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杏彩体育竞彩:中科院博士分享:电阻法制备8英寸SiC晶体的关键技

时间:2024-02-25 10:13:53点击次数: 来源:杏彩体育官网app下载安装苹果 作者:杏彩体育赞助

  作为第三代半导体材料,碳化硅正成为行业研究的热点,其具有带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射等特点,适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。但在生产上仍面临晶体生长良率低、重复性差、规模化量产困难等诸多难题。

  6月26日晚,我们特别邀请了优晶光电研发负责人陈建明博士做客小饭局,以“第三代半导体东风在即,电阻法能否突破8英寸SiC量产难题?”为主题,与大家共同探讨电阻法碳化硅晶体制备与关键技术。小饭桌就部分精彩内容做了不修改原意的整理,以飨读者:

  半绝缘型碳化硅衬底主要应用在5G基站、雷达等领域;导电型碳化硅衬底主要应用在新能源汽车(主逆变器等)、充电桩、电源等方面。

  在衬底制备环节中,晶体生长又是最困难的步骤。晶体生长质量与热场结构的合理性、设备总体稳定性、籽晶处理良率、晶体生长工艺等密切相关。

  SiC单晶生长方法有物理气相传输法(PVT法) 、液相法(LPE法)、高温化学气相沉积法(HTCVD法)等。其中PVT法技术成熟度最高,也是目前碳化硅产业化普遍采用的方法。

  感应加热法是目前国内外生长SiC晶体的主流工艺,其原理是使石墨坩埚产生涡流发热,给包括坩埚在内的整个热场加热,坩埚是温度最高的部件。

  电阻加热法是未来生长大尺寸SiC晶体的主流工艺,它将石墨发热体通电产生热量,给包括坩埚在内的整个热场加热,石墨发热体是温度最高的部件。

  SiC晶锭的生长条件极其苛刻,需要控制许多工艺参数,如C/Si比、生长速率、温度梯度、气压等,以避免出现诸如晶体堆垛层错、微管、位错包裹体等缺陷。

  碳化硅晶体生长的温度很高,通常在2200℃左右。加热体通过电流产生热量以热辐射的形式传至坩埚外壁,坩埚又分别通过热传导和热辐射的形式将热量传至原料和晶体,坩埚内部的温度梯度控制起来非常困难。

  碳化硅单晶品质跟温场的分布直接相关,温度及温度梯度直接决定了腔室内气体组分的密度和传输方向,并影响SiC的生长形态和生长速率。

  感应法热场结构,通过坩埚外部的感应线圈对内部磁场进行加热,从坩埚特别是坩埚外壁开始发热,坩埚侧部的温度很高,热场径向的温度梯度较大。感应线圈与坩埚之间相隔石英罩、保温层等,距离较远,辐射面积分散,很难精确控制水平方向坩埚表面的发热量。

  电阻法热场结构,单独设置了加热器,加热器距坩埚较近,通过调节加热器可以更加精准地控制坩埚表面的温度。晶体直径越大,径向梯度调节越难,电阻法设备本身的径向梯度较小,更适合生长大尺寸晶体。

  对于8英寸或更大面积的SiC晶体,单个加热器并不能达到加热要求,需要设置多个独立的加热器以满足需求。

  感应法热场结构在添加多个加热线圈时,磁场可能会互相交叉干扰,导致磁场和热量不容易按照设计的目的进行分布,影响加热效果。电阻加热法长晶设备则更容易设计多段独立控制加热系统,满足大尺寸晶体生长需要。

  电阻法热场还具有轴向温梯可控、径向温梯易调、等温线平缓,生长速度快,长晶周期短,晶体生长界面近似平面等优点,这能增加晶体有效利用厚度,降低SiC单晶内部应力,同时增加了晶片加工的良品率。

  8英寸碳化硅量产的最基础条件就是籽晶处理工艺,籽晶处理工艺分为两种,籽晶粘接工艺和籽晶悬挂工艺。

  籽晶粘接工艺籽晶处理工艺复杂、籽晶带来的应力大、固定资产投资大、籽晶处理成本高、边缘多晶相对更容易控制;籽晶悬挂工艺籽晶处理工艺简单,更加可控、籽晶带来的应力小、固定资产投资小、籽晶处理成本低、但是边缘多晶更难控制。

  两种籽晶处理工艺各有优缺点,对于8英寸碳化硅的晶体生长选用哪种工艺还没有定论,关键还是要看晶体生长的良率。

  微观缺陷则有籽晶遗留、硅碳比例、气流稳定性、位错累积与演化导致的六方孔洞、位错,籽晶遗留、硅碳比例(晶体生长前期)问题造成的微管,以及由于硅碳比例、碳粉尘(晶体生长后期)而形成的包裹体等。

  另外,相同重量的前提下,接面的界面,晶体具有更高的材料利用率、更低的内部应力。电阻法更容易获得接面的晶体生长界面。

  解决完以上问题,还可以通过增加装料量、延长晶体生长时间,增加原料的反应比例,调节炉子在晶体生长过程中坩埚的温度梯度等方法增加晶体厚度。在晶体厚度增加的同时,不能大幅增加晶体内部的应力,确保晶体生长后期的内部品质。

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