Ang Kritikal na Papel ng SiC Substrates at Crystal Growth sa Semiconductor Industry

Sa loob ng chain ng industriya ng silicon carbide (SiC), ang mga supplier ng substrate ay may malaking leverage, pangunahin dahil sa pamamahagi ng halaga.Ang mga substrate ng SiC ay nagkakahalaga ng 47% ng kabuuang halaga, na sinusundan ng mga epitaxial layer sa 23%, habang ang disenyo at pagmamanupaktura ng device ay bumubuo sa natitirang 30%. Ang inverted value chain na ito ay nagmumula sa mataas na teknolohikal na mga hadlang na likas sa paggawa ng substrate at epitaxial layer.

3 pangunahing hamon ang humahadlang sa paglaki ng substrate ng SiC:mahigpit na kondisyon ng paglago, mabagal na rate ng paglago, at hinihingi ang mga kinakailangan sa crystallographic. Ang mga kumplikadong ito ay nag-aambag sa pagtaas ng kahirapan sa pagproseso, sa huli ay nagreresulta sa mababang ani ng produkto at mataas na gastos. Higit pa rito, ang kapal ng epitaxial layer at konsentrasyon ng doping ay mga kritikal na parameter na direktang nakakaapekto sa panghuling pagganap ng device.

Proseso ng Paggawa ng SiC Substrate:

Synthesis ng Raw Material:Ang mga high-purity na silicon at carbon powder ay maingat na pinaghalo ayon sa isang partikular na recipe. Ang halo na ito ay sumasailalim sa isang mataas na temperatura na reaksyon (mahigit sa 2000°C) upang i-synthesize ang mga particle ng SiC na may kontroladong istraktura ng kristal at laki ng butil. Ang mga kasunod na proseso ng pagdurog, pagsasala, at paglilinis ay nagbubunga ng mataas na kadalisayan ng SiC powder na angkop para sa paglaki ng kristal.

Paglago ng Crystal:Bilang ang pinaka-kritikal na hakbang sa paggawa ng substrate ng SiC, ang paglaki ng kristal ay nagdidikta sa mga de-koryenteng katangian ng substrate. Sa kasalukuyan, ang paraan ng Physical Vapor Transport (PVT) ay nangingibabaw sa komersyal na paglaki ng kristal ng SiC. Kasama sa mga alternatibo ang High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD) at Liquid Phase Epitaxy (LPE), kahit na nananatiling limitado ang kanilang komersyal na paggamit.

Pagproseso ng Crystal:Ang yugtong ito ay nagsasangkot ng pagbabago ng SiC boule sa pinakintab na mga wafer sa pamamagitan ng isang serye ng mga masusing hakbang: pagpoproseso ng ingot, paghiwa ng wafer, paggiling, pag-polish, at paglilinis. Ang bawat hakbang ay nangangailangan ng mataas na katumpakan ng kagamitan at kadalubhasaan, sa huli ay tinitiyak ang kalidad at pagganap ng panghuling SiC substrate.

1. Mga Teknikal na Hamon sa SiC Paglago ng Crystal:

Ang paglago ng kristal ng SiC ay nahaharap sa ilang mga teknikal na hadlang:

Mataas na Temperatura ng Paglago:Lumalampas sa 2300°C, ang mga temperaturang ito ay nangangailangan ng mahigpit na kontrol sa parehong temperatura at presyon sa loob ng growth furnace.

Kontrol ng Polytypism:Nagpapakita ang SiC ng higit sa 250 polytypes, na ang 4H-SiC ang pinakakanais-nais para sa mga elektronikong aplikasyon. Ang pagkamit ng partikular na polytype na ito ay nangangailangan ng tumpak na kontrol sa silicon-to-carbon ratio, mga gradient ng temperatura, at dynamics ng daloy ng gas sa panahon ng paglaki.

Mabagal na Rate ng Paglago:Ang PVT, habang komersyal na itinatag, ay dumaranas ng mabagal na mga rate ng paglago na humigit-kumulang 0.3-0.5mm/h. Ang pagpapalaki ng 2cm na kristal ay tumatagal ng humigit-kumulang 7 araw, na may maximum na maaabot na haba ng kristal na limitado sa 3-5cm. Malaki ang kaibahan nito sa paglaki ng kristal na silikon, kung saan umabot sa 2-3m ang taas ng mga boule sa loob ng 72 oras, na may diameter na umaabot sa 6-8 pulgada at maging 12 pulgada sa mga bagong pasilidad. Nililimitahan ng pagkakaibang ito ang mga diameter ng SiC ingot, karaniwang mula 4 hanggang 6 na pulgada.

Habang nangingibabaw ang Physical Vapor Transport (PVT) sa komersyal na paglaki ng kristal ng SiC, ang mga alternatibong pamamaraan tulad ng High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD) at Liquid Phase Epitaxy (LPE) ay nag-aalok ng mga natatanging bentahe. Gayunpaman, ang pagtagumpayan sa kanilang mga limitasyon at pagpapahusay ng mga rate ng paglago at kalidad ng kristal ay mahalaga para sa mas malawak na paggamit ng industriya ng SiC.

