Os substratos de carboneto de silício (SiC) são inerentemente defeituosos e não podem ser processados ​​diretamente. Eles exigem o crescimento de filmes finos específicos de cristal único através de um processo epitaxial para produzir wafers de chip. Esta camada de filme fino é conhecida como camada epitaxial. Quase todos os dispositivos de SiC são fabricados em materiais epitaxiais, e a qualidade do material homoepitaxial de SiC é fundamental para o desenvolvimento de dispositivos de SiC. O desempenho do material epitaxial determina diretamente o desempenho alcançável dos dispositivos SiC.

Para dispositivos SiC de alta corrente e alta confiabilidade, os materiais epitaxiais devem atender a requisitos mais rigorosos em relação à morfologia da superfície, densidade do defeito, uniformidade de dopagem e uniformidade de espessura. Tamanho grande, baixa densidade de defeitos e alta uniformidade da epitaxia de SiC tornaram-se desafios importantes para o crescimento da indústria de SiC.

Alcançando alta qualidadeEpitaxia de SiCdepende de processos e equipamentos avançados. O método mais comumente utilizado para o crescimento epitaxial de SiC é a Deposição Química de Vapor (CVD), uma técnica que permite o controle preciso da espessura do filme, concentração de dopagem, defeitos mínimos, taxas de crescimento moderadas e controle automatizado do processo. O CVD foi comercializado com sucesso e tornou-se uma tecnologia confiável para a produção de dispositivos de SiC.

Epitaxia CVD de SiC: Sistemas de parede quente versus parede quente

A epitaxia SiC CVD é geralmente realizada usandoparede quenteouparede quenteSistemas de DCV. Esses sistemas operam em altas temperaturas de crescimento (1500–1700°C) para garantir a continuidade da estrutura cristalina 4H-SiC. Ao longo dos anos, os sistemas CVD foram desenvolvidos com designs de câmaras de reação horizontais ou verticais, dependendo da direção do fluxo de gás que entra em relação à superfície do substrato.

A qualidade dos reatores epitaxiais de SiC é medida por três indicadores principais:

1. Desempenho de crescimento epitaxial: Inclui uniformidade de espessura, uniformidade de dopagem, densidade de defeitos e taxa de crescimento.

2. Desempenho de temperatura: Inclui as taxas de aquecimento/resfriamento, temperatura máxima e uniformidade de temperatura.

3. Custo-benefício: Inclui o preço unitário e a capacidade de produção.

Comparação de três principais reatores de crescimento epitaxial de SiC

Três tipos de reatores epitaxiais de SiC foram implantados comercialmente:CVD horizontal de parede quente,CVD planetário de parede quente, eCVD vertical de parede quase quente. Cada um possui características próprias, tornando-o adequado para aplicações específicas. Abaixo está um resumo de cada tipo:

1. Sistemas CVD horizontais de parede quente:
   Normalmente, este sistema usa um processo de crescimento de wafer único acionado por flutuação de gás, adequado para wafers de grande diâmetro. OLPE Pe1O6sistema da Itália é um modelo representativo. Este sistema pode atingir altas taxas de crescimento, ciclos epitaxiais curtos e excelente consistência entre wafers. Na China, empresas comoJing Sheng Mecânica e Elétrica,CETC 48,Huachuang do Norte, eNASEdesenvolveram sistemas semelhantes.

   Métricas de desempenho(conforme relatado pela LPE):

   • Uniformidade de espessura em wafer ≤ 2%

   • Uniformidade da concentração de dopagem ≤ 5%

   • Densidade de defeito superficial ≤ 1 cm²

   • Área de superfície livre de defeitos (unidade de 2 mm x 2 mm) ≥ 90%

   Em fevereiro de 2023,Jing Sheng Mecânica e Elétricalançou umSistema de epitaxia SiC de wafer duplo de 6 polegadas, superando as limitações dos sistemas de wafer único, permitindo o cultivo de dois wafers por câmara com controle de gás independente para cada camada, reduzindo as diferenças de temperatura para menos de 5°C.

2. Sistemas CVD planetários de parede quente:
   Esses sistemas apresentam um arranjo de base planetária, permitindo o crescimento de múltiplos wafers simultaneamente, melhorando significativamente a eficiência da produção. Um modelo típico é oAixtron AIXG5WWC(8×150mm) eG10-SiCsérie deAixtron(Alemanha).

   Métricas de desempenho(conforme relatado por Aixtron):

   • Desvio de espessura entre wafers ± 2,5%

   • Uniformidade de espessura ≤ 2%

   • Desvio de concentração de dopagem entre wafers ± 5%

   • Uniformidade da concentração de dopagem <2%

   No entanto, este sistema é menos utilizado na China, com dados insuficientes de produção em lote e elevadas barreiras técnicas no controle de temperatura e fluxo. O desenvolvimento interno ainda está na fase de I&D e não foi desenvolvida nenhuma alternativa directa.

3. Sistemas CVD verticais de parede quase quente:
   Esses sistemas utilizam um substrato giratório de alta velocidade com assistência mecânica externa. Eles operam sob pressões de câmara mais baixas, o que reduz a espessura da camada de viscosidade, aumentando assim as taxas de crescimento. A ausência de parede superior na câmara de reação minimiza a deposição de partículas de SiC, melhorando o controle de defeitos. OEPIREVOS6eEPIREVOS8deNuflare(Japão) são modelos representativos.

   Métricas de desempenho(conforme relatado pela Nuflare):

   • Taxa de crescimento acima de 50μm/h

   • Densidade de defeito superficial controlada abaixo de 0,1 cm²

   • Uniformidade de espessura e concentração de dopagem dentro de 1% e 2,6%, respectivamente

   Embora esta tecnologia tenha apresentado excelentes resultados, ainda não foi amplamente adotada na China e o uso em larga escala permanece limitado. Fabricantes nacionais comoXin San DaieJing Sheng Mecânica e Elétricaprojetaram sistemas semelhantes, mas a tecnologia ainda está em avaliação.

Resumo dos tipos de reatores e suas aplicações

Cada uma das três estruturas de reatores tem seus pontos fortes e limitações, atendendo a demandas específicas do mercado:

• CVD horizontal de parede quente: Conhecido por taxas de crescimento rápidas, excelente qualidade e uniformidade. É simples de operar e manter, com processos de produção bem estabelecidos, mas a eficiência pode ser limitada devido à operação de wafer único e à manutenção frequente.

• CVD planetário de parede quente: suporta o crescimento de vários wafers em uma única câmara, aumentando a eficiência da produção, mas o controle de uniformidade em vários wafers continua sendo um desafio, afetando o rendimento geral.

• CVD vertical de parede quase quente: Apresenta excelente controle de defeitos e altas taxas de crescimento, mas sua estrutura complexa requer manutenção avançada e conhecimento operacional, limitando sua ampla adoção.

Concluindo, cada tipo de reator desempenha um papel importante nas diferentes etapas da produção de dispositivos de SiC, com escolhas influenciadas por fatores como escala de produção, custo e requisitos específicos de desempenho. À medida que a indústria de SiC evolui, os avanços na tecnologia epitaxial continuarão a moldar o futuro dos dispositivos de SiC de alto desempenho.