ความท้าทายของเตาหลอมการเจริญเติบโตของซิลิกอนคาร์ไบด์

ที่เตาหลอมการเจริญเติบโตของคริสตัลเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับการปลูกคริสตัลซิลิกอนคาร์ไบด์ซึ่งแบ่งปันความคล้ายคลึงกันกับเตาเผาซิลิกอนคริสตัลแบบดั้งเดิม โครงสร้างเตาไม่ซับซ้อนมากเกินไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวถังเตา, ระบบทำความร้อน, กลไกการขับเคลื่อนด้วยขดลวด, การได้มาซึ่งสูญญากาศและระบบการวัด, ระบบจ่ายก๊าซ, ระบบทำความเย็นและระบบควบคุม สนามความร้อนและเงื่อนไขกระบวนการภายในเตากำหนดพารามิเตอร์ที่สำคัญเช่นคุณภาพขนาดและการนำไฟฟ้าของผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์

ในอีกด้านหนึ่งอุณหภูมิระหว่างการเจริญเติบโตของคริสตัลซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นสูงมากและไม่สามารถตรวจสอบได้แบบเรียลไทม์ดังนั้นความท้าทายหลักอยู่ในกระบวนการความท้าทายหลักมีดังนี้:

(1) ความยากลำบากในการควบคุมสนามความร้อน: การตรวจสอบในห้องอุณหภูมิสูงที่ปิดสนิทนั้นท้าทายและไม่สามารถควบคุมได้ ซึ่งแตกต่างจากอุปกรณ์การเจริญเติบโตของผลึกแบบดึงโดยตรงที่ใช้สารละลายซิลิกอนแบบดั้งเดิมซึ่งมีระดับอัตโนมัติสูงและช่วยให้กระบวนการเจริญเติบโตที่สังเกตได้และสามารถปรับได้ผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์เติบโตในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูงที่ปิดผนึกสูงกว่า 2,000 ° C และการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ

(2) ความท้าทายในการควบคุมโครงสร้างผลึก: กระบวนการเจริญเติบโตมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่องเช่น microtubes การรวม polymorphic และ dislocations ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์และวิวัฒนาการซึ่งกันและกัน

Microtubes (MP) มีข้อบกพร่องผ่านขนาดตั้งแต่ขนาดไมโครมิเตอร์หลายตัวถึงหลายสิบไมโครเมตรและถือว่าเป็นข้อบกพร่องของนักฆ่าสำหรับอุปกรณ์ ผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์รวมถึงโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกันมากกว่า 200 โครงสร้าง แต่มีโครงสร้างผลึกเพียงไม่กี่ตัว (ประเภท 4H) ที่เหมาะสมกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สำหรับการผลิต การแปลงโครงสร้างผลึกในระหว่างการเจริญเติบโตสามารถนำไปสู่ข้อบกพร่องของสารพลาสติกที่ไม่ชุกถ่ายภาพดังนั้นการควบคุมอัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอนอย่างแม่นยำดังนั้นการไล่ระดับอุณหภูมิการเจริญเติบโตอัตราการเจริญเติบโตของผลึกและพารามิเตอร์การไหลของก๊าซ/ความดันเป็นสิ่งจำเป็น

นอกจากนี้การไล่ระดับอุณหภูมิในสนามความร้อนในช่วงการเจริญเติบโตของผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์ส่งผลให้เกิดความเค้นภายในเบื้องต้นและข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นเช่นการเคลื่อนที่ (การเคลื่อนที่ของระนาบฐาน BPD, การบิดตัวของ TSD

(3) ความยากในการควบคุมยาสลบ: สิ่งเจือปนภายนอกจะต้องถูกควบคุมอย่างเคร่งครัดเพื่อให้ได้ผลึกนำไฟฟ้าที่เจือด้วยทิศทาง;

(4) อัตราการเติบโตช้า: อัตราการเติบโตของคริสตัลของซิลิกอนคาร์ไบด์ช้ามาก ในขณะที่วัสดุซิลิกอนแบบดั้งเดิมสามารถสร้างแท่งคริสตัลในเวลาเพียง 3 วันแท่งคริสตัลซิลิกอนคาร์ไบด์ต้องใช้ 7 วันส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตลดลงโดยเนื้อแท้และผลผลิตที่ จำกัด อย่างรุนแรง

ในทางกลับกันพารามิเตอร์สำหรับการเจริญเติบโตของ silicon carbide epitaxialมีความเข้มงวดอย่างมากรวมถึงประสิทธิภาพการปิดผนึกอุปกรณ์ความเสถียรของความดันในห้องปฏิกิริยาการควบคุมเวลาการแนะนำก๊าซที่แม่นยำอัตราส่วนก๊าซที่แม่นยำและการจัดการอุณหภูมิการสะสมอย่างเข้มงวด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการจัดอันดับแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นความยากลำบากในการควบคุมพารามิเตอร์เวเฟอร์ epitaxial core เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้เมื่อความหนาของชั้น epitaxial เพิ่มขึ้นทำให้มั่นใจได้ถึงความต้านทานที่สม่ำเสมอในขณะที่รักษาความหนาและลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องได้กลายเป็นความท้าทายที่สำคัญอีกประการหนึ่ง

ในระบบควบคุมไฟฟ้าจำเป็นต้องมีการรวมเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงเพื่อให้แน่ใจว่าพารามิเตอร์ทั้งหมดมีความแม่นยำและควบคุมได้อย่างแม่นยำ การเพิ่มประสิทธิภาพของอัลกอริทึมการควบคุมนั้นมีความสำคัญเช่นกันเนื่องจากพวกเขาจะต้องสามารถปรับกลยุทธ์การควบคุมแบบเรียลไทม์ตามสัญญาณตอบรับเพื่อปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของซิลิกอนคาร์ไบด์ epitaxial

ความท้าทายที่สำคัญในการผลิตสารตั้งต้น SIC:

จากด้านอุปทานสำหรับเตาหลอมการเจริญเติบโตของคริสตัลเนื่องจากปัจจัยต่าง ๆ เช่นวัฏจักรการรับรองอุปกรณ์ที่มีความยาวค่าใช้จ่ายสูงที่เกี่ยวข้องกับซัพพลายเออร์สลับและความเสี่ยงด้านเสถียรภาพซัพพลายเออร์ในประเทศยังไม่ได้จัดหาอุปกรณ์ให้กับผู้ผลิต SIC กระแสหลักระหว่างประเทศ ในหมู่พวกเขาผู้ผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์ชั้นนำระดับนานาชาติเช่น Wolfspeed, Coherent และ Rohm ใช้อุปกรณ์การเจริญเติบโตของคริสตัลที่พัฒนาและผลิตในบ้านในขณะที่ผู้ผลิตสารตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์หลักอื่น ๆ