Kritinis SiC substratų vaidmuo ir kristalų augimas puslaidininkių pramonėje

Silicio karbido (SiC) pramonės grandinėje substratų tiekėjai turi didelį svertą, visų pirma dėl vertės paskirstymo.SiC substratai sudaro 47% visos vertės, po to epitaksiniai sluoksniai sudaro 23%, o įrenginių projektavimas ir gamyba sudaro likusius 30 proc. Ši atvirkštinė vertės grandinė kyla dėl didelių technologinių kliūčių, būdingų substrato ir epitaksinio sluoksnio gamybai.

3 pagrindiniai iššūkiai vargina SiC substrato augimą:griežtos augimo sąlygos, lėtas augimo tempas ir griežti kristalografiniai reikalavimai. Šie sudėtingumai prisideda prie didesnių perdirbimo sunkumų, dėl kurių galiausiai sumažėja produktų išeiga ir didelės sąnaudos. Be to, epitaksinio sluoksnio storis ir dopingo koncentracija yra kritiniai parametrai, tiesiogiai įtakojantys galutinį įrenginio veikimą.

SiC substrato gamybos procesas:

Žaliavų sintezė:Didelio grynumo silicio ir anglies milteliai yra kruopščiai maišomi pagal konkretų receptą. Šiame mišinyje vyksta aukštos temperatūros reakcija (virš 2000 °C), kad būtų susintetintos kontroliuojamos kristalinės struktūros ir dalelių dydžio SiC dalelės. Vėlesni smulkinimo, sijojimo ir valymo procesai suteikia didelio grynumo SiC miltelius, tinkamus kristalams auginti.

Kristalų augimas:Kaip svarbiausias SiC substrato gamybos žingsnis, kristalų augimas lemia pagrindo elektrines savybes. Šiuo metu komerciniame SiC kristalų augime dominuoja fizinio garų transportavimo (PVT) metodas. Alternatyvos apima aukštos temperatūros cheminį nusodinimą iš garų (HT-CVD) ir skystosios fazės epitaksiją (LPE), nors jų komercinis pritaikymas išlieka ribotas.

Kristalų apdorojimas:Šiame etape SiC rutuliukai paverčiami poliruotomis plokštelėmis, atliekant kelis kruopščius veiksmus: luitų apdorojimą, plokštelių pjaustymą, šlifavimą, poliravimą ir valymą. Kiekvienam žingsniui reikalinga labai tiksli įranga ir patirtis, o tai galiausiai užtikrina galutinio SiC pagrindo kokybę ir veikimą.

1. Techniniai SiC kristalų augimo iššūkiai:

SiC kristalų augimas susiduria su keliomis techninėmis kliūtimis:

Aukšta augimo temperatūra:Ši temperatūra viršija 2300 °C, todėl auginimo krosnyje būtina griežtai kontroliuoti temperatūrą ir slėgį.

Politipizmo kontrolė:SiC yra daugiau nei 250 politipų, o 4H-SiC yra labiausiai pageidaujamas elektroninėms reikmėms. Norint pasiekti šį specifinį politipą, reikia tiksliai kontroliuoti silicio ir anglies santykį, temperatūros gradientus ir dujų srauto dinamiką augimo metu.

Lėtas augimo tempas:PVT, nors ir yra komerciškai įsitvirtinusi, kenčia nuo lėto, maždaug 0,3–0,5 mm/h augimo greičio. 2 cm kristalo auginimas trunka maždaug 7 dienas, o maksimalus pasiekiamas kristalo ilgis yra 3–5 cm. Tai ryškiai kontrastuoja su silicio kristalų augimu, kai rutuliukai pasiekia 2–3 m aukštį per 72 valandas, o skersmuo siekia 6–8 colius ir net 12 colių naujuose įrenginiuose. Šis neatitikimas riboja SiC luito skersmenis, paprastai nuo 4 iki 6 colių.

Nors komerciniame SiC kristalų augime dominuoja fizinis garų transportavimas (PVT), alternatyvūs metodai, tokie kaip aukštos temperatūros cheminis nusodinimas iš garų (HT-CVD) ir skystosios fazės epitaksija (LPE), turi aiškių pranašumų. Tačiau norint plačiau pritaikyti SiC pramonę, labai svarbu įveikti jų apribojimus ir pagerinti augimo tempus bei kristalų kokybę.

