Krytyczna rola substratów SiC i wzrostu kryształów w przemyśle półprzewodników

W łańcuchu branżowym węglika krzemu (SiC) dostawcy substratów dysponują znaczną dźwignią, głównie ze względu na dystrybucję wartości.Podłoża SiC stanowią 47% całkowitej wartości, a następnie warstwy epitaksjalne – 23%, natomiast projektowanie i produkcja urządzeń stanowią pozostałe 30%. Ten odwrócony łańcuch wartości wynika z wysokich barier technologicznych nieodłącznie związanych z produkcją podłoża i warstwy epitaksjalnej.

Trzy główne wyzwania nękają rozwój podłoża SiC:rygorystyczne warunki wzrostu, powolne tempo wzrostu i wysokie wymagania krystalograficzne. Te złożoności przyczyniają się do zwiększenia trudności przetwarzania, co ostatecznie skutkuje niską wydajnością produktu i wysokimi kosztami. Co więcej, grubość warstwy epitaksjalnej i stężenie domieszki to krytyczne parametry bezpośrednio wpływające na końcową wydajność urządzenia.

Proces produkcji podłoża SiC:

Synteza surowca:Wysokiej czystości proszki krzemowe i węglowe są starannie mieszane według określonej receptury. Mieszanina ta poddawana jest reakcji wysokotemperaturowej (powyżej 2000°C) w celu syntezy cząstek SiC o kontrolowanej strukturze krystalicznej i wielkości cząstek. Późniejsze procesy kruszenia, przesiewania i czyszczenia dają proszek SiC o wysokiej czystości, odpowiedni do wzrostu kryształów.

Wzrost kryształów:Wzrost kryształów, będący najważniejszym etapem w produkcji podłoża SiC, decyduje o właściwościach elektrycznych podłoża. Obecnie metoda fizycznego transportu pary (PVT) dominuje w komercyjnym wzroście kryształów SiC. Alternatywy obejmują wysokotemperaturowe chemiczne osadzanie z fazy gazowej (HT-CVD) i epitaksję w fazie ciekłej (LPE), chociaż ich komercyjne zastosowanie pozostaje ograniczone.

Przetwarzanie kryształów:Ten etap polega na przekształceniu kulek SiC w polerowane wafle poprzez szereg drobiazgowych etapów: obróbkę wlewków, krojenie wafli, szlifowanie, polerowanie i czyszczenie. Każdy etap wymaga precyzyjnego sprzętu i specjalistycznej wiedzy, co ostatecznie zapewnia jakość i wydajność końcowego podłoża SiC.

1. Wyzwania techniczne związane ze wzrostem kryształów SiC:

Wzrost kryształów SiC napotyka kilka przeszkód technicznych:

Wysokie temperatury wzrostu:Temperatury przekraczające 2300°C wymagają rygorystycznej kontroli zarówno temperatury, jak i ciśnienia w piecu wzrostowym.

Kontrola politypizmu:SiC występuje w ponad 250 politypach, przy czym 4H-SiC jest najbardziej pożądany w zastosowaniach elektronicznych. Osiągnięcie tego specyficznego politypu wymaga precyzyjnej kontroli stosunku krzemu do węgla, gradientów temperatury i dynamiki przepływu gazu podczas wzrostu.

Powolne tempo wzrostu:PVT, choć ma ugruntowaną pozycję komercyjną, charakteryzuje się powolnym tempem wzrostu, wynoszącym około 0,3-0,5 mm/h. Uprawa kryształu o średnicy 2 cm zajmuje około 7 dni, a maksymalna osiągalna długość kryształu jest ograniczona do 3-5 cm. Kontrastuje to wyraźnie ze wzrostem kryształów krzemu, gdzie kule osiągają 2-3 m wysokości w ciągu 72 godzin, a ich średnica sięga 6-8 cali, a w nowych obiektach nawet 12 cali. Ta rozbieżność ogranicza średnicę wlewków SiC, zwykle mieszczącą się w zakresie od 4 do 6 cali.

Podczas gdy fizyczny transport parowy (PVT) dominuje w komercyjnym wzroście kryształów SiC, metody alternatywne, takie jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (HT-CVD) i epitaksja w fazie ciekłej (LPE), oferują wyraźne zalety. Jednak przezwyciężenie ich ograniczeń oraz poprawa tempa wzrostu i jakości kryształów mają kluczowe znaczenie dla szerszego przyjęcia w branży SiC.

