El papel fundamental de los sustratos de SiC y el crecimiento de los cristales en la industria de los semiconductores

Dentro de la cadena industrial del carburo de silicio (SiC), los proveedores de sustratos tienen una influencia significativa, principalmente debido a la distribución del valor.Los sustratos de SiC representan el 47% del valor total, seguidos por las capas epitaxiales con un 23%., mientras que el diseño y fabricación de dispositivos constituyen el 30% restante. Esta cadena de valor invertida surge de las altas barreras tecnológicas inherentes a la producción de sustratos y capas epitaxiales.

Tres desafíos principales afectan el crecimiento del sustrato de SiC:condiciones de crecimiento estrictas, tasas de crecimiento lentas y requisitos cristalográficos exigentes. Estas complejidades contribuyen a una mayor dificultad de procesamiento, lo que en última instancia resulta en bajos rendimientos del producto y altos costos. Además, el espesor de la capa epitaxial y la concentración de dopaje son parámetros críticos que afectan directamente el rendimiento final del dispositivo.

Proceso de fabricación de sustrato de SiC:

Síntesis de Materia Prima:Los polvos de silicio y carbono de alta pureza se mezclan meticulosamente según una receta específica. Esta mezcla se somete a una reacción a alta temperatura (por encima de 2000 °C) para sintetizar partículas de SiC con estructura cristalina y tamaño de partícula controlados. Los procesos posteriores de trituración, tamizado y limpieza producen polvo de SiC de alta pureza adecuado para el crecimiento de cristales.

Crecimiento de cristales:Como paso más crítico en la fabricación de sustratos de SiC, el crecimiento de cristales dicta las propiedades eléctricas del sustrato. Actualmente, el método de transporte físico de vapor (PVT) domina el crecimiento de cristales de SiC comerciales. Las alternativas incluyen la deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD) y la epitaxia en fase líquida (LPE), aunque su adopción comercial sigue siendo limitada.

Procesamiento de cristales:Esta etapa implica transformar bolas de SiC en obleas pulidas a través de una serie de pasos meticulosos: procesamiento del lingote, corte de obleas, molienda, pulido y limpieza. Cada paso exige equipos y experiencia de alta precisión, lo que en última instancia garantiza la calidad y el rendimiento del sustrato de SiC final.

1. Desafíos técnicos en el crecimiento de cristales de SiC:

El crecimiento de cristales de SiC enfrenta varios obstáculos técnicos:

Altas temperaturas de crecimiento:Estas temperaturas, que superan los 2300 °C, requieren un control estricto tanto de la temperatura como de la presión dentro del horno de crecimiento.

Control del politipismo:El SiC presenta más de 250 politipos, siendo el 4H-SiC el más deseable para aplicaciones electrónicas. Lograr este politipo específico exige un control preciso sobre la relación silicio-carbono, los gradientes de temperatura y la dinámica del flujo de gas durante el crecimiento.

Tasa de crecimiento lento:PVT, aunque está establecido comercialmente, sufre de tasas de crecimiento lentas de aproximadamente 0,3-0,5 mm/h. Hacer crecer un cristal de 2 cm lleva aproximadamente 7 días, y la longitud máxima de cristal alcanzable se limita a 3-5 cm. Esto contrasta marcadamente con el crecimiento de los cristales de silicio, donde las bolas alcanzan de 2 a 3 m de altura en 72 horas, con diámetros que alcanzan de 6 a 8 pulgadas e incluso 12 pulgadas en instalaciones nuevas. Esta discrepancia limita los diámetros de los lingotes de SiC, que normalmente oscilan entre 4 y 6 pulgadas.

Si bien el transporte físico de vapor (PVT) domina el crecimiento de cristales de SiC comerciales, los métodos alternativos como la deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD) y la epitaxia en fase líquida (LPE) ofrecen claras ventajas. Sin embargo, superar sus limitaciones y mejorar las tasas de crecimiento y la calidad del cristal son cruciales para una adopción más amplia de la industria del SiC.

