Yarı İletken Endüstrisinde SiC Substratların ve Kristal Büyümesinin Kritik Rolü

Silisyum karbür (SiC) endüstri zincirinde alt tabaka tedarikçileri, öncelikle değer dağılımı nedeniyle önemli bir güce sahiptir.SiC substratları toplam değerin %47'sini oluşturur ve bunu %23 ile epitaksiyel katmanlar takip eder.Cihaz tasarımı ve imalatı ise kalan %30’u oluşturuyor. Bu tersine çevrilmiş değer zinciri, alt tabaka ve epitaksiyel katman üretimine özgü yüksek teknolojik engellerden kaynaklanmaktadır.

SiC substrat büyümesinin önünde 3 büyük zorluk var:sıkı büyüme koşulları, yavaş büyüme oranları ve zorlu kristalografik gereksinimler. Bu karmaşıklıklar, artan işleme zorluğuna katkıda bulunur ve sonuçta düşük ürün verimi ve yüksek maliyetlerle sonuçlanır. Ayrıca epitaksiyel katmanın kalınlığı ve katkı konsantrasyonu, nihai cihazın performansını doğrudan etkileyen kritik parametrelerdir.

SiC Substrat Üretim Süreci:

Hammadde Sentezi:Yüksek saflıkta silikon ve karbon tozları özel bir tarife göre titizlikle karıştırılır. Bu karışım, kontrollü kristal yapıya ve parçacık boyutuna sahip SiC parçacıklarını sentezlemek için yüksek sıcaklıkta (2000°C'nin üzerinde) bir reaksiyona tabi tutulur. Daha sonraki kırma, eleme ve temizleme işlemleri, kristal büyümesine uygun, yüksek saflıkta SiC tozu sağlar.

Kristal Büyümesi:SiC substrat üretiminde en kritik adım olan kristal büyümesi, substratın elektriksel özelliklerini belirler. Şu anda, Fiziksel Buhar Taşıma (PVT) yöntemi ticari SiC kristal büyümesine hakimdir. Alternatifler arasında Yüksek Sıcaklıkta Kimyasal Buhar Biriktirme (HT-CVD) ve Sıvı Faz Epitaksi (LPE) yer alır, ancak bunların ticari olarak benimsenmesi sınırlıdır.

Kristal İşleme:Bu aşama, SiC toplarının bir dizi titiz adımla cilalı levhalara dönüştürülmesini içerir: külçe işleme, levha dilimleme, taşlama, cilalama ve temizleme. Her adım, yüksek hassasiyetli ekipman ve uzmanlık gerektirir ve sonuçta nihai SiC alt katmanının kalitesini ve performansını garanti eder.

1. SiC Kristal Büyümesinde Teknik Zorluklar:

SiC kristal büyümesi çeşitli teknik engellerle karşı karşıyadır:

Yüksek Büyüme Sıcaklıkları:2300°C'yi aşan bu sıcaklıklar, yetiştirme fırınındaki hem sıcaklık hem de basınç üzerinde sıkı kontrol gerektirir.

Politipizm Kontrolü:SiC 250'den fazla politip sergiler; elektronik uygulamalar için en çok tercih edilen 4H-SiC'dir. Bu spesifik politipin elde edilmesi, büyüme sırasında silikon-karbon oranı, sıcaklık gradyanları ve gaz akış dinamikleri üzerinde hassas kontrol gerektirir.

Yavaş Büyüme Hızı:PVT ticari olarak kurulmuş olmasına rağmen yaklaşık 0,3-0,5 mm/saatlik yavaş büyüme oranlarından muzdariptir. 2 cm'lik bir kristalin büyütülmesi yaklaşık 7 gün sürer ve elde edilebilecek maksimum kristal uzunluğu 3-5 cm ile sınırlıdır. Bu, yeni tesislerde topların 72 saat içinde 2-3 metre yüksekliğe, çapların ise 6-8 inç ve hatta 12 inç'e ulaştığı silikon kristal büyümesiyle tamamen tezat oluşturuyor. Bu tutarsızlık, SiC külçe çaplarını sınırlar; tipik olarak 4 ila 6 inç arasında değişir.

Fiziksel Buhar Taşıma (PVT), ticari SiC kristal büyümesine hakim olsa da, Yüksek Sıcaklıkta Kimyasal Buhar Biriktirme (HT-CVD) ve Sıvı Faz Epitaksi (LPE) gibi alternatif yöntemler belirgin avantajlar sunar. Bununla birlikte, sınırlamalarının üstesinden gelmek ve büyüme oranlarını ve kristal kalitesini artırmak, SiC endüstrisinin daha geniş çapta benimsenmesi için çok önemlidir.

