SiC-substratens och kristalltillväxtens kritiska roll i halvledarindustrin

Inom industrikedjan för kiselkarbid (SiC) har substratleverantörer betydande inflytande, främst på grund av värdefördelning.SiC-substrat står för 47% av det totala värdet, följt av epitaxiella lager vid 23%, medan enhetsdesign och tillverkning utgör de återstående 30 %. Denna inverterade värdekedja härrör från de höga tekniska barriärerna som är inneboende för produktion av substrat och epitaxiallager.

3 stora utmaningar plågar tillväxten av SiC-substrat:stränga tillväxtförhållanden, långsamma tillväxthastigheter och krävande kristallografiska krav. Dessa komplexiteter bidrar till ökade bearbetningssvårigheter, vilket i slutändan resulterar i låga produktutbyten och höga kostnader. Dessutom är det epitaxiella lagrets tjocklek och dopningskoncentration kritiska parametrar som direkt påverkar enhetens slutliga prestanda.

SiC-substrattillverkningsprocess:

Råmaterialsyntes:Högrent kisel och kolpulver blandas noggrant enligt ett specifikt recept. Denna blandning genomgår en högtemperaturreaktion (över 2000°C) för att syntetisera SiC-partiklar med kontrollerad kristallstruktur och partikelstorlek. Efterföljande krossnings-, siktnings- och rengöringsprocesser ger högrent SiC-pulver lämpligt för kristalltillväxt.

Kristalltillväxt:Som det mest kritiska steget i SiC-substrattillverkning dikterar kristalltillväxt substratets elektriska egenskaper. För närvarande dominerar metoden Physical Vapor Transport (PVT) kommersiell SiC-kristalltillväxt. Alternativen inkluderar hög temperatur kemisk ångdeposition (HT-CVD) och flytande fas epitaxi (LPE), även om deras kommersiella användning är begränsad.

Kristallbearbetning:Detta steg involverar omvandling av SiC-bullar till polerade wafers genom en serie noggranna steg: götbearbetning, skivning av wafer, slipning, polering och rengöring. Varje steg kräver högprecisionsutrustning och expertis, vilket i slutändan säkerställer kvaliteten och prestandan hos det slutliga SiC-substratet.

1. Tekniska utmaningar i SiC Kristalltillväxt:

SiC-kristalltillväxt står inför flera tekniska hinder:

Höga tillväxttemperaturer:Överstigande 2300°C, kräver dessa temperaturer strikt kontroll över både temperatur och tryck i odlingsugnen.

Polytypism kontroll:SiC uppvisar över 250 polytyper, där 4H-SiC är den mest önskvärda för elektroniska applikationer. För att uppnå denna specifika polytyp krävs exakt kontroll över förhållandet kisel till kol, temperaturgradienter och gasflödesdynamik under tillväxt.

Långsam tillväxt:PVT, även om det är kommersiellt etablerat, lider av långsamma tillväxthastigheter på cirka 0,3-0,5 mm/h. Att odla en 2 cm kristall tar ungefär 7 dagar, med maximala kristalllängder begränsade till 3-5 cm. Detta står i skarp kontrast till kiselkristalltillväxt, där boule når 2-3 m i höjd inom 72 timmar, med diametrar som når 6-8 tum och till och med 12 tum i nya anläggningar. Denna avvikelse begränsar SiC-götdiametrar, vanligtvis från 4 till 6 tum.

Medan Physical Vapor Transport (PVT) dominerar kommersiell SiC-kristalltillväxt, erbjuder alternativa metoder som High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD) och Liquid Phase Epitaxy (LPE) distinkta fördelar. Men att övervinna deras begränsningar och öka tillväxthastigheten och kristallkvaliteten är avgörande för en bredare adoption av SiC-industrin.

Här är en jämförande översikt av dessa kristalltillväxttekniker:

(1) Fysisk ångtransport (PVT):

Princip: Använder mekanismen "sublimation-transport-recrystallization" för tillväxt av SiC-kristaller.

Process: Kol- och kiselpulver med hög renhet blandas i exakta förhållanden. SiC-pulvret och en frökristall placeras i botten respektive toppen av en degel i en tillväxtugn. Temperaturer som överstiger 2000°C skapar en temperaturgradient, vilket gör att SiC-pulvret sublimeras och omkristalliseras på frökristallen och bildar bulten.

Nackdelar: Långsam tillväxthastighet (ungefär 2 cm på 7 dagar), känslighet för parasitreaktioner som leder till högre defektdensiteter i den odlade kristallen.

(2) Kemisk ångdeposition vid hög temperatur (HT-CVD):

Princip: Vid temperaturer mellan 2000-2500°C införs högrena prekursorgaser som silan, etan eller propan och väte i en reaktionskammare. Dessa gaser sönderdelas i högtemperaturzonen och bildar gasformiga SiC-prekursorer som därefter avsätts och kristalliseras på en groddkristall i den lägre temperaturzonen.

Fördelar: Möjliggör kontinuerlig kristalltillväxt, använder högrena gasformiga prekursorer vilket resulterar i högre rena SiC-kristaller med färre defekter.

Nackdelar: Långsamma tillväxthastigheter (cirka 0,4-0,5 mm/h), höga utrustnings- och driftskostnader, känslighet för igensättning av gasinlopp och utlopp.

(3) Liquid Phase Epitaxi (LPE):

(Även om det inte ingår i ditt utdrag, lägger jag till en kort översikt av LPE för fullständighetens skull.)

Princip: Använder en "upplösning-utfällning"-mekanism. Vid temperaturer som sträcker sig från 1400-1800°C löses kol i en kiselsmälta med hög renhet. SiC-kristaller fälls ut ur den övermättade lösningen när den svalnar.

Fördelar: Lägre tillväxttemperaturer minskar termiska spänningar under kylning, vilket resulterar i lägre defektdensiteter och högre kristallkvalitet. Erbjuder betydligt snabbare tillväxt jämfört med PVT.

Nackdelar: Benägen för metallförorening från degeln, begränsad i möjliga kristallstorlekar, främst begränsad till tillväxt i laboratorieskala.

Varje metod har unika fördelar och begränsningar. Att välja den optimala tillväxttekniken beror på specifika applikationskrav, kostnadsöverväganden och önskade kristallegenskaper.

2. SiC Crystal Processing Utmaningar och lösningar:

Skivning av rån:SiC:s hårdhet, sprödhet och nötningsbeständighet gör skivningen utmanande. Traditionell diamanttrådsågning är tidskrävande, slösaktigt och kostsamt. Lösningarna inkluderar lasertärning och kallklyvningstekniker för att förbättra skärningseffektiviteten och waferutbytet.

Rånförtunning:SiC:s låga brottseghet gör det benäget att spricka under gallring, vilket hindrar jämn tjockleksreduktion. Nuvarande teknik bygger på rotationsslipning, som lider av hjulslitage och ytskador. Avancerade metoder som ultraljudsvibrationsassisterad slipning och elektrokemisk mekanisk polering undersöks för att förbättra materialavlägsningshastigheten och minimera ytdefekter.

3. Framtidsutsikter:

Att optimera SiC-kristalltillväxt och waferbearbetning är avgörande för en utbredd användning av SiC. Framtida forskning kommer att fokusera på att öka tillväxthastigheten, förbättra kristallkvaliteten och förbättra effektiviteten av waferbearbetningen för att frigöra den fulla potentialen hos detta lovande halvledarmaterial.**