SiC Substratuen eta Kristalen Hazkundearen eginkizun kritikoa erdieroaleen industrian

Silizio karburoaren (SiC) industria-katearen barruan, substratu hornitzaileek palanka handia dute, batez ere balio-banaketaren ondorioz.SiC substratuek balio osoaren % 47 hartzen dute, eta ondoren, geruza epitaxialak % 23an., gailuen diseinua eta fabrikazioa gainerako %30a osatzen duten bitartean. Alderantzizko balio-kate hau substratuaren eta geruza epitaxialaren ekoizpenaren berezko oztopo teknologiko handietatik dator.

3 erronka nagusiek SiC substratuaren hazkundea eragiten dute:hazkunde-baldintza zorrotzak, hazkunde-tasa motelak eta eskakizun kristalografiko zorrotzak. Konplexutasun hauek prozesatzeko zailtasunak areagotzen laguntzen dute, azken finean, produktuaren etekin baxua eta kostu handiak eragiten dituzte. Gainera, geruza epitaxialaren lodiera eta dopin-kontzentrazioa gailuaren azken errendimenduan zuzenean eragiten duten parametro kritikoak dira.

SiC substratua fabrikatzeko prozesua:

Lehengaien sintesia:Garbitasun handiko silizioa eta karbono hautsak arretaz nahasten dira errezeta zehatz baten arabera. Nahasketa honek tenperatura altuko erreakzio bat jasaten du (2000 °C-tik gorakoa) kristal egitura eta partikulen tamaina kontrolatua duten SiC partikulak sintetizatzeko. Ondoren birrintzeko, bahetzeko eta garbitzeko prozesuek garbitasun handiko SiC hautsa lortzen dute kristalen hazkuntzarako egokia.

Kristalaren hazkundea:SiC substratuaren fabrikazioan urratsik kritikoena denez, kristalen hazkundeak substratuaren propietate elektrikoak agintzen ditu. Gaur egun, Lurrun Garraio Fisikoa (PVT) metodoa da nagusi SiC kristalen hazkunde komertziala. Alternatibak Tenperatura Altuko Lurrun Kimikoen Deposizioa (HT-CVD) eta Fase Likidoaren Epitaxia (LPE) dira, nahiz eta haien harrera komertziala mugatua izan.

Kristal prozesatzea:Etapa honek SiC bolak leundutako obleak bihurtzea dakar urrats zehatz batzuen bidez: lingoteen prozesatzea, obleak zatitzea, ehotzea, leuntzea eta garbitzea. Urrats bakoitzak doitasun handiko ekipamendu eta esperientzia eskatzen du, azken finean, azken SiC substratuaren kalitatea eta errendimendua bermatuz.

1. Erronka teknikoak SiC Crystal Growth-en:

SiC kristalen hazkundeak hainbat oztopo tekniko ditu:

Hazkunde handiko tenperaturak:2300 °C-tik gorakoak, tenperatura hauek hazkuntza-labearen tenperaturaren eta presioaren kontrol zorrotza behar dute.

Politipismoaren kontrola:SiC-k 250 politipo baino gehiago erakusten ditu, 4H-SiC aplikazio elektronikoetarako desiragarriena izanik. Politipo espezifiko hori lortzeak silizio-karbono erlazioaren, tenperatura-gradienteen eta gas-fluxuaren dinamikaren kontrol zehatza eskatzen du hazkundean zehar.

Hazkunde motela:PVT, komertzialki ezarrita dagoen bitartean, gutxi gorabehera 0,3-0,5 mm/h-ko hazkunde-tasa motela jasaten du. 2 cm-ko kristal bat hazteak 7 egun behar ditu gutxi gorabehera, eta lor daitezkeen kristalen gehienezko luzera 3-5 cm-ra mugatuta dago. Honek guztiz kontrastatzen du siliziozko kristalen hazkundearekin, non bolak 2-3 m-ko altuera lortzen baitu 72 ordutan, diametroak 6-8 hazbetekoak eta 12 hazbetekoak ere iristen dituzten instalazio berrietan. Desadostasun horrek SiC lingoteen diametroak mugatzen ditu, normalean 4 eta 6 hazbete artekoak.

Lurrun Garraio Fisikoa (PVT) SiC kristalen hazkunde komertziala nagusi den arren, Tenperatura Altuko Lurrun Kimikoen Deposizioa (HT-CVD) eta Fase Likidoaren Epitaxia (LPE) bezalako metodo alternatiboek abantaila desberdinak eskaintzen dituzte. Hala ere, haien mugak gainditzea eta hazkunde-tasak eta kristalaren kalitatea hobetzea funtsezkoak dira SiC industriaren adopzio zabalagorako.

