Przedmowa

Łańcuch dostaw węglika krzemu obejmuje proszek węglika krzemu, wlewki węglika krzemu, podłoże z węglika krzemu, epitaksję z węglika krzemu, płytkę z węglika krzemu, chip z węglika krzemu oraz ogniwa pakowania urządzeń z węglika krzemu. Spośród nich podłoże, płytka epitaksjalna, płytka oraz opakowanie i testowanie urządzenia to cztery najważniejsze ogniwa w łańcuchu wartości węglika krzemu. Koszt podłoża stanowi 50% całkowitego kosztu urządzeń z węglika krzemu, a koszty epitaksji, płytki i testowania opakowań wynoszą odpowiednio 25%, 20% i 5%. Niezawodność materiałów z węglika krzemu ma ogromne znaczenie dla wydajności końcowego urządzenia. Basic Semiconductor bada właściwości materiałów i przyczyny defektów we wszystkich aspektach łańcucha dostaw przemysłu oraz współpracuje z firmami z górnego i dolnego szczebla w celu poprawy niezawodności urządzeń mocy z węglika krzemu.

01

Metoda wzrostu i przygotowania wlewków węglika krzemu

Istnieje ponad 250 izomerów węglika krzemu, a głównym izomerem używanym do produkcji półprzewodników mocy jest monokryształ 4H-SiC. Podczas procesu wzrostu monokryształu węglika krzemu, okno wzrostu kryształu 4H jest wąskie, a ponadto obowiązują surowe normy dotyczące projektowania temperatury i ciśnienia. Niedokładna kontrola procesu wzrostu spowoduje powstanie kryształów węglika krzemu o innych strukturach, takich jak 2H, 3C, 6H i 15R.

Rysunek 1 Warunki powstawania różnych izomerów węglika krzemu

W przemyśle istnieją trzy metody wytwarzania monokrystalicznych wlewków węglika krzemu: sublimacyjna PVT, HT-CVD oraz LPE (metoda wzrostu w roztworze). Spośród nich, sublimacyjna PVT jest obecnie najpopularniejszą metodą. Około 95% komercyjnych wlewków węglika krzemu jest wytwarzanych z PVT. Proces polega na umieszczeniu proszku węglika krzemu w specjalnym urządzeniu i podgrzaniu go. Po wzroście temperatury do 2200-2500°C proszek zaczyna sublimować. Ponieważ węglik krzemu nie występuje w stanie ciekłym, a jedynie w stanie gazowym i stałym, wlewek krystalizuje na powierzchni po sublimacji. Szybkość wzrostu monokrystalicznego krzemu wynosi około 300 mm/h, a szybkość wzrostu monokrystalicznego węglika krzemu około 400 μm/h. Różnica między tymi dwiema metodami jest prawie 800-krotna. Na przykład, formowanie wlewka o średnicy od pięciu do sześciu centymetrów wymaga ciągłego i stabilnego wzrostu przez 200-300 godzin. Widać, że tempo przygotowania wlewków z węglika krzemu jest bardzo wolne, co powoduje, że wlewki te są drogie.

02

Wady monokrystalicznego wlewka węglika krzemu i płytki podłoża

Zarówno wlewki z węglika krzemu, jak i płytki podłoża zawierają różnorodne defekty krystaliczne, takie jak wady ułożenia, mikrotubule, dyslokacje śrubowe przelotowe, dyslokacje krawędziowe przelotowe, dyslokacje płaszczyzny bazowej itp. Defekty w wlewkach z węglika krzemu mają znaczący wpływ na wydajność finalnego urządzenia. Jest to bardzo ważny temat w łańcuchu technologicznym. Wszyscy producenci podłoży dokładają wszelkich starań, aby zmniejszyć gęstość defektów w wlewkach z węglika krzemu.

03

Niezawodność podłoża z węglika krzemu

Arkusz podłoża to produkt uzyskiwany poprzez cięcie wlewka kryształu na cienkie plasterki, wygładzanie i polerowanie. Po procesie polerowania płytka podłoża uzyskuje dobrą jakość powierzchni, co pozwala ograniczyć powstawanie defektów podczas wzrostu epitaksjalnego, a tym samym uzyskać wysokiej jakości płytki epitaksjalne. Jakość powierzchni obejmuje płaskość, dyslokacje przypowierzchniowe i naprężenia szczątkowe. Aby zapobiec powstawaniu defektów w początkowych etapach wzrostu epitaksjalnego, powierzchnia podłoża musi być wolna od naprężeń i dyslokacji przypowierzchniowych. Jeśli uszkodzenia szczątkowe przypowierzchniowe nie zostaną wystarczająco usunięte, wzrost epitaksjalny na podłożu doprowadzi do powstania defektów makroskopowych. Dlatego poziom jakości połączenia podłoża będzie miał istotny wpływ na poziom jakości późniejszego połączenia wzrostu epitaksjalnego.

