Peranan Kritikal Substrat SiC dan Pertumbuhan Kristal dalam Industri Semikonduktor

Dalam rantaian industri silikon karbida (SiC), pembekal substrat memegang leverage yang ketara, terutamanya disebabkan oleh pengagihan nilai.Substrat SiC menyumbang 47% daripada jumlah nilai, diikuti oleh lapisan epitaxial pada 23%, manakala reka bentuk dan pembuatan peranti membentuk baki 30%. Rantaian nilai terbalik ini berpunca daripada halangan teknologi tinggi yang wujud kepada pengeluaran substrat dan lapisan epitaxial.

3 cabaran utama melanda pertumbuhan substrat SiC:keadaan pertumbuhan yang ketat, kadar pertumbuhan yang perlahan, dan memerlukan keperluan kristalografi. Kerumitan ini menyumbang kepada peningkatan kesukaran pemprosesan, akhirnya mengakibatkan hasil produk yang rendah dan kos yang tinggi. Tambahan pula, ketebalan lapisan epitaxial dan kepekatan doping adalah parameter kritikal yang secara langsung memberi kesan kepada prestasi peranti akhir.

Proses Pengilangan Substrat SiC:

Sintesis Bahan Mentah:Silikon dan serbuk karbon ketulenan tinggi dicampur dengan teliti mengikut resipi tertentu. Campuran ini mengalami tindak balas suhu tinggi (melebihi 2000°C) untuk mensintesis zarah SiC dengan struktur kristal terkawal dan saiz zarah. Proses penghancuran, penyaringan dan pembersihan seterusnya menghasilkan serbuk SiC ketulenan tinggi yang sesuai untuk pertumbuhan kristal.

Pertumbuhan Kristal:Sebagai langkah paling kritikal dalam pembuatan substrat SiC, pertumbuhan kristal menentukan sifat elektrik substrat. Pada masa ini, kaedah Pengangkutan Wap Fizikal (PVT) mendominasi pertumbuhan kristal SiC komersial. Alternatif termasuk Pemendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HT-CVD) dan Epitaksi Fasa Cecair (LPE), walaupun penggunaan komersialnya masih terhad.

Pemprosesan Kristal:Peringkat ini melibatkan penukaran boule SiC kepada wafer yang digilap melalui satu siri langkah yang teliti: pemprosesan jongkong, penghirisan wafer, pengisaran, penggilap dan pembersihan. Setiap langkah memerlukan peralatan dan kepakaran berketepatan tinggi, akhirnya memastikan kualiti dan prestasi substrat SiC akhir.

1. Cabaran Teknikal dalam Pertumbuhan Kristal SiC:

Pertumbuhan kristal SiC menghadapi beberapa halangan teknikal:

Suhu Pertumbuhan Tinggi:Melebihi 2300°C, suhu ini memerlukan kawalan ketat ke atas kedua-dua suhu dan tekanan dalam relau pertumbuhan.

Kawalan Politipisme:SiC mempamerkan lebih 250 politaip, dengan 4H-SiC menjadi yang paling diingini untuk aplikasi elektronik. Mencapai politaip khusus ini memerlukan kawalan yang tepat ke atas nisbah silikon kepada karbon, kecerunan suhu dan dinamik aliran gas semasa pertumbuhan.

Kadar Pertumbuhan Lambat:PVT, walaupun ditubuhkan secara komersial, mengalami kadar pertumbuhan perlahan kira-kira 0.3-0.5mm/j. Menumbuhkan kristal 2cm mengambil masa kira-kira 7 hari, dengan panjang kristal maksimum yang boleh dicapai terhad kepada 3-5cm. Ini sangat berbeza dengan pertumbuhan kristal silikon, di mana boule mencapai ketinggian 2-3m dalam masa 72 jam, dengan diameter mencapai 6-8 inci dan juga 12 inci dalam kemudahan baharu. Percanggahan ini mengehadkan diameter jongkong SiC, biasanya antara 4 hingga 6 inci.

Walaupun Pengangkutan Wap Fizikal (PVT) mendominasi pertumbuhan kristal SiC komersial, kaedah alternatif seperti Pemendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HT-CVD) dan Epitaksi Fasa Cecair (LPE) menawarkan kelebihan yang berbeza. Walau bagaimanapun, mengatasi had mereka dan meningkatkan kadar pertumbuhan serta kualiti kristal adalah penting untuk penggunaan industri SiC yang lebih luas.

