Критическая роль подложек SiC и выращивания кристаллов в полупроводниковой промышленности

В отраслевой цепочке карбида кремния (SiC) поставщики подложек обладают значительными рычагами влияния, в первую очередь за счет распределения стоимости.Подложки SiC составляют 47% от общей стоимости, за ними следуют эпитаксиальные слои — 23%., а проектирование и производство устройств составляют оставшиеся 30%. Эта перевернутая цепочка создания стоимости обусловлена ​​высокими технологическими барьерами, присущими производству подложек и эпитаксиальных слоев.

Три основные проблемы, мешающие выращиванию подложек SiC:строгие условия роста, медленные скорости роста и жесткие кристаллографические требования. Эти сложности способствуют увеличению сложности обработки, что в конечном итоге приводит к низкому выходу продукта и высоким затратам. Кроме того, толщина эпитаксиального слоя и концентрация легирующих примесей являются критическими параметрами, напрямую влияющими на конечные характеристики устройства.

Процесс производства подложки SiC:

Синтез сырья:Порошки кремния и углерода высокой чистоты тщательно смешиваются по определенному рецепту. Эта смесь подвергается высокотемпературной реакции (выше 2000°C) для синтеза частиц SiC с контролируемой кристаллической структурой и размером частиц. Последующие процессы дробления, просеивания и очистки позволяют получить порошок SiC высокой чистоты, подходящий для выращивания кристаллов.

Рост кристаллов:Рост кристаллов, являющийся наиболее важным этапом в производстве подложек SiC, определяет электрические свойства подложки. В настоящее время метод физического переноса паров (PVT) доминирует в коммерческом выращивании кристаллов SiC. Альтернативы включают высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD) и жидкофазную эпитаксию (LPE), хотя их коммерческое внедрение остается ограниченным.

Обработка кристаллов:Этот этап включает в себя преобразование булей SiC в полированные пластины посредством ряда кропотливых этапов: обработки слитков, нарезки пластин, шлифования, полировки и очистки. Каждый этап требует высокоточного оборудования и опыта, что в конечном итоге обеспечивает качество и производительность конечной SiC-подложки.

1. Технические проблемы роста кристаллов SiC:

Рост кристаллов SiC сталкивается с несколькими техническими препятствиями:

Высокие температуры роста:Эти температуры, превышающие 2300°C, требуют строгого контроля как температуры, так и давления внутри ростовой печи.

Контроль политипизма:SiC имеет более 250 политипов, из которых 4H-SiC является наиболее подходящим для электронных приложений. Достижение этого конкретного политипа требует точного контроля над соотношением кремния и углерода, температурными градиентами и динамикой газового потока во время роста.

Медленный темп роста:PVT, хотя и является коммерчески признанным, страдает медленными темпами роста, составляющими примерно 0,3-0,5 мм/ч. Выращивание кристалла размером 2 см занимает примерно 7 дней, при этом максимально достижимая длина кристалла ограничена 3-5 см. Это резко контрастирует с ростом кристаллов кремния, когда були достигают 2-3 метров в высоту за 72 часа, а диаметр достигает 6-8 дюймов и даже 12 дюймов на новых объектах. Это несоответствие ограничивает диаметр слитков SiC, который обычно составляет от 4 до 6 дюймов.

В то время как физический перенос паров (PVT) доминирует в коммерческом выращивании кристаллов SiC, альтернативные методы, такие как высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD) и жидкофазная эпитаксия (LPE), предлагают явные преимущества. Однако преодоление их ограничений и повышение темпов роста и качества кристаллов имеют решающее значение для более широкого внедрения SiC-индустрии.

Вот сравнительный обзор этих методов выращивания кристаллов:

(1) Физический перенос паров (PVT):

Принцип: Использует механизм «сублимация-транспорт-рекристаллизация» для роста кристаллов SiC.

Процесс: порошки углерода и кремния высокой чистоты смешиваются в точных пропорциях. Порошок SiC и затравочный кристалл помещают соответственно на дно и верх тигля ростовой печи. Температуры, превышающие 2000°C, создают температурный градиент, в результате чего порошок SiC сублимируется и рекристаллизуется на затравочном кристалле, образуя булю.

Недостатки: Медленная скорость роста (около 2 см за 7 дней), подверженность паразитным реакциям, приводящим к более высокой плотности дефектов в выращенном кристалле.

(2) Высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD):

Принцип: при температуре 2000–2500°C в реакционную камеру вводятся газы-прекурсоры высокой чистоты, такие как силан, этан или пропан и водород. Эти газы разлагаются в зоне высоких температур, образуя газообразные предшественники SiC, которые впоследствии осаждаются и кристаллизуются на затравочном кристалле в зоне более низких температур.

Преимущества: Обеспечивает непрерывный рост кристаллов, использует газообразные предшественники высокой чистоты, что приводит к получению кристаллов SiC более высокой чистоты с меньшим количеством дефектов.

Недостатки: Медленные темпы роста (около 0,4-0,5 мм/ч), высокие затраты на оборудование и эксплуатацию, склонность к засорению входов и выходов газа.

(3) Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ):

(Хотя это и не включено в ваш отрывок, для полноты я добавляю краткий обзор LPE.)

Принцип: Использует механизм «растворения-осаждения». При температурах 1400-1800°С углерод растворяется в расплаве кремния высокой чистоты. Кристаллы SiC выпадают из пересыщенного раствора по мере его охлаждения.

Преимущества: более низкие температуры роста уменьшают термические напряжения во время охлаждения, что приводит к снижению плотности дефектов и повышению качества кристаллов. Предлагает значительно более высокие темпы роста по сравнению с PVT.

Недостатки: склонность к загрязнению металлами из тигля, ограниченный размер кристаллов, в основном ограниченный выращиванием в лабораторных масштабах.

Каждый метод имеет уникальные преимущества и ограничения. Выбор оптимального метода выращивания зависит от конкретных требований применения, соображений стоимости и желаемых характеристик кристалла.

2. Проблемы и решения обработки кристаллов SiC:

Нарезка вафель:Твердость, хрупкость и стойкость карбида кремния к истиранию усложняют нарезку. Традиционная резка алмазным канатом требует много времени, расточительна и дорогостояща. Решения включают в себя методы лазерной резки и холодного расщепления для повышения эффективности нарезки и выхода пластин.

Утончение пластины:Низкая вязкость разрушения SiC делает его склонным к растрескиванию при утончении, что препятствует равномерному уменьшению толщины. Современные методы основаны на ротационном шлифовании, которое подвержено износу кругов и повреждению поверхности. В настоящее время исследуются передовые методы, такие как ультразвуковое вибрационное шлифование и электрохимическая механическая полировка, для повышения скорости съема материала и минимизации дефектов поверхности.

3. Перспективы на будущее:

Оптимизация роста кристаллов SiC и обработки пластин имеет решающее значение для широкого внедрения SiC. Будущие исследования будут сосредоточены на увеличении скорости роста, улучшении качества кристаллов и повышении эффективности обработки пластин, чтобы раскрыть весь потенциал этого многообещающего полупроводникового материала.**