Oto przegląd porównawczy tych technik wzrostu kryształów:

(1) Fizyczny transport pary (PVT):

Zasada: Wykorzystuje mechanizm „sublimacji-transportu-rekrystalizacji” do wzrostu kryształów SiC.

Proces: Proszki węgla i krzemu o wysokiej czystości są mieszane w precyzyjnych proporcjach. Proszek SiC i kryształ zaszczepiający umieszcza się odpowiednio na dole i na górze tygla w piecu wzrostowym. Temperatury przekraczające 2000°C tworzą gradient temperatury, powodując sublimację proszku SiC i rekrystalizację na krysztale zaszczepiającym, tworząc kulę.

Wady: Powolne tempo wzrostu (około 2 cm w 7 dni), podatność na reakcje pasożytnicze prowadzące do większej gęstości defektów w wyhodowanym krysztale.

(2) Chemiczne osadzanie z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (HT-CVD):

Zasada: W temperaturach pomiędzy 2000-2500°C do komory reakcyjnej wprowadza się gazy prekursorowe o wysokiej czystości, takie jak silan, etan lub propan, oraz wodór. Gazy te rozkładają się w strefie wysokiej temperatury, tworząc gazowe prekursory SiC, które następnie osadzają się i krystalizują na kryształach zaszczepiających w strefie niższej temperatury.

Zalety: Umożliwia ciągły wzrost kryształów, wykorzystuje prekursory gazowe o wysokiej czystości, co daje kryształy SiC o wyższej czystości i mniejszej liczbie defektów.

Wady: Powolne tempo wzrostu (około 0,4-0,5 mm/h), wysokie koszty sprzętu i eksploatacji, podatność na zatykanie wlotów i wylotów gazu.

(3) Epitaksja w fazie ciekłej (LPE):

(Chociaż nie jest to zawarte w twoim fragmencie, dodaję krótki przegląd LPE dla kompletności.)

Zasada: Wykorzystuje mechanizm „rozpuszczania-wytrącania”. W temperaturach w zakresie 1400-1800°C węgiel rozpuszcza się w stopionym krzemie o wysokiej czystości. Kryształy SiC wytrącają się z przesyconego roztworu podczas jego ochładzania.

Zalety: Niższe temperatury wzrostu zmniejszają naprężenia termiczne podczas chłodzenia, co skutkuje mniejszą gęstością defektów i wyższą jakością kryształów. Oferuje znacznie szybsze tempo wzrostu w porównaniu do PVT.

Wady: Podatność na zanieczyszczenie metalem z tygla, ograniczona osiągalna wielkość kryształów, ograniczająca się głównie do wzrostu na skalę laboratoryjną.

Każda metoda ma unikalne zalety i ograniczenia. Wybór optymalnej techniki wzrostu zależy od konkretnych wymagań aplikacji, względów kosztowych i pożądanych właściwości kryształu.

2. Wyzwania i rozwiązania w zakresie przetwarzania kryształów SiC:

Krojenie wafla:Twardość, kruchość i odporność na ścieranie SiC sprawiają, że krojenie jest wyzwaniem. Tradycyjne cięcie drutem diamentowym jest czasochłonne, marnotrawne i kosztowne. Rozwiązania obejmują techniki cięcia laserowego i dzielenia na zimno w celu poprawy wydajności krojenia i wydajności wafli.

Rozcieńczanie wafli:Niska odporność SiC na pękanie sprawia, że ​​jest on podatny na pękanie podczas rozcieńczania, co utrudnia równomierną redukcję grubości. Obecne techniki opierają się na szlifowaniu rotacyjnym, które jest podatne na zużycie ściernic i uszkodzenia powierzchni. Badane są zaawansowane metody, takie jak szlifowanie wspomagane wibracjami ultradźwiękowymi i elektrochemiczne polerowanie mechaniczne, aby zwiększyć szybkość usuwania materiału i zminimalizować wady powierzchni.

3. Perspektywy na przyszłość:

Optymalizacja wzrostu kryształów SiC i przetwarzania płytek ma kluczowe znaczenie dla powszechnego przyjęcia SiC. Przyszłe badania będą skupiać się na zwiększaniu tempa wzrostu, poprawie jakości kryształów i zwiększeniu wydajności przetwarzania płytek, aby uwolnić pełny potencjał tego obiecującego materiału półprzewodnikowego.**