บทบาทที่สำคัญของพื้นผิว SiC และการเติบโตของคริสตัลในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

ภายในห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ซัพพลายเออร์ซับสเตรตมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ สาเหตุหลักมาจากการกระจายมูลค่าสารตั้งต้น SiC คิดเป็น 47% ของมูลค่าทั้งหมด ตามด้วยชั้น epitaxis ที่ 23%ในขณะที่การออกแบบและการผลิตอุปกรณ์คิดเป็นส่วนที่เหลืออีก 30% ห่วงโซ่คุณค่าแบบกลับด้านนี้เกิดขึ้นจากอุปสรรคทางเทคโนโลยีขั้นสูงที่มีอยู่ในการผลิตซับสเตรตและชั้นเอปิแอกเซียล

ความท้าทายหลัก 3 ประการที่รบกวนการเติบโตของสารตั้งต้น SiC:สภาวะการเติบโตที่เข้มงวด อัตราการเติบโตที่ช้า และข้อกำหนดด้านผลึกศาสตร์ที่มีความต้องการสูง ความซับซ้อนเหล่านี้ส่งผลให้ความยากลำบากในการประมวลผลเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ผลผลิตผลิตภัณฑ์ต่ำและมีต้นทุนสูงในที่สุด นอกจากนี้ ความหนาของชั้นอีปิเทเชียลและความเข้มข้นของสารโด๊ปยังเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย

กระบวนการผลิตพื้นผิว SiC:

การสังเคราะห์วัตถุดิบ:ผงซิลิกอนและคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงผสมอย่างพิถีพิถันตามสูตรเฉพาะ ส่วนผสมนี้ผ่านปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 2000°C) เพื่อสังเคราะห์อนุภาค SiC ด้วยโครงสร้างผลึกที่ควบคุมและขนาดอนุภาค กระบวนการบด กรอง และทำความสะอาดในเวลาต่อมาทำให้ได้ผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งเหมาะสำหรับการเติบโตของผลึก

การเติบโตของคริสตัล:เนื่องจากเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการผลิตซับสเตรต SiC การเติบโตของคริสตัลจะกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของซับสเตรต ในปัจจุบัน วิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) มีส่วนสำคัญต่อการเติบโตของผลึก SiC เชิงพาณิชย์ ทางเลือกอื่น ได้แก่ การตกสะสมไอสารเคมีอุณหภูมิสูง (HT-CVD) และ Epitaxy เฟสของเหลว (LPE) แม้ว่าการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ยังคงมีจำกัดก็ตาม

การประมวลผลคริสตัล:ขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนลูกเปตอง SiC ให้เป็นเวเฟอร์ขัดเงาด้วยขั้นตอนที่พิถีพิถันหลายขั้นตอน ได้แก่ การแปรรูปลิ่ม การหั่นเวเฟอร์ การบด การขัดเงา และการทำความสะอาด แต่ละขั้นตอนต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำสูงและความเชี่ยวชาญ เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพและประสิทธิภาพของซับสเตรต SiC สุดท้ายในท้ายที่สุด

1. ความท้าทายทางเทคนิคในการเติบโตของ SiC Crystal:

การเติบโตของคริสตัล SiC เผชิญกับอุปสรรคทางเทคนิคหลายประการ:

อุณหภูมิการเจริญเติบโตสูง:อุณหภูมิที่สูงเกิน 2,300°C จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิและความดันภายในเตาปลูกพืชอย่างเข้มงวด

การควบคุมความหลากหลาย:SiC มีโพลีไทป์มากกว่า 250 ชนิด โดยที่ 4H-SiC เป็นที่ต้องการมากที่สุดสำหรับการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ การบรรลุโพลีไทป์เฉพาะนี้จำเป็นต้องควบคุมอัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอน การไล่ระดับอุณหภูมิ และไดนามิกของการไหลของก๊าซในระหว่างการเจริญเติบโตอย่างแม่นยำ

อัตราการเติบโตช้า:PVT แม้จะจัดตั้งขึ้นในเชิงพาณิชย์ แต่ก็มีอัตราการเติบโตที่ช้าประมาณ 0.3-0.5 มิลลิเมตรต่อชั่วโมง การปลูกคริสตัลขนาด 2 ซม. ใช้เวลาประมาณ 7 วัน โดยความยาวคริสตัลสูงสุดที่ทำได้จำกัดไว้ที่ 3-5 ซม. สิ่งนี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับการเติบโตของผลึกซิลิคอน โดยที่ลูกเปตองมีความสูงถึง 2-3 เมตรภายใน 72 ชั่วโมง โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงถึง 6-8 นิ้วและสูงถึง 12 นิ้วในโรงงานใหม่ ความคลาดเคลื่อนนี้จำกัดเส้นผ่านศูนย์กลางของแท่ง SiC ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 4 ถึง 6 นิ้ว

ในขณะที่การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) มีส่วนสำคัญเหนือการเติบโตของผลึก SiC เชิงพาณิชย์ วิธีการทางเลือก เช่น การสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (HT-CVD) และ Epitaxy เฟสของเหลว (LPE) มีข้อได้เปรียบที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม การเอาชนะข้อจำกัดและเพิ่มอัตราการเติบโตและคุณภาพคริสตัลถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการนำ SiC ไปใช้ในอุตสาหกรรมในวงกว้าง

ต่อไปนี้เป็นภาพรวมเชิงเปรียบเทียบของเทคนิคการเติบโตของคริสตัลเหล่านี้:

(1) การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT):

