SiC substraatide ja kristallide kasvu kriitiline roll pooljuhtide tööstuses

Ränikarbiidi (SiC) tööstusahelas on substraadi tarnijatel märkimisväärne mõju, peamiselt väärtuse jaotamise tõttu.SiC substraadid moodustavad 47% koguväärtusest, millele järgnevad epitaksiaalsed kihid 23% ulatuses, samas kui seadme disain ja tootmine moodustavad ülejäänud 30%. See ümberpööratud väärtusahel tuleneb kõrgetest tehnoloogilistest tõketest, mis on omased substraadi ja epitaksiaalse kihi tootmisele.

SiC substraadi kasvu kimbutavad kolm peamist väljakutset:ranged kasvutingimused, aeglane kasvutempo ja nõudlikud kristallograafilised nõuded. Need keerukused suurendavad töötlemisraskusi, mille tulemuseks on madalad saagised ja kõrged kulud. Lisaks on epitaksiaalse kihi paksus ja dopingu kontsentratsioon kriitilised parameetrid, mis mõjutavad otseselt seadme lõplikku jõudlust.

SiC substraadi tootmisprotsess:

Tooraine süntees:Kõrge puhtusastmega räni- ja süsinikupulbrid segatakse hoolikalt konkreetse retsepti järgi. See segu läbib kõrgel temperatuuril (üle 2000 °C) toimuva reaktsiooni, et sünteesida kontrollitud kristallstruktuuri ja osakeste suurusega SiC osakesi. Järgnevad purustamise, sõelumise ja puhastamise protsessid annavad kristallide kasvatamiseks sobiva kõrge puhtusastmega SiC pulbri.

Kristallide kasv:SiC substraadi valmistamise kõige kriitilisema etapina määrab kristallide kasv substraadi elektrilised omadused. Praegu domineerib kaubanduslikus SiC kristallide kasvatamises füüsikalise aurutranspordi (PVT) meetod. Alternatiivide hulka kuuluvad kõrgtemperatuuriline keemiline aurustamine-sadestamine (HT-CVD) ja vedelfaasiline epitaksia (LPE), kuigi nende kaubanduslik kasutuselevõtt on endiselt piiratud.

Kristallide töötlemine:Selles etapis muudetakse ränikarbid poleeritud vahvliteks läbi mitmete täpsete sammude: valuploki töötlemine, vahvlite viilutamine, lihvimine, poleerimine ja puhastamine. Iga samm nõuab ülitäpseid seadmeid ja teadmisi, mis lõppkokkuvõttes tagab lõpliku SiC substraadi kvaliteedi ja jõudluse.

1. Tehnilised väljakutsed ränikarbiidi kristallide kasvatamisel:

SiC kristallide kasv seisab silmitsi mitmete tehniliste takistustega:

Kõrged kasvutemperatuurid:Need temperatuurid, mis ületavad 2300 °C, nõuavad ranget kontrolli nii temperatuuri kui ka rõhu üle kasvuahjus.

Polütüpismi kontroll:SiC-l on üle 250 polütüübi, kusjuures 4H-SiC on elektrooniliste rakenduste jaoks kõige soovitavam. Selle spetsiifilise polütüübi saavutamine nõuab täpset kontrolli räni ja süsiniku suhte, temperatuurigradientide ja gaasivoolu dünaamika üle kasvu ajal.

Aeglane kasvumäär:Kuigi PVT on kaubanduslikult loodud, kannatab selle aeglane kasvukiirus, ligikaudu 0,3–0,5 mm/h. 2 cm pikkuse kristalli kasvatamine võtab umbes 7 päeva, maksimaalne saavutatav kristalli pikkus on piiratud 3–5 cm-ga. See erineb teravalt ränikristallide kasvust, kus pallid jõuavad 72 tunni jooksul 2–3 meetri kõrguseks ning uutes rajatistes ulatuvad läbimõõt 6–8 tolli ja isegi 12 tollini. See lahknevus piirab SiC valuploki läbimõõtu, mis on tavaliselt vahemikus 4–6 tolli.

Kui kaubandusliku ränikarbiidi kristallide kasvatamisel domineerib füüsiline aurutransport (PVT), pakuvad alternatiivsed meetodid, nagu kõrgtemperatuuriline keemiline aurustamine-sadestamine (HT-CVD) ja vedelfaasi epitaksia (LPE), selgeid eeliseid. Kuid nende piirangute ületamine ning kasvumäärade ja kristallide kvaliteedi parandamine on ränikarbiiditööstuse laiema kasutuselevõtu jaoks üliolulised.