04

Wzrost epitaksjalny i niezawodność węglika krzemu

Epitaksja odnosi się do wzrostu warstwy monokrystalicznego materiału 4H-SiC, jednorodnej z podłożem, na jego górnej powierzchni. Węglik krzemu ma wiele izomerów. Aby zapewnić wysokiej jakości materiały epitaksjalne, wymagana jest specjalna technologia, zapobiegająca powstawaniu innych form krystalicznych. Obecnie standardowym procesem jest stosowanie monokrystalicznych podłoży 4H-SiC o skosie 4° i zastosowanie technologii stopniowego wzrostu. Obecnie powszechnie stosowaną metodą jest metoda CVD: powszechnie stosowanym sprzętem jest poziomy piec epitaksjalny z gorącą ścianką, a powszechnie stosowanym gazem prekursorowym reakcji jest silan (SiH).₄), metan (CH₄), etylen (C₂H₄), itp. i wykorzystują azot (N₂) i trimetyloglinu (TMA) jako źródła zanieczyszczeń. Typowy zakres temperatur wzrostu wynosi 1500–1650°C, a tempo wzrostu 5–30 μm/h.

Wzrost warstwy epitaksjalnej pozwala wyeliminować wiele defektów powierzchniowych lub przypowierzchniowych, powstających podczas wzrostu kryształów i obróbki płytek, dzięki czemu sieć krystaliczna jest uporządkowana, a morfologia powierzchni ulega znacznej poprawie w porównaniu z podłożem. Gruba warstwa epitaksjalna, dobra morfologia powierzchni i niższe stężenie domieszek są istotne dla poprawy napięcia przebicia. Takie płytki epitaksjalne są wykorzystywane do produkcji urządzeń mocy, co może znacznie poprawić stabilność parametrów i wydajność.

Rysunek 2 Struktura warstwy podłoża i warstwy epitaksjalnej

05

Związek między defektami w płytkach epitaksjalnych z węglika krzemu i płytkach podłożowych

Jak wspomniano powyżej, defekty w warstwie epitaksjalnej węglika krzemu są związane z podłożem i procesem wzrostu. Defekty warstwy epitaksjalnej obejmują defekty topografii powierzchni, defekty mikrorurek, dyslokacje i inne rodzaje defektów. Defekty morfologii powierzchni obejmują defekty marchewkowe (w niektórych przypadkach kometowe), płytkie wgłębienia, defekty trójkątne i obiekty upuszczone; defekty mikrotubul w podłożu zostaną przeniesione na warstwę epitaksjalną. Gęstość prądu mikrotubul w podłożu jest znacznie poniżej 0.1/cm², zasadniczo wyeliminowane. Większość dyslokacji w warstwie epitaksjalnej węglika krzemu pochodzi z dyslokacji podłoża, do których należą głównie TSD, TED i BPD. Defekty wprowadzane przez epitaksję, takie jak dyslokacje zwykłe i defekty typu „marchew”, stanowią istotne problemy wpływające na jakość epitaksji węglika krzemu.

06

Wpływ defektów epitaksjalnych płytek z węglika krzemu na końcowe urządzenie

Podczas procesu wzrostu epitaksjalnego około 98% TSD w podłożu ulega przekształceniu w TSD, a reszta w Frank SF; TED ulega w 100% przekształceniu w TED; około 95% BPD ulega przekształceniu w TED, a niewielka ilość pozostaje w postaci BPD.

Rysunek 3. Korelacja między defektami epitaksjalnymi płytek z węglika krzemu a defektami płytek podłoża

TSD i TED zasadniczo nie wpływają na wydajność finalnego urządzenia z węglika krzemu, podczas gdy BPD może powodować degradację urządzenia, dlatego ludzie zwracają na BPD większą uwagę. Błędy układania, defekty marchewkowe, defekty trójkątne, upuszczone przedmioty i inne defekty są zabójcze. Gdy pojawią się na urządzeniu, nie przejdzie ono testu, co skutkuje obniżeniem wydajności. Urządzenia bipolarne, takie jak triody i tranzystory IGBT, są bardziej wrażliwe na BPD.

Tabela 1. Wpływ defektów epitaksjalnych płytek na urządzenie końcowe

07

Dwa wyzwania stojące przed materiałami z węglika krzemu

Jednym z istotnych wyzwań stojących przed promocją materiałów z węglika krzemu jest ich zbyt wysoka cena, a cena podłoża jest znacznie wyższa niż w przypadku podłoży krzemowych i szafirowych. Obecnie średnica głównego podłoża z węglika krzemu wynosi zaledwie 4–6 cali (10–15 cm), a do zwiększenia rozmiaru i obniżenia ceny potrzebna jest bardziej zaawansowana technologia wzrostu. 

Z drugiej strony, gęstość dyslokacji węglika krzemu wynosi około 102-104, co jest wartością znacznie wyższą niż w przypadku krzemu, arsenku galu i innych materiałów. Ponadto, węglik krzemu charakteryzuje się również dużymi naprężeniami, które mogą powodować problemy z parametrami powierzchni. Poprawa jakości podłoży z węglika krzemu jest ważnym sposobem na poprawę jakości materiałów epitaksjalnych, wydajności przygotowania urządzeń, ich niezawodności i żywotności.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł został przedrukowany z „Basic Semiconductor”, organizacji wspierającej ochronę praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia przedruku.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen