Yarımkeçiricilər Sənayesində SiC Substratların və Kristal Artımının Kritik Rolu

Silikon karbid (SiC) sənaye zəncirində substrat tədarükçüləri, ilk növbədə, dəyər paylanması səbəbindən əhəmiyyətli leverage saxlayırlar.SiC substratları ümumi dəyərin 47% -ni, epitaksial təbəqələr isə 23% -ni təşkil edir., cihazın dizaynı və istehsalı isə qalan 30%-ni təşkil edir. Bu tərs dəyər zənciri substrat və epitaksial təbəqə istehsalına xas olan yüksək texnoloji maneələrdən qaynaqlanır.

SiC substratının böyüməsi ilə bağlı 3 əsas problem:sərt böyümə şərtləri, yavaş böyümə sürətləri və tələb olunan kristalloqrafik tələblər. Bu mürəkkəbliklər emal çətinliklərinin artmasına kömək edir, nəticədə məhsulun aşağı məhsuldarlığı və yüksək xərclərlə nəticələnir. Bundan əlavə, epitaksial təbəqənin qalınlığı və dopinq konsentrasiyası son cihazın performansına birbaşa təsir edən kritik parametrlərdir.

SiC Substrat İstehsal Prosesi:

Xammal sintezi:Yüksək təmizlikdə olan silikon və karbon tozları xüsusi reseptə uyğun olaraq diqqətlə qarışdırılır. Bu qarışıq idarə olunan kristal quruluşu və hissəcik ölçüsü ilə SiC hissəciklərini sintez etmək üçün yüksək temperatur reaksiyasına (2000 ° C-dən yuxarı) məruz qalır. Sonrakı əzmə, ələkdən keçirmə və təmizləmə prosesləri kristal böyüməsi üçün uyğun olan yüksək təmizlikdə SiC tozunu verir.

Kristal artımı:SiC substratının istehsalında ən kritik addım olaraq, kristal böyüməsi substratın elektrik xüsusiyyətlərini diktə edir. Hal-hazırda, Fiziki Buxar Nəqliyyatı (PVT) üsulu ticarət SiC kristal artımında üstünlük təşkil edir. Alternativlərə Yüksək Temperaturda Kimyəvi Buxar Çöküntüsü (HT-CVD) və Maye Faza Epitaksisi (LPE) daxildir, baxmayaraq ki, onların kommersiya tətbiqi məhdud olaraq qalır.

Kristal Emalı:Bu mərhələ SiC bulyonlarının bir sıra incə addımlar vasitəsilə cilalanmış vaflilərə çevrilməsini əhatə edir: külçənin emalı, vafli dilimlənməsi, üyüdülməsi, cilalanması və təmizlənməsi. Hər bir addım yüksək dəqiqlikli avadanlıq və təcrübə tələb edir, nəticədə son SiC substratının keyfiyyətini və performansını təmin edir.

1. SiC Crystal Growth Texniki Çətinliklər:

SiC kristalının böyüməsi bir neçə texniki maneə ilə üzləşir:

Yüksək artım temperaturları:2300°C-dən yuxarı olan bu temperaturlar böyümə sobasında həm temperatur, həm də təzyiq üzərində ciddi nəzarət tələb edir.

Politipizmə Nəzarət:SiC 250-dən çox politip nümayiş etdirir, 4H-SiC elektron tətbiqlər üçün ən arzuolunandır. Bu spesifik politipə nail olmaq üçün böyümə zamanı silikon-karbon nisbəti, temperatur gradientləri və qaz axını dinamikası üzərində dəqiq nəzarət tələb olunur.

Yavaş artım sürəti:PVT, kommersiya baxımından qurulmuş olsa da, təxminən 0,3-0,5 mm/saat yavaş böyümə sürətindən əziyyət çəkir. 2 sm-lik bir kristalın böyüməsi təxminən 7 gün çəkir, maksimum əldə edilə bilən kristal uzunluğu 3-5 sm ilə məhdudlaşır. Bu, 72 saat ərzində 2-3 m hündürlüyə çatan, yeni qurğularda diametri 6-8 düym və hətta 12 düym olan silikon kristal böyüməsi ilə kəskin şəkildə ziddiyyət təşkil edir. Bu uyğunsuzluq SiC külçə diametrlərini məhdudlaşdırır, adətən 4 ilə 6 düym arasında dəyişir.

Fiziki Buxar Nəqliyyatı (PVT) kommersiya SiC kristal artımında üstünlük təşkil etsə də, Yüksək Temperaturda Kimyəvi Buxar Çöküntüsü (HT-CVD) və Maye Faza Epitaksisi (LPE) kimi alternativ üsullar fərqli üstünlüklər təklif edir. Bununla belə, onların məhdudiyyətlərini aradan qaldırmaq və artım templərini və kristal keyfiyyətini artırmaq SiC sənayesinin daha geniş tətbiqi üçün çox vacibdir.

