نقش حیاتی بسترهای SiC و رشد کریستال در صنعت نیمه هادی

در زنجیره صنعت کاربید سیلیکون (SiC)، تامین کنندگان بستر، اهرم قابل توجهی را در درجه اول به دلیل توزیع ارزش دارند.بسترهای SiC 47 درصد از ارزش کل را تشکیل می دهند و پس از آن لایه های همپایه با 23 درصد قرار دارند.، در حالی که طراحی و ساخت دستگاه 30٪ باقی مانده را تشکیل می دهد. این زنجیره ارزش معکوس از موانع تکنولوژیکی بالای ذاتی زیرلایه و تولید لایه همپایی ناشی می شود.

3 چالش اصلی رشد بستر SiC را تحت تأثیر قرار می دهد:شرایط رشد سختگیرانه، نرخ رشد آهسته، و نیازمندی های کریستالوگرافیک. این پیچیدگی ها به افزایش دشواری پردازش کمک می کند و در نهایت منجر به بازده محصول پایین و هزینه های بالا می شود. علاوه بر این، ضخامت لایه اپیتاکسیال و غلظت دوپینگ پارامترهای مهمی هستند که مستقیماً بر عملکرد دستگاه نهایی تأثیر می‌گذارند.

فرآیند تولید بستر SiC:

سنتز مواد خام:پودرهای سیلیکون و کربن با خلوص بالا طبق دستور العمل خاصی با دقت مخلوط می شوند. این مخلوط تحت یک واکنش دمای بالا (بالاتر از 2000 درجه سانتیگراد) برای سنتز ذرات SiC با ساختار بلوری کنترل شده و اندازه ذرات قرار می گیرد. فرآیندهای خرد کردن، الک و تمیز کردن بعدی پودر SiC با خلوص بالا را برای رشد کریستال تولید می کند.

رشد کریستال:به عنوان حیاتی ترین مرحله در ساخت بستر SiC، رشد کریستال خواص الکتریکی زیرلایه را دیکته می کند. در حال حاضر، روش حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT) بر رشد کریستال SiC تجاری غالب است. گزینه های جایگزین عبارتند از رسوب بخار شیمیایی با دمای بالا (HT-CVD) و اپیتاکسی فاز مایع (LPE)، اگرچه پذیرش تجاری آنها محدود است.

پردازش کریستال:این مرحله شامل تبدیل بولهای SiC به ویفرهای صیقلی از طریق یک سری مراحل دقیق است: پردازش شمش، برش ویفر، آسیاب، پرداخت و تمیز کردن. هر مرحله نیاز به تجهیزات و تخصص با دقت بالایی دارد که در نهایت کیفیت و عملکرد بستر نهایی SiC را تضمین می کند.

1. چالش های فنی در رشد کریستال SiC:

رشد کریستال SiC با چندین موانع فنی روبرو است:

دمای رشد بالا:بیش از 2300 درجه سانتیگراد، این دماها نیاز به کنترل دقیق دما و فشار در کوره رشد دارد.

کنترل چند تایپیسم:SiC بیش از 250 نوع پلی‌تیپ را نشان می‌دهد که 4H-SiC برای کاربردهای الکترونیکی مطلوب‌ترین است. دستیابی به این چند نوع خاص مستلزم کنترل دقیق نسبت سیلیکون به کربن، گرادیان دما و دینامیک جریان گاز در طول رشد است.

نرخ رشد آهسته:PVT، در حالی که به صورت تجاری تأسیس شده است، از نرخ رشد آهسته تقریباً 0.3-0.5 میلی متر در ساعت رنج می برد. رشد یک کریستال 2 سانتی متری تقریباً 7 روز طول می کشد و حداکثر طول کریستال قابل دستیابی محدود به 3-5 سانتی متر است. این به شدت با رشد کریستال سیلیکون در تضاد است، جایی که بولها در عرض 72 ساعت به 2-3 متر ارتفاع می رسند، با قطرهای 6-8 اینچ و حتی 12 اینچ در تاسیسات جدید. این اختلاف قطر شمش SiC را محدود می کند که معمولاً بین 4 تا 6 اینچ است.

در حالی که حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT) بر رشد کریستال SiC تجاری غالب است، روش‌های جایگزین مانند رسوب بخار شیمیایی با دمای بالا (HT-CVD) و اپیتاکسی فاز مایع (LPE) مزایای متمایزی را ارائه می‌دهند. با این حال، غلبه بر محدودیت‌ها و افزایش نرخ رشد و کیفیت کریستال برای پذیرش گسترده‌تر صنعت SiC بسیار مهم است.

