Карбід кремніюМає такі характеристики, як велика заборонена зона, висока теплопровідність, висока критична напруженість пробивного поля та висока швидкість дрейфу електронного насичення. Він може відповідати вимогам застосування в умовах високої температури, високого тиску, високої частоти та високої потужності. Його можна широко використовувати в транспортних засобах нових джерел енергії, фотоелектричних системах, промисловому управлінні, радіочастотному зв'язку та інших галузях. Зі швидким розвитком суміжних галузей, ринок напівпровідників третього покоління, представлений карбідом кремнію, відкрив нові можливості.
Вирощування кристалів є основною ланкою виробництва підкладки з карбіду кремнію, а основним обладнанням є піч для вирощування кристалів. Подібно до традиційних печей для вирощування кристалів кристалічного кремнію, конструкція печі не дуже складна. Вона в основному складається з корпусу печі, системи нагріву, механізму передачі котушок, системи збору та вимірювання вакууму, системи газового тракту, системи охолодження, системи керування тощо. Теплове поле та умови процесу визначають ключові показники якості, розміру, провідності та інших ключових показників кристалів карбіду кремнію.
Ⅰ. Труднощі технології вирощування кристалів карбіду кремнію
Температура росту кристалів карбіду кремнію дуже висока і її неможливо контролювати, тому основна складність полягає в самому процесі:
(1)Складність контролю теплового поляМоніторинг закритої високотемпературної порожнини є складним та неконтрольованим. На відміну від традиційного обладнання для вирощування кристалів на основі кремнію з використанням розчину, яке має високий ступінь автоматизації, і процес росту кристалів можна спостерігати, контролювати та регулювати, кристали карбіду кремнію ростуть у закритому просторі в середовищі з високою температурою понад 2000°C, і температуру росту необхідно точно контролювати під час виробництва, що ускладнює контроль температури;
(2)Складність контролю кристалічної формиМікротрубочки, поліморфні включення, дислокації та інші дефекти схильні до виникнення під час процесу росту, і вони впливають один на одного та розвиваються один на одного. Мікротрубочки (МТ) – це дефекти наскрізного типу розміром від кількох мікронів до десятків мікронів, які є вирішальними дефектами пристроїв. Монокристали карбіду кремнію включають понад 200 різних кристалічних форм, але лише кілька кристалічних структур (Тип 4H) – це напівпровідникові матеріали, необхідні для виробництва. Під час процесу росту схильні до трансформації кристалічної форми, що призводить до поліморфних дефектів включень. Тому необхідно точно контролювати такі параметри, як співвідношення кремній-вуглець, градієнт температури росту, швидкість росту кристалів та тиск потоку газу.
Крім того, у тепловому полі росту монокристалів карбіду кремнію існує градієнт температури, що призводить до виникнення внутрішніх напружень та результуючих дислокацій (дислокація базальної площини BPD, гвинтова дислокація TSD, крайова дислокація TED) під час процесу росту кристалів, тим самим впливаючи на якість та продуктивність подальшої епітаксії та пристроїв.
(3)Складний допінг-контрольВведення зовнішніх домішок має суворо контролюватися для отримання провідного кристала зі спрямованим легуванням;
(4)Повільний темп зростанняТемпи зростання карбіду кремнію дуже повільні. Традиційнікремнієві матеріалиДля утворення кристалічного стрижня потрібно лише 3 дні, тоді як кристалічним стрижням карбіду кремнію потрібно 7 днів. Це призводить до природно нижчої ефективності виробництва карбіду кремнію та дуже обмеженого обсягу виробництва.
З іншого боку, параметри епітаксіального вирощування карбіду кремнію є надзвичайно вимогливими, включаючи герметичність обладнання, стабільність тиску газу в реакційній камері, точний контроль часу введення газу, точність газового співвідношення та суворе керування температурою осадження. Зокрема, з покращенням рівня витримуваної напруги пристрою, складність контролю параметрів серцевини епітаксіальної пластини значно зросла.
