Silisyum karbür (SiC) alt tabakaları doğası gereği kusurludur ve doğrudan işlenemezler. Yonga yongaları üretmek için epitaksiyel bir işlemle belirli tek kristal ince filmlerin büyütülmesini gerektirirler. Bu ince film katmanına epitaksiyel katman denir. Neredeyse tüm SiC cihazları epitaksiyel malzemeler üzerine üretilir ve SiC homoepitaksiyel malzemenin kalitesi SiC cihazlarının geliştirilmesi için temeldir. Epitaksiyel malzemenin performansı, SiC cihazlarının elde edilebilir performansını doğrudan belirler.

Yüksek akım ve yüksek güvenilirliğe sahip SiC cihazları için, epitaksiyel malzemelerin yüzey morfolojisi, kusur yoğunluğu, doping homojenliği ve kalınlık homojenliği açısından daha katı gereksinimleri karşılaması gerekir. SiC epitaksisinin büyük boyutu, düşük kusur yoğunluğu ve yüksek homojenliği, SiC endüstrisinin büyümesi için önemli zorluklar haline gelmiştir.

Yüksek kaliteli SiC epitaksisi elde etmek gelişmiş süreçlere ve ekipmanlara bağlıdır. SiC epitaksiyel büyüme için en yaygın olarak kullanılan yöntem, film kalınlığının, doping konsantrasyonunun, minimum kusurların, orta büyüme oranlarının ve otomatik proses kontrolünün hassas kontrolünü sağlayan bir teknik olan Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD)'dir. CVD başarıyla ticarileştirilmiş ve SiC cihaz üretimi için güvenilir bir teknoloji haline gelmiştir.

SiC'nin CVD Epitaksisi: Sıcak duvarlı ve Ilık duvarlı Sistemler

SiC CVD epitaksisi genellikle sıcak duvarlı veya ılık duvarlı CVD sistemleri kullanılarak gerçekleştirilir. Bu sistemler, 4H-SiC kristal yapısının sürekliliğini sağlamak için yüksek büyüme sıcaklıklarında (1500–1700°C) çalışır. Yıllar içinde, CVD sistemleri, alt tabaka yüzeyine göre gelen gaz akışının yönüne bağlı olarak yatay veya dikey reaksiyon odası tasarımlarıyla geliştirilmiştir.

SiC epitaksiyel reaktörlerin kalitesi üç ana gösterge ile ölçülür:

1. Epitaksiyel Büyüme Performansı: Kalınlık homojenliği, doping homojenliği, kusur yoğunluğu ve büyüme oranını içerir.

2. Sıcaklık Performansı: Isıtma/soğutma oranlarını, maksimum sıcaklığı ve sıcaklık homojenliğini içerir.

3. Maliyet etkinliği: Birim fiyatı ve üretim kapasitesini içerir.

Üç Ana SiC Epitaksiyel Büyüme Reaktörünün Karşılaştırılması

Üç tür SiC epitaksiyel reaktör ticari olarak kullanıma sunulmuştur: Sıcak duvarlı Yatay CVD, Ilık duvarlı Gezegen CVD ve Yakın sıcak duvarlı Dikey CVD. Her birinin kendine özgü özellikleri vardır ve bu da onu belirli uygulamalar için uygun hale getirir. Aşağıda her bir türün özeti bulunmaktadır:

1. Sıcak duvarlı Yatay CVD Sistemleri:
   Tipik olarak, bu sistem gazla yüzen tek yonga büyüme prosesi kullanır ve büyük çaplı yongalar için uygundur. İtalya'dan LPE Pe1O6 sistemi temsilci bir modeldir. Bu sistem, yüksek büyüme oranları, kısa epitaksiyel döngüler ve yongalar arasında mükemmel tutarlılık sağlayabilir. Çin'de Jing Sheng Mechanical & Electrical, CETC 48, North Huachuang ve NASE gibi şirketler benzer sistemler geliştirmiştir.

   Performans Ölçümleri (LPE tarafından bildirildiği gibi):

   • Yonga genelinde kalınlık homojenliği ≤ %2

   • Doping konsantrasyonu homojenliği ≤ %5

   • Yüzey kusur yoğunluğu ≤ 1 cm²

   • Kusursuz yüzey alanı (2mm x 2mm birim) ≥ %90

   Şubat 2023'te, Jing Sheng Mechanical & Electrical, tek yonga sistemlerinin sınırlamalarını aşarak, her katman için bağımsız gaz kontrolü ile odada iki yonganın büyütülmesini sağlayarak, sıcaklık farklılıklarını 5°C'nin altına düşüren bir 6 inç çift yongalı SiC epitaksi sistemi piyasaya sürdü.

