Rolul critic al substraturilor SiC și al creșterii cristalelor în industria semiconductoarelor

În cadrul lanțului industrial de carbură de siliciu (SiC), furnizorii de substraturi dețin o pârghie semnificativă, în principal datorită distribuției valorii.Substraturile de SiC reprezintă 47% din valoarea totală, urmate de straturile epitaxiale la 23%, în timp ce proiectarea și fabricarea dispozitivelor constituie restul de 30%. Acest lanț valoric inversat provine din barierele tehnologice înalte inerente producției de substrat și strat epitaxial.

3 provocări majore afectează creșterea substratului de SiC:condiții stricte de creștere, rate lente de creștere și cerințe cristalografice exigente. Aceste complexități contribuie la creșterea dificultății de procesare, rezultând în cele din urmă randamente scăzute ale produsului și costuri ridicate. În plus, grosimea stratului epitaxial și concentrația de dopaj sunt parametri critici care influențează direct performanța finală a dispozitivului.

Procesul de fabricare a substratului SiC:

Sinteza materiei prime:Pudrele de siliciu și carbon de înaltă puritate sunt amestecate cu meticulozitate după o rețetă specifică. Acest amestec suferă o reacție la temperatură înaltă (peste 2000°C) pentru a sintetiza particule de SiC cu structură cristalină și dimensiunea particulelor controlate. Procesele ulterioare de zdrobire, cernere și curățare conduc la o pulbere de SiC de înaltă puritate, potrivită pentru creșterea cristalelor.

Creșterea cristalelor:Fiind cel mai critic pas în fabricarea substratului SiC, creșterea cristalelor dictează proprietățile electrice ale substratului. În prezent, metoda transportului fizic de vapori (PVT) domină creșterea comercială a cristalelor de SiC. Alternativele includ Depunerea de vapori chimici la temperatură înaltă (HT-CVD) și Epitaxia în fază lichidă (LPE), deși adoptarea lor comercială rămâne limitată.

Procesarea cristalelor:Această etapă presupune transformarea bolilor de SiC în napolitane lustruite printr-o serie de pași meticuloși: prelucrarea lingoului, felierea napolitanelor, măcinarea, lustruirea și curățarea. Fiecare pas necesită echipamente de înaltă precizie și expertiză, asigurând în cele din urmă calitatea și performanța substratului final de SiC.

1. Provocări tehnice în creșterea cristalelor SiC:

Creșterea cristalelor de SiC se confruntă cu mai multe obstacole tehnice:

Temperaturi ridicate de creștere:Depășind 2300°C, aceste temperaturi necesită un control strict asupra temperaturii și presiunii din cuptorul de creștere.

Controlul politipismului:SiC prezintă peste 250 de politipuri, 4H-SiC fiind cel mai de dorit pentru aplicațiile electronice. Realizarea acestui politip specific necesită un control precis asupra raportului siliciu-carbon, gradienților de temperatură și dinamicii fluxului de gaz în timpul creșterii.

Rata de creștere lentă:PVT, deși este stabilit comercial, suferă de rate lente de creștere de aproximativ 0,3-0,5 mm/h. Creșterea unui cristal de 2 cm durează aproximativ 7 zile, cu lungimea maximă posibilă a cristalului limitată la 3-5 cm. Acest lucru contrastează puternic cu creșterea cristalelor de siliciu, unde bolile ating 2-3m înălțime în 72 de ore, cu diametre atingând 6-8 inci și chiar 12 inci în instalații noi. Această discrepanță limitează diametrele lingourilor de SiC, de obicei variind de la 4 la 6 inci.

În timp ce transportul fizic al vaporilor (PVT) domină creșterea comercială a cristalelor de SiC, metode alternative precum depunerea chimică în vapori la temperatură înaltă (HT-CVD) și epitaxia în fază lichidă (LPE) oferă avantaje distincte. Cu toate acestea, depășirea limitărilor lor și creșterea ratelor de creștere și a calității cristalului sunt cruciale pentru adoptarea mai largă a industriei SiC.