Hona hemen kristalen hazteko teknika hauen ikuspegi konparatiboa:

(1) Lurrun-garraio fisikoa (PVT):

Printzipioa: SiC kristalen hazkuntzarako "sublimazio-garraio-birkristalizazio" mekanismoa erabiltzen du.

Prozesua: purutasun handiko karbono eta silizio hautsak proportzio zehatzetan nahasten dira. SiC hautsa eta hazi-kristal bat arragoa baten behealdean eta goiko aldean jartzen dira hazkuntza-labe baten barruan, hurrenez hurren. 2000 °C-tik gorako tenperaturek tenperatura-gradiente bat sortzen dute, SiC hautsa sublimatu eta hazi-kristalaren gainean birkristalizatu eta bola osatuz.

Eragozpenak: Hazkuntza-tasa motelak (2 cm inguru 7 egunetan), hazitako kristalean akats-dentsitate handiagoak eragiten dituen erreakzio parasitoekiko suszeptibilitatea.

(2) Tenperatura handiko lurrun kimikoen deposizioa (HT-CVD):

Printzipioa: 2000-2500°C arteko tenperaturetan, silanoa, etanoa edo propanoa bezalako purutasun handiko gas aitzindariak eta hidrogenoa sartzen dira erreakzio-ganbera batean. Gas hauek tenperatura altuko eremuan deskonposatzen dira, eta gero tenperatura baxuko zonan hazi-kristal batean metatzen eta kristalizatzen diren SiC aitzindari gaseosoak eratuz.

Abantailak: kristalen etengabeko hazkuntza ahalbidetzen du, purutasun handiko gas-aitzindariak erabiltzen ditu, eta ondorioz, purutasun handiagoko SiC kristalak akats gutxiagorekin.

Eragozpenak: Hazkuntza-tasa motelak (0,4-0,5 mm/h gutxi gorabehera), ekipamendu eta funtzionamendu-kostu handiak, gasaren sarrera eta irteerak oztopatzeko suszeptibilitatea.

(3) Fase Likidoaren Epitaxia (LPE):

(Zure zatian sartzen ez den arren, osotasunerako LPEren ikuspegi labur bat gehitzen ari naiz.)

Printzipioa: "disoluzio-prezipitazio" mekanismoa erabiltzen du. 1400-1800 °C bitarteko tenperaturan, karbonoa purutasun handiko silizio urtu batean disolbatzen da. SiC kristalak hoztu ahala disoluzio gainsaturatutik hauspeatzen dira.

Abantailak: hazkuntza-tenperatura baxuagoek tentsio termikoak murrizten dituzte hoztean, eta ondorioz, akatsen dentsitate txikiagoak eta kristalen kalitate handiagoak dira. Hazkunde tasa nabarmen azkarragoak eskaintzen ditu PVTrekin alderatuta.

Eragozpenak: arragoaren metalak kutsatzeko joera duena, lor daitezkeen kristalen tamaina mugatua, batez ere laborategi-eskalako hazkuntzara mugatuta.

Metodo bakoitzak abantaila eta muga bereziak ditu. Hazkuntza-teknika optimoa hautatzea aplikazioaren eskakizun espezifikoen, kostuen kontuen eta nahi diren kristalen ezaugarrien araberakoa da.

2. SiC Crystal Prozesatzeko erronkak eta irtenbideak:

Ostia moztea:SiC-ren gogortasuna, hauskortasuna eta urradura-erresistentzia zaila da zatitzea. Diamantezko alanbre-zerratze tradizionalak denbora asko hartzen du, xahutzen du eta garestia da. Irtenbideen artean, laser bidezko dadoak eta hotzeko zatiketa teknikak sartzen dira zatiketaren eraginkortasuna eta obleen etekina hobetzeko.

Ostia mehetzea:SiC-ren hausturaren gogortasun baxuak mehetzean pitzadura izateko joera du, lodiera uniformearen murrizketa oztopatzen du. Egungo teknikak biraketa artezketan oinarritzen dira, gurpilen higadura eta gainazaleko kalteak jasaten dituena. Ultrasoinuen bibrazioekin lagundutako artezketa eta leunketa mekaniko elektrokimikoa bezalako metodo aurreratuak aztertzen ari dira materiala kentzeko tasak hobetzeko eta gainazaleko akatsak minimizatzeko.

3. Etorkizuneko aurreikuspenak:

SiC kristalen hazkundea eta obleen prozesamendua optimizatzea funtsezkoa da SiC hedatuago hartzeko. Etorkizuneko ikerketak hazkunde-tasak areagotzeari, kristalen kalitatea hobetzeari eta obleak prozesatzeko eraginkortasuna hobetzera bideratuko dira, etorkizun handiko material erdieroale honen potentzial osoa desblokeatzeko.**