SiCVật liệu này có đặc điểm là dải năng lượng rộng, độ dẫn nhiệt cao, cường độ điện trường tới hạn cao và tốc độ trôi bão hòa điện tử cao. Nó có thể đáp ứng các yêu cầu ứng dụng trong điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao, tần số cao và công suất cao. Nó có thể được sử dụng rộng rãi trong xe năng lượng mới, quang điện, điều khiển công nghiệp, truyền thông tần số vô tuyến và các lĩnh vực khác. Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp liên quan, thị trường chất bán dẫn thế hệ thứ ba do silicon carbide đại diện đã mở ra những cơ hội mới.
Quá trình nuôi cấy tinh thể là khâu cốt lõi trong sản xuất chất nền silicon carbide, và thiết bị cốt lõi là lò nuôi cấy tinh thể. Tương tự như các lò nuôi cấy tinh thể silicon truyền thống, cấu trúc lò không quá phức tạp. Nó chủ yếu bao gồm thân lò, hệ thống gia nhiệt, cơ cấu truyền động cuộn dây, hệ thống thu thập và đo lường chân không, hệ thống đường dẫn khí, hệ thống làm mát, hệ thống điều khiển, v.v. Trường nhiệt và điều kiện quá trình quyết định các chỉ số quan trọng về chất lượng tinh thể silicon carbide, kích thước, độ dẫn điện và các chỉ số quan trọng khác.
Ⅰ. Những khó khăn trong công nghệ nuôi cấy tinh thể silic cacbua
Nhiệt độ trong quá trình phát triển tinh thể silic cacbua rất cao và không thể kiểm soát được, vì vậy khó khăn chính nằm ở chính quy trình đó:
(1)Khó khăn trong việc kiểm soát trường nhiệtViệc giám sát khoang kín nhiệt độ cao rất khó khăn và không thể kiểm soát được. Không giống như thiết bị nuôi cấy tinh thể kéo dung dịch dựa trên silicon truyền thống, vốn có mức độ tự động hóa cao và quá trình nuôi cấy tinh thể có thể được quan sát, kiểm soát và điều chỉnh, tinh thể silicon carbide phát triển trong không gian kín ở môi trường nhiệt độ cao trên 2.000°C, và nhiệt độ nuôi cấy cần được kiểm soát chính xác trong quá trình sản xuất, điều này khiến việc kiểm soát nhiệt độ trở nên khó khăn;
(2)Khó khăn trong việc kiểm soát hình dạng tinh thể.: Các vi ống, tạp chất đa hình, sai lệch cấu trúc và các khuyết tật khác dễ xảy ra trong quá trình tăng trưởng, và chúng ảnh hưởng và phát triển lẫn nhau. Vi ống (MP) là các khuyết tật xuyên suốt có kích thước từ vài micromet đến hàng chục micromet, là những khuyết tật gây hại cho các thiết bị. Tinh thể đơn silicon carbide bao gồm hơn 200 dạng tinh thể khác nhau, nhưng chỉ có một vài cấu trúc tinh thể (Loại 4HCác vật liệu bán dẫn này cần thiết cho quá trình sản xuất. Sự biến đổi dạng tinh thể dễ xảy ra trong quá trình tăng trưởng, dẫn đến các khuyết tật bao gồm đa hình. Do đó, cần phải kiểm soát chính xác các thông số như tỷ lệ silic-cacbon, độ dốc nhiệt độ tăng trưởng, tốc độ tăng trưởng tinh thể và áp suất dòng khí.
Ngoài ra, còn có sự chênh lệch nhiệt độ trong trường nhiệt của quá trình phát triển tinh thể đơn silicon carbide, dẫn đến ứng suất nội tại và các sai lệch cấu trúc (sai lệch mặt phẳng đáy BPD, sai lệch xoắn ốc TSD, sai lệch cạnh TED) trong quá trình phát triển tinh thể, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của quá trình epitaxy và các thiết bị tiếp theo.
(3)Kiểm soát doping khó khănViệc đưa các tạp chất bên ngoài vào phải được kiểm soát chặt chẽ để thu được tinh thể dẫn điện có pha tạp định hướng;
(4)Tốc độ tăng trưởng chậmTốc độ tăng trưởng của cacbua silic rất chậm. Theo truyền thốngvật liệu siliconTinh thể silicon carbide chỉ cần 3 ngày để phát triển thành dạng thanh, trong khi thanh tinh thể silicon carbide cần 7 ngày. Điều này dẫn đến hiệu suất sản xuất silicon carbide thấp hơn và sản lượng rất hạn chế.
Mặt khác, các thông số của quá trình tăng trưởng màng mỏng silicon carbide rất khắt khe, bao gồm độ kín khí của thiết bị, sự ổn định của áp suất khí trong buồng phản ứng, kiểm soát chính xác thời gian đưa khí vào, độ chính xác của tỷ lệ khí và quản lý chặt chẽ nhiệt độ lắng đọng. Đặc biệt, với sự cải thiện mức điện áp chịu đựng của thiết bị, độ khó trong việc kiểm soát các thông số cốt lõi của tấm wafer màng mỏng đã tăng lên đáng kể.
Ngoài ra, với sự gia tăng độ dày của lớp màng mỏng, việc kiểm soát tính đồng nhất của điện trở suất và giảm mật độ khuyết tật trong khi vẫn đảm bảo độ dày đã trở thành một thách thức lớn khác. Trong hệ thống điều khiển điện tử, cần tích hợp các cảm biến và bộ truyền động có độ chính xác cao để đảm bảo các thông số khác nhau có thể được điều chỉnh chính xác và ổn định. Đồng thời, việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển cũng rất quan trọng. Cần phải có khả năng điều chỉnh chiến lược điều khiển theo thời gian thực dựa trên tín hiệu phản hồi để thích ứng với các thay đổi khác nhau trong hệ thống.sự phát triển màng mỏng cacbua silicquá trình.
