SiCGeniş bant aralığı, yüksek termal iletkenlik, yüksek kritik kırılma alan dayanımı ve yüksek elektron doygunluk sürüklenme hızı gibi özelliklere sahiptir. Yüksek sıcaklık, yüksek basınç, yüksek frekans ve yüksek güç koşulları altında uygulama gereksinimlerini karşılayabilir. Yeni enerji araçları, fotovoltaik, endüstriyel kontrol, radyo frekans iletişimi ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılabilir. İlgili endüstrilerin hızlı gelişmesiyle birlikte, silisyum karbürün temsil ettiği üçüncü nesil yarı iletken pazarı yeni fırsatlara kavuşmuştur.
Kristal büyümesi, silisyum karbür alt tabaka üretiminin temel halkasıdır ve temel ekipman kristal büyüme fırınıdır. Geleneksel kristal silisyum sınıfı kristal büyüme fırınlarına benzer şekilde, fırın yapısı çok karmaşık değildir. Esas olarak fırın gövdesi, ısıtma sistemi, bobin iletim mekanizması, vakum alma ve ölçüm sistemi, gaz yolu sistemi, soğutma sistemi, kontrol sistemi vb. bileşenlerden oluşur. Termal alan ve işlem koşulları, silisyum karbür kristalinin kalitesi, boyutu, iletkenliği ve diğer temel göstergelerini belirler.
Ⅰ. Silisyum karbür kristal büyüme teknolojisindeki zorluklar
Silisyum karbür kristalinin büyüme sıcaklığı çok yüksektir ve izlenemez, bu nedenle asıl zorluk sürecin kendisindedir:
(1)Termal alanın kontrolünde zorlukKapalı yüksek sıcaklık boşluğunun izlenmesi zor ve kontrol edilemezdir. Yüksek otomasyon derecesine sahip ve kristal büyüme sürecinin gözlemlenebildiği, kontrol edilebildiği ve ayarlanabildiği geleneksel silikon bazlı çözeltiyle çekme kristal büyüme ekipmanının aksine, silisyum karbür kristalleri 2000°C'nin üzerindeki yüksek sıcaklık ortamında kapalı bir alanda büyür ve üretim sırasında büyüme sıcaklığının hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir, bu da sıcaklık kontrolünü zorlaştırır;
(2)Kristal formunun kontrolünde zorlukMikro borular, polimorfik inklüzyonlar, dislokasyonlar ve diğer kusurlar büyüme sürecinde oluşmaya eğilimlidir ve birbirlerini etkileyip geliştirirler. Mikro borular (MP), birkaç mikrondan onlarca mikrona kadar değişen boyutlarda, cihazlar için ölümcül kusurlar olan, geçiş tipi kusurlardır. Silisyum karbür tek kristalleri 200'den fazla farklı kristal formu içerir, ancak yalnızca birkaç kristal yapısı (4H tipiSilikon-karbon (SQL) üretimi için gerekli olan yarı iletken malzemelerdir. Büyüme süreci sırasında kristal form dönüşümü meydana gelme eğilimindedir ve bu da polimorfik inklüzyon kusurlarına yol açar. Bu nedenle, silikon-karbon oranı, büyüme sıcaklığı gradyanı, kristal büyüme hızı ve gaz akış basıncı gibi parametrelerin doğru bir şekilde kontrol edilmesi gereklidir.
Ek olarak, silisyum karbür tek kristal büyümesinin termal alanında bir sıcaklık gradyanı vardır; bu da kristal büyüme süreci sırasında doğal iç gerilime ve sonuç olarak dislokasyonlara (bazal düzlem dislokasyonu BPD, vida dislokasyonu TSD, kenar dislokasyonu TED) yol açarak, sonraki epitaksi ve cihazların kalitesini ve performansını etkiler.
(3)Zorlu doping kontrolüYönlü katkılama özelliğine sahip iletken bir kristal elde etmek için dışarıdan eklenen safsızlıkların miktarı sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir;
(4)Yavaş büyüme oranıSilisyum karbürün büyüme hızı çok yavaştır. Gelenekselsilikon malzemelerKristal çubuk haline gelmesi sadece 3 gün sürerken, silisyum karbür kristal çubuklarının oluşması 7 gün sürer. Bu durum, silisyum karbürün üretim verimliliğinin doğal olarak daha düşük olmasına ve çok sınırlı bir üretim hacmine yol açar.
Öte yandan, silisyum karbür epitaksiyel büyümesinin parametreleri son derece zorlayıcıdır; bunlar arasında ekipmanın hava geçirmezliği, reaksiyon odasındaki gaz basıncının kararlılığı, gaz giriş zamanının hassas kontrolü, gaz oranının doğruluğu ve biriktirme sıcaklığının sıkı yönetimi yer almaktadır. Özellikle, cihazın dayanım gerilim seviyesinin iyileştirilmesiyle birlikte, epitaksiyel levhanın temel parametrelerinin kontrolü önemli ölçüde zorlaşmıştır.
Ayrıca, epitaksiyel tabakanın kalınlığının artmasıyla birlikte, kalınlığı korurken direnç homojenliğini kontrol etmek ve kusur yoğunluğunu azaltmak da önemli bir zorluk haline gelmiştir. Elektrikle çalışan kontrol sisteminde, çeşitli parametrelerin doğru ve istikrarlı bir şekilde düzenlenebilmesi için yüksek hassasiyetli sensörler ve aktüatörlerin entegre edilmesi gerekmektedir. Aynı zamanda, kontrol algoritmasının optimizasyonu da çok önemlidir. Geri bildirim sinyaline göre kontrol stratejisini gerçek zamanlı olarak ayarlayabilmek ve çeşitli değişikliklere uyum sağlayabilmek gerekmektedir.silisyum karbür epitaksiyel büyümesiişlem.
