En Ru
Карбид кремния для силовых микросхем: изготовление пластин с эпитаксиальным слоем
В связи с активным ростом рынка силовых компонентов в течение последних двадцати с лишним лет возросла и потребность в микросхемах на базе карбида кремния (SiC). Сильные стороны SiС – широкая запрещенная зона и большая теплопроводность. Технологический цикл производства от пластины до конечного продукта включает в себя ряд ключевых этапов: рост монокристалла, резку на пластины, утонение, полировку, эпитаксию, ионную имплантацию, термообработку и др. В настоящей работе подробно рассматриваются первые три этапа – выращивание монокристаллов, изготовление пластин и эпитаксия, с описанием текущих задач и путей их решения.
введение
Карбид кремния (SiC) – полупроводниковый материал, состоящий из углерода и кремния. В настоящее время SiC является идеальным материалом для изготовления высокотемпературных, высокочастотных, мощных и высоковольтных микросхем [1]. По сравнению с традиционным кремнием (Si), ширина запрещенной зоны SiC в 3 раза больше, теплопроводность лучше в 4–5 раз, напряжение пробоя в 8–10 раз выше, а скорость дрейфа электронов в 2–3 раза выше (рис. 1).
Рис. 1. Сравнение базовых характеристик Si, SiC и GaN
Основными преимуществами устройств на базе SiC являются:
- способность выдерживать высокие токи и напряжения – это дает возможность уменьшить массогабаритные характеристики при увеличении эффективности;
- отсутствие задержки тока при выключении – позволяет увеличить скорость переключения (в 3–10 раз выше, чем у Si);
- высокая термостойкость – SiC, обладая высокой теплопроводностью, работает при гораздо более высоких температурах по сравнению с Si.
ЭТАП 1: ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ SIC
Это самый сложный и дорогостоящий этап, определяющий качество всей дальнейшей продукции. Сложность обусловлена необходимостью решения комплекса задач, связанных с низкими повторяемостью и выходом годных, а также с потребностью в специализированном оборудовании. Очень многое зависит и от исходного сырья – высокочистых порошков кремния (Si) и углерода (C).
Метод физического переноса из газовой фазы (PVT – от англ. Physical Vapor Transport) на данный момент является основным промышленным способом выращивания сложных полупроводниковых монокристаллов SiC. Популярность PVT обусловлена возможностью получения высокочистых кристаллов с низкой плотностью дефектов. В камере при температуре >1 800°C и низком давлении порошок SiC возгоняется и осаждается на затравочном кристалле, формируя монокристаллический слиток (булю).
Весь процесс включает в себя следующие три стадии [2]:
1. Разложение и сублимация (переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу) поликристаллического SiC:
Эти реакции характерны для высокотемпературных процессов, таких как рост SiC при температурах выше 1 800 °C в случае PVT или эпитаксии при температурах выше 1 500 °C в процессе CVD (CVD – от англ. Chemical Vapor Deposition – химическое осаждение из газовой фазы), когда твердый SiC не плавится, а сублимируется или образуется из газовых компонентов. При PVT нет химической реакции с газом-носителем, но в обоих случаях качество и характеристики выращенного кристалла определяются рядом технологических параметров, включая температуру источника, температуру осаждения, соотношение парциальных давлений и остаточного давления. Критически важно следить за политипностью SiC и плотностью дефектов (микротрубки, дислокации и др.). 4H-SiC, 6H-SiC и 3C-SiC считаются наиболее отличающимися политипами SiC, при этом 4H-SiC является типовым для силовых устройств [3]. В зависимости от способа нагрева реакторы для PVT-выращивания кристаллов SiC можно разделить на индуктивные и резистивные (рис. 2).
Ряд производителей разрабатывает оборудование для одновременного выращивания нескольких слитков SiC в одном реакторе. Метод индукционного нагрева является наиболее распространенным и применяется примерно в 90% случаев в оборудовании для PVT-синтеза. На долю резистивного нагрева приходится около 10% рынка; данный метод рассматривается как экономически эффективное решение для массового производства кристаллов SiC диаметром 200 мм и более. Сравнительные характеристики типов реакторов приведены в табл. 1.
В настоящее время решена задача выращивания 200-мм слитков SiC в индукционных реакторах. Были разработаны методы измерения и поддержания заданных температур, которые позволяют минимизировать плотность дефектов кристаллов и обеспечить высокую повторяемость процесса. Еще одним ключевым фактором, влияющим на рост кристаллов, является стабильность давления. Для его контроля применяются датчики давления и регулирующие клапаны с адаптивными алгоритмами управления, позволяющие поддерживать давление с точностью ±0,3 Па в рабочем диапазоне от 100 до 500 Па.
