Quali sono le sfide nella fabbricazione dei substrati SiC?

Man mano che la tecnologia dei semiconduttori si evolve e si aggiorna verso frequenze più elevate, temperature più elevate, potenza più elevata e perdite inferiori, il carburo di silicio si distingue come il principale materiale semiconduttore di terza generazione, sostituendo gradualmente i substrati di silicio convenzionali. I substrati in carburo di silicio offrono vantaggi distinti, come un bandgap più ampio, una maggiore conduttività termica, un'intensità del campo elettrico critico superiore e una maggiore mobilità degli elettroni, diventando l'opzione ideale per dispositivi ad alte prestazioni, alta potenza e ad alta frequenza in campi all'avanguardia come NEV, comunicazioni 5G, inverter fotovoltaici e aerospaziale.

Sfide nella fabbricazione di substrati in carburo di silicio di alta qualità

La produzione e la lavorazione di substrati di carburo di silicio di alta qualità comportano barriere tecniche estremamente elevate. Numerose sfide persistono durante l'intero processo, dalla preparazione delle materie prime alla fabbricazione del prodotto finito, che è diventato un fattore cruciale che ne limita l'applicazione su larga scala e il miglioramento industriale.

1. Sfide nella sintesi delle materie prime

Le materie prime di base per la crescita del monocristallo di carburo di silicio sono polvere di carbonio e polvere di silicio. Sono suscettibili alla contaminazione da impurità ambientali durante la loro sintesi e la rimozione di queste impurità è difficile. Queste impurità influiscono negativamente sulla qualità dei cristalli SiC a valle. Inoltre, la reazione incompleta tra la polvere di silicio e la polvere di carbonio può facilmente causare uno squilibrio nel rapporto Si/C, compromettendo la stabilità della struttura cristallina. La regolazione precisa della forma cristallina e della dimensione delle particelle nella polvere di SiC sintetizzata richiede un rigoroso trattamento post-sintesi, elevando così la barriera tecnica della preparazione della materia prima.

2. Sfide della crescita dei cristalli

La crescita del cristallo di carburo di silicio richiede temperature superiori a 2300 ℃, il che impone requisiti rigorosi alla resistenza alle alte temperature e alla precisione del controllo termico delle apparecchiature a semiconduttore. Diversamente dal silicio monocristallino, il carburo di silicio presenta tassi di crescita estremamente lenti. Ad esempio, utilizzando il metodo PVT, in sette giorni è possibile coltivare solo da 2 a 6 centimetri di cristallo di carburo di silicio. Ciò si traduce in una bassa efficienza produttiva per i substrati di carburo di silicio, limitando gravemente la capacità produttiva complessiva.  Inoltre, il carburo di silicio ha oltre 200 tipi di struttura cristallina, in cui sono utilizzabili solo pochi tipi di struttura come 4H-SiC. Pertanto, un controllo rigoroso dei parametri è essenziale per evitare inclusioni polimorfiche e garantire la qualità del prodotto.

3. Sfide nella lavorazione dei cristalli

Poiché la durezza del carburo di silicio è seconda solo a quella del diamante, il che aumenta notevolmente la difficoltà di taglio. Durante il processo di affettatura si verifica una significativa perdita di taglio, con un tasso di perdita che raggiunge circa il 40%, con conseguente efficienza di utilizzo del materiale estremamente bassa. A causa della sua bassa tenacità alla frattura, il carburo di silicio è soggetto a fessurazioni e scheggiature dei bordi durante la lavorazione di assottigliamento. Inoltre, i successivi processi di produzione dei semiconduttori impongono requisiti estremamente severi sulla precisione della lavorazione e sulla qualità superficiale dei substrati di carburo di silicio, in particolare per quanto riguarda ruvidità superficiale, planarità e deformazione. Ciò presenta notevoli sfide di lavorazione per l'assottigliamento, la molatura e la lucidatura dei substrati di carburo di silicio.

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