I substrati di carburo di silicio (SiC) sono intrinsecamente difettosi e non possono essere lavorati direttamente. Richiedono la crescita di specifici film sottili monocristallini attraverso un processo epitassiale per produrre wafer di chip. Questo strato di pellicola sottile è noto come strato epitassiale. Quasi tutti i dispositivi SiC sono fabbricati su materiali epitassiali e la qualità del materiale omoepitassiale SiC è fondamentale per lo sviluppo dei dispositivi SiC. Le prestazioni del materiale epitassiale determinano direttamente le prestazioni ottenibili dai dispositivi SiC.

Per i dispositivi SiC ad alta corrente e alta affidabilità, i materiali epitassiali devono soddisfare requisiti più rigorosi riguardanti la morfologia superficiale, la densità dei difetti, l'uniformità del drogaggio e l'uniformità dello spessore. Grandi dimensioni, bassa densità di difetti ed elevata uniformità dell’epitassia del SiC sono diventate sfide chiave per la crescita dell’industria del SiC.

Raggiungere l'alta qualitàEpitassia del SiCsi affida a processi e attrezzature avanzati. Il metodo più comunemente utilizzato per la crescita epitassiale del SiC è la deposizione chimica da fase vapore (CVD), una tecnica che consente un controllo preciso dello spessore del film, della concentrazione del drogante, dei difetti minimi, dei tassi di crescita moderati e del controllo automatizzato del processo. La CVD è stata commercializzata con successo ed è diventata una tecnologia affidabile per la produzione di dispositivi SiC.

Epitassia CVD del SiC: sistemi a pareti calde vs sistemi a pareti calde

L'epitassia CVD SiC viene generalmente eseguita utilizzandoparete caldaOmuro caldoSistemi CVD. Questi sistemi operano a temperature di crescita elevate (1500–1700°C) per garantire la continuità della struttura cristallina 4H-SiC. Nel corso degli anni, sono stati sviluppati sistemi CVD con camere di reazione orizzontali o verticali, a seconda della direzione del flusso di gas in ingresso rispetto alla superficie del substrato.

La qualità dei reattori epitassiali SiC è misurata da tre indicatori principali:

1. Prestazioni di crescita epitassiale: Include uniformità dello spessore, uniformità del drogaggio, densità dei difetti e tasso di crescita.

2. Prestazioni di temperatura: Include le velocità di riscaldamento/raffreddamento, la temperatura massima e l'uniformità della temperatura.

3. Efficacia in termini di costi: Include il prezzo unitario e la capacità produttiva.

Confronto di tre principali reattori di crescita epitassiale SiC

Tre tipi di reattori epitassiali SiC sono stati utilizzati commercialmente:CVD orizzontale a parete calda,CVD planetaria a parete calda, ECVD verticale vicino alla parete calda. Ognuno ha le sue caratteristiche, che lo rendono adatto ad applicazioni specifiche. Di seguito è riportato un riepilogo di ciascuna tipologia:

1. Sistemi CVD orizzontali a parete calda:
   In genere, questo sistema utilizza un processo di crescita di wafer singolo azionato da gas flottante, adatto per wafer di grande diametro. ILLPE Pe1O6sistema italiano è un modello rappresentativo. Questo sistema può raggiungere tassi di crescita elevati, cicli epitassiali brevi ed eccellente coerenza tra i wafer. In Cina, alle aziende piaceJing Sheng Meccanico ed elettrico,CETC 48,Nord Huachuang, ENASOhanno sviluppato sistemi simili.

   Metriche delle prestazioni(come riportato da LPE):

   • Uniformità dello spessore sul wafer ≤ 2%

   • Uniformità della concentrazione del drogaggio ≤ 5%

   • Densità dei difetti superficiali ≤ 1 cm²

   • Superficie priva di difetti (unità 2 mm x 2 mm) ≥ 90%

   Nel febbraio 2023,Jing Sheng Meccanico ed elettricolanciato aSistema epitassia SiC a doppio wafer da 6 pollici, superando i limiti dei sistemi a wafer singolo consentendo la crescita di due wafer per camera con controllo del gas indipendente per ogni strato, riducendo le differenze di temperatura a meno di 5°C.

2. Sistemi CVD planetari a pareti calde:
   Questi sistemi presentano una disposizione di base planetaria, che consente la crescita di più wafer contemporaneamente, migliorando significativamente l'efficienza produttiva. Un modello tipico è ilAixtron AIXG5WWC(8×150 mm) eG10-SiCserie daAixtron(Germania).

   Metriche delle prestazioni(come riportato da Aixtron):

   • Deviazione dello spessore tra i wafer ± 2,5%

   • Uniformità dello spessore ≤ 2%

   • Deviazione della concentrazione di drogaggio tra wafer ± 5%

   • Uniformità della concentrazione del drogaggio < 2%

   Tuttavia, questo sistema è meno comunemente utilizzato in Cina, a causa dei dati insufficienti sulla produzione in lotti e delle elevate barriere tecniche nel controllo della temperatura e del flusso. Lo sviluppo interno è ancora nella fase di ricerca e sviluppo e non è stata sviluppata alcuna alternativa diretta.

3. Sistemi CVD verticali a parete quasi calda:
   Questi sistemi utilizzano un substrato rotante ad alta velocità con assistenza meccanica esterna. Operano a pressioni della camera più basse, il che riduce lo spessore dello strato di viscosità, aumentando così i tassi di crescita. L'assenza di una parete superiore nella camera di reazione riduce al minimo la deposizione di particelle di SiC, migliorando il controllo dei difetti. ILEPIREVOS6EEPIREVOS8daNuflarare(Giappone) sono modelli rappresentativi.

   Metriche delle prestazioni(come riportato da Nuflare):

   • Tasso di crescita superiore a 50μm/h

   • Densità dei difetti superficiali controllata inferiore a 0,1 cm²

   • Uniformità dello spessore e della concentrazione del drogante rispettivamente entro l'1% e il 2,6%.

   Sebbene questa tecnologia abbia mostrato risultati eccellenti, non è stata ancora adottata su larga scala in Cina e l’uso su larga scala rimane limitato. Produttori nazionali comeXin San DaiEJing Sheng Meccanico ed elettricohanno progettato sistemi simili, ma la tecnologia è ancora in fase di valutazione.

Riepilogo dei tipi di reattori e delle loro applicazioni

Ciascuna delle tre strutture del reattore ha i propri punti di forza e i propri limiti, soddisfacendo specifiche richieste di mercato:

• CVD orizzontale a parete calda: Noto per tassi di crescita rapidi, qualità eccellente e uniformità. È semplice da utilizzare e manutenere, con processi di produzione consolidati, ma l'efficienza può essere limitata a causa del funzionamento di un singolo wafer e della frequente manutenzione.

• CVD planetaria a parete calda: Supporta la crescita di più wafer in un'unica camera, aumentando l'efficienza produttiva, ma il controllo dell'uniformità su più wafer rimane una sfida, in quanto influisce sulla resa complessiva.

• CVD verticale vicino alla parete calda: Presenta un eccellente controllo dei difetti e tassi di crescita elevati, ma la sua struttura complessa richiede competenze operative e di manutenzione avanzate, limitandone l'adozione diffusa.

In conclusione, ciascun tipo di reattore svolge un ruolo importante nelle diverse fasi di produzione dei dispositivi SiC, con scelte influenzate da fattori quali scala di produzione, costi e requisiti prestazionali specifici. Con l’evoluzione del settore SiC, i progressi nella tecnologia epitassiale continueranno a plasmare il futuro dei dispositivi SiC ad alte prestazioni.