O papel crítico dos substratos de SiC e do crescimento de cristais na indústria de semicondutores

Dentro da cadeia industrial de carboneto de silício (SiC), os fornecedores de substratos detêm uma influência significativa, principalmente devido à distribuição de valor.Os substratos de SiC representam 47% do valor total, seguidos pelas camadas epitaxiais com 23%, enquanto o design e a fabricação do dispositivo constituem os 30% restantes. Esta cadeia de valor invertida decorre das elevadas barreiras tecnológicas inerentes à produção de substrato e camada epitaxial.

Três grandes desafios atormentam o crescimento do substrato de SiC:condições de crescimento rigorosas, taxas de crescimento lentas e requisitos cristalográficos exigentes. Estas complexidades contribuem para o aumento da dificuldade de processamento, resultando em resultados baixos e custos elevados. Além disso, a espessura da camada epitaxial e a concentração de dopagem são parâmetros críticos que afetam diretamente o desempenho final do dispositivo.

Processo de fabricação de substrato de SiC:

Síntese de Matéria Prima:Os pós de silício e carbono de alta pureza são meticulosamente misturados de acordo com uma receita específica. Essa mistura sofre uma reação em alta temperatura (acima de 2.000°C) para sintetizar partículas de SiC com estrutura cristalina e tamanho de partícula controlados. Os processos subsequentes de trituração, peneiração e limpeza produzem pó de SiC de alta pureza, adequado para o crescimento de cristais.

Crescimento do Cristal:Como etapa mais crítica na fabricação do substrato de SiC, o crescimento do cristal determina as propriedades elétricas do substrato. Atualmente, o método de Transporte Físico de Vapor (PVT) domina o crescimento comercial de cristais de SiC. As alternativas incluem a deposição química de vapor em alta temperatura (HT-CVD) e a epitaxia em fase líquida (LPE), embora sua adoção comercial permaneça limitada.

Processamento de cristal:Esta etapa envolve a transformação de bolas de SiC em wafers polidos por meio de uma série de etapas meticulosas: processamento de lingotes, corte de wafers, moagem, polimento e limpeza. Cada etapa exige equipamentos e conhecimentos de alta precisão, garantindo, em última análise, a qualidade e o desempenho do substrato final de SiC.

1. Desafios técnicos no crescimento do cristal SiC:

O crescimento do cristal SiC enfrenta vários obstáculos técnicos:

Altas temperaturas de crescimento:Excedendo 2300°C, estas temperaturas necessitam de um controle rigoroso sobre a temperatura e a pressão dentro do forno de crescimento.

Controle de Politipismo:O SiC exibe mais de 250 politipos, sendo o 4H-SiC o mais desejável para aplicações eletrônicas. Alcançar esse politipo específico exige controle preciso sobre a proporção silício-carbono, gradientes de temperatura e dinâmica do fluxo de gás durante o crescimento.

Taxa de crescimento lento:O PVT, embora comercialmente estabelecido, sofre de taxas de crescimento lentas de aproximadamente 0,3-0,5 mm/h. Cultivar um cristal de 2 cm leva cerca de 7 dias, com comprimentos máximos de cristal limitados a 3-5 cm. Isto contrasta fortemente com o crescimento do cristal de silício, onde as bolas atingem 2-3 m de altura em 72 horas, com diâmetros que atingem 6-8 polegadas e até 12 polegadas em novas instalações. Esta discrepância limita os diâmetros dos lingotes de SiC, normalmente variando de 4 a 6 polegadas.

Embora o transporte físico de vapor (PVT) domine o crescimento comercial de cristais de SiC, métodos alternativos como a deposição química de vapor em alta temperatura (HT-CVD) e a epitaxia em fase líquida (LPE) oferecem vantagens distintas. No entanto, superar as suas limitações e melhorar as taxas de crescimento e a qualidade do cristal são cruciais para uma adoção mais ampla da indústria do SiC.

