Вирішальна роль підкладок SiC і зростання кристалів у напівпровідниковій промисловості

У ланцюжку виробництва карбіду кремнію (SiC) постачальники підкладок мають значний вплив, головним чином завдяки розподілу вартості.На підкладки з SiC припадає 47% загальної вартості, за ними йдуть епітаксійні шари з 23%, тоді як проектування та виробництво пристроїв складають решта 30%. Цей перевернутий ланцюжок створення вартості походить від високих технологічних бар’єрів, властивих виробництву підкладки та епітаксійного шару.

3 основні проблеми, які заважають зростанню підкладки SiC:суворі умови росту, повільні темпи росту та вимогливі кристалографічні вимоги. Ці складності сприяють збільшенню труднощів обробки, що зрештою призводить до низького виходу продукту та високих витрат. Крім того, товщина епітаксійного шару та концентрація легування є критичними параметрами, які безпосередньо впливають на кінцеву продуктивність пристрою.

Процес виготовлення підкладки SiC:

Синтез сировини:Кремнієві та вуглецеві порошки високої чистоти ретельно змішуються за певним рецептом. Ця суміш проходить високотемпературну реакцію (вище 2000°C) для синтезу частинок SiC з контрольованою кристалічною структурою та розміром частинок. Подальші процеси подрібнення, просіювання та очищення дають порошок SiC високої чистоти, придатний для вирощування кристалів.

Зростання кристалів:Будучи найважливішим кроком у виробництві підкладки SiC, ріст кристала визначає електричні властивості підкладки. В даний час метод фізичного переносу парів (PVT) домінує у комерційному вирощуванні кристалів SiC. Альтернативи включають високотемпературне хімічне осадження з парової фази (HT-CVD) і рідкофазову епітаксію (LPE), хоча їх комерційне застосування залишається обмеженим.

Обробка кристалів:Цей етап передбачає перетворення буль SiC на поліровані пластини за допомогою ряду ретельних кроків: обробка зливків, нарізка пластин, шліфування, полірування та очищення. Кожен крок вимагає високоточного обладнання та досвіду, що в кінцевому підсумку забезпечує якість і ефективність кінцевої підкладки SiC.

1. Технічні проблеми у вирощуванні кристалів SiC:

Вирощування кристалів SiC стикається з кількома технічними перешкодами:

Високі температури росту:Ці температури, що перевищують 2300°C, вимагають суворого контролю як за температурою, так і за тиском у печі для вирощування.

Контроль політипізму:SiC демонструє понад 250 політипів, причому 4H-SiC є найбільш бажаним для електронних застосувань. Досягнення цього специфічного політипу вимагає точного контролю за співвідношенням кремній-вуглець, градієнтами температури та динамікою потоку газу під час росту.

Повільний темп зростання:PVT, хоча й комерційно запроваджений, страждає від повільних темпів росту приблизно 0,3-0,5 мм/год. Вирощування кристала розміром 2 см займає приблизно 7 днів, а максимальна досяжна довжина кристала обмежена 3-5 см. Це різко контрастує з ростом кремнієвих кристалів, де були досягають 2-3 м у висоту протягом 72 годин, а діаметри досягають 6-8 дюймів і навіть 12 дюймів у нових приміщеннях. Ця невідповідність обмежує діаметри зливків SiC, зазвичай коливаючись від 4 до 6 дюймів.

У той час як фізичний транспорт парів (PVT) домінує у промисловому вирощуванні кристалів SiC, альтернативні методи, такі як високотемпературне хімічне осадження з парів (HT-CVD) і рідкофазна епітаксія (LPE), пропонують явні переваги. Однак подолання їхніх обмежень і підвищення темпів зростання та якості кристалів мають вирішальне значення для ширшого впровадження SiC у промисловість.

Ось порівняльний огляд цих методів вирощування кристалів:

(1) Фізичний транспорт пари (PVT):

Принцип: використовує механізм «сублімація-транспорт-рекристалізація» для росту кристалів SiC.

Процес: порошки вуглецю та кремнію високої чистоти змішуються в точному співвідношенні. Порошок SiC і затравковий кристал поміщають відповідно на дно і вгору тигля в печі для вирощування. Температури, що перевищують 2000°C, створюють градієнт температури, змушуючи порошок SiC сублімувати та перекристалізуватись на затравковому кристалі, утворюючи булю.

Недоліки: повільні темпи росту (приблизно 2 см за 7 днів), сприйнятливість до паразитних реакцій, що призводять до більшої щільності дефектів у вирощеному кристалі.

(2) Високотемпературне хімічне осадження з парової фази (HT-CVD):

Принцип: при температурах між 2000-2500°C високочисті гази-попередники, такі як силан, етан або пропан, і водень вводяться в реакційну камеру. Ці гази розкладаються у високотемпературній зоні, утворюючи газоподібні прекурсори SiC, які згодом осідають і кристалізуються на затравковому кристалі в нижчій температурній зоні.

Переваги: ​​Забезпечує безперервний ріст кристалів, використовує високочисті газоподібні прекурсори, що призводить до отримання кристалів SiC вищої чистоти з меншою кількістю дефектів.

Недоліки: повільні темпи росту (приблизно 0,4-0,5 мм/год), високі витрати на обладнання та експлуатацію, сприйнятливість до засмічення входів і виходів газу.

(3) Рідкофазна епітаксія (LPE):

(Хоча це не включено у ваш уривок, я додаю короткий огляд LPE для повноти.)

Принцип: використовується механізм «розчинення-осадження». При температурах від 1400 до 1800 °C вуглець розчиняється в розплаві кремнію високої чистоти. Кристали SiC випадають з перенасиченого розчину, коли він охолоджується.

Переваги: ​​нижчі температури росту зменшують термічні напруги під час охолодження, що призводить до меншої щільності дефектів і вищої якості кристалів. Пропонує значно вищі темпи зростання порівняно з PVT.

Недоліки: Схильність до забруднення металом із тигля, обмеження розмірів кристалів, що здебільшого обмежується вирощуванням у лабораторних масштабах.

Кожен метод має унікальні переваги та обмеження. Вибір оптимальної методики вирощування залежить від конкретних вимог застосування, міркувань вартості та бажаних характеристик кристала.

2. Проблеми та рішення обробки кристалів SiC:

Нарізка вафель:Твердість, крихкість і стійкість до стирання SiC роблять нарізку складною. Традиційне пиляння алмазним дротом займає багато часу, марнотратно та дорого. Рішення включають методи лазерного нарізання та холодного розділення для підвищення ефективності нарізки та виходу пластин.

Розрідження вафель:Низька в’язкість SiC робить його схильним до розтріскування під час витончення, що перешкоджає рівномірному зменшенню товщини. Сучасні методи покладаються на ротаційне шліфування, яке страждає від зносу круга та пошкодження поверхні. Досліджуються передові методи, такі як шліфування з ультразвуковою вібрацією та електрохімічне механічне полірування, щоб підвищити швидкість видалення матеріалу та мінімізувати дефекти поверхні.

3. Майбутні перспективи:

Оптимізація росту кристалів SiC і обробки пластин має вирішальне значення для широкого впровадження SiC. Майбутні дослідження будуть зосереджені на збільшенні темпів зростання, покращенні якості кристалів і підвищенні ефективності обробки пластин, щоб повністю розкрити потенціал цього багатообіцяючого напівпровідникового матеріалу.**