Iată o privire de ansamblu comparativă a acestor tehnici de creștere a cristalelor:

(1) Transport fizic al vaporilor (PVT):

Principiu: Utilizează mecanismul „sublimare-transport-recristalizare” pentru creșterea cristalelor de SiC.

Proces: pulberile de carbon și siliciu de înaltă puritate sunt amestecate în rapoarte precise. Pulberea de SiC și un cristal de sămânță sunt plasate în partea de jos și, respectiv, în partea superioară a creuzetului într-un cuptor de creștere. Temperaturile care depășesc 2000°C creează un gradient de temperatură, determinând sublimarea și recristalizarea pulberii de SiC pe cristalul sămânță, formând bule.

Dezavantaje: Rate lente de creștere (aproximativ 2 cm în 7 zile), susceptibilitate la reacții parazitare care duc la densități mai mari de defect în cristalul crescut.

(2) Depunere de vapori chimici la temperatură înaltă (HT-CVD):

Principiu: La temperaturi cuprinse între 2000-2500°C, într-o cameră de reacție sunt introduse gaze precursoare de înaltă puritate precum silanul, etanul sau propanul și hidrogenul. Aceste gaze se descompun în zona de temperatură înaltă, formând precursori gazoși de SiC care ulterior se depun și se cristalizează pe un cristal de sămânță în zona de temperatură inferioară.

Avantaje: Permite creșterea continuă a cristalelor, utilizează precursori gazoși de înaltă puritate, rezultând cristale de SiC cu puritate mai mare, cu mai puține defecte.

Dezavantaje: viteze de creștere lentă (aproximativ 0,4-0,5 mm/h), costuri ridicate de echipamente și operațiuni, susceptibilitate la înfundarea intrărilor și ieșirilor de gaz.

(3) Epitaxie în fază lichidă (LPE):

(Deși nu este inclus în extrasul dvs., adaug o scurtă prezentare generală a LPE pentru a fi completă.)

Principiu: Utilizează un mecanism de „dizolvare-precipitare”. La temperaturi cuprinse între 1400-1800°C, carbonul este dizolvat într-o topitură de siliciu de înaltă puritate. Cristalele de SiC precipită din soluția suprasaturată pe măsură ce se răcește.

Avantaje: Temperaturile de creștere mai scăzute reduc solicitările termice în timpul răcirii, rezultând densități mai mici ale defectelor și calitate mai mare a cristalului. Oferă rate de creștere semnificativ mai rapide în comparație cu PVT.

Dezavantaje: predispus la contaminarea cu metal din creuzet, limitat în dimensiunile cristalelor realizabile, limitat în primul rând la creșterea la scară de laborator.

Fiecare metodă prezintă avantaje și limitări unice. Selectarea tehnicii optime de creștere depinde de cerințele specifice aplicației, de considerentele de cost și de caracteristicile cristalului dorite.

2. Provocări și soluții de procesare a cristalelor SiC:

Tăiere de napolitană:Duritatea, fragilitatea și rezistența la abraziune ale SiC fac ca tăierea să fie dificilă. Taierea traditionala cu sarma de diamant este consumatoare de timp, risipitoare si costisitoare. Soluțiile includ tehnici de tăiere cu laser și de împărțire la rece pentru a îmbunătăți eficiența felierii și randamentul napolitanelor.

Diluarea napolitanelor:Duritatea scăzută la rupere a SiC îl face predispus la fisurare în timpul subțierii, împiedicând reducerea uniformă a grosimii. Tehnicile actuale se bazează pe șlefuirea rotativă, care suferă de uzura roților și deteriorarea suprafeței. Sunt explorate metode avansate, cum ar fi șlefuirea asistată de vibrații ultrasonice și lustruirea mecanică electrochimică, pentru a îmbunătăți ratele de îndepărtare a materialului și pentru a minimiza defectele de suprafață.

3. Perspective viitoare:

Optimizarea creșterii cristalelor de SiC și a procesării plachetelor este crucială pentru adoptarea pe scară largă a SiC. Cercetările viitoare se vor concentra pe creșterea ratelor de creștere, îmbunătățirea calității cristalului și îmbunătățirea eficienței procesării plachetelor pentru a debloca întregul potențial al acestui material semiconductor promițător.**