Den kritiske rollen til SiC-substrater og krystallvekst i halvlederindustrien

Innenfor silisiumkarbid (SiC) industrikjeden har substratleverandører betydelig innflytelse, først og fremst på grunn av verdifordeling.SiC-substrater utgjør 47 % av den totale verdien, etterfulgt av epitaksiale lag ved 23 %, mens enhetsdesign og produksjon utgjør de resterende 30 %. Denne inverterte verdikjeden stammer fra de høye teknologiske barrierene som er iboende for produksjon av substrat og epitaksiale lag.

3 store utfordringer plager SiC-substratvekst:strenge vekstbetingelser, langsomme veksthastigheter og krevende krystallografiske krav. Disse kompleksitetene bidrar til økte prosesseringsvansker, noe som til slutt resulterer i lavt produktutbytte og høye kostnader. Videre er epitaksiallagets tykkelse og dopingkonsentrasjon kritiske parametere som direkte påvirker den endelige enhetens ytelse.

SiC-substratproduksjonsprosess:

Råvaresyntese:Høyrent silisium og karbonpulver blandes omhyggelig i henhold til en spesifikk oppskrift. Denne blandingen gjennomgår en høytemperaturreaksjon (over 2000°C) for å syntetisere SiC-partikler med kontrollert krystallstruktur og partikkelstørrelse. Påfølgende knuse-, siktings- og renseprosesser gir høyrent SiC-pulver egnet for krystallvekst.

Krystallvekst:Som det mest kritiske trinnet i SiC-substratproduksjon, dikterer krystallvekst substratets elektriske egenskaper. For tiden dominerer den fysiske damptransportmetoden (PVT) kommersiell SiC-krystallvekst. Alternativer inkluderer høytemperatur kjemisk dampavsetning (HT-CVD) og væskefaseepitaxi (LPE), selv om deres kommersielle bruk fortsatt er begrenset.

Krystallbehandling:Dette stadiet involverer å transformere SiC-boller til polerte wafere gjennom en rekke omhyggelige trinn: ingot-behandling, wafer-skjæring, sliping, polering og rengjøring. Hvert trinn krever utstyr og ekspertise med høy presisjon, som til slutt sikrer kvaliteten og ytelsen til det endelige SiC-substratet.

1. Tekniske utfordringer i SiC-krystallvekst:

SiC-krystallvekst står overfor flere tekniske hindringer:

Høye veksttemperaturer:Over 2300°C, krever disse temperaturene streng kontroll over både temperatur og trykk i vekstovnen.

Polytypismekontroll:SiC viser over 250 polytyper, med 4H-SiC som den mest ønskelige for elektroniske applikasjoner. Å oppnå denne spesifikke polytypen krever presis kontroll over silisium-til-karbon-forholdet, temperaturgradienter og gassstrømdynamikk under vekst.

Langsom veksthastighet:Selv om PVT er kommersielt etablert, lider det av langsomme veksthastigheter på omtrent 0,3-0,5 mm/t. Å dyrke en 2 cm krystall tar omtrent 7 dager, med maksimale oppnåelige krystalllengder begrenset til 3-5 cm. Dette står i sterk kontrast til silisiumkrystallvekst, der boule når 2-3m i høyden innen 72 timer, med diametre som når 6-8 tommer og til og med 12 tommer i nye anlegg. Dette avviket begrenser SiC-bardiametrene, vanligvis fra 4 til 6 tommer.

Mens Physical Vapor Transport (PVT) dominerer kommersiell SiC-krystallvekst, gir alternative metoder som High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD) og Liquid Phase Epitaxy (LPE) distinkte fordeler. Imidlertid er det avgjørende å overvinne deres begrensninger og forbedre vekstrater og krystallkvalitet for bredere SiC-industri.

Her er en sammenlignende oversikt over disse krystallvekstteknikkene:

(1) Fysisk damptransport (PVT):

Prinsipp: Bruker "sublimering-transport-rekrystallisering"-mekanismen for SiC-krystallvekst.

Prosess: Karbon- og silisiumpulver med høy renhet blandes i nøyaktige forhold. SiC-pulveret og en frøkrystall plasseres i bunnen og toppen av en digel i henholdsvis en vekstovn. Temperaturer som overstiger 2000 °C skaper en temperaturgradient, som får SiC-pulveret til å sublimere og omkrystallisere på frøkrystallen, og danner kulen.

Ulemper: Langsomme veksthastigheter (ca. 2 cm på 7 dager), mottakelighet for parasittreaksjoner som fører til høyere defekttettheter i den dyrkede krystallen.

(2) Kjemisk dampavsetning ved høy temperatur (HT-CVD):

Prinsipp: Ved temperaturer mellom 2000-2500°C innføres forløpergasser med høy renhet som silan, etan eller propan og hydrogen i et reaksjonskammer. Disse gassene brytes ned i høytemperatursonen, og danner gassformige SiC-forløpere som deretter avsettes og krystalliseres på en frøkrystall i sonen med lavere temperatur.

Fordeler: Muliggjør kontinuerlig krystallvekst, utnytter gassforløpere med høy renhet som resulterer i SiC-krystaller med høyere renhet med færre defekter.

Ulemper: Langsomme veksthastigheter (omtrent 0,4-0,5 mm/t), høye utstyrs- og driftskostnader, følsomhet for tilstopping av gassinnløp og -utløp.

(3) Liquid Phase Epitaxy (LPE):

(Selv om det ikke er inkludert i utdraget ditt, legger jeg til en kort oversikt over LPE for fullstendighetens skyld.)

Prinsipp: Bruker en "oppløsning-utfellingsmekanisme". Ved temperaturer fra 1400-1800°C løses karbon i en silisiumsmelte med høy renhet. SiC-krystaller feller ut av den overmettede løsningen når den avkjøles.

Fordeler: Lavere veksttemperaturer reduserer termiske spenninger under kjøling, noe som resulterer i lavere defekttettheter og høyere krystallkvalitet. Tilbyr betydelig raskere vekstrater sammenlignet med PVT.

Ulemper: Utsatt for metallforurensning fra digelen, begrenset i oppnåelige krystallstørrelser, primært begrenset til vekst i laboratorieskala.

Hver metode presenterer unike fordeler og begrensninger. Valg av den optimale vekstteknikken avhenger av spesifikke brukskrav, kostnadsbetraktninger og ønskede krystallegenskaper.

2. SiC Crystal Processing Utfordringer og løsninger:

Oppskjæring av oblat:SiCs hardhet, sprøhet og slitestyrke gjør skjæring utfordrende. Tradisjonell diamanttrådsaging er tidkrevende, bortkastet og kostbart. Løsningene inkluderer laserskjæring og kaldspalteteknikker for å forbedre kutteeffektiviteten og waferutbyttet.

Vaffeltynning:SiCs lave bruddseighet gjør den utsatt for sprekker under tynning, noe som hindrer jevn tykkelsesreduksjon. Nåværende teknikker er avhengig av rotasjonssliping, som lider av hjulslitasje og overflateskader. Avanserte metoder som ultrasonisk vibrasjonsassistert sliping og elektrokjemisk mekanisk polering utforskes for å øke materialfjerningshastigheten og minimere overflatedefekter.

3. Fremtidsutsikter:

Optimalisering av SiC-krystallvekst og wafer-behandling er avgjørende for utbredt SiC-adopsjon. Fremtidig forskning vil fokusere på å øke veksthastigheten, forbedre krystallkvaliteten og forbedre effektiviteten av waferprosessering for å frigjøre det fulle potensialet til dette lovende halvledermaterialet.**