Was ist ein Kristallzuchtofen für Siliziumkarbid (SiC)?

SiCSiliziumkarbid zeichnet sich durch eine große Bandlücke, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe kritische Durchbruchfeldstärke und hohe Elektronensättigungsdrift aus. Es erfüllt die Anwendungsanforderungen unter Bedingungen hoher Temperatur, hohen Drucks, hoher Frequenz und hoher Leistung. Siliziumkarbid findet breite Anwendung in Elektrofahrzeugen, Photovoltaik, industrieller Steuerungstechnik, Hochfrequenzkommunikation und weiteren Bereichen. Mit der rasanten Entwicklung verwandter Branchen eröffnet der Markt für Halbleiter der dritten Generation, repräsentiert durch Siliziumkarbid, neue Chancen.

Die Kristallzüchtung ist der Kern der Siliziumkarbid-Substratproduktion, und die wichtigste Anlage ist der Kristallzüchtungsofen. Ähnlich wie bei herkömmlichen Kristallzüchtungsöfen für kristallines Silizium ist der Ofenaufbau relativ einfach. Er besteht im Wesentlichen aus Ofenkörper, Heizsystem, Spulenantrieb, Vakuumerfassungs- und Messsystem, Gasführungssystem, Kühlsystem, Steuerungssystem usw. Das Temperaturfeld und die Prozessbedingungen bestimmen die wichtigsten Kenngrößen der Siliziumkarbidkristalle: Qualität, Größe, Leitfähigkeit und weitere Parameter.

I. Schwierigkeiten bei der Kristallzüchtungstechnologie von Siliciumcarbid

Die Temperatur beim Wachstum von Siliciumcarbidkristallen ist sehr hoch und kann nicht überwacht werden, daher liegt die größte Schwierigkeit im Prozess selbst:

(1)Schwierigkeiten bei der Kontrolle des thermischen FeldesDie Überwachung des geschlossenen Hochtemperaturhohlraums ist schwierig und unkontrollierbar. Im Gegensatz zu den herkömmlichen, auf Silizium basierenden, lösungsmittelgezogenen Kristallzuchtanlagen, die einen hohen Automatisierungsgrad aufweisen und bei denen der Kristallwachstumsprozess beobachtet, gesteuert und angepasst werden kann, wachsen Siliziumkarbidkristalle in einem geschlossenen Raum in einer Hochtemperaturumgebung über 2000 °C, und die Wachstumstemperatur muss während der Produktion präzise gesteuert werden, was die Temperaturkontrolle erschwert;

(2)Schwierigkeiten bei der Kontrolle der KristallformMikroröhren, polymorphe Einschlüsse, Versetzungen und andere Defekte treten häufig während des Wachstumsprozesses auf und beeinflussen sich gegenseitig. Mikroröhren (MP) sind durchgehende Defekte mit einer Größe von einigen Mikrometern bis zu mehreren zehn Mikrometern, die für Bauelemente kritisch sind. Siliziumkarbid-Einkristalle umfassen mehr als 200 verschiedene Kristallformen, aber nur wenige Kristallstrukturen (4H-TypFür die Halbleiterproduktion werden diese Materialien benötigt. Während des Wachstumsprozesses kann es zu Kristallformumwandlungen kommen, die polymorphe Einschlussdefekte verursachen. Daher ist eine präzise Kontrolle von Parametern wie dem Silizium-Kohlenstoff-Verhältnis, dem Temperaturgradienten, der Kristallwachstumsrate und dem Gasdruck unerlässlich.

Darüber hinaus gibt es im thermischen Feld des Siliziumkarbid-Einkristallwachstums einen Temperaturgradienten, der während des Kristallwachstumsprozesses zu Eigenspannungen und den daraus resultierenden Versetzungen (Basisebenenversetzungen BPD, Schraubenversetzungen TSD, Stufenversetzungen TED) führt und dadurch die Qualität und Leistung der nachfolgenden Epitaxie und der Bauelemente beeinträchtigt.

