Жартылай өткізгіштер өнеркәсібіндегі SiC субстраттарының және кристалдардың өсуінің маңызды рөлі

Кремний карбиді (SiC) өнеркәсіп тізбегінде субстрат жеткізушілері ең алдымен құнды бөлуге байланысты айтарлықтай левереджге ие.SiC субстраттары жалпы мәннің 47% құрайды, одан кейін эпитаксиалды қабаттар 23% құрайды., ал құрылғының дизайны мен өндірісі қалған 30% құрайды. Бұл инверттелген құн тізбегі субстрат пен эпитаксиалды қабат өндірісіне тән жоғары технологиялық кедергілерден туындайды.

SiC субстратының өсуіне байланысты 3 негізгі мәселе:қатаң өсу жағдайлары, баяу өсу қарқыны және талап етілетін кристаллографиялық талаптар. Бұл күрделіліктер өңдеу қиындықтарының артуына ықпал етеді, сайып келгенде өнімнің төмен шығымдылығы мен жоғары шығындарға әкеледі. Сонымен қатар, эпитаксиалды қабаттың қалыңдығы мен қоспа концентрациясы құрылғының соңғы өнімділігіне тікелей әсер ететін маңызды параметрлер болып табылады.

SiC субстрат өндіру процесі:

Шикізат синтезі:Жоғары таза кремний мен көміртекті ұнтақтарды нақты рецепт бойынша мұқият араластырады. Бұл қоспа бақыланатын кристалдық құрылымы мен бөлшектердің өлшемі бар SiC бөлшектерін синтездеу үшін жоғары температуралық реакцияға (2000 ° C-тан жоғары) өтеді. Кейінгі ұсақтау, елеу және тазалау процестері кристалдардың өсуіне жарамды жоғары таза SiC ұнтағын береді.

Кристаллдың өсуі:SiC субстратын өндірудегі ең маңызды қадам ретінде кристалдың өсуі субстраттың электрлік қасиеттерін белгілейді. Қазіргі уақытта SiC кристалының коммерциялық өсуінде физикалық буларды тасымалдау (PVT) әдісі басым. Альтернативті нұсқаларға жоғары температурадағы химиялық булардың тұндыру (HT-CVD) және сұйық фазалық эпитаксия (LPE) кіреді, бірақ олардың коммерциялық қолданысы шектеулі болып қалады.

Кристалды өңдеу:Бұл кезең бірнеше мұқият қадамдар арқылы SiC буларын жылтыратылған пластинаға айналдыруды қамтиды: құйманы өңдеу, вафлиді кесу, ұнтақтау, жылтырату және тазалау. Әрбір қадам жоғары дәлдіктегі жабдық пен тәжірибені талап етеді, сайып келгенде, соңғы SiC субстратының сапасы мен өнімділігін қамтамасыз етеді.

1. SiC Crystal өсуіндегі техникалық қиындықтар:

SiC кристалының өсуі бірнеше техникалық кедергілерге тап болады:

Жоғары өсу температурасы:2300°C-тан асатын бұл температуралар өсу пешіндегі температура мен қысымды қатаң бақылауды қажет етеді.

Көп типті бақылау:SiC 250-ден астам политипті көрсетеді, 4H-SiC электрондық қосымшалар үшін ең қажет. Осы ерекше политипке қол жеткізу үшін кремний-көміртегі қатынасын, температура градиенттерін және өсу кезінде газ ағынының динамикасын дәл бақылау қажет.

Баяу өсу қарқыны:ПВТ коммерциялық тұрғыда құрылғанына қарамастан, шамамен 0,3-0,5 мм/сағ өсу қарқынынан зардап шегеді. 2 см кристалды өсіру шамамен 7 күнді алады, максималды қол жеткізуге болатын кристал ұзындығы 3-5 см-ге дейін шектеледі. Бұл кремний кристалының өсуіне қатты қарама-қайшы келеді, бұл жерде 72 сағат ішінде 2-3 м биіктікке жетеді, диаметрі жаңа қондырғыларда 6-8 дюймге және тіпті 12 дюймге жетеді. Бұл сәйкессіздік әдетте 4-6 дюйм аралығындағы SiC құйма диаметрлерін шектейді.

Физикалық будың тасымалдануы (PVT) коммерциялық SiC кристалының өсуіне басым болғанымен, жоғары температурадағы химиялық буларды тұндыру (HT-CVD) және сұйық фазалық эпитаксис (LPE) сияқты балама әдістер ерекше артықшылықтарды ұсынады. Дегенмен, олардың шектеулерін жеңу және өсу қарқыны мен кристалл сапасын арттыру SiC саласын кеңірек қабылдау үшін өте маңызды.