หลักการ: ใช้กลไก "การระเหิด-การขนส่ง-การตกผลึกซ้ำ" สำหรับการเติบโตของผลึก SiC

กระบวนการ: ผงคาร์บอนและซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงผสมกันในอัตราส่วนที่แม่นยำ ผง SiC และผลึกเมล็ดจะถูกวางไว้ที่ด้านล่างและด้านบนของถ้วยใส่ตัวอย่างภายในเตาหลอมการเจริญเติบโตตามลำดับ อุณหภูมิที่สูงกว่า 2000°C ทำให้เกิดการไล่ระดับของอุณหภูมิ ส่งผลให้ผง SiC ระเหิดและตกผลึกอีกครั้งบนผลึกเมล็ด ทำให้เกิดเป็นลูกเปตอง

ข้อเสีย: อัตราการเติบโตช้า (ประมาณ 2 ซม. ใน 7 วัน) ความไวต่อปฏิกิริยาของปรสิต ทำให้เกิดข้อบกพร่องที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นในผลึกที่โตแล้ว

(2) การสะสมไอสารเคมีอุณหภูมิสูง (HT-CVD):

หลักการ: ที่อุณหภูมิระหว่าง 2000-2500°C ก๊าซสารตั้งต้นที่มีความบริสุทธิ์สูง เช่น ไซเลน อีเทน หรือโพรเพน และไฮโดรเจนจะถูกนำเข้าไปในห้องปฏิกิริยา ก๊าซเหล่านี้จะสลายตัวในโซนอุณหภูมิสูง ก่อตัวเป็นสารตั้งต้น SiC ที่เป็นก๊าซ ซึ่งต่อมาจะสะสมและตกผลึกบนผลึกเมล็ดในโซนอุณหภูมิต่ำกว่า

ข้อดี: ช่วยให้คริสตัลเติบโตได้อย่างต่อเนื่อง ใช้สารตั้งต้นที่เป็นก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูง ส่งผลให้ผลึก SiC มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นและมีข้อบกพร่องน้อยลง

ข้อเสีย: อัตราการเติบโตช้า (ประมาณ 0.4-0.5 มม./ชม.) อุปกรณ์และต้นทุนการดำเนินงานสูง เสี่ยงต่อการอุดตันของทางเข้าและทางออกของก๊าซ

(3) Epitaxy เฟสของเหลว (LPE):

(แม้ว่าจะไม่รวมอยู่ในข้อความที่ตัดตอนมาของคุณ แต่ฉันกำลังเพิ่มภาพรวมโดยย่อของ LPE เพื่อความครบถ้วน)

หลักการ: ใช้กลไก "การละลาย-การตกตะกอน" ที่อุณหภูมิตั้งแต่ 1,400-1,800°C คาร์บอนจะถูกละลายในซิลิคอนละลายที่มีความบริสุทธิ์สูง ผลึก SiC จะตกตะกอนออกจากสารละลายอิ่มตัวยวดยิ่งเมื่อเย็นตัวลง

ข้อดี: อุณหภูมิการเติบโตที่ต่ำลงจะช่วยลดความเครียดจากความร้อนในระหว่างการทำความเย็น ส่งผลให้ความหนาแน่นของข้อบกพร่องลดลงและคุณภาพของคริสตัลสูงขึ้น ให้อัตราการเติบโตที่เร็วกว่ามากเมื่อเทียบกับ PVT

ข้อเสีย: มีแนวโน้มที่จะปนเปื้อนโลหะจากถ้วยใส่ตัวอย่าง มีขนาดผลึกจำกัด ซึ่งจำกัดอยู่ที่การเติบโตในระดับห้องปฏิบัติการเป็นหลัก

แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อจำกัดเฉพาะตัว การเลือกเทคนิคการเติบโตที่เหมาะสมที่สุดนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะ ข้อพิจารณาด้านต้นทุน และคุณลักษณะของคริสตัลที่ต้องการ

2. ความท้าทายและวิธีแก้ปัญหาในการประมวลผล SiC Crystal:

การหั่นเวเฟอร์:ความแข็ง ความเปราะบาง และความต้านทานต่อการเสียดสีของ SiC ทำให้การตัดเฉือนมีความท้าทาย การเลื่อยลวดเพชรแบบเดิมๆ ใช้เวลานาน สิ้นเปลือง และมีค่าใช้จ่ายสูง โซลูชันประกอบด้วยเทคนิคการตัดด้วยเลเซอร์และการแยกแบบเย็นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการหั่นและผลผลิตเวเฟอร์

การทำให้ผอมบางเวเฟอร์:ความเหนียวแตกหักต่ำของ SiC ทำให้มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวในระหว่างการทำให้ผอมบาง ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการลดความหนาที่สม่ำเสมอ เทคนิคปัจจุบันอาศัยการเจียรแบบหมุน ซึ่งทำให้ล้อสึกหรอและพื้นผิวเสียหาย มีการสำรวจวิธีการขั้นสูง เช่น การบดโดยใช้แรงสั่นสะเทือนแบบอัลตราโซนิค และการขัดเงาเชิงกลด้วยไฟฟ้าเคมี เพื่อเพิ่มอัตราการกำจัดวัสดุ และลดข้อบกพร่องที่พื้นผิวให้เหลือน้อยที่สุด

3. แนวโน้มในอนาคต:

การเพิ่มประสิทธิภาพการเติบโตของคริสตัล SiC และการประมวลผลเวเฟอร์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการนำ SiC ไปใช้อย่างกว้างขวาง การวิจัยในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มอัตราการเติบโต การปรับปรุงคุณภาพคริสตัล และการเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลเวเฟอร์เพื่อปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแนวโน้มนี้-