Berikut ialah gambaran keseluruhan perbandingan teknik pertumbuhan kristal ini:

(1) Pengangkutan Wap Fizikal (PVT):

Prinsip: Menggunakan mekanisme "pemejalwapan-pengangkutan-penghabluran semula" untuk pertumbuhan kristal SiC.

Proses: Karbon ketulenan tinggi dan serbuk silikon dicampur dalam nisbah yang tepat. Serbuk SiC dan hablur benih diletakkan di bahagian bawah dan atas pijar dalam relau pertumbuhan, masing-masing. Suhu yang melebihi 2000°C mencipta kecerunan suhu, menyebabkan serbuk SiC menyublim dan mengkristal semula pada kristal benih, membentuk boule.

Kelemahan: Kadar pertumbuhan perlahan (kira-kira 2cm dalam 7 hari), mudah terdedah kepada tindak balas parasit yang membawa kepada kepadatan kecacatan yang lebih tinggi dalam kristal yang tumbuh.

(2) Pemendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HT-CVD):

Prinsip: Pada suhu antara 2000-2500°C, gas prekursor ketulenan tinggi seperti silane, etana atau propana, dan hidrogen dimasukkan ke dalam ruang tindak balas. Gas-gas ini terurai dalam zon suhu tinggi, membentuk prekursor SiC gas yang kemudiannya memendap dan menghablur pada hablur benih di zon suhu yang lebih rendah.

Kelebihan: Membolehkan pertumbuhan kristal berterusan, menggunakan prekursor gas ketulenan tinggi yang menghasilkan kristal SiC ketulenan yang lebih tinggi dengan kecacatan yang lebih sedikit.

Kelemahan: Kadar pertumbuhan yang perlahan (kira-kira 0.4-0.5mm/j), peralatan dan kos operasi yang tinggi, terdedah kepada penyumbatan saluran masuk dan alur keluar gas.

(3) Epitaksi Fasa Cecair (LPE):

(Walaupun tidak disertakan dalam petikan anda, saya menambah gambaran keseluruhan ringkas tentang LPE untuk kesempurnaan.)

Prinsip: Menggunakan mekanisme "pembubaran-kerpasan". Pada suhu antara 1400-1800°C, karbon dibubarkan dalam cair silikon ketulenan tinggi. Hablur SiC memendakan daripada larutan supertepu apabila ia sejuk.

Kelebihan: Suhu pertumbuhan yang lebih rendah mengurangkan tegasan haba semasa penyejukan, menghasilkan kepadatan kecacatan yang lebih rendah dan kualiti kristal yang lebih tinggi. Menawarkan kadar pertumbuhan yang jauh lebih pantas berbanding PVT.

Kelemahan: Terdedah kepada pencemaran logam daripada pijar, terhad dalam saiz kristal yang boleh dicapai, terutamanya terhad kepada pertumbuhan skala makmal.

Setiap kaedah memberikan kelebihan dan batasan yang unik. Memilih teknik pertumbuhan optimum bergantung pada keperluan aplikasi khusus, pertimbangan kos, dan ciri kristal yang dikehendaki.

2. Cabaran dan Penyelesaian Pemprosesan Kristal SiC:

Penghirisan Wafer:Kekerasan, kerapuhan dan rintangan lelasan SiC menjadikan penghirisan mencabar. Menggergaji dawai berlian tradisional memakan masa, membazir dan mahal. Penyelesaian termasuk pemotongan laser dan teknik pembelahan sejuk untuk meningkatkan kecekapan penghirisan dan hasil wafer.

Penipisan Wafer:Keliatan patah SiC yang rendah menjadikannya mudah retak semasa penipisan, menghalang pengurangan ketebalan seragam. Teknik semasa bergantung pada pengisaran putaran, yang mengalami kehausan roda dan kerosakan permukaan. Kaedah lanjutan seperti pengisaran berbantukan getaran ultrasonik dan penggilap mekanikal elektrokimia sedang diterokai untuk meningkatkan kadar penyingkiran bahan dan meminimumkan kecacatan permukaan.

3. Tinjauan Masa Depan:

Mengoptimumkan pertumbuhan kristal SiC dan pemprosesan wafer adalah penting untuk penggunaan SiC yang meluas. Penyelidikan masa depan akan menumpukan pada peningkatan kadar pertumbuhan, meningkatkan kualiti kristal dan meningkatkan kecekapan pemprosesan wafer untuk membuka kunci potensi penuh bahan semikonduktor yang menjanjikan ini.**