Kritická role SiC substrátů a růst krystalů v polovodičovém průmyslu

V rámci průmyslového řetězce karbidu křemíku (SiC) mají dodavatelé substrátů významný vliv, především díky distribuci hodnoty.Substráty SiC tvoří 47 % z celkové hodnoty, následují epitaxní vrstvy s 23 %, zatímco design a výroba zařízení tvoří zbývajících 30 %. Tento obrácený hodnotový řetězec pramení z vysokých technologických bariér, které jsou vlastní produkci substrátu a epitaxní vrstvy.

3 hlavní problémy sužují růst substrátu SiC:přísné podmínky růstu, pomalé rychlosti růstu a náročné krystalografické požadavky. Tyto složitosti přispívají ke zvýšené obtížnosti zpracování, což nakonec vede k nízkým výtěžkům produktu a vysokým nákladům. Kromě toho jsou tloušťka epitaxní vrstvy a koncentrace dopingu kritickými parametry, které přímo ovlivňují výkon konečného zařízení.

Proces výroby SiC substrátu:

Syntéza surovin:Vysoce čisté křemíkové a uhlíkové prášky jsou pečlivě smíchány podle specifické receptury. Tato směs prochází vysokoteplotní reakcí (nad 2000 °C) za účelem syntézy částic SiC s řízenou krystalovou strukturou a velikostí částic. Následné drcení, prosévání a čištění poskytuje vysoce čistý SiC prášek vhodný pro růst krystalů.

Růst krystalů:Jako nejkritičtější krok při výrobě substrátu SiC určuje růst krystalů elektrické vlastnosti substrátu. V současné době dominuje komerčnímu růstu krystalů SiC metoda Physical Vapor Transport (PVT). Mezi alternativy patří vysokoteplotní chemická depozice z plynné fáze (HT-CVD) a epitaxe v tekuté fázi (LPE), i když jejich komerční využití zůstává omezené.

Zpracování krystalů:Tato fáze zahrnuje přeměnu kousků SiC na leštěné destičky prostřednictvím řady pečlivých kroků: zpracování ingotů, krájení destiček, broušení, leštění a čištění. Každý krok vyžaduje vysoce přesné vybavení a odborné znalosti, které v konečném důsledku zajišťují kvalitu a výkon finálního substrátu SiC.

1. Technické výzvy při růstu krystalů SiC:

Růst krystalů SiC čelí několika technickým překážkám:

Vysoké růstové teploty:Tyto teploty přesahující 2300 °C vyžadují přísnou kontrolu teploty i tlaku v růstové peci.

Kontrola polytypismu:SiC vykazuje více než 250 polytypů, přičemž 4H-SiC je nejžádanější pro elektronické aplikace. Dosažení tohoto specifického polytypu vyžaduje přesnou kontrolu nad poměrem křemíku k uhlíku, teplotními gradienty a dynamikou proudění plynu během růstu.

Míra pomalého růstu:PVT, i když je komerčně zaveden, trpí pomalými rychlostmi růstu přibližně 0,3-0,5 mm/h. Pěstování 2cm krystalu trvá zhruba 7 dní, přičemž maximální dosažitelná délka krystalu je omezena na 3-5cm. To ostře kontrastuje s růstem krystalů křemíku, kde kuličky dosahují výšky 2-3 m během 72 hodin, s průměry dosahujícími 6-8 palců a v nových zařízeních dokonce 12 palců. Tato nesrovnalost omezuje průměry SiC ingotů, typicky v rozmezí od 4 do 6 palců.

Zatímco fyzikální transport v parách (PVT) dominuje komerčnímu růstu krystalů SiC, alternativní metody, jako je vysokoteplotní chemická depozice z plynné fáze (HT-CVD) a epitaxe v kapalné fázi (LPE), nabízejí výrazné výhody. Překonání jejich omezení a zvýšení rychlosti růstu a kvality krystalů jsou však zásadní pro širší přijetí SiC v průmyslu.

