Подложки из карбида кремния (SiC) по своей природе дефектны и не могут быть обработаны напрямую. Для производства чиповых пластин требуется выращивание специфических тонких пленок методом эпитаксии. Этот слой тонкой пленки известен как эпитаксиальный слой. Почти все SiC-устройства изготавливаются на эпитаксиальных материалах, и качество SiC-гомоэпитаксиального материала имеет основополагающее значение для разработки SiC-устройств. Производительность эпитаксиального материала напрямую определяет достижимую производительность SiC-устройств.

Для SiC-устройств с высоким током и высокой надежностью эпитаксиальные материалы должны соответствовать более строгим требованиям в отношении морфологии поверхности, плотности дефектов, однородности легирования и однородности толщины. Большой размер, низкая плотность дефектов и высокая однородность SiC-эпитаксии стали ключевыми задачами для роста индустрии SiC.

Достижение высокого качества SiC-эпитаксии зависит от передовых процессов и оборудования. Наиболее распространенным методом эпитаксиального роста SiC является химическое осаждение из паровой фазы (CVD), метод, который позволяет точно контролировать толщину пленки, концентрацию легирования, минимальное количество дефектов, умеренные скорости роста и автоматизированный контроль процесса. CVD успешно коммерциализирован и стал надежной технологией для производства SiC-устройств.

CVD-эпитаксия SiC: системы с горячими и теплыми стенками

CVD-эпитаксия SiC обычно выполняется с использованием CVD-систем с горячими или теплыми стенками. Эти системы работают при высоких температурах роста (1500–1700°C) для обеспечения непрерывности кристаллической структуры 4H-SiC. С течением времени были разработаны CVD-системы с горизонтальной или вертикальной конструкцией реакционной камеры, в зависимости от направления потока входящего газа относительно поверхности подложки.

Качество SiC-эпитаксиальных реакторов измеряется тремя основными показателями:

1. Производительность эпитаксиального роста: включает однородность толщины, однородность легирования, плотность дефектов и скорость роста.

2. Температурные характеристики: включает скорость нагрева/охлаждения, максимальную температуру и однородность температуры.

3. Экономическая эффективность: включает цену за единицу продукции и производственную мощность.

Сравнение трех основных SiC-эпитаксиальных реакторов

Коммерчески развернуты три типа SiC-эпитаксиальных реакторов: Горячестенный горизонтальный CVD, Теплостенный планетарный CVD и Почти горячестенный вертикальный CVD. Каждый из них имеет свои характеристики, что делает его подходящим для конкретных применений. Ниже приводится сводка по каждому типу:

1. Горячестенные горизонтальные CVD-системы:
   Как правило, эта система использует процесс роста с одной пластиной, управляемый газом, подходящий для пластин большого диаметра. Система LPE Pe1O6 из Италии является представительной моделью. Эта система может достигать высоких скоростей роста, коротких эпитаксиальных циклов и отличной согласованности по пластинам. В Китае такие компании, как Jing Sheng Mechanical & Electrical, CETC 48, North Huachuang и NASE разработали аналогичные системы.

   Метрики производительности (по данным LPE):

   • Однородность толщины по пластине ≤ 2%

   • Однородность концентрации легирования ≤ 5%

   • Плотность дефектов поверхности ≤ 1 см²

   • Площадь поверхности без дефектов (блок 2 мм x 2 мм) ≥ 90%

   В феврале 2023 года Jing Sheng Mechanical & Electrical запустила 6-дюймовую двухпластинчатую SiC-эпитаксиальную систему, преодолев ограничения однопластинчатых систем, позволяя выращивать две пластины в одной камере с независимым контролем газа для каждого слоя, снижая разницу температур до менее 5°C.

2. Теплостенные планетарные CVD-системы:
   Эти системы оснащены планетарным базовым расположением, позволяющим одновременно выращивать несколько пластин, что значительно повышает эффективность производства. Типичной моделью является Aixtron AIXG5WWC (8×150 мм) и серия G10-SiC от Aixtron (Германия).

   Метрики производительности (по данным Aixtron):

   • Отклонение толщины между пластинами ± 2,5%

   • Однородность толщины ≤ 2%

   • Отклонение концентрации легирования между пластинами ± 5%

   • Однородность концентрации легирования < 2%

   Однако эта система менее распространена в Китае, с недостаточными данными серийного производства и высокими техническими барьерами в контроле температуры и потока. Отечественная разработка все еще находится на стадии НИОКР, и прямая альтернатива не разработана.

3. Почти горячестенные вертикальные CVD-системы:
   Эти системы используют высокоскоростную вращающуюся подложку с внешней механической помощью. Они работают при более низком давлении в камере, что уменьшает толщину вязкого слоя, тем самым увеличивая скорость роста. Отсутствие верхней стенки в реакционной камере минимизирует осаждение частиц SiC, улучшая контроль дефектов. EPIREVOS6 и EPIREVOS8 от Nuflare (Япония) являются представительными моделями.

   Метрики производительности (по данным Nuflare):

   • Скорость роста выше 50 мкм/ч

   • Плотность дефектов поверхности контролируется ниже 0,1 см²

   • Однородность толщины и концентрации легирования в пределах 1% и 2,6% соответственно

   Хотя эта технология показала отличные результаты, она еще не получила широкого распространения в Китае, и крупномасштабное использование остается ограниченным. Отечественные производители, такие как Xin San Dai и Jing Sheng Mechanical & Electrical разработали аналогичные системы, но технология все еще находится на стадии оценки.

Сводка типов реакторов и их применений

Три структуры реакторов имеют свои сильные и слабые стороны, обслуживая конкретные рыночные потребности:

• Горячестенный горизонтальный CVD: Известен быстрыми скоростями роста, отличным качеством и однородностью. Он прост в эксплуатации и обслуживании, с хорошо налаженными производственными процессами, но эффективность может быть ограничена из-за работы с одной пластиной и частого обслуживания.

• Теплостенный планетарный CVD: Поддерживает рост нескольких пластин в одной камере, увеличивая эффективность производства, но контроль однородности по нескольким пластинам остается сложной задачей, влияющей на общую производительность.

• Почти горячестенный вертикальный CVD: Обладает отличным контролем дефектов и высокими скоростями роста, но его сложная структура требует передового обслуживания и опыта эксплуатации, ограничивая его широкое распространение.

В заключение, каждый тип реактора играет важную роль на разных этапах производства SiC-устройств, при этом выбор зависит от таких факторов, как масштаб производства, стоимость и конкретные требования к производительности. По мере развития индустрии SiC достижения в области эпитаксиальной технологии будут продолжать формировать будущее высокопроизводительных SiC-устройств.