İşte bu kristal büyütme tekniklerine karşılaştırmalı bir genel bakış:

(1) Fiziksel Buhar Aktarımı (PVT):

Prensip: SiC kristal büyümesi için “süblimleşme-taşıma-yeniden kristalleşme” mekanizmasını kullanır.

Proses: Yüksek saflıkta karbon ve silikon tozları hassas oranlarda karıştırılır. SiC tozu ve bir tohum kristali, bir büyütme fırını içindeki potanın sırasıyla altına ve üstüne yerleştirilir. 2000°C'yi aşan sıcaklıklar bir sıcaklık gradyanı oluşturarak SiC tozunun süblimleşmesine ve tohum kristali üzerinde yeniden kristalleşerek topun oluşmasına neden olur.

Dezavantajları: Yavaş büyüme oranları (7 günde yaklaşık 2 cm), büyüyen kristalde daha yüksek kusur yoğunluklarına yol açan parazitik reaksiyonlara duyarlılık.

(2) Yüksek Sıcaklıkta Kimyasal Buhar Birikimi (HT-CVD):

Prensip: 2000-2500°C arasındaki sıcaklıklarda silan, etan veya propan ve hidrojen gibi yüksek saflıkta öncü gazlar bir reaksiyon odasına verilir. Bu gazlar yüksek sıcaklık bölgesinde ayrışarak gaz halindeki SiC öncüllerini oluşturur ve bunlar daha sonra düşük sıcaklık bölgesindeki bir tohum kristal üzerinde çökelir ve kristalleşir.

Avantajları: Sürekli kristal büyümesine olanak tanır, yüksek saflıkta gaz halindeki öncüleri kullanır ve sonuçta daha az kusurlu, daha yüksek saflıkta SiC kristalleri elde edilir.

Dezavantajları: Yavaş büyüme oranları (yaklaşık 0,4-0,5 mm/saat), yüksek ekipman ve işletme maliyetleri, gaz giriş ve çıkışlarının tıkanmaya yatkınlığı.

(3) Sıvı Fazlı Epitaksi (LPE):

(Alıntınıza dahil edilmemiş olsa da, eksiksiz olması açısından LPE'ye kısa bir genel bakış ekliyorum.)

Prensip: “Çözünme-çöktürme” mekanizmasını kullanır. 1400-1800°C arasındaki sıcaklıklarda karbon, yüksek saflıkta silikon eriyiği içinde çözülür. Aşırı doymuş çözelti soğudukça SiC kristalleri çökelir.

Avantajları: Daha düşük büyüme sıcaklıkları, soğutma sırasındaki termal gerilimleri azaltır, böylece daha düşük kusur yoğunluğu ve daha yüksek kristal kalitesi elde edilir. PVT'ye kıyasla önemli ölçüde daha hızlı büyüme oranları sunar.

Dezavantajları: Potadan metal kontaminasyonuna yatkındır, ulaşılabilir kristal boyutları sınırlıdır ve öncelikle laboratuvar ölçeğinde büyümeyle sınırlıdır.

Her yöntemin benzersiz avantajları ve sınırlamaları vardır. Optimum büyütme tekniğinin seçilmesi, özel uygulama gereksinimlerine, maliyet hususlarına ve istenen kristal özelliklerine bağlıdır.

2. SiC Kristal İşleme Zorlukları ve Çözümleri:

Gofret Dilimleme:SiC'nin sertliği, kırılganlığı ve aşınma direnci dilimlemeyi zorlaştırır. Geleneksel elmas tel testereyle kesme zaman alıcı, israflı ve maliyetlidir. Çözümler, dilimleme verimliliğini ve gofret verimini artırmak için lazerle kesme ve soğuk bölme tekniklerini içerir.

Gofret İnceltme:SiC'nin düşük kırılma dayanıklılığı, inceltme sırasında çatlamaya yatkın hale getirerek kalınlığın eşit oranda azalmasını engeller. Mevcut teknikler, tekerlek aşınmasından ve yüzey hasarından muzdarip olan rotasyonel taşlamaya dayanmaktadır. Talaş kaldırma oranlarını artırmak ve yüzey kusurlarını en aza indirmek için ultrasonik titreşim destekli taşlama ve elektrokimyasal mekanik parlatma gibi gelişmiş yöntemler araştırılmaktadır.

3. Geleceğe Bakış:

SiC kristal büyümesini ve levha işlemeyi optimize etmek, SiC'nin yaygın olarak benimsenmesi için çok önemlidir. Gelecekteki araştırmalar, bu gelecek vaat eden yarı iletken malzemenin tüm potansiyelini açığa çıkarmak için büyüme oranlarını artırmaya, kristal kalitesini iyileştirmeye ve levha işleme verimliliğini artırmaya odaklanacak.**