Bu kristal böyümə üsullarının müqayisəli icmalı:

(1) Fiziki Buxar Nəqliyyatı (PVT):

Prinsip: SiC kristalının böyüməsi üçün "sublimasiya-nəqliyyat-yenidən kristallaşma" mexanizmindən istifadə edir.

Proses: Yüksək təmiz karbon və silikon tozları dəqiq nisbətlərdə qarışdırılır. SiC tozu və toxum kristalı, müvafiq olaraq, böyümə sobasının içərisindəki tigenin altına və yuxarısına yerləşdirilir. 2000°C-dən yuxarı olan temperaturlar temperatur qradiyenti yaradır, SiC tozunun sublimasiyasına və toxum kristalında yenidən kristallaşmasına səbəb olur və bula əmələ gəlir.

Çatışmazlıqlar: Yavaş böyümə sürətləri (7 gündə təxminən 2 sm), yetişən kristalda daha yüksək qüsur sıxlığına səbəb olan parazitar reaksiyalara həssaslıq.

(2) Yüksək temperaturda kimyəvi buxarın çökməsi (HT-CVD):

Prinsip: 2000-2500°C temperaturda silan, etan və ya propan və hidrogen kimi yüksək təmizlikli prekursor qazlar reaksiya kamerasına daxil edilir. Bu qazlar yüksək temperatur zonasında parçalanır, qaz halında olan SiC prekursorlarını əmələ gətirir və sonradan aşağı temperatur zonasında toxum kristalına çökür və kristallaşır.

Üstünlüklər: Kristalın davamlı böyüməsini təmin edir, yüksək saflıqda qaz prekursorlarından istifadə edir və nəticədə daha az qüsurlu daha yüksək təmizlik SiC kristalları əldə edilir.

Dezavantajlar: Yavaş artım templəri (təxminən 0,4-0,5 mm/saat), yüksək avadanlıq və əməliyyat xərcləri, qaz giriş və çıxışlarının tıxanmasına həssaslıq.

(3) Maye Faza Epitaksiyası (LPE):

(Çıxarışınıza daxil olmasa da, tamlıq üçün LPE-nin qısa icmalını əlavə edirəm.)

Prinsip: “həlletmə-çökmə” mexanizmindən istifadə edir. 1400-1800°C arasında dəyişən temperaturlarda karbon yüksək təmizlikli silikon əriməsində həll olunur. SiC kristalları soyuduqca həddindən artıq doymuş məhluldan çökür.

Üstünlüklər: Aşağı böyümə temperaturları soyutma zamanı termal stressləri azaldır, nəticədə daha az qüsur sıxlığı və daha yüksək kristal keyfiyyəti əldə edilir. PVT ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə daha sürətli artım templəri təklif edir.

Dezavantajlar: Titadan metal çirklənməsinə meyllidir, əldə edilə bilən kristal ölçüləri ilə məhdudlaşır, ilk növbədə laboratoriya miqyasında böyümə ilə məhdudlaşır.

Hər bir metodun özünəməxsus üstünlükləri və məhdudiyyətləri var. Optimal böyümə texnikasının seçilməsi xüsusi tətbiq tələblərindən, qiymət mülahizələrindən və istənilən kristal xüsusiyyətlərindən asılıdır.

2. SiC Crystal Processing Problemləri və Həllləri:

Gofret dilimləmə:SiC-nin sərtliyi, kövrəkliyi və aşınma müqaviməti dilimləməni çətinləşdirir. Ənənəvi almaz məftillərin kəsilməsi vaxt aparan, israfçı və bahalıdır. Həlllərə dilimləmə səmərəliliyini və vafli məhsuldarlığını artırmaq üçün lazerlə kəsmə və soyuq parçalama üsulları daxildir.

Gofretin İncəlməsi:SiC-nin aşağı qırılma möhkəmliyi onu nazikləşdirmə zamanı çatlamağa meyilli edir, qalınlığın vahid azalmasına mane olur. Mövcud üsullar təkərlərin aşınmasından və səthin zədələnməsindən əziyyət çəkən fırlanma daşlamaya əsaslanır. Materialın çıxarılması sürətini artırmaq və səth qüsurlarını minimuma endirmək üçün ultrasəs vibrasiyalı daşlama və elektrokimyəvi mexaniki cilalama kimi qabaqcıl üsullar araşdırılır.

3. Gələcəyə baxış:

SiC kristal artımının və vafli emalının optimallaşdırılması SiC-nin geniş yayılması üçün çox vacibdir. Gələcək tədqiqatlar bu perspektivli yarımkeçirici materialın bütün potensialını açmaq üçün artım templərinin artırılmasına, kristal keyfiyyətinin yaxşılaşdırılmasına və vafli emal səmərəliliyinin artırılmasına yönəldiləcək.**