Критичната улога на SiC супстратите и растот на кристалите во индустријата на полупроводници

Во рамките на синџирот на индустријата за силициум карбид (SiC), добавувачите на подлоги имаат значителен потпора, првенствено поради дистрибуцијата на вредноста.SiC подлогите сочинуваат 47% од вкупната вредност, проследени со епитаксијални слоеви со 23%, додека дизајнот и производството на уредот ги сочинуваат преостанатите 30%. Овој превртен синџир на вредности произлегува од високите технолошки бариери својствени за производството на подлогата и епитаксијата.

3 главни предизвици го мачат растот на подлогата на SiC:строги услови за раст, бавни стапки на раст и тешки кристалографски барања. Овие сложености придонесуваат за зголемена тешкотија на обработка, што на крајот резултира со ниски приноси на производи и високи трошоци. Понатаму, дебелината на епитаксијалниот слој и концентрацијата на допинг се критични параметри кои директно влијаат на перформансите на конечниот уред.

Процес на производство на супстрат SiC:

Синтеза на суровини:Прашокот од силициум и јаглерод со висока чистота внимателно се мешаат според специфичен рецепт. Оваа мешавина се подложува на реакција на висока температура (над 2000°C) за да се синтетизираат SiC честички со контролирана кристална структура и големина на честички. Последователните процеси на дробење, просејување и чистење даваат SiC прашок со висока чистота, погоден за раст на кристалите.

Кристален раст:Како најкритичен чекор во производството на подлогата со SiC, растот на кристалите ги диктира електричните својства на подлогата. Во моментов, методот за транспорт на физичка пареа (PVT) доминира во комерцијалниот раст на кристалите на SiC. Алтернативите вклучуваат високотемпературно хемиско таложење на пареа (HT-CVD) и Епитаксија во течна фаза (LPE), иако нивното комерцијално прифаќање останува ограничено.

Обработка на кристали:Оваа фаза вклучува трансформација на буловите SiC во полирани наполитанки преку низа прецизни чекори: обработка на ингот, сечење нафора, мелење, полирање и чистење. Секој чекор бара опрема и експертиза со висока прецизност, со што на крајот се обезбедува квалитетот и перформансите на конечниот SiC подлога.

1. Технички предизвици во растот на SiC кристалите:

Растот на SiC кристалите се соочува со неколку технички пречки:

Високи температури на раст:Над 2300°C, овие температури бараат строга контрола и на температурата и на притисокот во печката за раст.

Контрола на политипизам:SiC покажува над 250 политипови, при што 4H-SiC е најпосакуван за електронски апликации. Постигнувањето на овој специфичен политип бара прецизна контрола врз односот силикон-јаглерод, температурните градиенти и динамиката на протокот на гас за време на растот.

Бавна стапка на раст:PVT, иако комерцијално е основан, страда од бавни стапки на раст од приближно 0,3-0,5 mm/h. Одгледувањето на кристал од 2 см трае приближно 7 дена, со максимална достижна должина на кристалите ограничена на 3-5 см. Ова е во остра контраст со растот на силициумските кристали, каде што булите достигнуваат 2-3 метри во висина во рок од 72 часа, со дијаметри кои достигнуваат 6-8 инчи, па дури и 12 инчи во новите објекти. Ова несовпаѓање ги ограничува дијаметрите на инготите на SiC, кои обично се движат од 4 до 6 инчи.

Додека транспортот на физичка пареа (PVT) доминира во комерцијалниот раст на SiC кристалите, алтернативните методи како што се високотемпературно хемиско таложење на пареа (HT-CVD) и течна фаза на епитаксијата (LPE) нудат различни предности. Сепак, надминувањето на нивните ограничувања и подобрувањето на стапките на раст и квалитетот на кристалите се клучни за поширокото усвојување на SiC индустријата.

Еве компаративен преглед на овие техники за раст на кристалите:

(1) Физички транспорт на пареа (PVT):

Принцип: Го користи механизмот „сублимација-транспорт-рекристализација“ за раст на SiC кристалите.

Процес: Јаглеродните и силициумските прашоци со висока чистота се мешаат во прецизни соодноси. Прашокот SiC и кристалот од семето се ставаат на дното и на врвот на садот во рамките на печката за раст, соодветно. Температурите што надминуваат 2000°C создаваат температурен градиент, предизвикувајќи SiC прашокот да се сублимира и да се рекристализира на кристалот на семето, формирајќи го булот.

Недостатоци: бавни стапки на раст (приближно 2 см за 7 дена), подложност на паразитски реакции што доведуваат до поголема густина на дефекти во растениот кристал.

(2) Хемиско таложење на пареа со висока температура (HT-CVD):

Принцип: На температури помеѓу 2000-2500°C, прекурсорните гасови со висока чистота како што се силин, етан или пропан и водород се внесуваат во комората за реакција. Овие гасови се распаѓаат во зоната на висока температура, формирајќи гасовити SiC прекурсори кои последователно се таложат и кристализираат на семениот кристал во зоната со пониска температура.

Предности: Овозможува континуиран раст на кристалите, користи гасовити прекурсори со висока чистота што резултира со SiC кристали со поголема чистота со помалку дефекти.

Недостатоци: бавни стапки на раст (приближно 0,4-0,5 mm/h), високи трошоци за опрема и работа, подложност на затнување на влезовите и излезите за гас.

(3) Епитаксија во течна фаза (LPE):

(Иако не е вклучен во вашиот извадок, додавам краток преглед на LPE за комплетност.)

Принцип: Користи механизам „распуштање-врнежи“. На температури кои се движат од 1400-1800°C, јаглеродот се раствора во топење на силициум со висока чистота. SiC кристалите се таложат од презаситениот раствор додека се лади.

Предности: Пониските температури на раст ги намалуваат топлинските напрегања за време на ладењето, што резултира со помали густини на дефекти и повисок квалитет на кристалот. Нуди значително побрзи стапки на раст во споредба со PVT.

Недостатоци: Склони кон контаминација на метал од садот, ограничени во достижни големини на кристали, првенствено ограничени на раст во лабораториски размери.

Секој метод има уникатни предности и ограничувања. Изборот на техниката за оптимален раст зависи од специфичните барања за примена, трошоците и посакуваните карактеристики на кристалите.

2. Предизвици и решенија за обработка на SiC кристали:

Сечење нафора:Цврстината, кршливоста и отпорноста на триење на SiC го прават сечењето предизвик. Традиционалното пилање на дијамантска жица одзема време, расипничко и скапо. Решенијата вклучуваат ласерско сечење на коцки и техники на ладно разделување за да се подобри ефикасноста на сечењето и приносот на обландата.

Разредување на нафора:Ниската цврстина на фрактура на SiC го прави склон кон пукање за време на разредувањето, попречувајќи го рамномерното намалување на дебелината. Тековните техники се потпираат на ротационото брусење, кое страда од абење на тркалата и оштетување на површината. Се истражуваат напредни методи како брусење со помош на ултразвучни вибрации и електрохемиско механичко полирање за да се подобрат стапките на отстранување на материјалот и да се минимизираат дефектите на површината.

3. Идни изгледи:

Оптимизирањето на растот на SiC кристалите и обработката на нафора е од клучно значење за широко распространето усвојување на SiC. Идните истражувања ќе се фокусираат на зголемување на стапките на раст, подобрување на квалитетот на кристалите и подобрување на ефикасноста на обработка на нафора за да се отклучи целосниот потенцијал на овој ветувачки полупроводнички материјал.**