Метод физического переноса из газовой фазы (PVT – от англ. Physical Vapor Transport) на данный момент является основным промышленным способом выращивания сложных полупроводниковых монокристаллов SiC. Популярность PVT обусловлена возможностью получения высокочистых кристаллов с низкой плотностью дефектов. В камере при температуре >1 800°C и низком давлении порошок SiC возгоняется и осаждается на затравочном кристалле, формируя монокристаллический слиток (булю).
Весь процесс включает в себя следующие три стадии [2]:
1. Разложение и сублимация (переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу) поликристаллического SiC:
SiC(s) → Si(g) + C(s),
2SiC(s) → Si(g) + SiC₂ (g).
2. Массообмен, в процессе которого пары Si дополнительно взаимодействуют со стенками графитового тигля с образованием SiC₂ и Si₂ C:Si(g) +2C(s) → SiC₂ (g),
2Si(g) + C(s) → Si₂ C(g).
3. Рост SiC на поверхности затравочного кристалла, когда три газовые фазы образуют кристаллы карбида кремния:SiC₂ (g) + Si₂ C(g) → 3SiC(s),
Si(g) + SiC₂ (g) → 2SiC(s).
Эти реакции характерны для высокотемпературных процессов, таких как рост SiC при температурах выше 1 800 °C в случае PVT или эпитаксии при температурах выше 1 500 °C в процессе CVD (CVD – от англ. Chemical Vapor Deposition – химическое осаждение из газовой фазы), когда твердый SiC не плавится, а сублимируется или образуется из газовых компонентов. При PVT нет химической реакции с газом-носителем, но в обоих случаях качество и характеристики выращенного кристалла определяются рядом технологических параметров, включая температуру источника, температуру осаждения, соотношение парциальных давлений и остаточного давления. Критически важно следить за политипностью SiC и плотностью дефектов (микротрубки, дислокации и др.). 4H-SiC, 6H-SiC и 3C-SiC считаются наиболее отличающимися политипами SiC, при этом 4H-SiC является типовым для силовых устройств [3]. В зависимости от способа нагрева реакторы для PVT-выращивания кристаллов SiC можно разделить на индуктивные и резистивные (рис. 2).
Ряд производителей разрабатывает оборудование для одновременного выращивания нескольких слитков SiC в одном реакторе. Метод индукционного нагрева является наиболее распространенным и применяется примерно в 90% случаев в оборудовании для PVT-синтеза. На долю резистивного нагрева приходится около 10% рынка; данный метод рассматривается как экономически эффективное решение для массового производства кристаллов SiC диаметром 200 мм и более. Сравнительные характеристики типов реакторов приведены в табл. 1.
В настоящее время решена задача выращивания 200-мм слитков SiC в индукционных реакторах. Были разработаны методы измерения и поддержания заданных температур, которые позволяют минимизировать плотность дефектов кристаллов и обеспечить высокую повторяемость процесса. Еще одним ключевым фактором, влияющим на рост кристаллов, является стабильность давления. Для его контроля применяются датчики давления и регулирующие клапаны с адаптивными алгоритмами управления, позволяющие поддерживать давление с точностью ±0,3 Па в рабочем диапазоне от 100 до 500 Па.
Рис. 2. Реакторы для PVTвыращивания кристаллов SiC: индуктивный (а) и резистивный (б)
Таблица 1. Сравнительные характеристики индукционного и резистивного реакторов
Параметр | Индукционный реактор | Резистивный реактор |
Принцип нагрева | Электромагнитный индукционный (бесконтактный) нагрев графитового тигля | Нагрев за счет прохождения тока непосредственно через нагреватели с последующей передачей тепла графитовому тиглю |
Распределение нагрева | Регулировка за счет изменения положения индуктора (обмотки) | Регулируемые параметры нагрева по нескольким зонам |
Эффективность | Настраиваемый температурный градиент (за счет положения провода), высокая эффективность нагрева при низком энергопотреблении | Низкая эффективность нагрева при высоком энергопотреблении |
Стоимость эксплуатации | Низкое потребление электроэнергии и воды | Высокое потребление электроэнергии и воды, более частая замена нагревателей и изоляторов |
Обслуживание | Не требует частой замены нагревателя и изолятора | Необходимо регулярно заменять нагреватели и изоляторы |
Нагревательный элемент | Нагревательный провод, надежно фиксируется и не требует частой замены | Сопротивление нагревателя со временем меняется, поэтому его необходимо регулярно проверять и заменять |
Что касается выращивания кристаллов SiC диаметром более 200 мм, то оборудование для резистивного нагрева считается в данном случае более подходящим. Для качественного процесса массообмена применяется конструкция тигля в виде цилиндра из пористого графита, позволяющая увеличить площадь испарения исходного материала. Это предотвращает образование дефектов кристаллов, вызванных перекристаллизацией верхнего слоя исходного материала, стабилизирует процесс сублимации и повышает общую эффективность роста.
