Les défis des fours de croissance en cristal en carbure de silicium

LeFourniture de croissance cristallineest l'équipement de base de la croissance des cristaux de carbure de silicium, partageant des similitudes avec les fours de croissance des cristaux de silicium traditionnels. La structure de la fournaise n'est pas trop complexe, composée principalement du corps du four, du système de chauffage, du mécanisme d'entraînement des bobines, du système d'acquisition et de mesure du vide, du système d'alimentation en gaz, du système de refroidissement et du système de contrôle. Le champ thermique et les conditions de processus à l'intérieur du four déterminent les paramètres critiques tels que la qualité, la taille et la conductivité électrique des cristaux de carbure de silicium.

D'une part, la température pendant la croissance des cristaux de carbure de silicium est extrêmement élevée et ne peut pas être surveillée en temps réel, donc les principaux défis se trouvent dans le processus lui-même.Les principaux défis sont les suivants:

(1) difficulté de contrôle du champ thermique: La surveillance dans une chambre à haute température scellée est difficile et incontrôlable. Contrairement à l'équipement de croissance des cristaux à pulls directs à base de solutions basés sur le silicium traditionnel, qui a des niveaux d'automatisation élevés et permet des processus de croissance observables et réglables, les cristaux de carbure de silicium se développent dans un environnement à haute température scellé supérieur à 2 000 ° C, et un contrôle précis de la température est nécessaire pendant la production, ce qui rend le contrôle de la température très difficile;

(2) Défis de contrôle de la structure cristalline: Le processus de croissance est sujet à des défauts tels que les microtubes, les inclusions polymorphes et les luxations, qui interagissent et évoluent les uns avec les autres.

Les microtubes (MP) sont des défauts de type à travers, de la taille de plusieurs micromètres à des dizaines de micromètres, et sont considérés comme des défauts de tueur pour les appareils; Les monocristaux en carbure de silicium comprennent plus de 200 structures cristallines différentes, mais seules quelques structures cristallines (type 4H) conviennent comme matériaux semi-conducteurs pour la production. Les transformations de la structure cristalline pendant la croissance peuvent entraîner des défauts d'impuretés polymorphes, donc un contrôle précis du rapport silicium / carbone, gradient de température de croissance, taux de croissance des cristaux et paramètres de débit / pression de gaz est nécessaire;

De plus, les gradients de température dans le champ thermique pendant la croissance monocristalline du carbure de silicium entraînent des contraintes internes primaires et des défauts induits tels que les dislocations (dislocations de plan basal BPD, Twist Lislocations TSD et les dislocations de bord), qui affectent la qualité et les performances des couches épitaxiales suivantes.

(3) difficulté de contrôle du dopage: Les impuretés externes doivent être strictement contrôlées pour obtenir des cristaux conducteurs dopés directionnels;

(4) taux de croissance lent: Le taux de croissance cristalline du carbure de silicium est extrêmement lent. Alors que les matériaux de silicium traditionnels peuvent former une tige de cristal en seulement 3 jours, les tiges de cristal en carbure de silicium nécessitent 7 jours, ce qui entraîne une efficacité de production intrinsèquement plus faible et une production sévèrement limitée.

D'un autre côté, les paramètres pourCroissance épitaxiale en carbure de siliciumsont extrêmement stricts, y compris les performances d'étanchéité des équipements, la stabilité de la pression de la chambre de réaction, le contrôle précis du temps d'introduction du gaz, le rapport de gaz précis et la gestion stricte de la température du dépôt. D'autant plus que les évaluations de tension de l'appareil augmentent, la difficulté de contrôler les paramètres de la plaquette épitaxiale noyau augmente considérablement. De plus, à mesure que l'épaisseur de la couche épitaxiale augmente, assurer une résistivité uniforme tout en maintenant l'épaisseur et en réduisant la densité des défauts est devenu un autre défi majeur.

Dans le système de contrôle électrique, l'intégration de haute précision des capteurs et des actionneurs est nécessaire pour garantir que tous les paramètres sont régulés avec précision et stable. L'optimisation des algorithmes de contrôle est également critique, car ils doivent être en mesure d'ajuster les stratégies de contrôle en temps réel en fonction des signaux de rétroaction pour s'adapter à divers changements pendant le processus de croissance épitaxial du carbure de silicium.

Défis clés dans la fabrication du substrat SIC:

Du côté de l'offre, pourFours de croissance cristalline SIC, en raison de facteurs tels que des cycles de certification de l'équipement longs, des coûts élevés associés aux fournisseurs de commutation et des risques de stabilité, les fournisseurs nationaux n'ont pas encore fourni d'équipement aux fabricants internationaux de SiC traditionnels. Parmi eux, les fabricants internationaux de carbure de silicium de premier plan tels que WolfSpeed, Coherent et Rohm utilisent principalement des équipements de croissance cristalline développés et produits en interne, tandis que d'autres fabricants de substrat international de carbure de silicium traditionnel achètent principalement des équipements de croissance cristalline allemands PVA TEPLA et Nissin Kikai Co. japonais de Nissin Kikai Co., Ltd.