SiC-substraters og krystalvæksts kritiske rolle i halvlederindustrien

Inden for siliciumcarbid (SiC) industrikæden har substratleverandører betydelig indflydelse, primært på grund af værdifordeling.SiC-substrater tegner sig for 47% af den samlede værdi, efterfulgt af epitaksiale lag ved 23%, mens enhedsdesign og -fremstilling udgør de resterende 30 %. Denne omvendte værdikæde stammer fra de høje teknologiske barrierer, der er forbundet med produktion af substrat og epitaksiale lag.

3 store udfordringer plager SiC-substratvækst:stringente vækstbetingelser, langsomme vækstrater og krævende krystallografiske krav. Disse kompleksiteter bidrager til øget bearbejdningsbesvær, hvilket i sidste ende resulterer i lavt produktudbytte og høje omkostninger. Desuden er det epitaksiale lags tykkelse og dopingkoncentration kritiske parametre, der direkte påvirker den endelige enheds ydeevne.

SiC-substratfremstillingsproces:

Råmaterialesyntese:Højrent silicium og kulstofpulver blandes omhyggeligt efter en specifik opskrift. Denne blanding gennemgår en højtemperaturreaktion (over 2000°C) for at syntetisere SiC-partikler med kontrolleret krystalstruktur og partikelstørrelse. Efterfølgende knusnings-, sigte- og renseprocesser giver højrent SiC-pulver, der er egnet til krystalvækst.

Krystalvækst:Som det mest kritiske trin i SiC-substratfremstilling dikterer krystalvækst substratets elektriske egenskaber. I øjeblikket dominerer metoden med fysisk damptransport (PVT) kommerciel SiC-krystalvækst. Alternativer omfatter højtemperatur kemisk dampaflejring (HT-CVD) og væskefaseepitaxi (LPE), selvom deres kommercielle anvendelse er begrænset.

Krystalbehandling:Denne fase involverer transformation af SiC boules til polerede wafere gennem en række omhyggelige trin: ingotbehandling, wafer udskæring, slibning, polering og rengøring. Hvert trin kræver højpræcisionsudstyr og ekspertise, hvilket i sidste ende sikrer kvaliteten og ydeevnen af ​​det endelige SiC-substrat.

1. Tekniske udfordringer i SiC-krystalvækst:

SiC crystal growth faces several technical hurdles:

Høje væksttemperaturer:Overstiger 2300°C, kræver disse temperaturer stringent kontrol over både temperatur og tryk i vækstovnen.

Polytypisme kontrol:SiC udviser over 250 polytyper, hvor 4H-SiC er den mest ønskværdige til elektroniske applikationer. At opnå denne specifikke polytype kræver præcis kontrol over silicium-til-carbon-forholdet, temperaturgradienter og gasstrømningsdynamik under vækst.

Langsom vækstrate:Selvom PVT er kommercielt etableret, lider det af langsomme væksthastigheder på ca. 0,3-0,5 mm/t. Dyrkning af en 2 cm krystal tager omkring 7 dage, med maksimalt opnåelige krystallængder begrænset til 3-5 cm. Dette står i skarp kontrast til siliciumkrystalvækst, hvor boules når 2-3m i højden inden for 72 timer, med diametre på 6-8 tommer og endda 12 tommer i nye faciliteter. Denne uoverensstemmelse begrænser SiC barrediametre, typisk fra 4 til 6 tommer.

Mens Physical Vapor Transport (PVT) dominerer kommerciel SiC-krystalvækst, tilbyder alternative metoder som højtemperatur kemisk dampaflejring (HT-CVD) og Liquid Phase Epitaxy (LPE) klare fordele. At overvinde deres begrænsninger og forbedre vækstrater og krystalkvalitet er imidlertid afgørende for en bredere adoption af SiC-industrien.

Her er en sammenlignende oversigt over disse krystalvækstteknikker:

(1) Fysisk damptransport (PVT):

Princip: Anvender mekanismen "sublimation-transport-recrystallization" til SiC-krystalvækst.

Fremgangsmåde: Kulstof- og siliciumpulver med høj renhed blandes i præcise forhold. SiC-pulveret og en podekrystal placeres henholdsvis i bunden og toppen af ​​en digel i en vækstovn. Temperaturer, der overstiger 2000°C, skaber en temperaturgradient, hvilket får SiC-pulveret til at sublimere og omkrystallisere på frøkrystallen, hvilket danner boulen.

Ulemper: Langsomme væksthastigheder (ca. 2 cm på 7 dage), modtagelighed for parasitære reaktioner, der fører til højere defekttætheder i den dyrkede krystal.

(2) Kemisk dampaflejring ved høj temperatur (HT-CVD):

Princip: Ved temperaturer mellem 2000-2500°C indføres højrente forløbergasser som silan, ethan eller propan og hydrogen i et reaktionskammer. Disse gasser nedbrydes i højtemperaturzonen og danner gasformige SiC-prækursorer, der efterfølgende aflejres og krystalliseres på en frøkrystal i den lavere temperaturzone.

Fordele: Muliggør kontinuerlig krystalvækst, udnytter gasformige prækursorer med høj renhed, hvilket resulterer i SiC-krystaller med højere renhed med færre defekter.

Ulemper: Langsomme væksthastigheder (ca. 0,4-0,5 mm/h), høje udstyrs- og driftsomkostninger, modtagelighed for tilstopning af gasindtag og -udløb.

(3) Liquid Phase Epitaxy (LPE):

(Selv om det ikke er inkluderet i dit uddrag, tilføjer jeg en kort oversigt over LPE for fuldstændighedens skyld.)

Princip: Anvender en "opløsning-udfældnings"-mekanisme. Ved temperaturer fra 1400-1800°C opløses kulstof i en siliciumsmelte med høj renhed. SiC-krystaller præcipiterer ud af den overmættede opløsning, når den afkøles.

Fordele: Lavere væksttemperaturer reducerer termiske spændinger under afkøling, hvilket resulterer i lavere defekttætheder og højere krystalkvalitet. Tilbyder væsentligt hurtigere vækstrater sammenlignet med PVT.

Ulemper: Udsat for metalforurening fra diglen, begrænset i opnåelige krystalstørrelser, primært begrænset til vækst i laboratorieskala.

Hver metode præsenterer unikke fordele og begrænsninger. Valg af den optimale vækstteknik afhænger af specifikke anvendelseskrav, omkostningsovervejelser og ønskede krystalegenskaber.

2. SiC Crystal Processing Udfordringer og løsninger:

Wafer udskæring:SiCs hårdhed, skørhed og slidstyrke gør udskæring udfordrende. Traditionel diamanttrådssavning er tidskrævende, spild og dyr. Løsningerne omfatter laserskæring og koldspalteteknikker for at forbedre udskæringseffektiviteten og waferudbyttet.

Wafer udtynding:SiCs lave brudsejhed gør det tilbøjeligt til at revne under udtynding, hvilket forhindrer ensartet tykkelsesreduktion. Nuværende teknikker er afhængige af rotationsslibning, som lider af hjulslid og overfladeskader. Avancerede metoder som ultralydsvibrationsassisteret slibning og elektrokemisk mekanisk polering er ved at blive udforsket for at øge materialefjernelseshastigheden og minimere overfladefejl.

3. Fremtidsudsigter:

Optimering af SiC-krystalvækst og waferbehandling er afgørende for udbredt SiC-adoption. Fremtidig forskning vil fokusere på at øge vækstrater, forbedre krystalkvaliteten og forbedre waferbehandlingseffektiviteten for at frigøre det fulde potentiale af dette lovende halvledermateriale.**