ЭТАП 2: ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛАСТИН
Полученный слиток подлежит разделению на пластины, готовые для последующей эпитаксии. Технологический цикл подготовки подложек SiC начинается с удаления концевых участков слитка. Данная операция необходима, так как зоны затравки и завершения роста характеризуются повышенной плотностью дефектов и непригодны для производства пластин. Кроме того, формирование плоских торцов является обязательным условием для последующей механической обработки.
Слитки ориентируют и обтачивают, затем режут на пластины, потом утоняют и шлифуют, в конце снимают фаску и делают финишную химико-механическую полировку (ХМП) (рис. 3). Основная сложность обусловлена высокой твердостью и химической стойкостью SiC. В связи с этим, хотя общие принципы обработки аналогичны традиционным методам обработки кремния, требуется применение специализированных расходных материалов.
Ориентация и обточка (шлифовка наружного диаметра) – это первые критически важные этапы механической обработки выращенного монокристалла, которые закладывают основу геометрической точности всех последующих пластин и выход годных. Точное определение кристаллографических плоскостей внутри выращенного слитка осуществляется при помощи рентгеновского дифрактометра XRD (X-Ray Diffractometer). Слиток закрепляется на специальном держателе, который позволяет точно регулировать его положение, проводится первичное измерение. На основе первичных данных регулируется наклон держателя с помощью двух лимбов (компасных головок); при достижении требуемой ориентации положение слитка фиксируется в специальной оснастке.
Для создания высоконадежных силовых приборов на основе SiC требуется формирование качественных эпитаксиальных структур. В связи с этим критически важно, чтобы рабочая поверхность будущей пластины была отклонена от базовой плоскости (0001) на строго заданный угол, который для 4H-SiC составляет 4° (рис. 4). Это необходимо для обеспечения контролируемого ступенчатого роста при последующей эпитаксии (stepcontrolled epitaxy), предотвращающего образование нежелательных политипов. Если ранее допуск на угол составлял ±0,5°, то сейчас передовые производители реализуют точность до ±0,15°, что требует наличия специализированного оборудования и строгого контроля [4].
Слитки ориентируют и обтачивают, затем режут на пластины, потом утоняют и шлифуют, в конце снимают фаску и делают финишную химико-механическую полировку (ХМП) (рис. 3). Основная сложность обусловлена высокой твердостью и химической стойкостью SiC. В связи с этим, хотя общие принципы обработки аналогичны традиционным методам обработки кремния, требуется применение специализированных расходных материалов.
Ориентация и обточка (шлифовка наружного диаметра) – это первые критически важные этапы механической обработки выращенного монокристалла, которые закладывают основу геометрической точности всех последующих пластин и выход годных. Точное определение кристаллографических плоскостей внутри выращенного слитка осуществляется при помощи рентгеновского дифрактометра XRD (X-Ray Diffractometer). Слиток закрепляется на специальном держателе, который позволяет точно регулировать его положение, проводится первичное измерение. На основе первичных данных регулируется наклон держателя с помощью двух лимбов (компасных головок); при достижении требуемой ориентации положение слитка фиксируется в специальной оснастке.
Для создания высоконадежных силовых приборов на основе SiC требуется формирование качественных эпитаксиальных структур. В связи с этим критически важно, чтобы рабочая поверхность будущей пластины была отклонена от базовой плоскости (0001) на строго заданный угол, который для 4H-SiC составляет 4° (рис. 4). Это необходимо для обеспечения контролируемого ступенчатого роста при последующей эпитаксии (stepcontrolled epitaxy), предотвращающего образование нежелательных политипов. Если ранее допуск на угол составлял ±0,5°, то сейчас передовые производители реализуют точность до ±0,15°, что требует наличия специализированного оборудования и строгого контроля [4].
Рис. 3.
