SiC-substraattien ja kiteiden kasvun kriittinen rooli puolijohdeteollisuudessa

Piikarbidi (SiC) -teollisuusketjussa substraattien toimittajilla on merkittävä vipuvaikutus pääasiassa arvonjaon vuoksi.SiC-substraattien osuus kokonaisarvosta on 47 %, ja sen jälkeen epitaksiaaliset kerrokset 23 %., kun taas laitesuunnittelu ja valmistus muodostavat loput 30 %. Tämä käänteinen arvoketju johtuu korkeista teknologisista esteistä, jotka liittyvät substraattien ja epitaksiaalisten kerrosten valmistukseen.

Kolme suurta haastetta vaivaavat piikarbidialustan kasvua: stringent growth conditions, slow growth rates, and demanding crystallographic requirements. These complexities contribute to increased processing difficulty, ultimately resulting in low product yields and high costs. Furthermore, the epitaxial layer’s thickness and doping concentration are critical parameters directly impacting the final device performance.

SiC-substraatin valmistusprosessi:

Raaka-aineiden synteesi:Erittäin puhtaat pii- ja hiilijauheet sekoitetaan huolellisesti tietyn reseptin mukaan. Tämä seos käy läpi korkean lämpötilan reaktion (yli 2000 °C) piikarbidihiukkasten syntetisoimiseksi, joilla on kontrolloitu kiderakenne ja hiukkaskoko. Myöhemmät murskaus-, seulonta- ja puhdistusprosessit tuottavat erittäin puhdasta piikarbidijauhetta, joka sopii kiteen kasvattamiseen.

Kristallin kasvu:SiC-substraatin valmistuksen kriittisin vaihe on, että kiteen kasvu sanelee substraatin sähköiset ominaisuudet. Tällä hetkellä Physical Vapor Transport (PVT) -menetelmä hallitsee kaupallista piikarbidikiteiden kasvua. Vaihtoehtoja ovat korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HT-CVD) ja nestefaasiepitaksi (LPE), vaikka niiden kaupallinen käyttöönotto on edelleen rajallista.

Kiteenkäsittely:Tämä vaihe sisältää piikarbidikiekkojen muuntamisen kiillotetuiksi kiekoiksi useiden huolellisten vaiheiden avulla: harkon käsittely, kiekkojen viipalointi, hionta, kiillotus ja puhdistus. Jokainen vaihe vaatii erittäin tarkkoja laitteita ja asiantuntemusta, mikä varmistaa lopullisen piikarbidialustan laadun ja suorituskyvyn.

1. Tekniset haasteet piikarbidikiteiden kasvussa:

SiC-kiteiden kasvulla on useita teknisiä esteitä:

Korkeat kasvulämpötilat:Yli 2 300 °C:n lämpötilat edellyttävät tiukkaa lämpötilan ja paineen hallintaa kasvatusuunissa.

Polytypismin hallinta:SiC:llä on yli 250 polytyyppiä, joista 4H-SiC on halutuin elektronisissa sovelluksissa. Tämän erityisen polytyypin saavuttaminen vaatii tarkkaa pii-hiili-suhteen, lämpötilagradienttien ja kaasun virtausdynamiikan hallintaa kasvun aikana.

Hidas kasvuvauhti:Vaikka PVT on kaupallisesti vakiintunut, se kärsii hitaasta kasvusta, noin 0,3-0,5 mm/h. 2 cm:n kiteen kasvattaminen kestää noin 7 päivää, ja enimmäispituus on 3-5 cm. Tämä eroaa jyrkästi piikiteiden kasvusta, jossa petankkien korkeus on 2–3 metriä 72 tunnissa ja halkaisija saavuttaa 6–8 tuumaa ja jopa 12 tuumaa uusissa tiloissa. Tämä ero rajoittaa piikarbidin valanteen halkaisijat, jotka vaihtelevat tyypillisesti välillä 4-6 tuumaa.

Vaikka Physical Vapor Transport (PVT) hallitsee kaupallista piikarbidikiteiden kasvua, vaihtoehtoiset menetelmät, kuten korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HT-CVD) ja nestefaasiepitaksi (LPE), tarjoavat selviä etuja. Kuitenkin niiden rajoitusten voittaminen ja kasvunopeuden ja kiteiden laadun parantaminen ovat ratkaisevan tärkeitä piikarbidin laajemman käyttöönoton kannalta.

