SiCLe carbure de silicium présente les caractéristiques suivantes : large bande interdite, conductivité thermique élevée, rigidité diélectrique critique élevée et vitesse de dérive de saturation électronique élevée. Il répond aux exigences des applications à haute température, haute pression, haute fréquence et haute puissance. Il trouve de nombreuses applications dans les véhicules à énergies nouvelles, le photovoltaïque, le contrôle industriel, les communications radiofréquences et d’autres domaines. Le développement rapide des industries connexes a ouvert de nouvelles perspectives au marché des semi-conducteurs de troisième génération, représenté par le carbure de silicium.
La croissance cristalline est l'étape clé de la production de substrats en carbure de silicium, et l'équipement essentiel est le four de croissance cristalline. Similaire aux fours de croissance cristalline traditionnels pour le silicium cristallin, sa structure est relativement simple. Il se compose principalement d'un corps de four, d'un système de chauffage, d'un mécanisme de transmission par bobine, d'un système d'acquisition et de mesure du vide, d'un système de circulation des gaz, d'un système de refroidissement, d'un système de contrôle, etc. Le champ thermique et les conditions de traitement déterminent les principaux paramètres de qualité des cristaux de carbure de silicium : leur taille, leur conductivité, etc.
I. Difficultés liées à la technologie de croissance des cristaux de carbure de silicium
La température de croissance des cristaux de carbure de silicium est très élevée et ne peut être contrôlée ; la principale difficulté réside donc dans le procédé lui-même :
(1)Difficulté à contrôler le champ thermiqueLa surveillance de la cavité fermée à haute température est difficile et incontrôlable. Contrairement aux équipements traditionnels de croissance cristalline par étirage en solution à base de silicium, qui présentent un haut degré d'automatisation et permettent d'observer, de contrôler et d'ajuster le processus de croissance cristalline, les cristaux de carbure de silicium croissent dans un espace clos, dans un environnement à haute température supérieur à 2 000 °C, et la température de croissance doit être contrôlée avec précision pendant la production, ce qui rend le contrôle de la température difficile ;
(2)Difficulté à contrôler la forme cristallineLes micropipes, les inclusions polymorphes, les dislocations et autres défauts sont susceptibles d'apparaître lors du processus de croissance et s'influencent et évoluent mutuellement. Les micropipes (MP) sont des défauts traversants d'une taille de quelques microns à quelques dizaines de microns, qui constituent des défauts critiques pour les dispositifs. Les monocristaux de carbure de silicium comprennent plus de 200 formes cristallines différentes, mais seulement quelques structures cristallines (Type 4HLes matériaux semi-conducteurs nécessaires à la production sont ceux-ci. Une transformation de la forme cristalline est susceptible de se produire pendant le processus de croissance, entraînant des défauts d'inclusion polymorphes. Il est donc nécessaire de contrôler avec précision des paramètres tels que le rapport silicium/carbone, le gradient de température de croissance, la vitesse de croissance cristalline et la pression du flux de gaz.
De plus, il existe un gradient de température dans le champ thermique de la croissance monocristalline du carbure de silicium, ce qui entraîne des contraintes internes natives et les dislocations qui en résultent (dislocation de plan basal BPD, dislocation vis TSD, dislocation de bord TED) pendant le processus de croissance cristalline, affectant ainsi la qualité et les performances de l'épitaxie et des dispositifs ultérieurs.
(3)Contrôle antidopage difficileL’introduction d’impuretés externes doit être strictement contrôlée pour obtenir un cristal conducteur à dopage directionnel ;
(4)taux de croissance lentLa vitesse de croissance du carbure de silicium est très lente. Traditionnellementmatériaux en siliciumIl suffit de 3 jours pour qu'un cristal se forme, tandis que les cristaux de carbure de silicium nécessitent 7 jours. Ceci explique le rendement de production naturellement plus faible du carbure de silicium et sa production très limitée.
En revanche, les paramètres de croissance épitaxiale du carbure de silicium sont extrêmement exigeants : étanchéité de l’équipement, stabilité de la pression des gaz dans la chambre de réaction, contrôle précis du temps d’introduction des gaz, exactitude du rapport des gaz et gestion rigoureuse de la température de dépôt. De plus, l’amélioration de la tension de tenue des dispositifs a considérablement accru la difficulté de contrôler les paramètres fondamentaux de la plaquette épitaxiale.