Технологические
операции изготовления пластин
Технологические
операции изготовления пластин
Выращенный кристалл часто имеет больший диаметр и неровную форму из-за особенностей роста в графитовом тигле, поэтому требуется шлифование наружной поверхности слитка алмазным инструментом. Скорость обработки достигает 80 м/с, что в 1,5–2 раза выше скорости обычного шлифования; при этом отклонение от цилиндричности не должно превышать 5 мкм при допуске на наружный диаметр ≤ ±0,1 мм.
Рис. 4. Столик рентгеновского дифрактометра (а), ориентация монокристалла (б), обточка и формирование лунки (в)
Современное оборудование обеспечивает интеграцию процессов: существуют станки, которые за один цикл выполняют шлифование наружного диаметра, определение кристаллографической ориентации (уже после грубой обточки или с использованием данных предыдущего этапа) и нарезку базового среза (base cut) или V-образной лунки (notch). Для пластин большого диаметра (200 мм и более) стандартной практикой является использование именно лунки – эта метка служит для однозначного указания кристаллографической ориентации плоскости и направления наклона, что необходимо для корректного позиционирования пластин в оборудовании на всех последующих этапах. Совмещение операций минимизирует количество переустановок слитка, что критически важно для сохранения точности ориентации, достигнутой на этапе юстировки.
Подготовленный к раскрою слиток подвергается разделению на пластины. Основной технологией для этого является алмазная многопроволочная резка. В сравнении со суспензионной резкой или использованием алмазных дисков с внутренней режущей кромкой, данный метод обеспечивает минимальный объем потерь материала в пропил и высокое качество поверхности.
Также существует метод бесконтактного лазерного разделения слитков SiC на пластины, технологическое лидерство в данной области принадлежит японской компании Disco Corporation (технология KABRA, рис. 5). KABRA позволяет существенно сократить потери материала и минимизировать повреждения рабочих поверхностей пластин [5]. Однако данный метод пока не нашел массового применения из-за высокой себестоимости процесса; его экономическая целесообразность достигается преимущественно для пластин диаметром от 200 мм.
Как уже было упомянуто ранее, для процессов утонения, шлифования, снятия фаски и финишной химико-механической полировки пластин SiC применяется оборудование, конструктивно аналогичное используемому для обработки Si. Однако из-за высокой твердости карбида кремния оборудование необходимо соответствующим образом настроить. К основным техническим трудностям относятся: необходимость прецизионного контроля толщины, формирование дефектного подповерхностного слоя, возникновение микротрещин и остаточных напряжений на обрабатываемой поверхности, а также более выраженная подверженность пластин SiC деформациям в сравнении с кремниевыми подложками.
Подготовленный к раскрою слиток подвергается разделению на пластины. Основной технологией для этого является алмазная многопроволочная резка. В сравнении со суспензионной резкой или использованием алмазных дисков с внутренней режущей кромкой, данный метод обеспечивает минимальный объем потерь материала в пропил и высокое качество поверхности.
Также существует метод бесконтактного лазерного разделения слитков SiC на пластины, технологическое лидерство в данной области принадлежит японской компании Disco Corporation (технология KABRA, рис. 5). KABRA позволяет существенно сократить потери материала и минимизировать повреждения рабочих поверхностей пластин [5]. Однако данный метод пока не нашел массового применения из-за высокой себестоимости процесса; его экономическая целесообразность достигается преимущественно для пластин диаметром от 200 мм.
Как уже было упомянуто ранее, для процессов утонения, шлифования, снятия фаски и финишной химико-механической полировки пластин SiC применяется оборудование, конструктивно аналогичное используемому для обработки Si. Однако из-за высокой твердости карбида кремния оборудование необходимо соответствующим образом настроить. К основным техническим трудностям относятся: необходимость прецизионного контроля толщины, формирование дефектного подповерхностного слоя, возникновение микротрещин и остаточных напряжений на обрабатываемой поверхности, а также более выраженная подверженность пластин SiC деформациям в сравнении с кремниевыми подложками.
Рис. 5. Технологический процесс бесконтактной лазерной резки KABRA от Disco Corporation (Япония)
Базовые выходные параметры пластин SiC диаметрами 150/200 мм после утонения и шлифования: равномерность толщины (TTV) ≤ 3 мкм (по пластине); коробление (warp) ≤ 30 мкм (по пластине); прогиб (bow) ≤ ±15 мкм (по пластине). Шероховатость (Ra) находится в диапазоне 1–30 нм после утонения, 1–2 нм после шлифования и ≤ 0,1 нм по завершении финишной ХМП для получения зеркальной поверхности без повреждений, готовой к эпитаксии (epi-ready). По окончании данных процессов проверяются геометрические параметры, чистота, плотность дефектов и удельное сопротивление подложки. Производительность варьируется в зависимости от величины снимаемого припуска.