II. Silisyum karbür alt tabakaların üretimindeki başlıca zorluklar:
1. Büyüme sıcaklığı 2000℃'nin üzerindedir, bu da silikonunkinin iki katıdır.
2. Kristal büyüme döneminde kristal çubuğunun kalınlığı küçüktür ve 7 günde 2 cm'lik bir silisyum karbür kristal çubuğu oluşur.
3. Kristal tipi gereksinimleri yüksektir ve kristal yapısına sahip tek kristalli silisyum karbür sayısı oldukça azdır.
4. Kesme aşınması yüksektir ve silisyum karbürün sertliği son derece yüksektir.
Özetle, yüksek zaman maliyeti ve karmaşık işleme teknolojisi, silisyum karbür alt tabakaların yüksek maliyetini belirlemekte ve bu da silisyum karbürün uygulama alanlarını sınırlamaktadır.
III. Kristal büyütme fırınlarının sınıflandırılması
Farklı ısıtma yöntemlerine göre kristal büyütme fırınları indüksiyon tipi ve direnç tipi olarak ikiye ayrılabilir. Şu anda piyasadaki ekipmanların çoğu indüksiyon tipindedir ve düşük maliyet, basit yapı, kolay bakım ve yüksek termal verimlilik gibi avantajlara sahiptir. Bununla birlikte, elektromanyetik indüksiyon etkisi nedeniyle, indüksiyonlu ısıtmanın eksenel sıcaklığı ve radyal sıcaklığı birbirine bağlıdır ve hem kristal büyüme hızını hem de kristal büyüme kalitesini aynı anda hesaba katmak mümkün değildir.
Dirençli termal alan büyüme platformu, eksenel sıcaklığı ve radyal sıcaklığı sırasıyla hassas bir şekilde kontrol edebilmekte, bu da büyük boyutlu kristallerin büyümesine olanak sağlamakta ve kristal büyüme hızını artırmaktadır. Gelecekte yüksek kaliteli 8 inçlik silisyum karbür kristal büyümesi için çözümlerden biridir.
İndüksiyon yöntemi ve direnç yöntemi arasındaki karşılaştırma:
| Tümevarım yöntemi | Direnç yöntemi | |
| Çalışma prensibi | İndüksiyonla ısıtma, elektrik akımının manyetik etkisini kullanarak iş parçasının yüzey katmanında nispeten yüksek yoğunlukta indüklenmiş akım oluşturan, onu hızla östenit durumuna ısıtan ve ardından hızla soğutarak martensitik bir yapı elde eden bir ısıl işlem yöntemidir. | Dirençli ısıtma, iletken üzerinden geçen akımın ürettiği Joule ısısını ısı kaynağı olarak kullanır. İki kategoriye ayrılabilir: dolaylı dirençli ısıtma (elektrikli ısıtma elemanı veya iletken ortam) ve doğrudan dirençli ısıtma. |
| Sıcaklık kontrolü | İndüksiyon yöntemi, potanın dışındaki indüksiyon bobini aracılığıyla iç manyetik alanı ısıtır. Isıtma hızı yüksektir, ancak indüksiyon bobini ile pota arasındaki mesafe uzaktır, radyasyon alanı dağınıktır ve pota yüzeyinin yatay yöndeki ısı üretimini doğru bir şekilde kontrol etmek zordur. | Direnç yöntemi, potaya yakın ayrı bir ısıtıcı yerleştirir. Isıtıcının ayarlanmasıyla pota yüzeyinin sıcaklığı daha hassas bir şekilde kontrol edilebilir. |
| Büyük boyutlu kristal büyümesi | İndüksiyon yöntemiyle çalışan termal alan yapısına birden fazla ısıtma bobini eklendiğinde, manyetik alanlar birbirleriyle çapraz etkileşime girebilir; bu da manyetik alanın ve ısının tasarım amacına uygun olarak kolayca dağıtılamamasına, ısıtma etkisini ve kristal büyümesini etkilemesine neden olabilir. | Dirençli ısıtma kristal büyütme ekipmanı için çok kademeli bağımsız kontrollü ısıtma sisteminin tasarlanması daha kolaydır ve ekipmanın kendi radyal gradyanı küçüktür, bu da büyük boyutlu kristal büyütme ihtiyaçlarını karşılayabilir. |
| Kristal büyüme döngüsü | İndüksiyon yöntemiyle kristal büyümesi yaklaşık 10 gün sürer, tavlama işlemi 10-15 gün sürer ve toplam büyüme döngüsü 20-25 gündür. | Kristal büyüme döngüsü yaklaşık 5-7 gün sürer ve otomatik olarak tavlama işlemi yapılabilir; ayrıca elektrik kesintisinden sonra sıcaklık yavaşça düşer. |
| Enerji tüketimi | Direnç yönteminin enerji tüketimi, indüksiyon yöntemine göre 2-3 kat daha fazladır. | |
| Verim seviyesi | Direnç yöntemiyle kristal büyütme fırınında yetiştirilen kristallerin verimi, indüksiyon yöntemiyle kristal büyütme fırınına kıyasla önemli ölçüde artırılmıştır. | |
Yayın tarihi: 24 Haz-2025