Tässä on vertaileva yleiskatsaus näistä kiteen kasvatustekniikoista:

(1) Fyysinen höyrynkuljetus (PVT):

Periaate: Käyttää "sublimaatio-kuljetus-uudelleenkiteytys" -mekanismia piikarbidikiteiden kasvattamiseen.

Prosessi: Erittäin puhtaita hiili- ja piijauheita sekoitetaan tarkoissa suhteissa. Piikarbidijauhe ja siemenkide asetetaan upokkaan pohjalle ja yläosaan kasvatusuunissa, vastaavasti. Yli 2 000 °C:n lämpötilat luovat lämpötilagradientin, jolloin piikarbidijauhe sublimoituu ja kiteytyy uudelleen siemenkiteelle, jolloin muodostuu boule.

Haitat: Hidas kasvunopeus (noin 2 cm 7 päivässä), alttius loisreaktioille, mikä johtaa suurempiin virhetiheyksiin kasvaneessa kiteessä.

(2) Korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HT-CVD):

Periaate: Lämpötiloissa 2000-2500°C reaktiokammioon johdetaan erittäin puhtaita esiastekaasuja, kuten silaania, etaania tai propaania ja vetyä. Nämä kaasut hajoavat korkean lämpötilan vyöhykkeellä muodostaen kaasumaisia ​​piikarbidiprekursoreita, jotka myöhemmin laskeutuvat ja kiteytyvät siemenkiteelle alemmassa lämpötilassa.

Edut: Mahdollistaa jatkuvan kiteiden kasvun, käyttää erittäin puhtaita kaasumaisia ​​esiasteita, mikä johtaa puhtaampiin SiC-kiteisiin, joissa on vähemmän vikoja.

Haitat: Hidas kasvunopeus (noin 0,4-0,5 mm/h), korkeat laite- ja käyttökustannukset, kaasun sisään- ja ulostulojen tukkeutumisherkkyys.

(3) Nestefaasiepitaksi (LPE):

(Vaikka se ei sisälly otteeseen, lisään lyhyen yleiskatsauksen LPE:stä täydellisyyden vuoksi.)

Periaate: Käyttää "liukenemis-saostumis" -mekanismia. Lämpötiloissa 1400-1800°C hiili liukenee erittäin puhtaaseen piisulaan. SiC-kiteet saostuvat ylikyllästyneestä liuoksesta sen jäähtyessä.

Edut: Alemmat kasvulämpötilat vähentävät lämpöjännitystä jäähdytyksen aikana, mikä johtaa pienempään virhetiheyteen ja korkeampaan kiteen laatuun. Tarjoaa huomattavasti nopeamman kasvun PVT:hen verrattuna.

Haitat: Alttia metallikontaminaatiolle upokasta, rajoitettu saavutettavissa oleva kidekoko, rajoittuu pääasiassa laboratoriomittakaavaiseen kasvuun.

Jokaisella menetelmällä on ainutlaatuiset edut ja rajoitukset. Optimaalisen kasvatustekniikan valinta riippuu erityisistä sovellusvaatimuksista, kustannusnäkökohdista ja halutuista kideominaisuuksista.

2. Piikarbidikiteiden käsittelyn haasteet ja ratkaisut:

Vohvelin viipalointi:SiC:n kovuus, hauraus ja kulutuskestävyys tekevät viipaloinnista haastavaa. Perinteinen timanttilangan sahaus on aikaa vievää, tuhlattavaa ja kallista. Ratkaisuihin kuuluvat laserkuutioiminen ja kylmähalkaisutekniikat viipalointitehokkuuden ja kiekkojen tuoton parantamiseksi.

Kiekkojen ohennus:Piikarbidin alhainen murtolujuus tekee siitä alttiin halkeilulle ohentamisen aikana, mikä estää tasaisen paksuuden pienenemisen. Nykyiset tekniikat perustuvat rotaatiohiontaan, joka kärsii vanteiden kulumisesta ja pintavaurioista. Kehittyneitä menetelmiä, kuten ultraäänivärähtelyavusteista hiontaa ja sähkökemiallista mekaanista kiillotusta, tutkitaan materiaalin poistonopeuden parantamiseksi ja pintavirheiden minimoimiseksi.

3. Tulevaisuuden näkymät:

Piikarbidin kiteiden kasvun ja kiekkojen käsittelyn optimointi on ratkaisevan tärkeää piikarbidin laajalle käyttöönotolle. Tulevassa tutkimuksessa keskitytään kasvun lisäämiseen, kiteiden laadun parantamiseen ja kiekkojen käsittelyn tehostamiseen tämän lupaavan puolijohdemateriaalin täyden potentiaalin vapauttamiseksi.**