При механической обработке, в силу высокой твердости SiC, применяется алмазный абразив, тогда как для обработки Si зачастую достаточно оксида алюминия. Несмотря на высокую твердость алмаза, при работе с карбидом кремния он изнашивается в разы быстрее, чем при обработке кремния, что увеличивает производственные затраты и, как следствие, итоговую себестоимость пластин.
В процессе полировки кремния используется относительно мягкое химико-механическое воздействие (щелочь + кремнезем), а полировка карбида кремния требует агрессивной механической составляющей (твердый наноабразив) в сочетании со специально подобранной кислотной химией (pH 3–4).
При механической обработке, в силу высокой твердости SiC, применяется алмазный абразив, тогда как для обработки Si зачастую достаточно оксида алюминия. Несмотря на высокую твердость алмаза, при работе с карбидом кремния он изнашивается в разы быстрее, чем при обработке кремния, что увеличивает производственные затраты и, как следствие, итоговую себестоимость пластин.
В процессе полировки кремния используется относительно мягкое химико-механическое воздействие (щелочь + кремнезем), а полировка карбида кремния требует агрессивной механической составляющей (твердый наноабразив) в сочетании со специально подобранной кислотной химией (pH 3–4).
ЭТАП 3: ЭПИТАКСИЯ
На готовую пластину (подложку) наращивается слой с высокой степенью совершенства кристаллической решетки и точно контролируемым легированием, именно в этом слое впоследствии будут сформированы активные области прибора. Для силовых микросхем на базе 4H-SiC n-типа формируется дрейфовый слой с заданными толщиной и концентрацией легирующей примеси, параметры этого слоя напрямую определяют пробивное напряжение и сопротивление будущего транзистора в открытом состоянии.
Существует три основные технологии эпитаксиального роста SiC: CVD, жидкофазная эпитаксия (LPE) и молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE). Наибольшее распространение получил метод CVD. Конструктивно реакторы для данного процесса классифицируются на горизонтальные, вертикальные, с одним или несколькими подложкодержателями. Метод CVD-эпитаксии реализуется в рамках той же физико-химической модели, что и выращивание объемных монокристаллов SiC методом HTCVD, однако его реализация требует комплексного и более точного контроля технологических параметров. Процесс CVD-эпитаксии характеризуется следующими особенностями:
Критически важным условием является реализация контролируемого ступенчатого роста – это фундаментальный процесс, который позволяет предотвратить спонтанное образование паразитных фаз (политипа 3C-SiC) и получать совершенные слои 4H-SiC n-типа (рис. 6). Он требует использования подложек, отклоненных на 4° от кристаллографической плоскости (0001), точного контроля температуры, давления и стехиометрического соотношения газов в реакторе. Пластины после эпитаксии имеют атомарно-гладкую поверхность с шероховатостью (RMS) менее 0,2 нм.
Существует три основные технологии эпитаксиального роста SiC: CVD, жидкофазная эпитаксия (LPE) и молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE). Наибольшее распространение получил метод CVD. Конструктивно реакторы для данного процесса классифицируются на горизонтальные, вертикальные, с одним или несколькими подложкодержателями. Метод CVD-эпитаксии реализуется в рамках той же физико-химической модели, что и выращивание объемных монокристаллов SiC методом HTCVD, однако его реализация требует комплексного и более точного контроля технологических параметров. Процесс CVD-эпитаксии характеризуется следующими особенностями:
- прекурсоры (SiH4 + C3 H8 + H2 ) разлагаются при температуре 1 580–1 650 °C;
- давление в реакторе варьируется от 250 до 700 мбар для контроля скорости роста и однородности;
- соотношение C/Si (C/Si ratio) – это критический параметр, влияющий на морфологию поверхности и легирование. Меняя соотношение потоков силана (SiH4) и пропана (C3 H8), можно обеспечивать контроль уровня легирования азотом;
- в приповерхностной области образуются промежуточные соединения типа Si, C, SiС2 , Si2 C;
- промежуточные соединения адсорбируются на поверхности нагретой пластины и вступают в реакции, формируя эпитаксиальный слой;
- скорость роста достигает значений 40–60 мкм/ч.