Siin on nende kristallide kasvatamise tehnikate võrdlev ülevaade:

(1) Füüsiline aurutransport (PVT):

Põhimõte: kasutab SiC kristallide kasvatamiseks sublimatsiooni-transpordi-rekristalliseerimise mehhanismi.

Protsess: Kõrge puhtusastmega süsiniku- ja ränipulbrid segatakse täpses vahekorras. SiC pulber ja seemnekristall asetatakse vastavalt kasvuahju tiigli põhja ja ülaossa. Temperatuurid üle 2000 °C loovad temperatuurigradiendi, mis põhjustab ränikarbiidi pulbri sublimeerumist ja rekristalliseerumist idukristallidele, moodustades kihi.

Puudused: Aeglane kasvukiirus (ligikaudu 2 cm 7 päeva jooksul), vastuvõtlikkus parasiitreaktsioonidele, mis põhjustab kasvanud kristallide suuremat defektide tihedust.

(2) Kõrgtemperatuuriline keemiline aurustamine-sadestamine (HT-CVD):

Põhimõte: Temperatuuridel 2000–2500 °C juhitakse reaktsioonikambrisse kõrge puhtusastmega lähtegaasid, nagu silaan, etaan või propaan, ja vesinik. Need gaasid lagunevad kõrge temperatuuriga tsoonis, moodustades gaasilisi SiC lähteaineid, mis seejärel sadestuvad ja kristalliseeruvad madalama temperatuuri tsoonis idukristallidele.

Eelised: Võimaldab pidevat kristallide kasvu, kasutab kõrge puhtusastmega gaasilisi lähteaineid, mille tulemuseks on kõrgema puhtusastmega SiC kristallid, millel on vähem defekte.

Puudused: aeglane kasvukiirus (ligikaudu 0,4-0,5 mm/h), kõrged varustus- ja tegevuskulud, vastuvõtlikkus gaasi sisse- ja väljalaskeavade ummistumisele.

(3) Vedelfaasi epitaksia (LPE):

(Kuigi see ei sisaldu teie väljavõttes, lisan täielikkuse huvides lühikese ülevaate LPE-st.)

Põhimõte: kasutab lahustumis-sadestamise mehhanismi. Temperatuurivahemikus 1400–1800 °C lahustub süsinik kõrge puhtusastmega räni sulatis. SiC kristallid sadestuvad üleküllastunud lahusest jahtudes välja.

Eelised: Madalam kasvutemperatuur vähendab jahutamisel tekkivaid termilisi pingeid, mille tulemuseks on väiksem defektide tihedus ja parem kristallide kvaliteet. Pakub oluliselt kiiremat kasvutempot võrreldes PVT-ga.

Puudused: altid metallist saastumisele tiiglist, saavutatavad kristallide suurused on piiratud, piirduvad peamiselt laboratoorse kasvuga.

Igal meetodil on ainulaadsed eelised ja piirangud. Optimaalse kasvutehnika valimine sõltub konkreetsetest kasutusnõuetest, kulukaalutlustest ja soovitud kristalli omadustest.

2. SiC kristallide töötlemise väljakutsed ja lahendused:

Vahvlite viilutamine:SiC kõvadus, rabedus ja kulumiskindlus muudavad viilutamise keeruliseks. Traditsiooniline teemanttraatsaagimine on aeganõudev, raiskav ja kulukas. Lahendused hõlmavad laserkuubikuteks lõikamise ja külmjagamise tehnikaid, et parandada viilutamise efektiivsust ja vahvlite saagist.

Vahvlite lahjendamine:SiC madal purunemiskindlus muudab selle hõrenemise ajal lõhenemisohtlikuks, takistades paksuse ühtlast vähenemist. Praegused tehnikad põhinevad pöörleval lihvimisel, mis kannatab rataste kulumise ja pinnakahjustuste tõttu. Materjali eemaldamise kiiruse suurendamiseks ja pinnadefektide minimeerimiseks uuritakse täiustatud meetodeid, nagu ultraheli-vibratsiooniga lihvimine ja elektrokeemiline mehaaniline poleerimine.

3. Tuleviku väljavaade:

SiC kristallide kasvu ja vahvlite töötlemise optimeerimine on ränikarbiidi laialdase kasutuselevõtu jaoks ülioluline. Tulevased uuringud keskenduvad kasvumäärade suurendamisele, kristallide kvaliteedi parandamisele ja vahvlite töötlemise efektiivsuse suurendamisele, et avada selle paljutõotava pooljuhtmaterjali täielik potentsiaal.**