Štai lyginamoji šių kristalų auginimo metodų apžvalga:

(1) Fizinis garų transportavimas (PVT):

Principas: SiC kristalų auginimui naudojamas "sublimacijos-transportavimo-rekristalizavimo" mechanizmas.

Procesas: didelio grynumo anglies ir silicio milteliai sumaišomi tiksliais santykiais. SiC milteliai ir sėklų kristalai dedami atitinkamai tiglio apačioje ir viršuje auginimo krosnyje. Temperatūra, viršijanti 2000°C, sukuria temperatūros gradientą, dėl kurio SiC milteliai sublimuojasi ir persikristalizuoja į sėklų kristalą, sudarydami rutuliuką.

Trūkumai: lėtas augimo greitis (maždaug 2 cm per 7 dienas), jautrumas parazitinėms reakcijoms, dėl kurių išaugančiame kristale atsiranda didesnis defektų tankis.

(2) Aukštos temperatūros cheminis nusodinimas garais (HT-CVD):

Principas: Esant 2000–2500°C temperatūrai, į reakcijos kamerą įvedamos didelio grynumo pirmtakų dujos, tokios kaip silanas, etanas arba propanas, ir vandenilis. Šios dujos suyra aukštos temperatūros zonoje, sudarydamos dujinius SiC pirmtakus, kurie vėliau nusėda ir kristalizuojasi ant sėklinio kristalo žemesnės temperatūros zonoje.

Privalumai: leidžia nuolat augti kristalus, naudojami didelio grynumo dujų pirmtakai, todėl gaunami didesnio grynumo SiC kristalai su mažiau defektų.

Trūkumai: lėtas augimo greitis (apie 0,4-0,5 mm/h), didelės įrangos ir eksploatavimo sąnaudos, jautrumas dujų įvadų ir išleidimo angų užsikimšimui.

(3) Skystosios fazės epitaksija (LPE):

(Nors neįtraukta į jūsų ištrauką, pridedu trumpą LPE apžvalgą, kad būtų išsamesnė.)

Principas: naudojamas „tirpimo-nusodinimo“ mechanizmas. Esant 1400–1800°C temperatūrai, anglis ištirpsta didelio grynumo silicio lydaloje. SiC kristalai nusėda iš persotinto tirpalo, kai jis vėsta.

Privalumai: žemesnė augimo temperatūra sumažina šiluminį įtampą aušinimo metu, todėl sumažėja defektų tankis ir aukštesnė kristalų kokybė. Siūlo žymiai greitesnį augimo tempą, palyginti su PVT.

Trūkumai: linkę į metalo užteršimą iš tiglio, riboti pasiekiami kristalų dydžiai, daugiausia apsiriboja augimu laboratoriniu mastu.

Kiekvienas metodas turi unikalių privalumų ir apribojimų. Optimalaus augimo technikos pasirinkimas priklauso nuo konkrečių taikymo reikalavimų, sąnaudų ir norimų kristalų savybių.

2. SiC kristalų apdorojimo iššūkiai ir sprendimai:

Vaflių pjaustymas:SiC kietumas, trapumas ir atsparumas dilimui apsunkina pjaustymą. Tradicinis deimantinės vielos pjovimas yra daug laiko, švaistomas ir brangus. Sprendimai apima lazerinį pjaustymą kubeliais ir šalto padalijimo būdus, siekiant pagerinti pjaustymo efektyvumą ir plokštelių išeigą.

Vaflių retinimas:Dėl mažo SiC atsparumo plyšimui retinimo metu jis linkęs įtrūkti, o tai trukdo vienodai sumažinti storį. Dabartinės technologijos remiasi rotaciniu šlifavimu, kuris kenčia nuo ratų susidėvėjimo ir paviršiaus pažeidimų. Siekiant padidinti medžiagos pašalinimo greitį ir sumažinti paviršiaus defektus, tiriami pažangūs metodai, pvz., šlifavimas ultragarsu naudojant vibraciją ir elektrocheminis mechaninis poliravimas.

3. Ateities perspektyva:

SiC kristalų augimo ir plokštelių apdorojimo optimizavimas yra labai svarbus norint plačiai naudoti SiC. Būsimuose tyrimuose pagrindinis dėmesys bus skiriamas augimo tempų didinimui, kristalų kokybės gerinimui ir plokštelių apdorojimo efektyvumo didinimui, kad būtų išnaudotas visas šios perspektyvios puslaidininkinės medžiagos potencialas.**