Mukadimah

Rantaian industri silikon karbida merangkumi serbuk silikon karbida, jongkong silikon karbida, substrat silikon karbida, epitaksi silikon karbida, wafer silikon karbida, cip silikon karbida dan pautan pembungkusan peranti silikon karbida. Antaranya, substrat, wafer epitaksi, wafer, dan pembungkusan dan pengujian peranti adalah empat pautan paling kritikal dalam rantaian nilai silikon karbida. Kos substrat menyumbang 50% daripada jumlah kos peranti silikon karbida, dan kos epitaksi, wafer, dan pengujian pembungkusan masing-masing adalah 25%, 20%, dan 5%. Kebolehpercayaan bahan silikon karbida sangat penting untuk prestasi peranti akhir. Basic Semiconductor meneroka sifat bahan dan punca kecacatan dari semua aspek rantaian perindustrian, dan bekerjasama dengan syarikat huluan dan hiliran untuk meningkatkan kebolehpercayaan peranti kuasa silikon karbida.

01

Kaedah pertumbuhan dan penyediaan jongkong silikon karbida

Terdapat lebih daripada 250 isomer silikon karbida, dan yang utama yang digunakan untuk membuat semikonduktor kuasa ialah struktur kristal tunggal 4H-SiC. Semasa proses pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, tetingkap pertumbuhan kristal 4H adalah kecil, dan terdapat piawaian yang ketat untuk reka bentuk suhu dan tekanan. Kawalan yang tidak tepat semasa proses pertumbuhan akan menghasilkan kristal silikon karbida dengan struktur lain seperti 2H, 3C, 6H dan 15R.

Rajah 1 Keadaan untuk penjanaan pelbagai isomer silikon karbida

Dalam industri, terdapat tiga kaedah untuk menyediakan jongkong kristal tunggal silikon karbida: pemejalwapan PVT, HT-CVD, dan LPE (kaedah pertumbuhan larutan). Antaranya, pemejalwapan PVT kini merupakan kaedah penyediaan yang paling popular. Kira-kira 95% jongkong silikon karbida komersial ditumbuhkan daripada PVT. Prosesnya adalah dengan memasukkan serbuk silikon karbida ke dalam peralatan khas dan memanaskannya. Selepas suhu meningkat kepada 2200-2500°C, serbuk mula menyublim. Oleh kerana silikon karbida tidak mempunyai keadaan cecair, hanya keadaan gas dan pepejal, jongkong akan menghablur di bahagian atas selepas pemejalwapan. Kadar pertumbuhan kristal tunggal silikon adalah kira-kira 300mm/j, dan kadar pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida adalah kira-kira 400μm/j. Perbezaan antara kedua-duanya hampir 800 kali ganda. Contohnya, pembentukan jongkong lima hingga enam sentimeter memerlukan pertumbuhan berterusan dan stabil selama 200-300 jam. Dapat dilihat bahawa kadar penyediaan jongkong silikon karbida adalah sangat perlahan, yang menjadikan jongkong tersebut mahal.

02

Kecacatan ingot kristal tunggal dan wafer substrat silikon karbida

Kedua-dua jongkong silikon karbida dan wafer substrat mengandungi pelbagai kecacatan kristal, seperti kerosakan susunan, mikrotubul, kehelan melalui skru, kehelan melalui tepi, kehelan satah basal, dan sebagainya. Kecacatan pada jongkong silikon karbida akan sangat mempengaruhi hasil peranti akhir. Ini merupakan topik yang sangat penting dalam rantaian industri. Semua pengeluar substrat berusaha sedaya upaya untuk mengurangkan ketumpatan kecacatan jongkong silikon karbida.

03

Kebolehpercayaan substrat silikon karbida

Lembaran substrat merupakan produk yang diperoleh dengan memotong jongkong kristal menjadi kepingan nipis, melicinkan dan menggilapnya. Wafer substrat memperoleh kualiti permukaan yang baik selepas proses penggilapan, yang dapat menyekat penghasilan kecacatan semasa pertumbuhan epitaksial, dengan itu memperoleh wafer epitaksial yang berkualiti tinggi. Kualiti permukaannya merangkumi kerataan, kehelan berhampiran permukaan dan tegasan baki. Untuk menyekat penghasilan kecacatan semasa peringkat awal pertumbuhan epitaksial, permukaan substrat mestilah bebas tekanan dan bebas daripada kehelan berhampiran permukaan. Jika kerosakan baki berhampiran permukaan tidak disingkirkan secukupnya, pertumbuhan epitaksial pada substrat akan menyebabkan penghasilan kecacatan makroskopik. Oleh itu, tahap kualiti pautan substrat akan menjejaskan tahap kualiti pautan pertumbuhan epitaksial seterusnya dengan serius.