(3)Schwierige DopingkontrolleDie Einbringung von Fremdstoffen muss streng kontrolliert werden, um einen leitfähigen Kristall mit gerichteter Dotierung zu erhalten;

(4)Langsames WachstumDie Wachstumsrate von Siliciumcarbid ist sehr langsam. TraditionellSiliziummaterialienSiliciumcarbid benötigt nur 3 Tage, um zu einem Kristallstab heranzuwachsen, während Siliciumcarbid-Kristallstäbe 7 Tage benötigen. Dies führt naturgemäß zu einer geringeren Produktionseffizienz von Siliciumcarbid und einer sehr begrenzten Ausbeute.

Andererseits sind die Parameter des epitaxialen Wachstums von Siliziumkarbid äußerst anspruchsvoll. Dazu gehören die Luftdichtheit der Anlagen, die Stabilität des Gasdrucks in der Reaktionskammer, die präzise Steuerung der Gaseinleitungszeit, die Genauigkeit des Gasverhältnisses und die strikte Kontrolle der Abscheidungstemperatur. Insbesondere mit der Verbesserung der Spannungsfestigkeit der Anlagen hat die Kontrolle der Kernparameter des Epitaxie-Wafers deutlich an Schwierigkeit zugenommen.

Mit zunehmender Dicke der Epitaxieschicht stellt die Kontrolle der Widerstandshomogenität und die Reduzierung der Defektdichte bei gleichzeitiger Gewährleistung der Schichtdicke eine weitere große Herausforderung dar. Im elektrifizierten Regelsystem ist die Integration hochpräziser Sensoren und Aktoren erforderlich, um eine genaue und stabile Regelung verschiedener Parameter zu gewährleisten. Gleichzeitig ist die Optimierung des Regelalgorithmus von entscheidender Bedeutung. Dieser muss in der Lage sein, die Regelstrategie in Echtzeit anhand des Rückkopplungssignals anzupassen, um auf verschiedene Änderungen der spezifischen Widerstandshomogenität zu reagieren.Epitaxiewachstum von SiliziumkarbidVerfahren.

II. Die größten Schwierigkeiten bei der Herstellung von Siliciumcarbid-Substraten:

1. Die Wachstumstemperatur liegt über 2000℃ und ist damit doppelt so hoch wie die von Silizium.

2. Die Dicke des Kristallstabs ist während der Kristallwachstumsperiode gering, und ein 2 cm langer Siliciumcarbid-Kristallstab wächst in 7 Tagen.

3. Die Anforderungen an den Kristalltyp sind hoch, und es gibt nur wenige einkristalline Siliciumcarbid-Proben mit Kristallstrukturen.

4. Der Schnittverschleiß ist hoch, und Siliziumkarbid weist eine extrem hohe Härte auf.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der hohe Zeitaufwand und die komplexe Verarbeitungstechnologie die hohen Kosten von Siliziumkarbidsubstraten bedingen, was die Anwendung von Siliziumkarbid einschränkt.

III. Klassifizierung von Kristallzuchtöfen

Je nach Heizmethode lassen sich Kristallzuchtöfen in Induktions- und Widerstandsöfen unterteilen. Derzeit sind die meisten Geräte auf dem Markt Induktionsöfen, die sich durch niedrige Kosten, einfache Bauweise, bequeme Wartung und hohe thermische Effizienz auszeichnen. Aufgrund des elektromagnetischen Induktionseffekts sind jedoch die axiale und die radiale Temperatur bei der Induktionserwärmung gekoppelt, sodass sich Kristallwachstumsgeschwindigkeit und -qualität nicht gleichzeitig beeinflussen lassen.

Die thermische Widerstandsfeld-Wachstumsplattform ermöglicht die präzise Steuerung der axialen und radialen Temperatur, was das Wachstum großer Kristalle begünstigt und die Kristallwachstumsrate erhöht. Sie stellt eine Lösung für die zukünftige Züchtung hochwertiger 8-Zoll-Siliciumcarbidkristalle dar.

Vergleich zwischen Induktionsmethode und Widerstandsmethode: