De cruciale rol van SiC-substraten en kristalgroei in de halfgeleiderindustrie

Binnen de siliciumcarbide (SiC)-industrieketen hebben substraatleveranciers een aanzienlijke invloed, voornamelijk vanwege de waardedistributie.SiC-substraten zijn goed voor 47% van de totale waarde, gevolgd door epitaxiale lagen met 23%, terwijl het ontwerp en de productie van apparaten de resterende 30% uitmaken. Deze omgekeerde waardeketen komt voort uit de hoogtechnologische barrières die inherent zijn aan de productie van substraten en epitaxiale lagen.

Er zijn drie grote uitdagingen die de groei van SiC-substraten teisteren:strenge groeiomstandigheden, langzame groeisnelheden en veeleisende kristallografische vereisten. Deze complexiteiten dragen bij aan grotere verwerkingsmoeilijkheden, wat uiteindelijk resulteert in lage productopbrengsten en hoge kosten. Bovendien zijn de dikte en de dopingconcentratie van de epitaxiale laag kritische parameters die een directe invloed hebben op de uiteindelijke prestaties van het apparaat.

SiC-substraatproductieproces:

Grondstoffensynthese:Hoogzuivere silicium- en koolstofpoeders worden volgens een specifiek recept minutieus gemengd. Dit mengsel ondergaat een reactie bij hoge temperatuur (boven 2000°C) om SiC-deeltjes met gecontroleerde kristalstructuur en deeltjesgrootte te synthetiseren. Daaropvolgende verbrijzel-, zeef- en reinigingsprocessen leveren zeer zuiver SiC-poeder op dat geschikt is voor kristalgroei.

Kristalgroei:Als de meest kritische stap bij de productie van SiC-substraten dicteert kristalgroei de elektrische eigenschappen van het substraat. Momenteel domineert de Physical Vapor Transport (PVT) -methode de commerciële SiC-kristalgroei. Alternatieven zijn onder meer High-Temperature Chemical Vapour Deposition (HT-CVD) en Liquid Phase Epitaxy (LPE), hoewel de commerciële toepassing ervan beperkt blijft.

Kristalverwerking:Deze fase omvat het transformeren van SiC-bollen in gepolijste wafels via een reeks nauwgezette stappen: verwerking van blokken, snijden van wafels, slijpen, polijsten en reinigen. Elke stap vereist apparatuur en expertise met hoge precisie, waardoor uiteindelijk de kwaliteit en prestaties van het uiteindelijke SiC-substraat worden gegarandeerd.

1. Technische uitdagingen bij de groei van SiC-kristallen:

De groei van SiC-kristallen wordt geconfronteerd met verschillende technische hindernissen:

Hoge groeitemperaturen:Boven de 2300°C maken deze temperaturen een strikte controle van zowel de temperatuur als de druk in de groeioven noodzakelijk.

Polytypisme Controle:SiC vertoont meer dan 250 polytypes, waarbij 4H-SiC het meest wenselijk is voor elektronische toepassingen. Het bereiken van dit specifieke polytype vereist nauwkeurige controle over de silicium-koolstofverhouding, temperatuurgradiënten en gasstroomdynamiek tijdens de groei.

Langzaam groeipercentage:Hoewel PVT commercieel ingeburgerd is, heeft het te lijden onder langzame groeisnelheden van ongeveer 0,3-0,5 mm/uur. Het kweken van een kristal van 2 cm duurt ongeveer 7 dagen, waarbij de maximaal haalbare kristallengte beperkt is tot 3-5 cm. Dit staat in schril contrast met de groei van siliciumkristallen, waarbij boules binnen 72 uur een hoogte van 2 tot 3 meter bereiken, met diameters van 6 tot 8 inch en zelfs 12 inch in nieuwe faciliteiten. Deze discrepantie beperkt de diameters van SiC-staven, doorgaans variërend van 4 tot 6 inch.

Terwijl Physical Vapor Transport (PVT) de commerciële SiC-kristalgroei domineert, bieden alternatieve methoden zoals High-Temperature Chemical Vapour Deposition (HT-CVD) en Liquid Phase Epitaxy (LPE) duidelijke voordelen. Het overwinnen van hun beperkingen en het verbeteren van de groeisnelheden en de kristalkwaliteit zijn echter cruciaal voor een bredere acceptatie door de SiC-industrie.

