Rôzne technické spôsoby epitaxnej rastovej pece SiC

Substráty z karbidu kremíka majú veľa defektov a nedajú sa priamo spracovať. Na výrobu plátkov čipov je potrebné na nich vypestovať špecifický tenký kryštálový film prostredníctvom epitaxného procesu. Tento tenký film je epitaxiálna vrstva. Takmer všetky zariadenia z karbidu kremíka sú realizované na epitaxných materiáloch. Vysokokvalitné homogénne epitaxné materiály z karbidu kremíka sú základom pre vývoj zariadení z karbidu kremíka. Výkon epitaxných materiálov priamo určuje realizáciu výkonu zariadení z karbidu kremíka.

Vysokoprúdové a vysoko spoľahlivé zariadenia z karbidu kremíka predložili prísnejšie požiadavky na morfológiu povrchu, hustotu defektov, doping a rovnomernosť hrúbky epitaxných materiálov. Veľká veľkosť, nízka hustota defektov a vysoká rovnomernosťepitaxia karbidu kremíkasa stal kľúčom k rozvoju priemyslu karbidu kremíka.

Príprava vysokej kvalityepitaxia karbidu kremíkavyžaduje pokročilé procesy a vybavenie. Najpoužívanejšou metódou epitaxiálneho rastu karbidu kremíka je chemická depozícia z pár (CVD), ktorá má výhody presnej kontroly hrúbky epitaxiálneho filmu a koncentrácie dopingu, menšieho počtu defektov, strednej rýchlosti rastu a automatického riadenia procesu. Je to spoľahlivá technológia, ktorá bola úspešne komercializovaná.

CVD epitaxia karbidu kremíka vo všeobecnosti používa zariadenie CVD s horúcou stenou alebo teplou stenou, ktoré zaisťuje pokračovanie epitaxnej vrstvy 4H kryštálu SiC za podmienok vyššej teploty rastu (1500-1700 ℃). Po rokoch vývoja možno CVD s horúcou stenou alebo teplou stenou rozdeliť na reaktory s horizontálnou horizontálnou štruktúrou a reaktory s vertikálnou vertikálnou štruktúrou podľa vzťahu medzi smerom prúdenia vstupného plynu a povrchom substrátu.

Kvalita epitaxnej pece z karbidu kremíka má hlavne tri ukazovatele. Prvým je výkon epitaxného rastu, vrátane rovnomernosti hrúbky, dopingovej rovnomernosti, miery defektov a rýchlosti rastu; druhým je teplotný výkon samotného zariadenia vrátane rýchlosti ohrevu/chladenia, maximálnej teploty, rovnomernosti teploty; a nakoniec nákladovú výkonnosť samotného zariadenia vrátane jednotkovej ceny a výrobnej kapacity.

Rozdiely medzi tromi typmi epitaxiálnych rastových pecí karbidu kremíka

Horizontálne CVD s horúcou stenou, planetárne CVD s teplou stenou a vertikálne CVD s kvázi horúcou stenou sú hlavnými technologickými riešeniami epitaxných zariadení, ktoré sa v tejto fáze komerčne aplikovali. Tri technické zariadenia majú tiež svoje vlastné charakteristiky a dajú sa vybrať podľa potreby. Schéma štruktúry je znázornená na obrázku nižšie:

Horizontálny CVD systém s horúcou stenou je vo všeobecnosti rastový systém s jednou doskou veľkej veľkosti poháňaný vzduchovou flotáciou a rotáciou. Je ľahké dosiahnuť dobré ukazovatele v doštičke. Reprezentatívnym modelom je Pe1O6 spoločnosti LPE Company v Taliansku. Tento stroj dokáže realizovať automatické nakladanie a vykladanie doštičiek pri 900 ℃. Hlavnými znakmi sú vysoká rýchlosť rastu, krátky epitaxný cyklus, dobrá konzistencia v plátku a medzi pecami atď. Má najvyšší podiel na trhu v Číne

Podľa oficiálnych správ LPE v kombinácii s používaním veľkých používateľov môžu 100-150 mm (4-6 palcov) 4H-SiC epitaxné doštičky s hrúbkou menšou ako 30 μm vyrábané epitaxiálnou pecou Pe1O6 stabilne dosahovať tieto ukazovatele: nerovnomernosť epitaxnej hrúbky vnútri plátku ≤ 2 %, nerovnomernosť koncentrácie dopingu vo vnútri plátku ≤ 5 %, hustota povrchových defektov ≤ 1 cm-2, plocha bez povrchových defektov (2 mm × 2 mm jednotková bunka) ≥ 90 %.

Domáce spoločnosti ako JSG, CETC 48, NAURA a NASO vyvinuli monolitické epitaxné zariadenia z karbidu kremíka s podobnými funkciami a dosiahli rozsiahle dodávky. Napríklad vo februári 2023 spoločnosť JSG uviedla na trh 6-palcové epitaxné zariadenie SiC s dvojitým plátkom. Zariadenie využíva hornú a spodnú vrstvu hornej a dolnej vrstvy grafitovej časti reakčnej komory na pestovanie dvoch epitaxných plátkov v jednej peci a horné a spodné procesné plyny možno samostatne regulovať s teplotným rozdielom ≤ 5°C, čo efektívne kompenzuje nevýhodu nedostatočnej výrobnej kapacity monolitických horizontálnych epitaxných pecí. Kľúčovým náhradným dielom jeSiC Coating Halfmoon Parts. Dodávame používateľom 6 palcové a 8 palcové časti Halfmoon.