Aqui está uma visão geral comparativa dessas técnicas de crescimento de cristal:

(1) Transporte Físico de Vapor (PVT):

Princípio: Utiliza o mecanismo de “recristalização de transporte por sublimação” para o crescimento de cristais de SiC.

Processo: Pós de carbono e silício de alta pureza são misturados em proporções precisas. O pó de SiC e um cristal semente são colocados no fundo e no topo de um cadinho dentro de um forno de crescimento, respectivamente. Temperaturas superiores a 2.000°C criam um gradiente de temperatura, fazendo com que o pó de SiC sublime e recristalize no cristal semente, formando o boule.

Desvantagens: Taxas de crescimento lentas (aproximadamente 2 cm em 7 dias), suscetibilidade a reações parasitárias levando a maiores densidades de defeitos no cristal cultivado.

(2) Deposição Química de Vapor em Alta Temperatura (HT-CVD):

Princípio: Em temperaturas entre 2.000 e 2.500°C, gases precursores de alta pureza, como silano, etano ou propano, e hidrogênio são introduzidos em uma câmara de reação. Esses gases se decompõem na zona de alta temperatura, formando precursores gasosos de SiC que posteriormente se depositam e cristalizam em um cristal semente na zona de temperatura mais baixa.

Vantagens: Permite o crescimento contínuo de cristais, utiliza precursores gasosos de alta pureza, resultando em cristais de SiC de maior pureza com menos defeitos.

Desvantagens: Taxas de crescimento lentas (aproximadamente 0,4-0,5 mm/h), elevados custos operacionais e de equipamento, suscetibilidade ao entupimento das entradas e saídas de gás.

(3) Epitaxia de Fase Líquida (LPE):

(Embora não esteja incluído em seu trecho, estou adicionando uma breve visão geral do LPE para completar.)

Princípio: Emprega um mecanismo de “dissolução-precipitação”. Em temperaturas que variam de 1400 a 1800°C, o carbono é dissolvido em um fundido de silício de alta pureza. Os cristais de SiC precipitam da solução supersaturada à medida que ela esfria.

Vantagens: Temperaturas de crescimento mais baixas reduzem as tensões térmicas durante o resfriamento, resultando em menores densidades de defeitos e maior qualidade de cristal. Oferece taxas de crescimento significativamente mais rápidas em comparação com PVT.

Desvantagens: Propenso à contaminação metálica do cadinho, limitado nos tamanhos de cristal alcançáveis, confinado principalmente ao crescimento em escala de laboratório.

Cada método apresenta vantagens e limitações únicas. A seleção da técnica de crescimento ideal depende dos requisitos específicos da aplicação, das considerações de custo e das características desejadas do cristal.

2. Desafios e soluções de processamento de cristal SiC:

Corte de wafer:A dureza, a fragilidade e a resistência à abrasão do SiC tornam o corte um desafio. A serra tradicional com fio diamantado é demorada, dispendiosa e dispendiosa. As soluções incluem técnicas de corte em cubos a laser e divisão a frio para melhorar a eficiência do fatiamento e o rendimento do wafer.

Desbaste de wafer:A baixa tenacidade à fratura do SiC torna-o propenso a trincas durante o desbaste, dificultando a redução uniforme da espessura. As técnicas atuais baseiam-se na retificação rotacional, que sofre desgaste do rebolo e danos superficiais. Métodos avançados como retificação assistida por vibração ultrassônica e polimento mecânico eletroquímico estão sendo explorados para aumentar as taxas de remoção de material e minimizar defeitos superficiais.

3. Perspectivas Futuras:

Otimizar o crescimento do cristal de SiC e o processamento de wafer é crucial para a ampla adoção do SiC. A pesquisa futura se concentrará no aumento das taxas de crescimento, na melhoria da qualidade do cristal e no aumento da eficiência do processamento de wafer para desbloquear todo o potencial deste promissor material semicondutor.**