Podłoża z węglika krzemu (SiC) są z natury wadliwe i nie mogą być przetwarzane bezpośrednio. Wymagają one wzrostu specyficznych, cienkich warstw monokrystalicznych w procesie epitaksji w celu wytworzenia płytek chipowych. Ta warstwa cienkiej warstwy jest znana jako warstwa epitaksjalna. Prawie wszystkie urządzenia SiC są wytwarzane na materiałach epitaksjalnych, a jakość materiału homoepitaksjalnego SiC ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju urządzeń SiC. Wydajność materiału epitaksjalnego bezpośrednio determinuje osiągalną wydajność urządzeń SiC.

W przypadku urządzeń SiC o wysokim prądzie i wysokiej niezawodności, materiały epitaksjalne muszą spełniać bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące morfologii powierzchni, gęstości defektów, jednorodności domieszkowania i jednorodności grubości. Duży rozmiar, niska gęstość defektów i wysoka jednorodność epitaksji SiC stały się kluczowymi wyzwaniami dla rozwoju przemysłu SiC.

Osiągnięcie wysokiej jakości epitaksji SiC zależy od zaawansowanych procesów i sprzętu. Najczęściej stosowaną metodą wzrostu epitaksjalnego SiC jest Chemical Vapor Deposition (CVD), technika, która pozwala na precyzyjną kontrolę grubości warstwy, stężenia domieszkowania, minimalnych defektów, umiarkowanych szybkości wzrostu i zautomatyzowanej kontroli procesu. CVD zostało z powodzeniem skomercjalizowane i stało się niezawodną technologią produkcji urządzeń SiC.

CVD Epitaksja SiC: Systemy gorąca ściana vs. ciepła ściana

Epitaksja CVD SiC jest generalnie wykonywana przy użyciu systemów gorąca ściana lub ciepła ściana CVD. Systemy te działają w wysokich temperaturach wzrostu (1500–1700°C), aby zapewnić ciągłość struktury krystalicznej 4H-SiC. Z biegiem lat opracowano systemy CVD z poziomymi lub pionowymi konstrukcjami komór reakcyjnych, w zależności od kierunku napływu gazu w stosunku do powierzchni podłoża.

Jakość reaktorów epitaksjalnych SiC mierzy się za pomocą trzech głównych wskaźników:

1. Wydajność wzrostu epitaksjalnego: Obejmuje jednorodność grubości, jednorodność domieszkowania, gęstość defektów i szybkość wzrostu.

2. Wydajność temperaturowa: Obejmuje szybkość nagrzewania/chłodzenia, maksymalną temperaturę i jednorodność temperatury.

3. Opłacalność: Obejmuje cenę jednostkową i zdolność produkcyjną.

Porównanie trzech głównych reaktorów wzrostu epitaksjalnego SiC

Trzy typy reaktorów epitaksjalnych SiC zostały skomercjalizowane: Poziome CVD z gorącą ścianą, Planetarne CVD z ciepłą ścianą i Pionowe CVD z prawie gorącą ścianą. Każdy z nich ma swoje własne cechy, dzięki czemu nadaje się do określonych zastosowań. Poniżej znajduje się podsumowanie każdego typu:

1. Poziome systemy CVD z gorącą ścianą:
   Zazwyczaj system ten wykorzystuje proces wzrostu pojedynczej płytki napędzany gazem, odpowiedni dla płytek o dużej średnicy. System LPE Pe1O6 z Włoch jest modelem reprezentatywnym. System ten może osiągnąć wysokie szybkości wzrostu, krótkie cykle epitaksjalne i doskonałą spójność na płytkach. W Chinach firmy takie jak Jing Sheng Mechanical & Electrical, CETC 48, North Huachuang i NASE opracowały podobne systemy.