2. Ilık duvarlı Gezegen CVD Sistemleri:
   Bu sistemler, çok sayıda yonganın aynı anda büyümesini sağlayarak üretim verimliliğini önemli ölçüde artıran bir gezegensel taban düzenine sahiptir. Tipik bir model, Aixtron AIXG5WWC (8×150mm) ve Aixtron (Almanya) tarafından üretilen G10-SiC serisidir.

   Performans Ölçümleri (Aixtron tarafından bildirildiği gibi):

   • Yongalar arasındaki kalınlık sapması ± %2,5

   • Kalınlık homojenliği ≤ %2

   • Yongalar arasındaki doping konsantrasyonu sapması ± %5

   • Doping konsantrasyonu homojenliği < %2

   Ancak, bu sistem Çin'de daha az yaygın olarak kullanılmaktadır, yetersiz toplu üretim verilerine ve sıcaklık ve akış kontrolünde yüksek teknik engellere sahiptir. Yurtiçi geliştirme hala Ar-Ge aşamasındadır ve doğrudan bir alternatif geliştirilmemiştir.

3. Yakın sıcak duvarlı Dikey CVD Sistemleri:
   Bu sistemler, harici mekanik yardımla yüksek hızlı dönen bir alt tabaka kullanır. Daha düşük oda basınçlarında çalışırlar, bu da viskozite katman kalınlığını azaltır ve böylece büyüme oranlarını artırır. Reaksiyon odasında üst duvarın olmaması, SiC partikül birikimini en aza indirerek kusur kontrolünü iyileştirir. Nuflare ve EPIREVOS6 ve EPIREVOS8 temsilci modellerdir.

   Performans Ölçümleri (Nuflare tarafından bildirildiği gibi):

   • 50μm/s'nin üzerinde büyüme oranı

   • Yüzey kusur yoğunluğu 0,1 cm²'nin altında kontrol edilir

   • Sırasıyla %1 ve %2,6 içinde kalınlık ve doping konsantrasyonu homojenliği

   Bu teknoloji mükemmel sonuçlar göstermesine rağmen, henüz Çin'de yaygın olarak benimsenmemiştir ve büyük ölçekli kullanım sınırlı kalmaktadır. Xin San Dai ve Jing Sheng Mechanical & Electrical gibi yerli üreticiler benzer sistemler tasarlamışlardır, ancak teknoloji hala değerlendirme aşamasındadır.

Reaktör Tiplerinin ve Uygulamalarının Özeti

Üç reaktör yapısının her birinin kendine özgü güçlü ve zayıf yönleri vardır ve belirli pazar taleplerine hizmet eder:

• Sıcak duvarlı Yatay CVD: Hızlı büyüme oranları, mükemmel kalite ve homojenlik ile bilinir. Kullanımı ve bakımı basittir, iyi kurulmuş üretim süreçlerine sahiptir, ancak tek yonga operasyonu ve sık bakım nedeniyle verimlilik sınırlı olabilir.

• Ilık duvarlı Gezegen CVD: Tek bir odada çoklu yonga büyümesini destekler, üretim verimliliğini artırır, ancak çoklu yongalar arasında homojenlik kontrolü hala bir zorluktur ve genel verimi etkiler.

• Yakın sıcak duvarlı Dikey CVD: Mükemmel kusur kontrolü ve yüksek büyüme oranlarına sahiptir, ancak karmaşık yapısı gelişmiş bakım ve operasyonel uzmanlık gerektirir, bu da yaygın olarak benimsenmesini sınırlar.

Sonuç olarak, her reaktör tipi, SiC cihaz üretiminin farklı aşamalarında önemli bir rol oynar ve seçimler, üretim ölçeği, maliyet ve belirli performans gereksinimleri gibi faktörlerden etkilenir. SiC endüstrisi geliştikçe, epitaksiyel teknolojideki gelişmeler, yüksek performanslı SiC cihazlarının geleceğini şekillendirmeye devam edecektir.