Il ruolo critico dei substrati SiC e della crescita dei cristalli nell'industria dei semiconduttori

All’interno della catena industriale del carburo di silicio (SiC), i fornitori di substrati detengono un’influenza significativa, principalmente grazie alla distribuzione del valore.I substrati SiC rappresentano il 47% del valore totale, seguiti dagli strati epitassiali al 23%, mentre la progettazione e la produzione dei dispositivi costituiscono il restante 30%. Questa catena del valore invertita deriva dalle elevate barriere tecnologiche inerenti alla produzione del substrato e dello strato epitassiale.

3 sfide principali affliggono la crescita del substrato SiC:condizioni di crescita rigorose, tassi di crescita lenti e requisiti cristallografici impegnativi. Queste complessità contribuiscono ad aumentare le difficoltà di lavorazione, con conseguente bassa resa del prodotto e costi elevati. Inoltre, lo spessore dello strato epitassiale e la concentrazione del drogante sono parametri critici che influiscono direttamente sulle prestazioni del dispositivo finale.

Processo di produzione del substrato SiC:

Sintesi delle materie prime:Le polveri di silicio e carbonio di elevata purezza vengono miscelate meticolosamente secondo una ricetta specifica. Questa miscela subisce una reazione ad alta temperatura (superiore a 2000°C) per sintetizzare particelle di SiC con struttura cristallina e dimensione delle particelle controllate. I successivi processi di frantumazione, setacciatura e pulizia producono polvere di SiC di elevata purezza adatta alla crescita dei cristalli.

Crescita dei cristalli:Essendo la fase più critica nella produzione del substrato SiC, la crescita dei cristalli determina le proprietà elettriche del substrato. Attualmente, il metodo Physical Vapor Transport (PVT) domina la crescita dei cristalli SiC commerciali. Le alternative includono la deposizione chimica in fase vapore ad alta temperatura (HT-CVD) e l'epitassia in fase liquida (LPE), sebbene la loro adozione commerciale rimanga limitata.

Elaborazione del cristallo:Questa fase prevede la trasformazione delle boule di SiC in wafer lucidati attraverso una serie di passaggi meticolosi: lavorazione del lingotto, taglio del wafer, molatura, lucidatura e pulizia. Ogni fase richiede attrezzature e competenze di alta precisione, garantendo in definitiva la qualità e le prestazioni del substrato SiC finale.

1. Sfide tecniche nella crescita dei cristalli SiC:

La crescita dei cristalli SiC deve affrontare diversi ostacoli tecnici:

Temperature di crescita elevate:Superando i 2300°C, queste temperature richiedono un controllo rigoroso sia della temperatura che della pressione all'interno del forno di crescita.

Controllo del politipismo:Il SiC presenta oltre 250 politipi, di cui il 4H-SiC è il più desiderabile per le applicazioni elettroniche. Il raggiungimento di questo specifico politipo richiede un controllo preciso sul rapporto silicio-carbonio, sui gradienti di temperatura e sulla dinamica del flusso di gas durante la crescita.

Tasso di crescita lento:Il PVT, sebbene commercialmente affermato, soffre di tassi di crescita lenti di circa 0,3-0,5 mm/ora. La crescita di un cristallo di 2 cm richiede circa 7 giorni, con la lunghezza massima ottenibile dei cristalli limitata a 3-5 cm. Ciò contrasta nettamente con la crescita dei cristalli di silicio, dove le bocce raggiungono i 2-3 metri di altezza entro 72 ore, con diametri che raggiungono i 6-8 pollici e persino i 12 pollici nelle nuove strutture. Questa discrepanza limita i diametri dei lingotti SiC, che in genere vanno da 4 a 6 pollici.

Mentre il trasporto fisico del vapore (PVT) domina la crescita dei cristalli SiC commerciali, metodi alternativi come la deposizione chimica da vapore ad alta temperatura (HT-CVD) e l'epitassia in fase liquida (LPE) offrono vantaggi distinti. Tuttavia, superare i loro limiti e migliorare i tassi di crescita e la qualità dei cristalli sono cruciali per una più ampia adozione da parte del settore SiC.