در اینجا یک مرور مقایسه ای از این تکنیک های رشد کریستال آورده شده است:

(1) انتقال بخار فیزیکی (PVT):

اصل: از مکانیسم "تععید، انتقال، تبلور مجدد" برای رشد کریستال SiC استفاده می کند.

فرآیند: پودرهای کربن و سیلیکون با خلوص بالا در نسبت های دقیق مخلوط می شوند. پودر SiC و یک کریستال دانه به ترتیب در پایین و بالای یک بوته در داخل یک کوره رشد قرار می گیرند. دمای بیش از 2000 درجه سانتیگراد یک گرادیان دما ایجاد می کند و باعث می شود که پودر SiC تصعید شده و بر روی کریستال بذر تبلور مجدد پیدا کند و بوله را تشکیل دهد.

معایب: سرعت رشد آهسته (تقریباً 2 سانتی متر در 7 روز)، حساسیت به واکنش های انگلی که منجر به تراکم نقص بالاتر در کریستال رشد شده می شود.

(2) رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HT-CVD):

اصل: در دماهای بین 2000 تا 2500 درجه سانتی گراد، گازهای پیش ساز با خلوص بالا مانند سیلان، اتان یا پروپان و هیدروژن به محفظه واکنش وارد می شوند. این گازها در ناحیه با دمای بالا تجزیه می‌شوند و پیش‌سازهای گازی SiC را تشکیل می‌دهند که متعاقباً بر روی یک کریستال دانه در منطقه دمای پایین‌تر رسوب کرده و متبلور می‌شوند.

مزایا: رشد مداوم کریستال را فعال می کند، از پیش سازهای گازی با خلوص بالا استفاده می کند که منجر به کریستال های SiC با خلوص بالاتر با نقص کمتر می شود.

معایب: سرعت رشد آهسته (تقریباً 0.4-0.5 میلی متر در ساعت)، هزینه های بالای تجهیزات و عملیات، حساسیت به گرفتگی ورودی ها و خروجی های گاز.

(3) اپیتاکسی فاز مایع (LPE):

(در حالی که در گزیده شما گنجانده نشده است، من برای کامل شدن یک نمای کلی از LPE اضافه می کنم.)

اصل: مکانیزم «انحلال-رسوب» را به کار می گیرد. در دماهای 1400-1800 درجه سانتیگراد، کربن در مذاب سیلیکونی با خلوص بالا حل می شود. کریستال های SiC از محلول فوق اشباع در هنگام سرد شدن رسوب می کنند.

مزایا: دمای رشد پایین تر، تنش های حرارتی را در طول خنک شدن کاهش می دهد و در نتیجه تراکم نقص کمتر و کیفیت کریستال بالاتر می باشد. در مقایسه با PVT نرخ رشد قابل توجهی سریع تری ارائه می دهد.

معایب: مستعد آلودگی فلزی از بوته، محدود به اندازه بلورهای قابل دستیابی است که در درجه اول به رشد در مقیاس آزمایشگاهی محدود می شود.

هر روش دارای مزایا و محدودیت های منحصر به فردی است. انتخاب روش رشد بهینه به نیازهای کاربردی خاص، ملاحظات هزینه و ویژگی های کریستالی مورد نظر بستگی دارد.

2. چالش ها و راه حل های پردازش کریستال SiC:

برش ویفر:سختی، شکنندگی و مقاومت سایشی SiC، برش را چالش برانگیز می کند. اره سیم الماس سنتی وقت گیر، بیهوده و پرهزینه است. راه‌حل‌ها شامل روش‌های برش لیزری و تقسیم سرد برای بهبود راندمان برش و بازده ویفر است.

رقیق کردن ویفر:چقرمگی شکست پایین SiC آن را مستعد ترک خوردن در حین نازک شدن می‌کند و مانع کاهش ضخامت یکنواخت می‌شود. تکنیک های فعلی بر سنگ زنی چرخشی تکیه می کنند که از سایش چرخ و آسیب سطحی رنج می برد. روش‌های پیشرفته‌ای مانند سنگ‌زنی به کمک ارتعاش اولتراسونیک و پرداخت مکانیکی الکتروشیمیایی برای افزایش نرخ حذف مواد و به حداقل رساندن نقص‌های سطحی در حال بررسی هستند.

3. چشم انداز آینده:

بهینه سازی رشد کریستال SiC و پردازش ویفر برای پذیرش گسترده SiC بسیار مهم است. تحقیقات آینده بر افزایش نرخ رشد، بهبود کیفیت کریستال و افزایش کارایی پردازش ویفر برای باز کردن پتانسیل کامل این ماده نیمه هادی امیدوارکننده تمرکز خواهد کرد.**