Die entscheidende Rolle von SiC-Substraten und Kristallwachstum in der Halbleiterindustrie

Innerhalb der Siliziumkarbid-Industriekette (SiC) haben Substratlieferanten einen erheblichen Einfluss, vor allem aufgrund der Wertverteilung.SiC-Substrate machen 47 % des Gesamtwertes aus, gefolgt von Epitaxieschichten mit 23 %., während Gerätedesign und -herstellung die restlichen 30 % ausmachen. Diese umgekehrte Wertschöpfungskette ist auf die hohen technologischen Hürden zurückzuführen, die der Substrat- und Epitaxieschichtproduktion innewohnen.

Das Wachstum von SiC-Substraten steht vor drei großen Herausforderungen:strenge Wachstumsbedingungen, langsame Wachstumsraten und anspruchsvolle kristallografische Anforderungen. Diese Komplexität trägt zu erhöhten Verarbeitungsschwierigkeiten bei, was letztlich zu geringen Produktausbeuten und hohen Kosten führt. Darüber hinaus sind die Dicke und die Dotierungskonzentration der Epitaxieschicht kritische Parameter, die sich direkt auf die endgültige Geräteleistung auswirken.

Herstellungsprozess des SiC-Substrats:

Rohstoffsynthese:Hochreine Silizium- und Kohlenstoffpulver werden nach einer speziellen Rezeptur sorgfältig gemischt. Diese Mischung wird einer Hochtemperaturreaktion (über 2000 °C) unterzogen, um SiC-Partikel mit kontrollierter Kristallstruktur und Partikelgröße zu synthetisieren. Anschließende Zerkleinerungs-, Sieb- und Reinigungsprozesse ergeben hochreines SiC-Pulver, das für das Kristallwachstum geeignet ist.

Kristallwachstum:Als kritischster Schritt bei der Herstellung von SiC-Substraten bestimmt das Kristallwachstum die elektrischen Eigenschaften des Substrats. Derzeit dominiert die Methode des physikalischen Dampftransports (PVT) die kommerzielle SiC-Kristallzüchtung. Zu den Alternativen gehören die chemische Hochtemperatur-Gasphasenabscheidung (HT-CVD) und die Flüssigphasenepitaxie (LPE), deren kommerzielle Akzeptanz jedoch weiterhin begrenzt ist.

Kristallverarbeitung:In dieser Phase werden SiC-Kugeln durch eine Reihe sorgfältiger Schritte in polierte Wafer umgewandelt: Barrenverarbeitung, Wafer-Scheibenschneiden, Schleifen, Polieren und Reinigen. Jeder Schritt erfordert hochpräzise Ausrüstung und Fachwissen, um letztendlich die Qualität und Leistung des endgültigen SiC-Substrats sicherzustellen.

1. Technische Herausforderungen beim SiC-Kristallwachstum:

Das SiC-Kristallwachstum steht vor mehreren technischen Hürden:

Hohe Wachstumstemperaturen:Diese Temperaturen übersteigen 2300 °C und erfordern eine strenge Kontrolle sowohl der Temperatur als auch des Drucks im Wachstumsofen.

Kontrolle des Polytypismus:SiC weist über 250 Polytypen auf, wobei 4H-SiC für elektronische Anwendungen am wünschenswertesten ist. Um diesen spezifischen Polytyp zu erreichen, ist eine präzise Kontrolle des Silizium-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses, der Temperaturgradienten und der Gasströmungsdynamik während des Wachstums erforderlich.

Langsame Wachstumsrate:Obwohl PVT kommerziell etabliert ist, weist es langsame Wachstumsraten von etwa 0,3–0,5 mm/h auf. Die Züchtung eines 2 cm großen Kristalls dauert etwa 7 Tage, wobei die maximal erreichbare Kristalllänge auf 3–5 cm begrenzt ist. Dies steht in krassem Gegensatz zum Wachstum von Siliziumkristallen, bei dem die Kugeln innerhalb von 72 Stunden eine Höhe von 2 bis 3 m erreichen, wobei der Durchmesser 6 bis 8 Zoll und in neuen Anlagen sogar 12 Zoll erreicht. Diese Diskrepanz begrenzt die SiC-Ingot-Durchmesser, die typischerweise zwischen 4 und 6 Zoll liegen.

Während der physikalische Dampftransport (PVT) das kommerzielle SiC-Kristallwachstum dominiert, bieten alternative Methoden wie die chemische Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur (HT-CVD) und die Flüssigphasenepitaxie (LPE) deutliche Vorteile. Für eine breitere Akzeptanz in der SiC-Industrie sind jedoch die Überwindung ihrer Einschränkungen und die Verbesserung der Wachstumsraten und der Kristallqualität von entscheidender Bedeutung.