Міне, осы кристалды өсіру әдістеріне салыстырмалы шолу:

(1) Физикалық бу тасымалдау (PVT):

Принцип: SiC кристалының өсуі үшін «сублимация-тасымалдау-қайта кристалдану» механизмін пайдаланады.

Процесс: Жоғары таза көміртегі мен кремний ұнтақтары дәл арақатынаста араласады. SiC ұнтағы мен тұқымдық кристалды өсу пешінің ішіндегі тигельдің астыңғы және жоғарғы жағына орналастырады. 2000°C-ден асатын температура SiC ұнтағының сублимациялануына және тұқымдық кристалға қайта кристалдануына әкеліп соқтыратын температура градиентін тудырады, буль түзеді.

Кемшіліктері: баяу өсу қарқыны (7 күнде шамамен 2 см), өсірілген кристалдағы ақаулардың жоғары тығыздығына әкелетін паразиттік реакцияларға бейімділік.

(2) Жоғары температурадағы химиялық буларды тұндыру (HT-CVD):

Принцип: 2000-2500°C аралығындағы температурада силан, этан немесе пропан және сутегі сияқты тазалығы жоғары газдар реакция камерасына енгізіледі. Бұл газдар жоғары температура аймағында ыдырап, газ тәріздес SiC прекурсорларын түзеді, олар кейіннен төменгі температура аймағындағы тұқымдық кристалға шөгіп, кристалданады.

Артықшылықтары: Үздіксіз кристалдық өсуді қамтамасыз етеді, тазалығы жоғары газ тәрізді прекурсорларды пайдаланады, нәтижесінде ақаулары аз SiC кристалдарының тазалығы жоғары болады.

Кемшіліктері: баяу өсу қарқыны (шамамен 0,4-0,5 мм/сағ), жоғары жабдық және пайдалану шығындары, газдың кірістері мен шығыстарының бітелуіне бейімділік.

(3) Сұйық фазалық эпитаксия (LPE):

(Үзіндіге қосылмағанымен, толық болу үшін LPE туралы қысқаша шолуды қосамын.)

Принцип: «еріту-тұндыру» механизмін қолданады. 1400-1800°С аралығындағы температурада көміртегі жоғары таза кремний балқымасында ерітіледі. Суыған кезде аса қаныққан ерітіндіден SiC кристалдары тұнбаға түседі.

Артықшылықтары: Төменгі өсу температурасы салқындату кезінде термиялық кернеулерді азайтады, нәтижесінде ақаулардың тығыздығы төмендейді және кристалл сапасы жоғары болады. PVT салыстырғанда айтарлықтай жылдам өсу қарқынын ұсынады.

Кемшіліктері: тигельден металдың ластануына бейім, қол жететін кристалдық өлшемдермен шектелген, ең алдымен зертханалық масштабтағы өсумен шектелген.

Әрбір әдіс бірегей артықшылықтар мен шектеулерді ұсынады. Оңтайлы өсу әдісін таңдау нақты қолдану талаптарына, шығындарға және қажетті кристалдық сипаттамаларға байланысты.

2. SiC Crystal Processing қиындықтары мен шешімдері:

Вафельді кесу:SiC қаттылығы, сынғыштығы және тозуға төзімділігі кесуді қиындатады. Дәстүрлі алмас сымды аралау көп уақытты, ысырапты және шығынды талап етеді. Шешімдерге кесу тиімділігі мен пластинаның шығымдылығын арттыру үшін лазерлік кесу және суық бөлу әдістері кіреді.

Вафельді жұқарту:SiC-тің төмен сыну беріктігі оны жұқарту кезінде жарылып кетуге бейім етеді, бұл қалыңдықтың біркелкі төмендеуіне кедергі келтіреді. Ағымдағы әдістер дөңгелектің тозуынан және бетінің зақымдалуынан зардап шегетін айналмалы тегістеуге негізделген. Материалды кетіру жылдамдығын арттыру және бет ақауларын азайту үшін ультрадыбыстық діріл көмегімен тегістеу және электрохимиялық механикалық жылтырату сияқты жетілдірілген әдістер зерттелуде.

3. Болашаққа болжам:

SiC кристалының өсуін және пластинаны өңдеуді оңтайландыру SiC кеңінен қабылдау үшін өте маңызды. Болашақ зерттеулер өсу қарқынын арттыруға, кристалдардың сапасын жақсартуға және осы перспективалы жартылай өткізгіш материалдың толық әлеуетін ашу үшін пластинаны өңдеу тиімділігін арттыруға бағытталған.**