Technische Herausforderungen in Siliziumkarbid-Kristallwachstumsöfen

Kristallwachstumsöfen aus Siliziumkarbid (SiC) sind der Grundstein vonSiC-WaferProduktion. SiC-Öfen weisen zwar Ähnlichkeiten mit herkömmlichen Siliziumkristall-Züchtungsöfen auf, stehen jedoch aufgrund der extremen Wachstumsbedingungen des Materials und der komplexen Defektbildungsmechanismen vor besonderen Herausforderungen. Diese Herausforderungen lassen sich grob in zwei Bereiche einteilen: Kristallwachstum und epitaktisches Wachstum.

Herausforderungen beim Kristallwachstum:

Das Wachstum von SiC-Kristallen erfordert eine präzise Kontrolle einer geschlossenen Umgebung mit hohen Temperaturen, was die Überwachung und Prozesssteuerung außerordentlich schwierig macht. Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:

(1) Wärmefeldkontrolle: Die Aufrechterhaltung eines stabilen und gleichmäßigen Temperaturprofils innerhalb der versiegelten Hochtemperaturkammer ist von entscheidender Bedeutung, aber auch äußerst anspruchsvoll. Im Gegensatz zu den kontrollierbaren Schmelzwachstumsprozessen, die für Silizium verwendet werden, erfolgt das Kristallwachstum von SiC über 2.000 °C, was eine Überwachung und Anpassung in Echtzeit nahezu unmöglich macht. Um die gewünschten Kristalleigenschaften zu erreichen, ist eine präzise Temperaturkontrolle von entscheidender Bedeutung.

(2) Polytyp- und Defektkontrolle: Der Wachstumsprozess ist sehr anfällig für Defekte wie Mikropipes (MPs), Polytyp-Einschlüsse und Versetzungen, die sich jeweils auf die Kristallqualität auswirken. MPs, die Defekte mit einer Größe von mehreren Mikrometern durchdringen, wirken sich besonders nachteilig auf die Geräteleistung aus. SiC gibt es in über 200 Polytypen, wobei nur die 4H-Struktur für Halbleiteranwendungen geeignet ist. Die Kontrolle von Stöchiometrie, Temperaturgradienten, Wachstumsrate und Gasströmungsdynamik ist wichtig, um polytypische Einschlüsse zu minimieren. Darüber hinaus können Wärmegradienten innerhalb der Wachstumskammer native Spannungen induzieren, die zu verschiedenen Versetzungen (Basalebenenversetzungen (BPDs), Gewindeschraubenversetzungen (TSDs), Gewindekantenversetzungen (TEDs)) führen, die sich auf die nachfolgende Epitaxie und die Geräteleistung auswirken.

(3) Verunreinigungskontrolle: Das Erreichen präziser Dotierungsprofile erfordert eine sorgfältige Kontrolle externer Verunreinigungen. Jede unbeabsichtigte Kontamination kann die elektrischen Eigenschaften des endgültigen Kristalls erheblich verändern.

(4) Langsame Wachstumsrate: Das Wachstum von SiC-Kristallen ist im Vergleich zu Silizium von Natur aus langsam. Während ein Siliziumbarren in 3 Tagen gezüchtet werden kann, benötigt SiC 7 Tage oder mehr, was sich erheblich auf die Produktionseffizienz und den Output auswirkt.

Herausforderungen beim epitaktischen Wachstum:

Das epitaktische Wachstum von SiC, das für die Bildung von Bauelementstrukturen von entscheidender Bedeutung ist, erfordert eine noch strengere Kontrolle der Prozessparameter:

Hochpräzise Steuerung:Die Dichtigkeit der Kammer, die Druckstabilität, der präzise Zeitpunkt und die Zusammensetzung der Gaszufuhr sowie eine strikte Temperaturkontrolle sind entscheidend für die Erzielung der gewünschten Eigenschaften der Epitaxieschicht. Diese Anforderungen werden mit zunehmenden Anforderungen an die Gerätespannung noch strenger.

Gleichmäßigkeit und Fehlerdichte:Die Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen spezifischen Widerstands und einer niedrigen Defektdichte in dickeren Epitaxieschichten stellt eine große Herausforderung dar.

Fortschrittliche Steuerungssysteme:Ausgefeilte elektromechanische Steuerungssysteme mit hochpräzisen Sensoren und Aktoren sind für eine genaue und stabile Parameterregelung von entscheidender Bedeutung. Um die Komplexität des epitaktischen SiC-Wachstums zu bewältigen, sind fortschrittliche Steuerungsalgorithmen mit der Fähigkeit zur Anpassung in Echtzeit auf der Grundlage von Prozessrückmeldungen unerlässlich.

Die Überwindung dieser technischen Hürden ist entscheidend, um das volle Potenzial der SiC-Technologie auszuschöpfen. Kontinuierliche Fortschritte bei der Ofenkonstruktion, Prozesssteuerung und In-situ-Überwachungstechniken sind von entscheidender Bedeutung, um die weitverbreitete Einführung dieses vielversprechenden Materials in der Hochleistungselektronik voranzutreiben.**