A SiC szubsztrátok kritikus szerepe és a kristálynövekedés a félvezetőiparban

A szilícium-karbid (SiC) ipari láncon belül a szubsztrátum-beszállítók jelentős tőkeáttétellel rendelkeznek, elsősorban az értékmegosztás miatt.A teljes érték 47%-át a SiC szubsztrátok teszik ki, ezt követik az epitaxiális rétegek 23%-kal, míg a készülék tervezése és gyártása a maradék 30%-ot teszi ki. Ez a fordított értéklánc a szubsztrátum és az epitaxiális réteg előállításában rejlő magas technológiai akadályokból ered.

3 fő kihívás sújtja a SiC szubsztrát növekedését:szigorú növekedési feltételek, lassú növekedési sebesség és szigorú krisztallográfiai követelmények. Ezek a bonyolultságok hozzájárulnak a megnövekedett feldolgozási nehézségekhez, ami végső soron alacsony termékhozamot és magas költségeket eredményez. Ezenkívül az epitaxiális réteg vastagsága és a doppingkoncentráció olyan kritikus paraméterek, amelyek közvetlenül befolyásolják a készülék végső teljesítményét.

SiC szubsztrát gyártási folyamat:

Nyersanyag szintézis:A nagy tisztaságú szilícium- és szénporokat aprólékosan összekeverjük, meghatározott recept szerint. Ez a keverék magas hőmérsékletű (2000 °C feletti) reakción megy keresztül, hogy szabályozott kristályszerkezetű és részecskeméretű szilícium-karbid részecskéket szintetizáljanak. Az ezt követő aprítási, szitálási és tisztítási folyamatok nagy tisztaságú SiC port eredményeznek, amely alkalmas kristálynövekedésre.

Kristálynövekedés:A SiC szubsztrátumgyártás legkritikusabb lépéseként a kristálynövekedés határozza meg a hordozó elektromos tulajdonságait. Jelenleg a fizikai gőzszállítás (PVT) módszer uralja a kereskedelmi SiC kristálynövekedést. Alternatívák közé tartozik a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztás (HT-CVD) és a folyadékfázisú epitaxia (LPE), bár kereskedelmi alkalmazásuk továbbra is korlátozott.

Kristály feldolgozás:Ez a szakasz magában foglalja a SiC golyócskák polírozott ostyákká alakítását egy sor aprólékos lépéssel: rúdfeldolgozás, ostyaszeletelés, köszörülés, polírozás és tisztítás. Minden lépés nagy pontosságú berendezést és szakértelmet igényel, ami végső soron biztosítja a végső SiC hordozó minőségét és teljesítményét.

1. Technikai kihívások a SiC kristálynövekedéssel kapcsolatban:

A szilícium-karbid kristályok növekedése számos technikai akadályba ütközik:

Magas növekedési hőmérsékletek:A 2300 °C-ot meghaladó hőmérsékletek szigorú szabályozást tesznek szükségessé mind a hőmérséklet, mind a nyomás felett a növesztőkemencében.

Politipizmus szabályozása:A SiC több mint 250 politípust mutat be, amelyek közül a 4H-SiC a legkívánatosabb az elektronikus alkalmazásokhoz. Ennek a speciális politípusnak az elérése a szilícium-szén arány, a hőmérsékleti gradiensek és a gázáramlás dinamikájának pontos szabályozását követeli meg a növekedés során.

Lassú növekedési ütem:A PVT, bár kereskedelmileg bevezetett, lassú, körülbelül 0,3-0,5 mm/h növekedési sebességtől szenved. Egy 2 cm-es kristály felnevelése nagyjából 7 napot vesz igénybe, a maximális elérhető kristályhossz 3-5 cm-re korlátozódik. Ez éles ellentétben áll a szilíciumkristály növekedésével, ahol a golyócskák 72 óra alatt elérik a 2-3 méteres magasságot, átmérőjük pedig eléri a 6-8 hüvelyket, sőt az új létesítményekben a 12 hüvelyket is. Ez az eltérés korlátozza a SiC tömb átmérőjét, amely általában 4 és 6 hüvelyk között van.

Míg a fizikai gőzszállítás (PVT) uralja a kereskedelmi SiC kristályok növekedését, az alternatív módszerek, mint például a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztás (HT-CVD) és a folyadékfázisú epitaxia (LPE) határozott előnyöket kínálnak. A korlátaik leküzdése, valamint a növekedési ütem és a kristályminőség javítása azonban kulcsfontosságú a szilícium-karbid ipar szélesebb körű alkalmazásához.

Íme egy összehasonlító áttekintés ezekről a kristálynövekedési technikákról:

(1) Fizikai gőzszállítás (PVT):

Alapelv: A „szublimáció-transzport-újrakristályosítás” mechanizmust használja a SiC kristályok növekedéséhez.

Eljárás: A nagy tisztaságú szén- és szilíciumporokat pontos arányban keverik össze. A SiC port és egy oltókristályt a növesztőkemencében lévő tégely aljára, illetve tetejére helyezik. A 2000 °C-ot meghaladó hőmérséklet hőmérsékleti gradienst hoz létre, aminek következtében a SiC por szublimálódik, és átkristályosodik a magkristályra, így kialakul a golyó.

Hátrányok: Lassú növekedési sebesség (körülbelül 2 cm 7 nap alatt), érzékenység a parazita reakciókra, ami nagyobb hibasűrűséget eredményez a kifejlett kristályban.

(2) Magas hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztás (HT-CVD):

Alapelv: 2000-2500°C közötti hőmérsékleten nagy tisztaságú prekurzor gázokat, például szilánt, etánt vagy propánt és hidrogént vezetnek be a reakciókamrába. Ezek a gázok a magas hőmérsékletű zónában lebomlanak, és gáznemű SiC prekurzorokat képeznek, amelyek ezt követően lerakódnak és kristályosodnak az alacsonyabb hőmérsékletű zónában lévő magkristályra.

Előnyök: Lehetővé teszi a folyamatos kristálynövekedést, nagy tisztaságú gáznemű prekurzorokat használ, ami nagyobb tisztaságú SiC kristályokat eredményez kevesebb hibával.

Hátrányok: Lassú növekedési sebesség (kb. 0,4-0,5 mm/h), magas felszerelési és üzemeltetési költségek, hajlamos a gázbemenetek és -kimenetek eltömődésére.

(3) Folyadékfázisú epitaxia (LPE):

(Bár nem szerepel a kivonatában, a teljesség kedvéért adok hozzá egy rövid áttekintést az LPE-ről.)

Alapelv: „oldás-kicsapás” mechanizmust alkalmaz. 1400-1800 °C közötti hőmérsékleten a szén feloldódik egy nagy tisztaságú szilícium olvadékban. SiC kristályok válnak ki a túltelített oldatból, ahogy lehűl.

Előnyök: Az alacsonyabb növekedési hőmérséklet csökkenti a hűtés során fellépő hőfeszültséget, ami alacsonyabb hibasűrűséget és jobb kristályminőséget eredményez. A PVT-hez képest lényegesen gyorsabb növekedési ütemet kínál.

Hátrányok: Hajlamos a tégelyből származó fémszennyeződésre, korlátozott az elérhető kristályméret, elsősorban a laboratóriumi méretű növekedésre korlátozódik.

Mindegyik módszernek egyedi előnyei és korlátai vannak. Az optimális növekedési technika kiválasztása a konkrét alkalmazási követelményektől, a költségektől és a kívánt kristályjellemzőktől függ.

2. SiC kristályfeldolgozási kihívások és megoldások:

Ostya szeletelés:A SiC keménysége, törékenysége és kopásállósága megnehezíti a szeletelést. A hagyományos gyémánthuzalfűrészelés időigényes, pazarló és költséges. A megoldások közé tartozik a lézeres kockázás és a hideg hasítási technikák a szeletelés hatékonyságának és az ostya kihozatalának javítása érdekében.

Ostyahígítás:A SiC alacsony törési szívóssága miatt hajlamos a vékonyítás során felrepedésre, ami akadályozza az egyenletes vastagságcsökkentést. A jelenlegi technikák a rotációs köszörülésen alapulnak, amely a korongkopástól és a felületi sérülésektől szenved. Az anyageltávolítási sebesség növelése és a felületi hibák minimalizálása érdekében olyan fejlett módszereket kutatnak, mint az ultrahangos vibrációval segített csiszolás és az elektrokémiai mechanikus polírozás.

3. Jövőbeli kilátások:

A SiC kristálynövekedés és az ostyafeldolgozás optimalizálása kulcsfontosságú a SiC széles körű elterjedéséhez. A jövőbeli kutatások a növekedési ütem növelésére, a kristályminőség javítására és az ostyafeldolgozás hatékonyságának javítására összpontosítanak, hogy kiaknázzák ebben az ígéretes félvezető anyagban rejlő lehetőségeket.**