De plus, l'augmentation de l'épaisseur de la couche épitaxiale pose un autre défi majeur : contrôler l'uniformité de la résistivité et réduire la densité de défauts tout en maintenant l'épaisseur requise. Dans le système de commande électrique, il est nécessaire d'intégrer des capteurs et des actionneurs de haute précision pour garantir une régulation précise et stable des différents paramètres. Parallèlement, l'optimisation de l'algorithme de commande est également cruciale. Ce dernier doit pouvoir ajuster la stratégie de commande en temps réel en fonction du signal de retour afin de s'adapter aux variations de la couche épitaxiale.croissance épitaxiale du carbure de siliciumprocessus.
II. Les principales difficultés liées à la fabrication des substrats en carbure de silicium :
1. La température de croissance est supérieure à 2000℃, soit deux fois plus élevée que celle du silicium.
2. L'épaisseur de la tige cristalline est faible pendant la période de croissance du cristal, et une tige cristalline en carbure de silicium de 2 cm se forme en 7 jours.
3. Les exigences en matière de type de cristal sont élevées, et il n'existe que quelques monocristaux de carbure de silicium avec des structures cristallines.
4. L'usure par coupe est importante et le carbure de silicium possède une dureté extrêmement élevée.
En résumé, le coût élevé en temps et la complexité de la technologie de traitement déterminent le coût élevé des substrats en carbure de silicium, ce qui limite l'application du carbure de silicium.
III. Classification des fours de croissance cristalline
Selon leur mode de chauffage, les fours de croissance cristalline se divisent en deux catégories : à induction et à résistance. Actuellement, la plupart des équipements disponibles sur le marché sont à induction, ce qui leur confère les avantages d'un faible coût, d'une structure simple, d'une maintenance aisée et d'un rendement thermique élevé. Toutefois, en raison de l'effet d'induction électromagnétique, les températures axiale et radiale sont liées, et il est impossible d'optimiser simultanément la vitesse et la qualité de la croissance cristalline.
La plateforme de croissance par champ thermique résistif permet un contrôle précis des températures axiale et radiale, ce qui favorise la croissance de cristaux de grande taille et améliore la vitesse de croissance cristalline. Elle constitue une solution prometteuse pour la future production de cristaux de carbure de silicium de haute qualité sur 8 pouces.
Comparaison entre la méthode par induction et la méthode par résistance :
| Méthode d'induction | Méthode de résistance | |
| Principe de fonctionnement | Le chauffage par induction est une méthode de traitement thermique qui utilise l'effet magnétique du courant électrique pour créer une densité relativement élevée de courant induit sur la couche superficielle de la pièce, la chauffer rapidement jusqu'à l'état austénitique, puis la refroidir rapidement pour obtenir une structure martensitique. | Le chauffage par résistance utilise la chaleur de Joule générée par le courant traversant le conducteur comme source de chaleur. On distingue deux catégories : le chauffage par résistance indirecte (élément chauffant électrique ou milieu conducteur) et le chauffage par résistance directe. |
| Contrôle de la température | La méthode par induction chauffe le champ magnétique interne grâce à une bobine d'induction située à l'extérieur du creuset. La vitesse de chauffage est rapide, mais la grande distance entre la bobine et le creuset entraîne une dispersion de la zone de rayonnement et rend difficile le contrôle précis du chauffage de la surface du creuset dans le sens horizontal. | La méthode par résistance utilise un élément chauffant séparé, placé près du creuset. En ajustant cet élément chauffant, la température de la surface du creuset peut être contrôlée avec plus de précision. |
| Croissance de cristaux de grande taille | Lorsqu'on ajoute plusieurs bobines de chauffage à la structure de champ thermique par induction, les champs magnétiques peuvent interférer entre eux, ce qui a pour conséquence que le champ magnétique et la chaleur ne sont pas facilement répartis conformément à l'objectif de conception, affectant ainsi l'effet de chauffage et la croissance cristalline. | Il est plus facile de concevoir un système de chauffage à contrôle indépendant à plusieurs étages pour les équipements de croissance cristalline par chauffage par résistance, et le gradient radial de l'équipement lui-même est faible, ce qui peut répondre aux besoins de la croissance de cristaux de grande taille. |
| cycle de croissance cristalline | La croissance cristalline par la méthode d'induction prend environ 10 jours, le recuit 10 à 15 jours, et le cycle de croissance global est de 20 à 25 jours. | Le cycle de croissance cristalline dure environ 5 à 7 jours, et le recuit peut être effectué automatiquement ; la température diminue lentement après une coupure de courant. |
| consommation d'énergie | La consommation d'énergie de la méthode par résistance est 2 à 3 fois supérieure à celle de la méthode par induction. | |
| Niveau de rendement | Le rendement des cristaux obtenus par la méthode de croissance cristalline par résistance est nettement supérieur à celui obtenu par la méthode de croissance cristalline par induction. | |
Date de publication : 24 juin 2025