Różne drogi techniczne pieca epitaksjalnego SiC

Podłoża z węglika krzemu mają wiele wad i nie mogą być przetwarzane bezpośrednio. Aby wytworzyć płytki wiórowe, należy na nich wyhodować specjalną cienką warstwę monokryształu w procesie epitaksjalnym. Ta cienka warstwa to warstwa epitaksjalna. Prawie wszystkie urządzenia z węglika krzemu są realizowane na materiałach epitaksjalnych. Podstawą rozwoju urządzeń z węglika krzemu są wysokiej jakości jednorodne materiały epitaksjalne z węglika krzemu. Wydajność materiałów epitaksjalnych bezpośrednio determinuje realizację wydajności urządzeń z węglika krzemu.

Wysokoprądowe i niezawodne urządzenia z węglika krzemu stawiają bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące morfologii powierzchni, gęstości defektów, domieszkowania i jednorodności grubości materiałów epitaksjalnych. Duży rozmiar, niska gęstość defektów i wysoka jednorodnośćepitaksja węglika krzemustał się kluczem do rozwoju przemysłu węglika krzemu.

Preparat wysokiej jakościepitaksja węglika krzemuwymaga zaawansowanych procesów i sprzętu. Najpowszechniej stosowaną metodą wzrostu epitaksjalnego węglika krzemu jest chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), które ma zalety polegające na precyzyjnej kontroli grubości warstwy epitaksjalnej i stężeniu domieszkowania, mniejszej liczbie defektów, umiarkowanej szybkości wzrostu i automatycznej kontroli procesu. Jest to niezawodna technologia, która została z sukcesem skomercjalizowana.

Epitaksja CVD z węglika krzemu zazwyczaj wykorzystuje sprzęt CVD z gorącą lub ciepłą ścianką, który zapewnia kontynuację warstwy epitaksjalnej kryształu 4H SiC w warunkach wyższej temperatury wzrostu (1500-1700 ℃). Po latach rozwoju, reaktory CVD z gorącą ścianą lub ciepłą ścianą można podzielić na reaktory o konstrukcji poziomej i reaktory o strukturze pionowej, zgodnie z zależnością między kierunkiem przepływu gazu wlotowego a powierzchnią podłoża.

Jakość pieca epitaksjalnego z węglika krzemu ma głównie trzy wskaźniki. Pierwszą z nich jest wydajność wzrostu epitaksjalnego, obejmująca jednorodność grubości, jednorodność domieszkowania, szybkość defektów i szybkość wzrostu; drugi to wydajność temperaturowa samego urządzenia, w tym szybkość ogrzewania/chłodzenia, temperatura maksymalna, jednorodność temperatury; i wreszcie wydajność kosztowa samego sprzętu, w tym cena jednostkowa i moce produkcyjne.

Różnice pomiędzy trzema typami pieców epitaksjalnych z węglikiem krzemu

Poziome CVD z gorącymi ścianami, planetarne CVD z ciepłymi ścianami i pionowe CVD z quasi-gorącymi ścianami to główne rozwiązania technologiczne sprzętu epitaksjalnego, które zostały zastosowane komercyjnie na tym etapie. Te trzy urządzenia techniczne również mają swoją własną charakterystykę i można je dobierać w zależności od potrzeb. Schemat struktury pokazano na poniższym rysunku:

Poziomy system CVD z gorącą ścianką jest zazwyczaj wielkogabarytowym systemem wzrostu składającym się z pojedynczych płytek, napędzanym flotacją i rotacją powietrza. Łatwo jest uzyskać dobre wskaźniki w płytce. Reprezentatywnym modelem jest Pe1O6 firmy LPE we Włoszech. Ta maszyna może realizować automatyczny załadunek i rozładunek płytek w temperaturze 900 ℃. Główne cechy to wysoka stopa wzrostu, krótki cykl epitaksjalny, dobra konsystencja w waflu i pomiędzy piecami itp. Ma najwyższy udział w rynku w Chinach

Według oficjalnych raportów LPE, w połączeniu z wykorzystaniem głównych użytkowników, płytki epitaksjalne 4H-SiC o średnicy 100–150 mm (4–6 cali) i grubości mniejszej niż 30 μm, wytwarzane w piecu epitaksjalnym Pe1O6, mogą stabilnie osiągać następujące wskaźniki: niejednorodność grubości epitaksjalnej wewnątrz płytki ≤2%, niejednorodność stężenia domieszki wewnątrz płytki ≤5%, gęstość defektów powierzchniowych ≤1cm-2, obszar wolny od defektów powierzchni (komórka elementarna 2mm×2mm) ≥90%.

Krajowe firmy, takie jak JSG, CETC 48, NAURA i NASO, opracowały monolityczny sprzęt epitaksjalny z węglika krzemu o podobnych funkcjach i osiągnęły dostawy na dużą skalę. Na przykład w lutym 2023 r. firma JSG wypuściła na rynek 6-calowy sprzęt epitaksjalny z podwójną płytką SiC. Urządzenie wykorzystuje górną i dolną warstwę górnej i dolnej warstwy grafitowej części komory reakcyjnej do wyhodowania dwóch płytek epitaksjalnych w jednym piecu, przy czym górny i dolny gaz procesowy można regulować oddzielnie, przy różnicy temperatur ≤ 5°C, co skutecznie rekompensuje niedostateczną zdolność produkcyjną monolitycznych poziomych pieców epitaksjalnych. Kluczową częścią zamienną jestCzęści półksiężyca z powłoką SiCDostarczamy użytkownikom części półksiężycowe o średnicy 6 cali i 8 cali.

