Ključna vloga substratov SiC in rasti kristalov v industriji polprevodnikov

Znotraj industrijske verige silicijevega karbida (SiC) imajo dobavitelji substratov velik vpliv, predvsem zaradi distribucije vrednosti.SiC substrati predstavljajo 47 % celotne vrednosti, sledijo epitaksialne plasti s 23 %., medtem ko načrtovanje in proizvodnja naprav predstavljata preostalih 30 %. Ta obrnjena vrednostna veriga izhaja iz visokih tehnoloških ovir, ki so neločljivo povezane s proizvodnjo substrata in epitaksialne plasti.

Trije glavni izzivi ovirajo rast substrata SiC:strogi pogoji rasti, počasne stopnje rasti in zahtevne kristalografske zahteve. Te zapletenosti prispevajo k povečanim težavam pri obdelavi, kar na koncu povzroči nizke donose izdelkov in visoke stroške. Poleg tega sta debelina epitaksialne plasti in koncentracija dopinga kritična parametra, ki neposredno vplivata na končno zmogljivost naprave.

Postopek izdelave substrata SiC:

Sinteza surovin:Silicij in karbonski prah visoke čistosti se natančno zmešata po posebnem receptu. Ta mešanica je podvržena visokotemperaturni reakciji (nad 2000 °C), da se sintetizirajo delci SiC z nadzorovano kristalno strukturo in velikostjo delcev. Naknadni postopki drobljenja, sejanja in čiščenja dajejo SiC prah visoke čistosti, primeren za rast kristalov.

Kristalna rast:Kot najbolj kritičen korak pri izdelavi substrata SiC rast kristala narekuje električne lastnosti substrata. Trenutno prevladuje metoda fizičnega prenosa pare (PVT) pri komercialni rasti kristalov SiC. Alternativi sta visokotemperaturno kemično naparjanje (HT-CVD) in tekočefazna epitaksija (LPE), čeprav je njuna komercialna uporaba še vedno omejena.

Obdelava kristalov:Ta stopnja vključuje preoblikovanje SiC kroglic v polirane rezine skozi vrsto natančnih korakov: obdelava ingota, rezanje rezin, brušenje, poliranje in čiščenje. Vsak korak zahteva visoko natančno opremo in strokovno znanje, kar na koncu zagotavlja kakovost in zmogljivost končnega substrata SiC.

1. Tehnični izzivi pri rasti kristalov SiC:

Rast kristalov SiC se sooča z več tehničnimi ovirami:

Visoke temperature rasti:Te temperature, ki presegajo 2300 °C, zahtevajo strog nadzor nad temperaturo in tlakom v peči za rast.

Nadzor politipizma:SiC ima več kot 250 politipov, pri čemer je 4H-SiC najbolj zaželen za elektronske aplikacije. Doseganje tega specifičnega politipa zahteva natančen nadzor nad razmerjem med silicijem in ogljikom, temperaturnimi gradienti in dinamiko pretoka plina med rastjo.

Počasna stopnja rasti:PVT, čeprav je komercialno uveljavljen, ima počasne stopnje rasti približno 0,3-0,5 mm/h. Gojenje 2 cm kristala traja približno 7 dni, pri čemer je največja dosegljiva dolžina kristala omejena na 3-5 cm. To je v ostrem nasprotju z rastjo silicijevih kristalov, kjer kroglice dosežejo 2-3 m višine v 72 urah, s premeri 6-8 palcev in celo 12 palcev v novih objektih. To odstopanje omejuje premer ingotov SiC, običajno v razponu od 4 do 6 palcev.

Medtem ko fizični prenos pare (PVT) prevladuje pri komercialni rasti kristalov SiC, ponujajo alternativne metode, kot sta visokotemperaturno kemično nanašanje pare (HT-CVD) in epitaksija v tekoči fazi (LPE), izrazite prednosti. Vendar pa je premagovanje njihovih omejitev ter povečanje stopnje rasti in kakovosti kristalov ključnega pomena za širšo uporabo SiC industrije.

