Những thách thức kỹ thuật trong lò tăng trưởng tinh thể cacbua silic

Lò nung tinh thể silicon cacbua (SiC) là nền tảng củatấm wafer SiCsản xuất. Mặc dù có những điểm tương đồng với các lò tăng trưởng tinh thể silicon truyền thống, lò SiC phải đối mặt với những thách thức đặc biệt do điều kiện phát triển khắc nghiệt của vật liệu và cơ chế hình thành khuyết tật phức tạp. Những thách thức này có thể được phân loại thành hai lĩnh vực: tăng trưởng tinh thể và tăng trưởng epiticular.

Những thách thức tăng trưởng tinh thể:

Sự phát triển của tinh thể SiC đòi hỏi phải kiểm soát chính xác trong môi trường khép kín, nhiệt độ cao, khiến việc giám sát và kiểm soát quá trình trở nên đặc biệt khó khăn. Những thách thức chính bao gồm:

(1) Kiểm soát trường nhiệt: Duy trì cấu hình nhiệt độ ổn định và đồng đều trong buồng nhiệt độ cao kín là rất quan trọng nhưng cũng cực kỳ khó khăn. Không giống như các quá trình tăng trưởng nóng chảy có thể kiểm soát được sử dụng cho silicon, sự phát triển của tinh thể SiC xảy ra ở nhiệt độ trên 2.000°C, khiến việc giám sát và điều chỉnh theo thời gian thực gần như không thể thực hiện được. Kiểm soát nhiệt độ chính xác là điều tối quan trọng để đạt được các đặc tính tinh thể mong muốn.

(2) Kiểm soát đa dạng và khiếm khuyết: Quá trình tăng trưởng rất dễ bị ảnh hưởng bởi các khiếm khuyết như micropipes (MP), tạp chất và sai lệch polytype, mỗi loại đều ảnh hưởng đến chất lượng tinh thể. MP, xuyên qua các khuyết tật có kích thước vài micron, đặc biệt gây bất lợi cho hiệu suất của thiết bị. SiC tồn tại ở hơn 200 loại polytype, chỉ có cấu trúc 4H phù hợp cho các ứng dụng bán dẫn. Kiểm soát phép cân bằng hóa học, độ dốc nhiệt độ, tốc độ tăng trưởng và động lực dòng khí là điều cần thiết để giảm thiểu sự bao gồm nhiều loại. Hơn nữa, gradient nhiệt trong buồng tăng trưởng có thể gây ra ứng suất tự nhiên, dẫn đến nhiều sai lệch khác nhau (trật khớp mặt phẳng cơ bản (BPD), trật khớp vít ren (TSD), trật khớp cạnh ren (TED)) ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị và epitaxy tiếp theo.

(3) Kiểm soát tạp chất: Để đạt được cấu hình pha tạp chính xác đòi hỏi phải kiểm soát tỉ mỉ các tạp chất bên ngoài. Bất kỳ sự nhiễm bẩn ngoài ý muốn nào cũng có thể làm thay đổi đáng kể tính chất điện của tinh thể cuối cùng.

(4) Tốc độ tăng trưởng chậm: Sự phát triển của tinh thể SiC vốn đã chậm so với silicon. Trong khi một thỏi silicon có thể phát triển trong 3 ngày thì SiC cần 7 ngày trở lên, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả và sản lượng sản xuất.

Những thách thức tăng trưởng epiticular:

Sự tăng trưởng epiticular SiC, rất quan trọng để hình thành cấu trúc thiết bị, đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ hơn các thông số quy trình:

Kiểm soát độ chính xác cao:Độ kín của buồng, độ ổn định áp suất, thời gian và thành phần phân phối khí chính xác cũng như kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt là rất quan trọng để đạt được các đặc tính lớp epiticular mong muốn. Những yêu cầu này càng trở nên nghiêm ngặt hơn khi yêu cầu điện áp của thiết bị ngày càng tăng.

Tính đồng nhất và mật độ khuyết tật:Việc duy trì điện trở suất đồng đều và mật độ khuyết tật thấp trong các lớp epiticular dày hơn là một thách thức đáng kể.

Hệ thống điều khiển nâng cao:Hệ thống điều khiển cơ điện tinh vi với cảm biến và bộ truyền động có độ chính xác cao là rất quan trọng để điều chỉnh thông số chính xác và ổn định. Các thuật toán điều khiển nâng cao có khả năng điều chỉnh theo thời gian thực dựa trên phản hồi của quy trình là điều cần thiết để điều hướng sự phức tạp của quá trình tăng trưởng epiticular SiC.

Vượt qua những rào cản kỹ thuật này là điều cần thiết để khai thác toàn bộ tiềm năng của công nghệ SiC. Những tiến bộ liên tục trong thiết kế lò, kiểm soát quy trình và kỹ thuật giám sát tại chỗ là rất quan trọng để thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi vật liệu đầy hứa hẹn này trong các thiết bị điện tử hiệu suất cao.**