II. Những khó khăn chính trong sản xuất chất nền silicon carbide:
1. Nhiệt độ tăng trưởng trên 2000℃, gấp đôi so với nhiệt độ tăng trưởng của silicon.
2. Độ dày của thanh tinh thể nhỏ trong suốt giai đoạn phát triển tinh thể, và một thanh tinh thể silicon carbide dài 2cm có thể phát triển trong 7 ngày.
3. Yêu cầu về loại tinh thể rất cao, và chỉ có một số ít cacbua silic đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể như vậy.
4. Độ mài mòn khi cắt cao, và cacbua silic có độ cứng cực cao.
Tóm lại, chi phí thời gian cao và công nghệ xử lý phức tạp là nguyên nhân dẫn đến giá thành cao của chất nền silicon carbide, điều này hạn chế ứng dụng của silicon carbide.
III. Phân loại lò nung tăng trưởng tinh thể
Theo phương pháp gia nhiệt khác nhau, lò nung tinh thể có thể được chia thành loại cảm ứng và loại điện trở. Hiện nay, hầu hết các thiết bị trên thị trường đều là loại cảm ứng, có ưu điểm là chi phí thấp, cấu trúc đơn giản, bảo trì thuận tiện và hiệu suất nhiệt cao. Tuy nhiên, do hiệu ứng cảm ứng điện từ, nhiệt độ dọc trục và nhiệt độ xuyên tâm trong quá trình gia nhiệt cảm ứng có sự liên kết với nhau, và không thể đồng thời xem xét tốc độ tăng trưởng tinh thể và chất lượng tăng trưởng tinh thể.
Nền tảng tăng trưởng trường nhiệt điện trở có thể kiểm soát chính xác nhiệt độ trục và nhiệt độ xuyên tâm, điều này có lợi cho sự phát triển của các tinh thể kích thước lớn và cải thiện tốc độ tăng trưởng tinh thể. Đây là một trong những giải pháp cho việc nuôi cấy tinh thể silicon carbide 8 inch chất lượng cao trong tương lai.
So sánh giữa phương pháp cảm ứng và phương pháp điện trở:
| Phương pháp quy nạp | Phương pháp kháng cự | |
| Nguyên lý hoạt động | Gia nhiệt cảm ứng là một phương pháp xử lý nhiệt sử dụng hiệu ứng từ của dòng điện để tạo ra mật độ dòng điện cảm ứng tương đối cao trên lớp bề mặt của phôi, nhanh chóng nung nóng phôi đến trạng thái austenit, sau đó làm nguội nhanh để thu được cấu trúc mactenit. | Phương pháp gia nhiệt bằng điện trở sử dụng nhiệt Joule sinh ra bởi dòng điện chạy qua dây dẫn làm nguồn nhiệt. Nó có thể được chia thành hai loại: gia nhiệt bằng điện trở gián tiếp (sử dụng phần tử gia nhiệt điện hoặc môi trường dẫn điện) và gia nhiệt bằng điện trở trực tiếp. |
| Kiểm soát nhiệt độ | Phương pháp cảm ứng làm nóng từ trường bên trong thông qua cuộn cảm ứng đặt bên ngoài nồi nấu kim loại. Tốc độ gia nhiệt nhanh, nhưng khoảng cách giữa cuộn cảm ứng và nồi nấu kim loại xa, diện tích bức xạ phân tán, và khó kiểm soát chính xác sự sinh nhiệt trên bề mặt nồi nấu kim loại theo phương ngang. | Phương pháp điện trở sử dụng một bộ phận gia nhiệt riêng biệt, đặt gần với chén nung. Bằng cách điều chỉnh bộ phận gia nhiệt, nhiệt độ bề mặt chén nung có thể được kiểm soát chính xác hơn. |
| Sự phát triển tinh thể kích thước lớn | Khi thêm nhiều cuộn dây gia nhiệt vào cấu trúc trường nhiệt của phương pháp cảm ứng, từ trường có thể giao thoa với nhau, dẫn đến từ trường và nhiệt không được phân bố dễ dàng theo mục đích thiết kế, ảnh hưởng đến hiệu quả gia nhiệt và sự phát triển của tinh thể. | Việc thiết kế hệ thống gia nhiệt điều khiển độc lập nhiều giai đoạn cho thiết bị nuôi cấy tinh thể bằng điện trở sẽ dễ dàng hơn, và độ dốc xuyên tâm của bản thân thiết bị nhỏ, có thể đáp ứng nhu cầu nuôi cấy tinh thể kích thước lớn. |
| Chu kỳ tăng trưởng tinh thể | Phương pháp cảm ứng để nuôi cấy tinh thể mất khoảng 10 ngày, quá trình ủ mất 10-15 ngày, và chu kỳ nuôi cấy tổng thể là 20-25 ngày. | Chu kỳ phát triển tinh thể khoảng 5-7 ngày, và nó có thể được ủ tự động, nhiệt độ giảm dần sau khi mất điện. |
| Tiêu thụ năng lượng | Phương pháp điện trở tiêu thụ năng lượng cao hơn phương pháp cảm ứng từ 2-3 lần. | |
| Mức năng suất | So với lò nung tinh thể sử dụng phương pháp cảm ứng, hiệu suất thu được tinh thể nuôi cấy bằng lò nung điện trở được cải thiện đáng kể. | |
Thời gian đăng bài: 24/06/2025