Tukaj je primerjalni pregled teh tehnik rasti kristalov:

(1) Fizični prenos hlapov (PVT):

Načelo: za rast kristalov SiC uporablja mehanizem "sublimacija-transport-rekristalizacija".

Postopek: prah ogljika in silicija visoke čistosti se meša v natančnih razmerjih. Prah SiC in zarodni kristal sta postavljena na dno oziroma na vrh lončka znotraj rastne peči. Temperature, ki presegajo 2000 °C, ustvarijo temperaturni gradient, zaradi česar prah SiC sublimira in rekristalizira na zarodnem kristalu, pri čemer nastane bula.

Pomanjkljivosti: Počasne stopnje rasti (približno 2 cm v 7 dneh), dovzetnost za parazitske reakcije, ki vodijo do večje gostote napak v gojenem kristalu.

(2) Visokotemperaturno kemično naparjanje (HT-CVD):

Princip: Pri temperaturah med 2000–2500 °C se v reakcijsko komoro vnesejo predhodni plini visoke čistosti, kot so silan, etan ali propan, in vodik. Ti plini se razgradijo v visokotemperaturnem območju in tvorijo plinaste prekurzorje SiC, ki se nato odložijo in kristalizirajo na zarodni kristal v nižjetemperaturnem območju.

Prednosti: Omogoča kontinuirano rast kristalov, uporablja plinaste prekurzorje visoke čistosti, kar ima za posledico kristale SiC višje čistosti z manj napakami.

Pomanjkljivosti: Počasne stopnje rasti (približno 0,4-0,5 mm/h), visoki stroški opreme in obratovalni stroški, dovzetnost za zamašitev vstopnih in izstopnih odprtin za plin.

(3) Epitaksija v tekoči fazi (LPE):

(Čeprav ni vključen v vaš izvleček, dodajam kratek pregled LPE zaradi popolnosti.)

Načelo: uporablja mehanizem "raztapljanje-obarjanje". Pri temperaturah od 1400 do 1800 °C se ogljik raztopi v talini silicija visoke čistosti. Kristali SiC se oborijo iz prenasičene raztopine, ko se ohladi.

Prednosti: Nižje temperature rasti zmanjšajo toplotne napetosti med ohlajanjem, kar povzroči manjšo gostoto napak in višjo kakovost kristalov. Ponuja bistveno hitrejše stopnje rasti v primerjavi s PVT.

Pomanjkljivosti: Nagnjenost k onesnaženju s kovino iz lončka, omejena v dosegljivih velikostih kristalov, predvsem omejena na rast v laboratoriju.

Vsaka metoda ima edinstvene prednosti in omejitve. Izbira optimalne tehnike rasti je odvisna od specifičnih aplikacijskih zahtev, stroškov in želenih lastnosti kristala.

2. Izzivi in ​​rešitve pri obdelavi kristalov SiC:

Rezanje oblatov:Zaradi trdote, krhkosti in odpornosti proti obrabi je rezanje zahtevno. Tradicionalno žaganje z diamantno žico je dolgotrajno, potratno in drago. Rešitve vključujejo tehnike laserskega rezanja in hladnega cepljenja za izboljšanje učinkovitosti rezanja in izkoristka rezin.

Redčenje rezin:Zaradi nizke lomne žilavosti SiC je nagnjen k pokanju med tanjšanjem, kar ovira enakomerno zmanjšanje debeline. Trenutne tehnike temeljijo na rotacijskem brušenju, ki trpi zaradi obrabe koluta in poškodb površine. Raziskujejo se napredne metode, kot sta brušenje s pomočjo ultrazvočnih vibracij in elektrokemično mehansko poliranje, da bi povečali stopnje odstranjevanja materiala in zmanjšali površinske napake.

3. Obeti za prihodnost:

Optimiziranje rasti kristalov SiC in obdelave rezin je ključnega pomena za široko sprejetje SiC. Prihodnje raziskave se bodo osredotočile na povečanje stopnje rasti, izboljšanje kakovosti kristalov in izboljšanje učinkovitosti obdelave rezin, da bi sprostili polni potencial tega obetavnega polprevodniškega materiala.**