Hier ist ein vergleichender Überblick über diese Kristallwachstumstechniken:

(1) Physikalischer Dampftransport (PVT):

Prinzip: Nutzt den Mechanismus „Sublimation-Transport-Rekristallisation“ für das SiC-Kristallwachstum.

Prozess: Hochreine Kohlenstoff- und Siliziumpulver werden in präzisen Verhältnissen gemischt. Das SiC-Pulver und ein Impfkristall werden am Boden bzw. an der Oberseite eines Tiegels in einem Wachstumsofen platziert. Temperaturen über 2000 °C erzeugen einen Temperaturgradienten, der dazu führt, dass das SiC-Pulver sublimiert und auf dem Impfkristall rekristallisiert und so die Kugel bildet.

Nachteile: Langsame Wachstumsraten (ungefähr 2 cm in 7 Tagen), Anfälligkeit für parasitäre Reaktionen, die zu höheren Defektdichten im gewachsenen Kristall führen.

(2) Chemische Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur (HT-CVD):

Prinzip: Bei Temperaturen zwischen 2000 und 2500 °C werden hochreine Vorläufergase wie Silan, Ethan oder Propan und Wasserstoff in eine Reaktionskammer eingeleitet. Diese Gase zersetzen sich in der Hochtemperaturzone und bilden gasförmige SiC-Vorläufer, die sich anschließend in der Niedertemperaturzone auf einem Impfkristall ablagern und kristallisieren.

Vorteile: Ermöglicht kontinuierliches Kristallwachstum, nutzt hochreine gasförmige Vorläufer, was zu höherreinen SiC-Kristallen mit weniger Defekten führt.

Nachteile: Langsame Wachstumsraten (ca. 0,4–0,5 mm/h), hohe Ausrüstungs- und Betriebskosten, Anfälligkeit für Verstopfungen der Gasein- und -auslässe.

(3) Flüssigphasenepitaxie (LPE):

(Obwohl dies nicht in Ihrem Auszug enthalten ist, füge ich der Vollständigkeit halber einen kurzen Überblick über LPE hinzu.)

Prinzip: Verwendet einen „Auflösungs-Ausfällungs“-Mechanismus. Bei Temperaturen zwischen 1400 und 1800 °C wird Kohlenstoff in einer hochreinen Siliziumschmelze gelöst. Beim Abkühlen der übersättigten Lösung fallen SiC-Kristalle aus.

Vorteile: Niedrigere Wachstumstemperaturen reduzieren die thermischen Spannungen beim Abkühlen, was zu geringeren Defektdichten und einer höheren Kristallqualität führt. Bietet deutlich schnellere Wachstumsraten im Vergleich zu PVT.

Nachteile: Anfällig für Metallverunreinigungen aus dem Tiegel, begrenzte erreichbare Kristallgrößen, hauptsächlich auf Wachstum im Labormaßstab beschränkt.

Jede Methode weist einzigartige Vorteile und Einschränkungen auf. Die Auswahl der optimalen Wachstumstechnik hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen, Kostenüberlegungen und den gewünschten Kristalleigenschaften ab.

2. Herausforderungen und Lösungen bei der Verarbeitung von SiC-Kristallen:

Waferschneiden:Die Härte, Sprödigkeit und Abriebfestigkeit von SiC machen das Schneiden zu einer Herausforderung. Das herkömmliche Sägen mit Diamantseilen ist zeitaufwändig, verschwenderisch und kostspielig. Zu den Lösungen gehören Laser-Dicing- und Kaltsplitting-Techniken zur Verbesserung der Slicing-Effizienz und der Wafer-Ausbeute.

Waferausdünnung:Die geringe Bruchzähigkeit von SiC macht es beim Ausdünnen anfällig für Risse, was eine gleichmäßige Dickenreduzierung verhindert. Aktuelle Techniken basieren auf Rotationsschleifen, das unter Scheibenverschleiß und Oberflächenschäden leidet. Fortschrittliche Methoden wie Ultraschall-Vibrations-unterstütztes Schleifen und elektrochemisches mechanisches Polieren werden erforscht, um die Materialabtragsraten zu erhöhen und Oberflächenfehler zu minimieren.

3. Zukunftsaussichten:

Die Optimierung des SiC-Kristallwachstums und der Waferverarbeitung ist für die breite Einführung von SiC von entscheidender Bedeutung. Zukünftige Forschung wird sich auf die Steigerung der Wachstumsraten, die Verbesserung der Kristallqualität und die Verbesserung der Waferverarbeitungseffizienz konzentrieren, um das volle Potenzial dieses vielversprechenden Halbleitermaterials auszuschöpfen.**