Ecco una panoramica comparativa di queste tecniche di crescita dei cristalli:

(1) Trasporto fisico del vapore (PVT):

Principio: Utilizza il meccanismo di “sublimazione-trasporto-ricristallizzazione” per la crescita dei cristalli SiC.

Processo: le polveri di carbonio e silicio di elevata purezza vengono miscelate in rapporti precisi. La polvere di SiC e un cristallo seme vengono posti rispettivamente sul fondo e sulla sommità di un crogiolo all'interno di un forno di crescita. Temperature superiori a 2000°C creano un gradiente di temperatura, facendo sì che la polvere di SiC sublimi e si ricristallizzi sul cristallo seme, formando la boule.

Svantaggi: tassi di crescita lenti (circa 2 cm in 7 giorni), suscettibilità alle reazioni parassitarie che portano a densità di difetti più elevate nel cristallo cresciuto.

(2) Deposizione chimica in fase vapore ad alta temperatura (HT-CVD):

Principio: A temperature comprese tra 2000 e 2500°C, gas precursori di elevata purezza come silano, etano o propano e idrogeno vengono introdotti in una camera di reazione. Questi gas si decompongono nella zona ad alta temperatura, formando precursori gassosi di SiC che successivamente si depositano e cristallizzano su un seme di cristallo nella zona a temperatura più bassa.

Vantaggi: consente la crescita continua dei cristalli, utilizza precursori gassosi di elevata purezza che si traducono in cristalli SiC di purezza più elevata con meno difetti.

Svantaggi: tassi di crescita lenti (circa 0,4-0,5 mm/ora), attrezzature e costi operativi elevati, suscettibilità all'ostruzione degli ingressi e delle uscite del gas.

(3) Epitassia in fase liquida (LPE):

(Sebbene non sia inclusa nel tuo estratto, aggiungo una breve panoramica di LPE per completezza.)

Principio: utilizza un meccanismo di “dissoluzione-precipitazione”. A temperature comprese tra 1400 e 1800°C, il carbonio viene disciolto in una fusione di silicio di elevata purezza. I cristalli di SiC precipitano dalla soluzione sovrasatura mentre si raffredda.

Vantaggi: temperature di crescita più basse riducono gli stress termici durante il raffreddamento, con conseguente minore densità di difetti e maggiore qualità dei cristalli. Offre tassi di crescita significativamente più rapidi rispetto a PVT.

Svantaggi: incline alla contaminazione da metalli dal crogiolo, dimensioni limitate dei cristalli ottenibili, principalmente confinata alla crescita su scala di laboratorio.

Ciascun metodo presenta vantaggi e limiti unici. La scelta della tecnica di crescita ottimale dipende dai requisiti applicativi specifici, da considerazioni sui costi e dalle caratteristiche cristalline desiderate.

2. Sfide e soluzioni per la lavorazione dei cristalli SiC:

Affettare Wafer:La durezza, la fragilità e la resistenza all'abrasione del SiC rendono difficile l'affettatura. Il tradizionale taglio a filo diamantato è dispendioso in termini di tempo, dispendioso e costoso. Le soluzioni includono tecniche di taglio laser e divisione a freddo per migliorare l'efficienza di taglio e la resa dei wafer.

Assottigliamento dei wafer:La bassa tenacità alla frattura del SiC lo rende soggetto a fessurazioni durante l’assottigliamento, ostacolando una riduzione uniforme dello spessore. Le tecniche attuali si basano sulla rettifica rotazionale, che soffre di usura della mola e danni alla superficie. Si stanno esplorando metodi avanzati come la molatura assistita da vibrazioni ultrasoniche e la lucidatura meccanica elettrochimica per migliorare i tassi di rimozione del materiale e ridurre al minimo i difetti superficiali.

3. Prospettive future:

L’ottimizzazione della crescita dei cristalli SiC e dell’elaborazione dei wafer è fondamentale per un’adozione diffusa del SiC. La ricerca futura si concentrerà sull’aumento dei tassi di crescita, sul miglioramento della qualità dei cristalli e sul potenziamento dell’efficienza di elaborazione dei wafer per sbloccare l’intero potenziale di questo promettente materiale semiconduttore.**