04

Pertumbuhan dan kebolehpercayaan epitaksi silikon karbida

Epitaksi merujuk kepada penumbuhan lapisan bahan kristal tunggal 4H-SiC yang homogen dengan substrat pada permukaan atas substrat. Silikon karbida mempunyai banyak isomer. Bagi memastikan penyediaan bahan epitaksi berkualiti tinggi, teknologi khas diperlukan untuk mengelakkan pengenalan bentuk kristal lain. Proses piawai semasa adalah menggunakan substrat kristal tunggal 4H-SiC potongan serong 4° dan menerima pakai teknologi pertumbuhan terkawal langkah. Proses yang biasa digunakan pada masa ini ialah kaedah CVD: peralatan yang biasa digunakan ialah relau epitaksi mendatar dinding panas, dan gas prekursor tindak balas yang biasa digunakan ialah silana (SiH₄), metana (CH₄), etilena (C₂H₄), dsb., dan menggunakan nitrogen (N₂) dan trimetilaluminium (TMA) sebagai sumber bendasing. Julat suhu pertumbuhan biasa ialah 1500~1650 ℃, dan kadar pertumbuhan ialah 5~30μm/j.

Pertumbuhan lapisan epitaksial dapat menghapuskan banyak kecacatan permukaan atau berhampiran permukaan yang diperkenalkan semasa pertumbuhan kristal dan pemprosesan wafer, supaya kekisi kristal disusun dengan kemas dan morfologi permukaan bertambah baik berbanding substrat. Lapisan epitaksial yang tebal, morfologi permukaan yang baik dan kepekatan doping yang lebih rendah adalah penting untuk meningkatkan voltan kerosakan. Wafer epitaksial sedemikian digunakan untuk mengeluarkan peranti kuasa, yang boleh meningkatkan kestabilan dan hasil parameter dengan ketara.

Rajah 2 Struktur lapisan substrat dan lapisan epitaksi

05

Hubungan antara kecacatan dalam wafer epitaksi silikon karbida dan wafer substrat

Seperti yang dinyatakan di atas, kecacatan pada lapisan epitaksi silikon karbida berkaitan dengan substrat dan proses pertumbuhan. Kecacatan lapisan epitaksi termasuk kecacatan topografi permukaan, kecacatan mikropaip, kehelan dan jenis lain. Kecacatan morfologi permukaan termasuk kecacatan lobak merah (jenis komet dalam beberapa kes), lubang cetek, kecacatan segi tiga dan objek yang jatuh; kecacatan mikrotubul dalam substrat akan disalin ke lapisan epitaksi. Ketumpatan arus mikrotubul dalam substrat adalah jauh di bawah 0.1/cm², pada asasnya dihapuskan. Kebanyakan kehelan dalam lapisan epitaksi silikon karbida berasal daripada kehelan substrat, yang terutamanya merangkumi TSD, TED dan BPD. Kecacatan yang dibawa oleh epitaksi seperti kehelan biasa dan kecacatan lobak merah merupakan isu penting yang mempengaruhi kualiti epitaksi silikon karbida.

06

Kesan kecacatan wafer epitaksi silikon karbida pada peranti akhir

Semasa proses pertumbuhan epitaksial, kira-kira 98% TSD dalam substrat ditukar menjadi TSD, dan selebihnya ditukar menjadi Frank SF; TED ditukar 100% menjadi TED; kira-kira 95% BPD ditukar menjadi TED, dan sejumlah kecil dikekalkan sebagai BPD.

Rajah 3 Korelasi antara kecacatan wafer epitaksi silikon karbida dan kecacatan wafer substrat

TSD dan TED pada asasnya tidak menjejaskan prestasi peranti silikon karbida akhir, manakala BPD boleh menyebabkan penurunan prestasi peranti, jadi orang ramai lebih memberi perhatian kepada BPD. Kerosakan susunan, kecacatan lobak merah, kecacatan segi tiga, objek yang terjatuh dan kecacatan lain adalah kecacatan yang membawa maut. Sebaik sahaja ia muncul pada peranti, peranti tersebut akan gagal dalam ujian, mengakibatkan pengurangan hasil. Peranti bipolar, seperti triod dan IGBT, lebih sensitif terhadap BPD.

Jadual 1 Kesan kecacatan wafer epitaksial pada peranti akhir

07

Dua cabaran yang dihadapi bahan silikon karbida

Salah satu cabaran penting yang dihadapi dalam promosi bahan silikon karbida ialah harganya yang terlalu tinggi, dan harga substratnya jauh lebih tinggi daripada substrat silikon dan nilam. Pada masa ini, diameter arus perdana substrat silikon karbida hanya 4 hingga 6 inci, dan teknologi pertumbuhan yang lebih matang diperlukan untuk mengembangkan saiz dan mengurangkan harga. 

Sebaliknya, ketumpatan kehelan silikon karbida adalah pada peringkat 102-104, yang jauh lebih tinggi daripada silikon, galium arsenida dan bahan lain. Di samping itu, silikon karbida juga mempunyai tekanan yang besar, yang boleh menyebabkan masalah dengan parameter permukaan. Meningkatkan kualiti substrat silikon karbida adalah cara penting untuk meningkatkan kualiti bahan epitaksi, hasil penyediaan peranti, kebolehpercayaan peranti dan jangka hayat.

Penafian: Artikel ini dicetak semula daripada "Basic Semiconductor", yang menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber asal dan pengarang cetakan semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.

Nombor telefon syarikat: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
SQ: 3518641314 Pengurus Li

QQ: 332496225 Pengurus Qiu

Alamat: Bilik 809, Bangunan C, Bangunan Teknologi Zhantao, No. 1079 Minzhi Avenue, Daerah Baharu Longhua, Shenzhen