Крім того, зі збільшенням товщини епітаксіального шару, ще однією серйозною проблемою стало питання контролю однорідності питомого опору та зменшення щільності дефектів, забезпечуючи при цьому товщину. В електрифікованій системі керування необхідно інтегрувати високоточні датчики та виконавчі механізми, щоб забезпечити точне та стабільне регулювання різних параметрів. Водночас, оптимізація алгоритму керування також має вирішальне значення. Він повинен мати можливість коригувати стратегію керування в режимі реального часу відповідно до сигналу зворотного зв'язку, щоб адаптуватися до різних змін уепітаксіальне зростання карбіду кремніюпроцес.
Ⅱ. Основні труднощі у виготовленні підкладок з карбіду кремнію:
1. Температура росту перевищує 2000℃, що вдвічі вище, ніж у кремнію.
2. Товщина кристалічного стрижня невелика протягом періоду росту кристала, а кристалічний стрижень карбіду кремнію діаметром 2 см виростає за 7 днів.
3. Вимоги до типу кристалів високі, і існує лише кілька монокристалічних карбідів кремнію з кристалічними структурами.
4. Знос від різання високий, а карбід кремнію має надзвичайно високу твердість.
Підсумовуючи, дорогі часові витрати та складна технологія обробки визначають високу вартість карбід-кремнієвих підкладок, що обмежує застосування карбіду кремнію.
III. Класифікація печей для вирощування кристалів
Залежно від методів нагрівання, печі для вирощування кристалів можна розділити на індукційні та резистивні. Наразі більшість обладнання на ринку є індукційного типу, що має такі переваги, як низька вартість, проста конструкція, зручне обслуговування та висока теплова ефективність. Однак через ефект електромагнітної індукції осьова та радіальна температури індукційного нагрівання пов'язані між собою, і неможливо врахувати як швидкість росту кристалів, так і їх якість.
Платформа для вирощування з використанням теплового поля резистивного типу може точно контролювати осьову та радіальну температури відповідно, що сприяє росту кристалів великого розміру та покращує швидкість їх росту. Це одне з рішень для майбутнього вирощування високоякісних 8-дюймових кристалів карбіду кремнію.
Порівняння індукційного методу та методу опору:
| Індукційний метод | Метод опору | |
| Принцип роботи | Індукційний нагрів - це метод термічної обробки, який використовує магнітний ефект електричного струму для створення відносно високої щільності індукованого струму на поверхневому шарі заготовки, швидко нагріває її до аустенітного стану, а потім швидко охолоджує для отримання мартенситної структури. | Резистивний нагрів використовує джоулево тепло, що генерується струмом, що проходить через провідник, як джерело тепла. Його можна розділити на дві категорії: непрямий резистивний нагрів (електричний нагрівальний елемент або провідне середовище) та прямий резистивний нагрів. |
| Контроль температури | Індукційний метод нагріває внутрішнє магнітне поле через індукційну котушку зовні тигля. Швидкість нагрівання висока, але відстань між індукційною котушкою та тиглем велика, площа випромінювання розпорошена, і важко точно контролювати тепловиділення поверхні тигля в горизонтальному напрямку. | Метод опору передбачає встановлення окремого нагрівача, розташованого поблизу тигля. Регулюючи нагрівач, можна точніше контролювати температуру поверхні тигля. |
| Вирощування кристалів великих розмірів | Під час додавання кількох нагрівальних котушок до структури теплового поля індукційного методу, магнітні поля можуть перехресно взаємодіяти одне з одним, що призводить до того, що магнітне поле та тепло не розподіляються належним чином відповідно до проектної мети, що впливає на нагрівальний ефект та ріст кристалів. | Легше спроектувати багатоступеневу незалежну систему нагріву для обладнання для вирощування кристалів з опорним нагріванням, а радіальний градієнт самого обладнання невеликий, що може задовольнити потреби вирощування кристалів великого розміру. |
| Цикл росту кристалів | Вирощування кристалів індукційним методом займає близько 10 днів, відпал — 10-15 днів, а загальний цикл росту становить 20-25 днів. | Цикл росту кристалів становить приблизно 5-7 днів, їх можна автоматично відпалити, а температура повільно падає після відключення живлення. |
| Споживання енергії | Споживання енергії методом опору в 2-3 рази вище, ніж індукційним методом. | |
| Рівень врожайності | Вихід кристалів, вирощених за допомогою печі для вирощування кристалів методом опору, значно покращується порівняно з піччю для вирощування кристалів індукційним методом. | |
Час публікації: 24 червня 2025 р.