Критична улога СиЦ супстрата и раста кристала у индустрији полупроводника

Унутар ланца индустрије силицијум карбида (СиЦ), добављачи супстрата имају значајну полугу, првенствено због дистрибуције вредности.СиЦ супстрати чине 47% укупне вредности, а следе епитаксијални слојеви са 23%, док дизајн и производња уређаја чине преосталих 30%. Овај обрнути ланац вредности потиче од високих технолошких баријера својствених производњи супстрата и епитаксијалних слојева.

3 главна изазова муче раст СиЦ супстрата:строги услови раста, споре стопе раста и захтевни кристалографски захтеви. Ове сложености доприносе повећању потешкоћа у преради, што на крају резултира ниским приносима производа и високим трошковима. Штавише, дебљина епитаксијалног слоја и концентрација допинга су критични параметри који директно утичу на коначни учинак уређаја.

Процес производње СиЦ супстрата:

Синтеза сировог материјала:Силицијум и угљенични прах високе чистоће се пажљиво мешају према специфичној рецептури. Ова смеша пролази кроз реакцију на високој температури (изнад 2000°Ц) да би се синтетизовале честице СиЦ са контролисаном кристалном структуром и величином честица. Накнадни процеси дробљења, просејавања и чишћења дају СиЦ прах високе чистоће погодан за раст кристала.

Раст кристала:Као најкритичнији корак у производњи СиЦ супстрата, раст кристала диктира електрична својства супстрата. Тренутно, метода физичког транспорта паре (ПВТ) доминира комерцијалним растом кристала СиЦ. Алтернативе укључују високотемпературно хемијско таложење паре (ХТ-ЦВД) и епитаксију течне фазе (ЛПЕ), иако је њихова комерцијална примена и даље ограничена.

Обрада кристала:Ова фаза укључује трансформацију СиЦ боула у полиране плочице кроз низ детаљних корака: обрада ингота, резање плочица, млевење, полирање и чишћење. Сваки корак захтева високу прецизну опрему и стручност, на крају обезбеђујући квалитет и перформансе коначног СиЦ супстрата.

1. Технички изазови у расту кристала СиЦ:

Раст кристала СиЦ суочава се са неколико техничких препрека:

Високе температуре раста:Прекорачење 2300°Ц, ове температуре захтевају строгу контролу и над температуром и притиском унутар пећи за раст.

Контрола политипизма:СиЦ има преко 250 политипова, при чему је 4Х-СиЦ најпожељнији за електронске апликације. Постизање овог специфичног политипа захтева прецизну контролу над односом силицијум-угљеник, температурним градијентима и динамиком протока гаса током раста.

Спора стопа раста:ПВТ, иако је комерцијално успостављен, пати од спорог раста од приближно 0,3-0,5 мм/х. Узгајање кристала од 2 цм траје отприлике 7 дана, а максималне могуће дужине кристала су ограничене на 3-5 цм. Ово је у оштрој супротности са растом кристала силицијума, где буле достижу висину од 2-3 м у року од 72 сата, са пречником од 6-8 инча, па чак и 12 инча у новим објектима. Ово неслагање ограничава пречнике СиЦ ингота, обично у распону од 4 до 6 инча.

Док физички транспорт паре (ПВТ) доминира комерцијалним растом кристала СиЦ, алтернативне методе као што су високотемпературно хемијско таложење паре (ХТ-ЦВД) и епитаксија течне фазе (ЛПЕ) нуде јасне предности. Међутим, превазилажење њихових ограничења и повећање стопе раста и квалитета кристала су кључни за шире усвајање СиЦ индустрије.

Ево упоредног прегледа ових техника раста кристала:

(1) Физички транспорт паре (ПВТ):

Принцип: Користи механизам „сублимација-транспорт-рекристализација” за раст кристала СиЦ.

Процес: Угљенични и силицијумски прах високе чистоће се мешају у прецизним односима. СиЦ прах и семенски кристал се постављају на дно и врх лончића унутар пећи за раст, респективно. Температуре које прелазе 2000°Ц стварају температурни градијент, узрокујући да прах СиЦ сублимира и рекристализује се на кристалу семена, формирајући буле.

Недостаци: Споре стопе раста (отприлике 2 цм за 7 дана), подложност паразитским реакцијама које доводе до веће густине дефеката у израслом кристалу.

(2) Високотемпературно хемијско таложење паре (ХТ-ЦВД):

Принцип: На температурама између 2000-2500°Ц, прекурсорски гасови високе чистоће као што су силан, етан или пропан и водоник се уводе у реакциону комору. Ови гасови се разлажу у зони високе температуре, формирајући гасовите прекурсоре СиЦ који се потом таложе и кристалишу на кристалу семена у зони ниже температуре.

Предности: Омогућава континуирани раст кристала, користи гасовите прекурсоре високе чистоће што резултира кристалима СиЦ веће чистоће са мање дефеката.

Недостаци: Споре стопе раста (приближно 0,4-0,5 мм/х), високи трошкови опреме и рада, подложност зачепљењу улаза и излаза гаса.

(3) Епитаксија течне фазе (ЛПЕ):

(Иако није укључено у ваш извод, додајем кратак преглед ЛПЕ ради потпуности.)

Принцип: Користи механизам „растварање-таложење“. На температурама у распону од 1400-1800°Ц, угљеник се раствара у растопљеном силицијуму високе чистоће. Кристали СиЦ преципитирају из презасићеног раствора док се хлади.

Предности: Ниже температуре раста смањују термичка напрезања током хлађења, што резултира мањом густином дефеката и вишим квалитетом кристала. Нуди знатно брже стопе раста у поређењу са ПВТ-ом.

Недостаци: Склон контаминацији метала из лонца, ограничен на достижне величине кристала, првенствено ограничен на раст у лабораторији.

Сваки метод представља јединствене предности и ограничења. Избор оптималне технике раста зависи од специфичних захтева примене, разматрања трошкова и жељених карактеристика кристала.

2. Изазови и решења обраде СиЦ кристала:

Резање вафла:Тврдоћа, ломљивост и отпорност на хабање СиЦ-а чине резање изазовним. Традиционално тестерисање дијамантском жицом је дуготрајно, расипно и скупо. Решења укључују ласерско резање на коцкице и технике хладног цепања како би се побољшала ефикасност резања и принос вафла.

Разређивање вафла:Ниска жилавост СиЦ-а на лом чини га склоним пуцању током стањивања, ометајући равномерно смањење дебљине. Тренутне технике се ослањају на ротационо брушење, које пати од хабања точкова и оштећења површине. Напредне методе као што су ултразвучно брушење уз помоћ вибрација и електрохемијско механичко полирање се истражују како би се побољшале брзине уклањања материјала и минимизирали површински дефекти.

3. Будућа перспектива:

Оптимизација раста кристала СиЦ и обрада плочица је кључна за широко усвајање СиЦ. Будућа истраживања ће се фокусирати на повећање стопе раста, побољшање квалитета кристала и повећање ефикасности обраде плочица како би се откључао пуни потенцијал овог обећавајућег полупроводничког материјала.**