Hier is een vergelijkend overzicht van deze kristalgroeitechnieken:

(1) Fysisch damptransport (PVT):

Principe: Maakt gebruik van het “sublimatie-transport-herkristallisatie”-mechanisme voor de groei van SiC-kristallen.

Proces: Zeer zuivere koolstof- en siliciumpoeders worden in nauwkeurige verhoudingen gemengd. Het SiC-poeder en een entkristal worden respectievelijk op de bodem en de bovenkant van een smeltkroes in een groeioven geplaatst. Temperaturen boven de 2000°C creëren een temperatuurgradiënt, waardoor het SiC-poeder sublimeert en herkristalliseert op het entkristal, waardoor de boule wordt gevormd.

Nadelen: trage groeisnelheden (ongeveer 2 cm in 7 dagen), gevoeligheid voor parasitaire reacties die leiden tot hogere defectdichtheden in het gegroeide kristal.

(2) Chemische dampafzetting bij hoge temperaturen (HT-CVD):

Principe: Bij temperaturen tussen 2000-2500°C worden zeer zuivere precursorgassen zoals silaan, ethaan of propaan en waterstof in een reactiekamer gebracht. Deze gassen ontleden in de hogetemperatuurzone en vormen gasvormige SiC-voorlopers die zich vervolgens afzetten en kristalliseren op een entkristal in de lagere temperatuurzone.

Voordelen: Maakt continue kristalgroei mogelijk, maakt gebruik van zeer zuivere gasvoorlopers, wat resulteert in SiC-kristallen met een hogere zuiverheid en minder defecten.

Nadelen: trage groeisnelheden (ongeveer 0,4-0,5 mm/u), hoge apparatuur- en operationele kosten, gevoeligheid voor verstopping van gasinlaten en -uitlaten.

(3) Vloeistoffase-epitaxie (LPE):

(Hoewel dit niet is opgenomen in uw fragment, voeg ik voor de volledigheid een kort overzicht van LPE toe.)

Principe: Maakt gebruik van een “oplossing-precipitatie”-mechanisme. Bij temperaturen variërend van 1400-1800°C wordt koolstof opgelost in een zeer zuivere siliciumsmelt. SiC-kristallen slaan neer uit de oververzadigde oplossing terwijl deze afkoelt.

Voordelen: Lagere groeitemperaturen verminderen de thermische spanningen tijdens het afkoelen, wat resulteert in een lagere defectdichtheid en een hogere kristalkwaliteit. Biedt aanzienlijk snellere groeipercentages vergeleken met PVT.

Nadelen: Gevoelig voor metaalverontreiniging vanuit de smeltkroes, beperkt in haalbare kristalgroottes, voornamelijk beperkt tot groei op laboratoriumschaal.

Elke methode biedt unieke voordelen en beperkingen. Het selecteren van de optimale groeitechniek hangt af van specifieke toepassingsvereisten, kostenoverwegingen en gewenste kristaleigenschappen.

2. Uitdagingen en oplossingen voor SiC-kristalverwerking:

Wafel snijden:De hardheid, broosheid en slijtvastheid van SiC maken snijden een uitdaging. Traditioneel diamantdraadzagen is tijdrovend, verkwistend en kostbaar. Oplossingen zijn onder meer lasersnijden en koude splitstechnieken om de snij-efficiëntie en de wafelopbrengst te verbeteren.

Waferverdunning:De lage breuktaaiheid van SiC maakt het gevoelig voor scheuren tijdens het verdunnen, waardoor een uniforme diktevermindering wordt belemmerd. De huidige technieken zijn gebaseerd op rotatieslijpen, dat onderhevig is aan wielslijtage en oppervlakteschade. Geavanceerde methoden zoals ultrasoon trillingsondersteund slijpen en elektrochemisch mechanisch polijsten worden onderzocht om de materiaalverwijderingssnelheden te verbeteren en oppervlaktedefecten te minimaliseren.

3. Toekomstperspectief:

Het optimaliseren van SiC-kristalgroei en waferverwerking is cruciaal voor een wijdverspreide SiC-acceptatie. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het verhogen van de groeisnelheid, het verbeteren van de kristalkwaliteit en het verbeteren van de efficiëntie van de waferverwerking om het volledige potentieel van dit veelbelovende halfgeleidermateriaal te ontsluiten.**