Ciepłościenny planetarny układ CVD z planetarnym układem podstawy charakteryzuje się wzrostem wielu płytek w jednym piecu i wysoką wydajnością wyjściową. Reprezentatywnymi modelami są urządzenia epitaksjalne serii AIXG5WWC (8X150mm) i G10-SiC (9x150mm lub 6x200mm) firmy Aixtron z Niemiec.

Według oficjalnego raportu firmy Aixtron, 6-calowe epitaksjalne płytki 4H-SiC o grubości 10 μm wytwarzane w piecu epitaksjalnym G10 mogą stabilnie osiągać następujące wskaźniki: odchylenie grubości epitaksjalnej między płytkami ± 2,5%, grubość epitaksjalna wewnątrz płytek niejednorodność 2%, odchylenie stężenia domieszkowania między płytkami ± 5%, niejednorodność stężenia domieszkowania wewnątrz płytki <2%.

Dotychczas tego typu model był rzadko stosowany przez użytkowników krajowych, a dane dotyczące produkcji seryjnej są niewystarczające, co w pewnym stopniu ogranicza jego zastosowanie inżynieryjne. Ponadto, ze względu na duże bariery techniczne wielopłytkowych pieców epitaksjalnych w zakresie kontroli pola temperatury i pola przepływu, rozwój podobnego sprzętu domowego jest nadal w fazie badawczo-rozwojowej i nie ma modelu alternatywnego. W międzyczasie możemy dostarczyć susceptor planetarny Aixtron, taki jak 6 cali i 8 cali, z powłoką TaC lub powłoką SiC.

Pionowy system CVD z quasi-gorącymi ścianami obraca się głównie z dużą prędkością dzięki zewnętrznemu wspomaganiu mechanicznemu. Jego cechą charakterystyczną jest to, że grubość lepkiej warstwy jest skutecznie zmniejszana przez niższe ciśnienie w komorze reakcyjnej, zwiększając w ten sposób szybkość wzrostu epitaksjalnego. Jednocześnie jego komora reakcyjna nie posiada górnej ściany, na której mogłyby osadzać się cząstki SiC, a wytworzenie spadających przedmiotów nie jest łatwe. Ma nieodłączną zaletę w zakresie kontroli defektów. Reprezentatywnymi modelami są jednopłytkowe piece epitaksjalne EPIREVOS6 i EPIREVOS8 japońskiej firmy Nuflare.

Według Nuflare tempo wzrostu urządzenia EPIREVOS6 może sięgać ponad 50 μm/h, a gęstość defektów powierzchniowych płytki epitaksjalnej można kontrolować poniżej 0,1 cm-²; jeśli chodzi o kontrolę jednorodności, inżynier Nuflare Yoshiaki Daigo podał wyniki jednorodności wewnątrz płytki 6-calowej płytki epitaksjalnej o grubości 10 μm hodowanej przy użyciu EPIREVOS6, a grubość wewnątrz płytki i niejednorodność stężenia domieszki osiągnęły odpowiednio 1% i 2,6%. Dostarczamy części grafitowe o wysokiej czystości pokryte SiC, takie jakGórny cylinder grafitowy.

Obecnie krajowi producenci sprzętu, tacy jak Core Third Generation i JSG, zaprojektowali i wprowadzili na rynek urządzenia epitaksjalne o podobnych funkcjach, jednak nie znalazły one zastosowania na dużą skalę.

Ogólnie rzecz biorąc, te trzy typy sprzętu mają swoją własną charakterystykę i zajmują pewien udział w rynku w różnych zastosowaniach:

Pozioma struktura CVD z gorącą ścianą charakteryzuje się ultraszybkim tempem wzrostu, jakością i jednolitością, prostą obsługą i konserwacją sprzętu oraz dojrzałymi zastosowaniami produkcyjnymi na dużą skalę. Jednak ze względu na typ pojedynczej płytki i częstą konserwację wydajność produkcji jest niska; W planetarnych CVD z ciepłą ścianką zazwyczaj przyjmuje się konstrukcję tacy o wymiarach 6 (sztuka) × 100 mm (4 cale) lub 8 (sztuka) × 150 mm (6 cali), co znacznie poprawia wydajność produkcyjną sprzętu pod względem wydajności produkcyjnej, ale trudno jest kontrolować konsystencję wielu elementów, a wydajność produkcji nadal stanowi największy problem; quasi-gorąca ściana pionowa CVD ma złożoną strukturę, a kontrola wad jakościowych produkcji płytek epitaksjalnych jest doskonała, co wymaga niezwykle bogatego doświadczenia w konserwacji i użytkowaniu sprzętu.

Wraz z ciągłym rozwojem branży te trzy typy sprzętu będą iteracyjnie optymalizowane i unowocześniane pod względem struktury, a konfiguracja sprzętu będzie coraz doskonalsza, odgrywając ważną rolę w dopasowywaniu specyfikacji płytek epitaksjalnych o różnych grubościach i wymagania dotyczące wad.