Le sfide delle forni di crescita del cristallo in carburo di silicio

ILFornace di crescita cristallinaè l'attrezzatura centrale per la coltivazione di cristalli in carburo di silicio, condividendo somiglianze con i tradizionali forni di crescita dei cristalli di silicio. La struttura del forno non è eccessivamente complessa, principalmente costituita dal corpo del forno, dal sistema di riscaldamento, dal meccanismo di trasmissione della bobina, dal sistema di acquisizione e misurazione del vuoto, sistema di alimentazione del gas, sistema di raffreddamento e sistema di controllo. Le condizioni del campo termico e del processo all'interno del forno determinano i parametri critici come la qualità, le dimensioni e la conducibilità elettrica dei cristalli di carburo di silicio.

Da un lato, la temperatura durante la crescita del cristallo in carburo di silicio è estremamente elevata e non può essere monitorata in tempo reale, quindi le sfide primarie risiedono nel processo stesso.Le principali sfide sono le seguenti:

(1) Difficoltà nel controllo del campo termico: Monitoraggio in una camera ad alta temperatura sigillata è impegnativo e incontrollabile. A differenza delle tradizionali apparecchiature di crescita a base di cristalli diretti a base di soluzioni a base di silicio, che hanno alti livelli di automazione e consente processi di crescita osservabili e regolabili, i cristalli di carburo di silicio crescono in un ambiente ad alta temperatura sigillato sopra i 2.000 ° C e durante la produzione è necessario un controllo preciso della temperatura, rendendo altamente impegnativo il controllo della temperatura;

(2) Sfide di controllo della struttura cristallina: Il processo di crescita è soggetto a difetti come microtubi, inclusioni polimorfiche e dislocazioni, che interagiscono ed evolvono tra loro.

I microtubi (MP) sono difetti di tipo attraverso le dimensioni di diversi micrometri a decine di micrometri e sono considerati difetti killer per i dispositivi; I cristalli singoli in carburo di silicio includono oltre 200 diverse strutture di cristalli, ma solo alcune strutture cristalline (tipo 4H) sono adatte come materiali a semiconduttore per la produzione. Le trasformazioni della struttura cristallina durante la crescita possono portare a difetti di impurità polimorfica, quindi è necessario un controllo preciso del rapporto silicio-carbonio, il gradiente di temperatura della crescita, il tasso di crescita cristallino e i parametri di flusso/pressione del gas;

Inoltre, i gradienti di temperatura nel campo termico durante la crescita dei singoli cristalli di carburo di silicio provocano sollecitazioni interne primarie e difetti indotti come dislocazioni (dislocazioni del piano basale BPD, dislocazioni di torsione TSD e dislocazioni dei bordi TED), che influenzano la qualità e le prestazioni delle successive strati e dispositivi epitassiali.

(3) Difficoltà nel controllo del doping: Le impurità esterne devono essere strettamente controllate per ottenere cristalli conduttivi drogati direttamente;

(4) tasso di crescita lento: Il tasso di crescita cristallino del carburo di silicio è estremamente lento. Mentre i tradizionali materiali di silicio possono formare un'asta di cristallo in soli 3 giorni, le aste di cristallo in carburo di silicio richiedono 7 giorni, con conseguente efficienza di produzione intrinsecamente inferiore e una produzione gravemente limitata.

D'altra parte, i parametri perCrescita epitassiale in carburo di siliciosono estremamente rigorosi, comprese le prestazioni di tenuta delle attrezzature, la stabilità della pressione della camera di reazione, il controllo preciso del tempo di introduzione del gas, il rapporto di gas accurato e la rigorosa gestione della temperatura di deposizione. Soprattutto con l'aumentare delle valutazioni di tensione del dispositivo, aumenta significativamente la difficoltà di controllo dei parametri del wafer epitassiale core. Inoltre, all'aumentare dello spessore dello strato epitassiale, garantendo la resistività uniforme mantenendo lo spessore e la riduzione della densità dei difetti è diventata un'altra grande sfida.

Nel sistema di controllo elettrico, è necessaria l'integrazione ad alta precisione di sensori e attuatori per garantire che tutti i parametri siano regolati con precisione e stabilmente. Anche l'ottimizzazione degli algoritmi di controllo è fondamentale, in quanto devono essere in grado di regolare le strategie di controllo in tempo reale in base ai segnali di feedback per adattarsi a vari cambiamenti durante il processo di crescita epitassiale in carburo di silicio.

Sfide chiave nella produzione di substrato SIC:

Dal lato dell'offerta, perForni di crescita cristallina SIC, a causa di fattori come i cicli di certificazione di lunghe apparecchiature, gli alti costi associati alla commutazione dei fornitori e i rischi di stabilità, i fornitori nazionali devono ancora fornire attrezzature ai produttori di SIC tradizionali internazionali. Tra questi, i principali produttori di carburo di silicio internazionale come Wolfspeed, Coherent e Rohm usano principalmente apparecchiature di crescita cristallina sviluppate e prodotte internamente, mentre altri produttori di substrati in carburo di silicio mainstream internazionali acquistano principalmente attrezzature di crescita di cristallo da PVA Tepa Tepla tedesco Tepla e giapponese Nissin Kikai Co., LTD.