   Wskaźniki wydajności (zgłoszone przez LPE):

   • Jednorodność grubości na płytce ≤ 2%

   • Jednorodność stężenia domieszkowania ≤ 5%

   • Gęstość defektów powierzchniowych ≤ 1 cm²

   • Obszar powierzchni wolny od defektów (jednostka 2 mm x 2 mm) ≥ 90%

   W lutym 2023 r. Jing Sheng Mechanical & Electrical uruchomiło 6-calowy system epitaksji SiC z podwójną płytką, pokonując ograniczenia systemów z pojedynczą płytką, umożliwiając wzrost dwóch płytek na komorę z niezależną kontrolą gazu dla każdej warstwy, redukując różnice temperatur do poniżej 5°C.

2. Planetarne systemy CVD z ciepłą ścianą:
   Systemy te charakteryzują się planetarnym układem podstawy, umożliwiając jednoczesny wzrost wielu płytek, co znacznie poprawia wydajność produkcji. Typowym modelem jest Aixtron AIXG5WWC (8×150 mm) i seria G10-SiC firmy Aixtron (Niemcy).

   Wskaźniki wydajności (zgłoszone przez Aixtron):

   • Odchylenie grubości między płytkami ± 2,5%

   • Jednorodność grubości ≤ 2%

   • Odchylenie stężenia domieszkowania między płytkami ± 5%

   • Jednorodność stężenia domieszkowania < 2%

   Jednak system ten jest rzadziej używany w Chinach, z niewystarczającymi danymi z produkcji seryjnej i wysokimi barierami technicznymi w zakresie kontroli temperatury i przepływu. Rozwój krajowy jest wciąż na etapie badań i rozwoju i nie opracowano bezpośredniej alternatywy.

3. Pionowe systemy CVD z prawie gorącą ścianą:
   Systemy te wykorzystują szybko obracające się podłoże z zewnętrzną pomocą mechaniczną. Działają one pod niższym ciśnieniem w komorze, co zmniejsza grubość warstwy lepkości, zwiększając tym samym szybkość wzrostu. Brak górnej ściany w komorze reakcyjnej minimalizuje osadzanie się cząstek SiC, poprawiając kontrolę defektów. Modele EPIREVOS6 i EPIREVOS8 firmy Nuflare (Japonia) są modelami reprezentatywnymi.

   Wskaźniki wydajności (zgłoszone przez Nuflare):

   • Szybkość wzrostu powyżej 50μm/h

   • Gęstość defektów powierzchniowych kontrolowana poniżej 0,1 cm²

   • Jednorodność grubości i stężenia domieszkowania odpowiednio w granicach 1% i 2,6%

   Chociaż technologia ta wykazała doskonałe wyniki, nie została jeszcze szeroko przyjęta w Chinach, a jej stosowanie na dużą skalę pozostaje ograniczone. Producenci krajowi, tacy jak Xin San Dai i Jing Sheng Mechanical & Electrical zaprojektowali podobne systemy, ale technologia jest wciąż w fazie oceny.

Podsumowanie typów reaktorów i ich zastosowań

Trzy struktury reaktorów mają swoje mocne i słabe strony, służąc określonym wymaganiom rynkowym:

• Poziome CVD z gorącą ścianą: Znane z szybkich szybkości wzrostu, doskonałej jakości i jednorodności. Jest prosty w obsłudze i konserwacji, z dobrze ugruntowanymi procesami produkcyjnymi, ale wydajność może być ograniczona ze względu na działanie z pojedynczą płytką i częstą konserwację.

• Planetarne CVD z ciepłą ścianą: Obsługuje wzrost wielu płytek w jednej komorze, zwiększając wydajność produkcji, ale kontrola jednorodności na wielu płytkach pozostaje wyzwaniem, wpływając na ogólną wydajność.

• Pionowe CVD z prawie gorącą ścianą: Charakteryzuje się doskonałą kontrolą defektów i wysokimi szybkościami wzrostu, ale jego złożona struktura wymaga zaawansowanej konserwacji i wiedzy operacyjnej, ograniczając jego powszechne przyjęcie.

Podsumowując, każdy typ reaktora odgrywa ważną rolę na różnych etapach produkcji urządzeń SiC, a wybory są uzależnione od czynników takich jak skala produkcji, koszty i specyficzne wymagania dotyczące wydajności. Wraz z ewolucją przemysłu SiC, postępy w technologii epitaksji będą nadal kształtować przyszłość wysokowydajnych urządzeń SiC.