Narito ang isang comparative overview ng mga crystal growth technique na ito:

(1) Physical Vapor Transport (PVT):

Prinsipyo: Ginagamit ang mekanismong "sublimation-transport-recrystallization" para sa paglaki ng SiC crystal.

Proseso: Ang mga high-purity na carbon at silicon na pulbos ay pinaghalo sa mga tumpak na ratio. Ang SiC powder at isang seed crystal ay inilalagay sa ibaba at itaas ng isang crucible sa loob ng isang growth furnace, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga temperaturang lumampas sa 2000°C ay lumilikha ng gradient ng temperatura, na nagiging sanhi ng pag-sublimate ng SiC powder at pagre-recrystallize sa seed crystal, na bumubuo ng boule.

Mga Kakulangan: Mabagal na mga rate ng paglago (humigit-kumulang 2cm sa loob ng 7 araw), pagkamaramdamin sa mga reaksiyong parasitiko na humahantong sa mas mataas na density ng depekto sa lumaking kristal.

(2) High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD):

Prinsipyo: Sa mga temperatura sa pagitan ng 2000-2500°C, ang mga high-purity na precursor na gas tulad ng silane, ethane o propane, at hydrogen ay ipinapasok sa isang reaction chamber. Ang mga gas na ito ay nabubulok sa high-temperature zone, na bumubuo ng mga gaseous na SiC precursor na kasunod na nagdedeposito at nag-kristal sa isang seed crystal sa lower temperature zone.

Mga Bentahe: Pinapagana ang tuluy-tuloy na paglaki ng kristal, gumagamit ng mga high-purity na gas na precursor na nagreresulta sa mas mataas na kadalisayan ng mga kristal na SiC na may mas kaunting mga depekto.

Mga Kakulangan: Mabagal na mga rate ng paglago (humigit-kumulang 0.4-0.5mm/h), mataas na kagamitan at mga gastos sa pagpapatakbo, madaling kapitan ng pagbabara ng mga inlet at outlet ng gas.

(3) Liquid Phase Epitaxy (LPE):

(Bagama't hindi kasama sa iyong sipi, nagdaragdag ako ng maikling pangkalahatang-ideya ng LPE para sa pagkakumpleto.)

Prinsipyo: Gumagamit ng mekanismong "dissolution-precipitation". Sa mga temperaturang mula 1400-1800°C, ang carbon ay natutunaw sa isang high-purity na silicon na melt. Ang mga kristal na SiC ay namuo mula sa supersaturated na solusyon habang ito ay lumalamig.

Mga Bentahe: Ang mas mababang temperatura ng paglago ay nakakabawas ng mga thermal stress sa panahon ng paglamig, na nagreresulta sa mas mababang density ng depekto at mas mataas na kalidad ng kristal. Nag-aalok ng makabuluhang mas mabilis na mga rate ng paglago kumpara sa PVT.

Mga Kakulangan: Mahilig sa kontaminasyon ng metal mula sa crucible, limitado sa mga naaabot na laki ng kristal, pangunahin na nakakulong sa paglaki ng laboratoryo.

Ang bawat pamamaraan ay nagpapakita ng mga natatanging pakinabang at limitasyon. Ang pagpili ng pinakamainam na diskarte sa paglago ay nakasalalay sa mga partikular na kinakailangan sa aplikasyon, mga pagsasaalang-alang sa gastos, at ninanais na mga katangian ng kristal.

2. Mga Hamon at Solusyon sa Pagproseso ng SiC Crystal:

Wafer Slicing:Ang tigas, brittleness, at abrasion resistance ng SiC ay ginagawang mahirap ang paghiwa. Ang tradisyunal na paglalagari ng diamante na wire ay nakakaubos ng oras, aksayado, at magastos. Kasama sa mga solusyon ang laser dicing at cold splitting techniques upang mapabuti ang kahusayan sa paghiwa at ani ng wafer.

Pagnipis ng Wafer:Ang mababang fracture toughness ng SiC ay nagiging prone nito sa pag-crack sa panahon ng pagnipis, na humahadlang sa pare-parehong pagbabawas ng kapal. Ang mga kasalukuyang pamamaraan ay umaasa sa rotational grinding, na dumaranas ng pagkasira ng gulong at pagkasira ng ibabaw. Ang mga advanced na pamamaraan tulad ng ultrasonic vibration-assisted grinding at electrochemical mechanical polishing ay ginagalugad upang mapahusay ang mga rate ng pag-alis ng materyal at mabawasan ang mga depekto sa ibabaw.

3. Pananaw sa Hinaharap:

Ang pag-optimize ng paglaki ng kristal ng SiC at pagpoproseso ng wafer ay mahalaga para sa malawakang paggamit ng SiC. Ang hinaharap na pananaliksik ay tututuon sa pagtaas ng mga rate ng paglago, pagpapabuti ng kalidad ng kristal, at pagpapahusay ng kahusayan sa pagpoproseso ng wafer upang ma-unlock ang buong potensyal ng promising semiconductor material na ito.**