A continuación se ofrece una descripción comparativa de estas técnicas de crecimiento de cristales:

(1) Transporte físico de vapor (PVT):

Principio: Utiliza el mecanismo de “sublimación-transporte-recristalización” para el crecimiento de cristales de SiC.

Proceso: Se mezclan polvos de carbono y silicio de alta pureza en proporciones precisas. El polvo de SiC y un cristal semilla se colocan en la parte inferior y superior de un crisol dentro de un horno de crecimiento, respectivamente. Las temperaturas superiores a 2000°C crean un gradiente de temperatura, lo que hace que el polvo de SiC se sublime y recristalice en el cristal semilla, formando la bola.

Inconvenientes: Tasas de crecimiento lentas (aproximadamente 2 cm en 7 días), susceptibilidad a reacciones parasitarias que conducen a mayores densidades de defectos en el cristal crecido.

(2) Deposición de vapor químico a alta temperatura (HT-CVD):

Principio: A temperaturas entre 2000 y 2500 °C, se introducen gases precursores de alta pureza como silano, etano o propano e hidrógeno en una cámara de reacción. Estos gases se descomponen en la zona de alta temperatura, formando precursores gaseosos de SiC que posteriormente se depositan y cristalizan en un cristal semilla en la zona de temperatura más baja.

Ventajas: Permite el crecimiento continuo de cristales, utiliza precursores gaseosos de alta pureza, lo que da como resultado cristales de SiC de mayor pureza con menos defectos.

Inconvenientes: Tasas de crecimiento lentas (aproximadamente 0,4-0,5 mm/h), altos costos operativos y de equipo, susceptibilidad a la obstrucción de las entradas y salidas de gas.

(3) Epitaxia en fase líquida (LPE):

(Aunque no está incluido en su extracto, agrego una breve descripción general de LPE para que esté completo).

Principio: Emplea un mecanismo de “disolución-precipitación”. A temperaturas que oscilan entre 1400 y 1800 °C, el carbono se disuelve en una masa fundida de silicio de alta pureza. Los cristales de SiC precipitan de la solución sobresaturada a medida que se enfría.

Ventajas: Las temperaturas de crecimiento más bajas reducen las tensiones térmicas durante el enfriamiento, lo que da como resultado menores densidades de defectos y una mayor calidad de los cristales. Ofrece tasas de crecimiento significativamente más rápidas en comparación con PVT.

Inconvenientes: Propenso a la contaminación por metales del crisol, limitado en los tamaños de cristal alcanzables, limitado principalmente al crecimiento a escala de laboratorio.

Cada método presenta ventajas y limitaciones únicas. La selección de la técnica de crecimiento óptima depende de los requisitos de aplicación específicos, las consideraciones de costos y las características deseadas del cristal.

2. Desafíos y soluciones del procesamiento de cristales de SiC:

Rebanado de oblea:La dureza, fragilidad y resistencia a la abrasión del SiC hacen que el corte sea un desafío. El corte tradicional con hilo de diamante requiere mucho tiempo, es un desperdicio y es costoso. Las soluciones incluyen técnicas de corte en cubitos por láser y división en frío para mejorar la eficiencia del corte y el rendimiento de las obleas.

Adelgazamiento de oblea:La baja tenacidad a la fractura del SiC lo hace propenso a agrietarse durante el adelgazamiento, lo que dificulta la reducción uniforme del espesor. Las técnicas actuales se basan en el rectificado rotacional, que sufre desgaste de las ruedas y daños a la superficie. Se están explorando métodos avanzados como el pulido ultrasónico asistido por vibración y el pulido mecánico electroquímico para mejorar las tasas de eliminación de material y minimizar los defectos superficiales.

3. Perspectivas futuras:

Optimizar el crecimiento de los cristales de SiC y el procesamiento de obleas es crucial para una adopción generalizada del SiC. Las investigaciones futuras se centrarán en aumentar las tasas de crecimiento, mejorar la calidad del cristal y mejorar la eficiencia del procesamiento de obleas para desbloquear todo el potencial de este prometedor material semiconductor.**