Los desafíos de los hornos de crecimiento de cristal de carburo de silicio

Elhorno de crecimiento de cristalesEs el equipo central para cultivar cristales de carburo de silicio, compartiendo similitudes con hornos tradicionales de crecimiento de cristales de silicio. La estructura del horno no es demasiado compleja, principalmente que consiste en el cuerpo del horno, el sistema de calefacción, el mecanismo de accionamiento de la bobina, el sistema de adquisición y medición de vacío, sistema de suministro de gas, sistema de enfriamiento y sistema de control. El campo térmico y las condiciones del proceso dentro del horno determinan parámetros críticos, como la calidad, el tamaño y la conductividad eléctrica de los cristales de carburo de silicio.

Por un lado, la temperatura durante el crecimiento del cristal de carburo de silicio es extremadamente alta y no puede ser monitoreada en tiempo real, por lo que los principales desafíos se encuentran en el proceso en sí.Los principales desafíos son los siguientes:

(1) Dificultad en el control del campo térmico: El monitoreo en una cámara sellada de alta temperatura es desafiante e incontrolable. A diferencia del equipo tradicional de crecimiento de cristal directo basado en silicio, que tiene altos niveles de automatización y permite procesos de crecimiento observables y ajustables, los cristales de carburo de silicio crecen en un entorno sellado de alta temperatura por encima de 2,000 ° C, y se requiere un control de temperatura preciso durante la producción, lo que hace que el control de la temperatura sea altamente desafiante;

(2) Desafíos de control de la estructura cristalina: El proceso de crecimiento es propenso a defectos como microtubos, inclusiones polimórficas y dislocaciones, que interactúan y evolucionan entre sí.

Los microtubos (MP) son defectos de tipo a través de un tamaño de varios micrómetros a decenas de micrómetros, y se consideran defectos asesinos para dispositivos; Los cristales individuales de carburo de silicio incluyen más de 200 estructuras de cristal diferentes, pero solo unas pocas estructuras de cristal (tipo 4 h) son adecuadas como materiales semiconductores para la producción. Las transformaciones de la estructura cristalina durante el crecimiento pueden conducir a defectos de impureza polimórfica, por lo que se requiere un control preciso de la relación silicio-carbono, gradiente de temperatura de crecimiento, velocidad de crecimiento de cristal y parámetros de flujo/presión de gas;

Además, los gradientes de temperatura en el campo térmico durante el crecimiento de un solo cristal de carburo de silicio dan como resultado tensiones internas primarias y defectos inducidos, como las dislocaciones (dislocaciones del plano basal BPD, dislocaciones de torcido TSD y dislocaciones de borde TED), que afectan la calidad y el rendimiento de las capas epitas y los dispositivos epitaxiales posteriores.

(3) Dificultad para el control de dopaje: Las impurezas externas deben controlarse estrictamente para obtener cristales conductores dopados direccionalmente;

(4) tasa de crecimiento lenta: La tasa de crecimiento cristalino del carburo de silicio es extremadamente lenta. Si bien los materiales de silicio tradicionales pueden formar una varilla de cristal en solo 3 días, las varillas de cristal de carburo de silicio requieren 7 días, lo que resulta en una eficiencia de producción inherentemente menor y una producción severamente limitada.

Por otro lado, los parámetros paraCrecimiento epitaxial de carburo de silicioson extremadamente estrictos, incluido el rendimiento del sellado del equipo, la estabilidad de la presión de la cámara de reacción, el control preciso del tiempo de introducción de gas, la relación precisa de gas y el manejo estricto de la temperatura de deposición. Especialmente a medida que aumentan las clasificaciones de voltaje del dispositivo, la dificultad de controlar los parámetros de oblea epitaxial del núcleo aumenta significativamente. Además, a medida que aumenta el grosor de la capa epitaxial, garantizar la resistividad uniforme mientras se mantiene el grosor y reduciendo la densidad de defectos se ha convertido en otro desafío importante.

En el sistema de control eléctrico, se requiere una integración de alta precisión de sensores y actuadores para garantizar que todos los parámetros estén regulados de manera precisa y estable. La optimización de los algoritmos de control también es crítica, ya que deben poder ajustar las estrategias de control en tiempo real en función de las señales de retroalimentación para adaptarse a varios cambios durante el proceso de crecimiento epitaxial de carburo de silicio.

Desafíos clave en la fabricación del sustrato de sic:

Desde el lado de la oferta, paraHornos de crecimiento de cristal sic, debido a factores como largos ciclos de certificación de equipos, altos costos asociados con el cambio de proveedores y los riesgos de estabilidad, los proveedores nacionales aún no han suministrado equipos a los fabricantes de SIC generales internacionales. Entre ellos, los fabricantes internacionales de carburo de silicio líderes como WolfSpeed, Coherent, y ROHM utilizan principalmente equipos de crecimiento de cristales desarrollados y producidos internamente, mientras que otros fabricantes internacionales de sustratos de carburo de silicio de la corriente principal compran principalmente equipos de crecimiento de cristales de la TEPLA alemana de PVA y japonés Nissin Kikai Co., Ltd..