Teplostenný planetárny CVD systém s planetárnym usporiadaním základne sa vyznačuje rastom viacerých plátkov v jednej peci a vysokou výstupnou účinnosťou. Reprezentatívnymi modelmi sú epitaxné zariadenia série AIXG5WWC (8X150mm) a G10-SiC (9×150mm alebo 6×200mm) od nemeckého Aixtronu.

Podľa oficiálnej správy Aixtron môžu 6-palcové 4H-SiC epitaxné plátkové produkty s hrúbkou 10 μm vyrábané epitaxiálnou pecou G10 stabilne dosahovať tieto ukazovatele: odchýlka epitaxnej hrúbky medzi plátkami ± 2,5 %, vnútroplatková epitaxná hrúbka nerovnomernosť 2 %, odchýlka koncentrácie dopingu medzi oblátkami ±5 %, nerovnomernosť koncentrácie dopingu vo vnútri dopingu <2 %.

Doteraz je tento typ modelu domácimi používateľmi používaný len zriedka a údaje o sériovej výrobe sú nedostatočné, čo do určitej miery obmedzuje jeho technické využitie. Navyše, vzhľadom na vysoké technické bariéry epitaxných pecí s viacerými plátkami, pokiaľ ide o teplotné pole a riadenie prietokového poľa, je vývoj podobného domáceho zariadenia stále v štádiu výskumu a vývoja a neexistuje žiadny alternatívny model. Môžeme poskytnúť planétový susceptor Aixtron ako 6 palcový a 8 palcový s povlakom TaC alebo povlakom SiC.

Vertikálny CVD systém s kvázi horúcou stenou rotuje hlavne vysokou rýchlosťou vďaka externej mechanickej asistencii. Jeho charakteristikou je, že hrúbka viskóznej vrstvy je účinne znížená nižším tlakom v reakčnej komore, čím sa zvyšuje rýchlosť epitaxného rastu. Jeho reakčná komora zároveň nemá hornú stenu, na ktorú by sa mohli ukladať častice SiC, a nie je jednoduché vyrábať padajúce predmety. Má prirodzenú výhodu v kontrole defektov. Reprezentatívne modely sú jednoplátkové epitaxné pece EPIREVOS6 a EPIREVOS8 od japonskej Nuflare.

Podľa Nuflare môže rýchlosť rastu zariadenia EPIREVOS6 dosiahnuť viac ako 50 μm/h a hustota povrchových defektov epitaxiálneho plátku môže byť kontrolovaná pod 0,1 cm-²; pokiaľ ide o kontrolu jednotnosti, inžinier Nuflare Yoshiaki Daigo oznámil výsledky jednotnosti vo vnútri plátku 10 μm hrubého 6-palcového epitaxného plátku pestovaného pomocou EPIREVOS6 a nerovnomernosť hrúbky vnútri plátku a koncentrácie dopingu dosiahli 1 % a 2,6 %. Poskytujeme vysoko čisté grafitové diely potiahnuté SiC, ako naprHorný grafitový valec.

V súčasnosti domáci výrobcovia zariadení ako Core Third Generation a JSG navrhli a uviedli na trh epitaxné zariadenia s podobnými funkciami, ktoré sa však vo veľkom rozsahu nepoužívali.

Vo všeobecnosti majú tieto tri typy zariadení svoje vlastné charakteristiky a zaberajú určitý podiel na trhu v rôznych potrebách použitia:

Horizontálna CVD štruktúra s horúcou stenou sa vyznačuje ultrarýchlou rýchlosťou rastu, kvalitou a jednotnosťou, jednoduchou prevádzkou a údržbou zariadenia a vyspelými aplikáciami vo veľkom meradle. Avšak vzhľadom na typ jedného plátku a častú údržbu je efektívnosť výroby nízka; planetárne CVD s teplou stenou vo všeobecnosti používa štruktúru podnosu 6 (kus) × 100 mm (4 palce) alebo 8 (kus) × 150 mm (6 palcov), čo výrazne zlepšuje efektivitu výroby zariadenia z hľadiska výrobnej kapacity, ale je ťažké kontrolovať konzistenciu viacerých kusov a výťažnosť výroby je stále najväčším problémom; kvázi horúce stenové vertikálne CVD má zložitú štruktúru a kontrola kvality výroby epitaxných plátkov je vynikajúca, čo si vyžaduje mimoriadne bohatú údržbu zariadenia a skúsenosti s používaním.

S neustálym rozvojom priemyslu budú tieto tri typy zariadení opakovane optimalizované a modernizované z hľadiska štruktúry a konfigurácia zariadení bude čoraz dokonalejšia, čo bude zohrávať dôležitú úlohu pri zosúlaďovaní špecifikácií epitaxných plátkov s rôznymi hrúbkami a požiadavky na vady.