Zde je srovnávací přehled těchto technik růstu krystalů:

(1) Fyzický transport par (PVT):

Princip: Využívá mechanismus „sublimace-transport-rekrystalizace“ pro růst krystalů SiC.

Proces: Vysoce čisté uhlíkové a křemíkové prášky se mísí v přesných poměrech. Prášek SiC a očkovací krystal se umístí na dno a vršek kelímku v růstové peci. Teploty přesahující 2000 °C vytvářejí teplotní gradient, který způsobuje, že prášek SiC sublimuje a rekrystalizuje na zárodečném krystalu, čímž se vytvoří boule.

Nevýhody: Pomalé rychlosti růstu (přibližně 2 cm za 7 dní), náchylnost k parazitickým reakcím vedoucím k vyšší hustotě defektů v rostoucím krystalu.

(2) Chemická depozice při vysoké teplotě (HT-CVD):

Princip: Při teplotách mezi 2000-2500°C se do reakční komory zavádějí vysoce čisté prekurzorové plyny, jako je silan, ethan nebo propan, a vodík. Tyto plyny se rozkládají ve vysokoteplotní zóně a tvoří plynné prekurzory SiC, které se následně ukládají a krystalizují na zárodečném krystalu v zóně s nižší teplotou.

Výhody: Umožňuje kontinuální růst krystalů, využívá vysoce čisté plynné prekurzory, což vede k krystalům SiC vyšší čistoty s menším počtem defektů.

Nevýhody: Pomalá rychlost růstu (přibližně 0,4-0,5 mm/h), vysoké náklady na vybavení a provoz, náchylnost k ucpání vstupů a výstupů plynu.

(3) Epitaxe v kapalné fázi (LPE):

(I když to není zahrnuto ve vašem úryvku, pro úplnost přidávám stručný přehled LPE.)

Princip: Využívá mechanismus „rozpouštění-srážení“. Při teplotách v rozmezí 1400-1800°C se uhlík rozpouští ve vysoce čisté křemíkové tavenině. Krystaly SiC se při ochlazování vysrážejí z přesyceného roztoku.

Výhody: Nižší růstové teploty snižují tepelné namáhání během chlazení, což má za následek nižší hustotu defektů a vyšší kvalitu krystalů. Nabízí výrazně rychlejší tempo růstu ve srovnání s PVT.

Nevýhody: Sklon ke kontaminaci kovem z kelímku, omezená dosažitelná velikost krystalů, primárně omezená na růst v laboratorním měřítku.

Každá metoda má jedinečné výhody a omezení. Výběr optimální techniky růstu závisí na konkrétních požadavcích aplikace, hlediscích nákladů a požadovaných charakteristikách krystalů.

2. Výzvy a řešení zpracování krystalů SiC:

Krájení oplatek:Tvrdost, křehkost a odolnost proti oděru SiC činí krájení náročným. Tradiční řezání diamantovým drátem je časově náročné, nehospodárné a nákladné. Řešení zahrnují laserové kostky a techniky dělení za studena pro zlepšení účinnosti krájení a výtěžnosti plátků.

Ředění oplatek:Nízká lomová houževnatost SiC způsobuje, že je náchylný k praskání během ztenčování, což brání rovnoměrnému snížení tloušťky. Současné techniky spoléhají na rotační broušení, které trpí opotřebením kotouče a poškozením povrchu. Pro zvýšení rychlosti úběru materiálu a minimalizaci povrchových defektů se zkoumají pokročilé metody, jako je broušení za pomoci ultrazvuku a elektrochemické mechanické leštění.

3. Výhled do budoucna:

Optimalizace růstu krystalů SiC a zpracování plátků je zásadní pro široké přijetí SiC. Budoucí výzkum se zaměří na zvýšení rychlosti růstu, zlepšení kvality krystalů a zvýšení efektivity zpracování destiček, aby se uvolnil plný potenciál tohoto slibného polovodičového materiálu.**