๊าซในห้องปฏิกิริยา การควบคุมเวลาการนำก๊าซเข้าอย่างแม่นยำ ความถูกต้องของอัตราส่วนก๊าซ และการจัดการอุณหภูมิการตกตะกอนอย่างเข้มงวด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ด้วยการพัฒนาของระดับแรงดันไฟฟ้าที่อุปกรณ์สามารถทนได้ ความยากในการควบคุมพารามิเตอร์หลักของเวเฟอร์เอพิแท็กเซียจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก

นอกจากนี้ การเพิ่มความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลทำให้การควบคุมความสม่ำเสมอของความต้านทานและลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องไปพร้อมๆ กับการรักษาความหนาไว้กลายเป็นความท้าทายสำคัญอีกประการหนึ่ง ในระบบควบคุมไฟฟ้า จำเป็นต้องบูรณาการเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงเพื่อให้แน่ใจว่าพารามิเตอร์ต่างๆ สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำและเสถียร ในขณะเดียวกัน การปรับปรุงอัลกอริทึมควบคุมก็มีความสำคัญเช่นกัน จำเป็นต้องสามารถปรับกลยุทธ์การควบคุมแบบเรียลไทม์ตามสัญญาณป้อนกลับเพื่อปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ในระบบการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียของซิลิคอนคาร์ไบด์กระบวนการ.

Ⅱ. ปัญหาหลักในการผลิตแผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์:

1. อุณหภูมิในการเจริญเติบโตสูงกว่า 2000℃ ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิในการเจริญเติบโตของซิลิคอนถึงสองเท่า

2. ความหนาของแท่งผลึกมีขนาดเล็กในช่วงระยะเวลาการเจริญเติบโตของผลึก โดยแท่งผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาด 2 เซนติเมตรจะเจริญเติบโตได้ใน 7 วัน

3. ข้อกำหนดเกี่ยวกับชนิดของผลึกนั้นสูงมาก และมีซิลิคอนคาร์ไบด์แบบผลึกเดี่ยวที่มีโครงสร้างผลึกอยู่เพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้น

4. การสึกหรอจากการตัดสูง และซิลิคอนคาร์ไบด์มีความแข็งสูงมาก

โดยสรุปแล้ว ต้นทุนด้านเวลาที่สูงและเทคโนโลยีการประมวลผลที่ซับซ้อนทำให้วัสดุพื้นฐานซิลิคอนคาร์ไบด์มีราคาสูง ซึ่งจำกัดการใช้งานของซิลิคอนคาร์ไบด์

III. การจำแนกประเภทของเตาเผาสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก

ตามวิธีการให้ความร้อนที่แตกต่างกัน เตาเผาสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ ประเภทเหนี่ยวนำและประเภทต้านทาน ปัจจุบัน อุปกรณ์ส่วนใหญ่ในท้องตลาดเป็นประเภทเหนี่ยวนำ ซึ่งมีข้อดีคือต้นทุนต่ำ โครงสร้างเรียบง่าย บำรุงรักษาสะดวก และประสิทธิภาพความร้อนสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากผลของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า อุณหภูมิในแนวแกนและแนวรัศมีของการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำจึงมีความสัมพันธ์กัน และไม่สามารถคำนึงถึงทั้งความเร็วและคุณภาพของการเจริญเติบโตของผลึกได้พร้อมกัน

แท่นปลูกผลึกด้วยสนามความร้อนแบบต้านทานสามารถควบคุมอุณหภูมิในแนวแกนและแนวรัศมีได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเอื้อต่อการเจริญเติบโตของผลึกขนาดใหญ่และช่วยเพิ่มอัตราการเจริญเติบโตของผลึก นับเป็นหนึ่งในแนวทางแก้ปัญหาสำหรับการปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาด 8 นิ้วคุณภาพสูงในอนาคต

การเปรียบเทียบระหว่างวิธีการเหนี่ยวนำและวิธีการต้านทาน: