Критичната роля на SiC субстратите и растежа на кристали в полупроводниковата индустрия

В рамките на веригата на индустрията за силициев карбид (SiC) доставчиците на субстрати притежават значително влияние, главно поради разпределението на стойността.SiC субстратите представляват 47% от общата стойност, следвани от епитаксиалните слоеве с 23%, докато проектирането и производството на устройства представляват останалите 30%. Тази обърната верига на стойността произтича от високите технологични бариери, присъщи на производството на субстрат и епитаксиален слой.

3 основни предизвикателства затрудняват растежа на SiC субстрата:строги условия на растеж, бавни темпове на растеж и високи кристалографски изисквания. Тези усложнения допринасят за повишена трудност при обработката, което в крайна сметка води до ниски добиви на продукта и високи разходи. Освен това, дебелината на епитаксиалния слой и концентрацията на допинг са критични параметри, които пряко влияят върху крайната производителност на устройството.

Процес на производство на SiC субстрат:

Синтез на суровини:Силициевият и въглеродният прах с висока чистота се смесват щателно по специфична рецепта. Тази смес претърпява високотемпературна реакция (над 2000°C), за да се синтезират SiC частици с контролирана кристална структура и размер на частиците. Последващите процеси на раздробяване, пресяване и почистване дават SiC прах с висока чистота, подходящ за растеж на кристали.

Растеж на кристали:Като най-критичната стъпка в производството на SiC субстрат, растежът на кристалите диктува електрическите свойства на субстрата. Понастоящем методът на физическия транспорт на парите (PVT) доминира търговския растеж на кристали SiC. Алтернативите включват високотемпературно химическо отлагане на пари (HT-CVD) и епитаксия в течна фаза (LPE), въпреки че търговското им приемане остава ограничено.

Обработка на кристали:Този етап включва трансформиране на були от SiC в полирани вафли чрез поредица от щателни стъпки: обработка на блокове, нарязване на вафли, шлайфане, полиране и почистване. Всяка стъпка изисква високо прецизно оборудване и опит, като в крайна сметка се гарантира качеството и производителността на крайния SiC субстрат.

1. Технически предизвикателства при растежа на SiC кристали:

Растежът на кристалите SiC е изправен пред няколко технически пречки:

Високи температури на растеж:Надвишавайки 2300°C, тези температури налагат строг контрол върху температурата и налягането в пещта за растеж.

Контрол на политипизма:SiC показва над 250 политипа, като 4H-SiC е най-желаният за електронни приложения. Постигането на този специфичен политип изисква прецизен контрол върху съотношението силиций към въглерод, температурните градиенти и динамиката на газовия поток по време на растеж.

Бавен темп на растеж:PVT, макар и търговски установен, страда от бавни темпове на растеж от приблизително 0,3-0,5 mm/h. Отглеждането на кристал от 2 cm отнема приблизително 7 дни, като максималната постижима дължина на кристала е ограничена до 3-5 cm. Това рязко контрастира с растежа на силициевите кристали, където булетата достигат 2-3 м височина в рамките на 72 часа, с диаметри, достигащи 6-8 инча и дори 12 инча в нови съоръжения. Това несъответствие ограничава диаметрите на слитъците SiC, обикновено вариращи от 4 до 6 инча.

Докато физическият транспорт на парите (PVT) доминира в търговския растеж на SiC кристали, алтернативни методи като високотемпературно химическо отлагане на пари (HT-CVD) и епитаксия в течна фаза (LPE) предлагат различни предимства. Въпреки това, преодоляването на техните ограничения и повишаването на темповете на растеж и качеството на кристалите са от решаващо значение за по-широкото приемане на SiC в индустрията.

Ето сравнителен преглед на тези техники за растеж на кристали:

(1) Физически пренос на пари (PVT):

Принцип: Използва механизма "сублимация-транспорт-рекристализация" за растеж на кристали SiC.

Процес: Въглерод с висока чистота и силициев прах се смесват в точни съотношения. SiC прахът и зародишният кристал се поставят съответно на дъното и горната част на тигела в пещта за растеж. Температури над 2000°C създават температурен градиент, карайки SiC праха да сублимира и рекристализира върху зародишния кристал, образувайки буле.

Недостатъци: Бавни темпове на растеж (приблизително 2 см за 7 дни), чувствителност към паразитни реакции, водещи до по-висока плътност на дефектите в отглеждания кристал.

(2) Високотемпературно химическо отлагане на пари (HT-CVD):

Принцип: При температури между 2000-2500°C в реакционна камера се въвеждат прекурсорни газове с висока чистота като силан, етан или пропан и водород. Тези газове се разлагат във високотемпературната зона, образувайки газообразни SiC прекурсори, които впоследствие се отлагат и кристализират върху зародишен кристал в по-нискотемпературната зона.

Предимства: Позволява непрекъснат растеж на кристали, използва газообразни прекурсори с висока чистота, което води до кристали SiC с по-висока чистота с по-малко дефекти.

Недостатъци: Бавни темпове на растеж (приблизително 0,4-0,5 mm/h), високи разходи за оборудване и експлоатация, чувствителност към запушване на входовете и изходите за газ.

(3) Епитаксия в течна фаза (LPE):

(Въпреки че не е включен във вашия откъс, добавям кратък преглед на LPE за пълнота.)

Принцип: Използва механизъм "разтваряне-утаяване". При температури, вариращи от 1400-1800°C, въглеродът се разтваря в силициева стопилка с висока чистота. Кристалите SiC се утаяват от пренаситения разтвор, докато се охлажда.

Предимства: По-ниските температури на растеж намаляват термичните напрежения по време на охлаждане, което води до по-ниска плътност на дефектите и по-високо качество на кристалите. Предлага значително по-бързи темпове на растеж в сравнение с PVT.

Недостатъци: Склонност към замърсяване с метал от тигела, ограничени по отношение на постижими размери на кристали, предимно ограничени до растеж в лабораторен мащаб.

Всеки метод има уникални предимства и ограничения. Изборът на оптимална техника за растеж зависи от специфичните изисквания на приложението, съображенията за цена и желаните кристални характеристики.

2. Предизвикателства и решения при обработката на SiC кристали:

Нарязване на вафли:Твърдостта, крехкостта и устойчивостта на абразия на SiC правят рязането предизвикателство. Традиционното рязане с диамантена тел е времеемко, разточително и скъпо. Решенията включват техники за лазерно рязане и студено разделяне за подобряване на ефективността на рязане и добива на вафли.

Изтъняване на вафли:Ниската якост на счупване на SiC го прави склонен към напукване по време на изтъняване, възпрепятствайки равномерното намаляване на дебелината. Настоящите техники разчитат на ротационно шлайфане, което страда от износване на диска и повреди на повърхността. Проучват се усъвършенствани методи като шлайфане с ултразвукова вибрация и електрохимично механично полиране, за да се подобрят скоростите на отстраняване на материала и да се минимизират повърхностните дефекти.

3. Бъдеща перспектива:

Оптимизирането на растежа на кристалите SiC и обработката на пластини е от решаващо значение за широкото приемане на SiC. Бъдещите изследвания ще се съсредоточат върху увеличаване на темповете на растеж, подобряване на качеството на кристалите и подобряване на ефективността на обработка на пластини, за да отключат пълния потенциал на този обещаващ полупроводников материал.**