Критически важным условием является реализация контролируемого ступенчатого роста – это фундаментальный процесс, который позволяет предотвратить спонтанное образование паразитных фаз (политипа 3C-SiC) и получать совершенные слои 4H-SiC n-типа (рис. 6). Он требует использования подложек, отклоненных на 4° от кристаллографической плоскости (0001), точного контроля температуры, давления и стехиометрического соотношения газов в реакторе. Пластины после эпитаксии имеют атомарно-гладкую поверхность с шероховатостью (RMS) менее 0,2 нм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе были рассмотрены три ключевых начальных этапа производства силовых полупроводниковых структур на основе SiC: выращивание монокристаллов, изготовление пластин (подложек) и эпитаксия. Анализ современного состояния технологий позволяет сделать следующие выводы:
1. Выращивание монокристаллов методом PVT остается доминирующим технологическим процессом. Ключевой тенденцией является переход на диаметр пластин 200 мм, что требует совершенствования оборудования. Индукционные реакторы занимают около 90% рынка благодаря высокой эффективности, однако резистивные реакторы демонстрируют преимущества для массового производства крупногабаритных кристаллов за счет более точного зонального контроля температуры. Главными вызовами остаются повышение выхода годных, снижение плотности дефектов и обеспечение воспроизводимости политипа 4H-SiC.
2. Изготовление пластин (подложек) из-за высокой твердости и химической инертности SiC требует специализированных подходов к механической обработке. Критически важными операциями являются прецизионная ориентация слитков с помощью XRD (с достижением точности угла наклона до ±0,15°), алмазная обточка и резка. Применение алмазного абразива является безальтернативным стандартом на всех этапах шлифовки и резки. Технология лазерного отделения пластин (например, KABRA) выглядит перспективной для 200-мм пластин, позволяя снизить потери материала, однако ее широкое внедрение сдерживается высокой стоимостью. Финишная химико-механическая полировка обеспечивает получение поверхности с шероховатостью ≤ 0,1 нм, готовой к эпитаксии.
3. Эпитаксия методом CVD является основным промышленным методом получения совершенных слоев 4H-SiC n-типа с контролируемыми параметрами. Фундаментальным принципом остается контролируемый ступенчатый рост (step-controlled epitaxy), который требует использования ориентированных под точным углом пластин в 4° от базовой плоскости (0001). Современное оборудование позволяет достигать скорости роста 40–60 мкм/ч при высокой однородности легирования и толщины. Основные усилия направлены на масштабирование процессов для пластин 200 мм и снижение плотности поверхностных дефектов.
Таким образом, несмотря на более высокие сложность и стоимость обработки SiC по сравнению с кремнием, современное развитие оборудования и расходных материалов позволяет успешно решать задачи перехода на подложки больших диаметров и повышения выхода годных, что является основой для дальнейшего расширения рынка силовой электроники на базе карбида кремния.
1. Выращивание монокристаллов методом PVT остается доминирующим технологическим процессом. Ключевой тенденцией является переход на диаметр пластин 200 мм, что требует совершенствования оборудования. Индукционные реакторы занимают около 90% рынка благодаря высокой эффективности, однако резистивные реакторы демонстрируют преимущества для массового производства крупногабаритных кристаллов за счет более точного зонального контроля температуры. Главными вызовами остаются повышение выхода годных, снижение плотности дефектов и обеспечение воспроизводимости политипа 4H-SiC.
2. Изготовление пластин (подложек) из-за высокой твердости и химической инертности SiC требует специализированных подходов к механической обработке. Критически важными операциями являются прецизионная ориентация слитков с помощью XRD (с достижением точности угла наклона до ±0,15°), алмазная обточка и резка. Применение алмазного абразива является безальтернативным стандартом на всех этапах шлифовки и резки. Технология лазерного отделения пластин (например, KABRA) выглядит перспективной для 200-мм пластин, позволяя снизить потери материала, однако ее широкое внедрение сдерживается высокой стоимостью. Финишная химико-механическая полировка обеспечивает получение поверхности с шероховатостью ≤ 0,1 нм, готовой к эпитаксии.
3. Эпитаксия методом CVD является основным промышленным методом получения совершенных слоев 4H-SiC n-типа с контролируемыми параметрами. Фундаментальным принципом остается контролируемый ступенчатый рост (step-controlled epitaxy), который требует использования ориентированных под точным углом пластин в 4° от базовой плоскости (0001). Современное оборудование позволяет достигать скорости роста 40–60 мкм/ч при высокой однородности легирования и толщины. Основные усилия направлены на масштабирование процессов для пластин 200 мм и снижение плотности поверхностных дефектов.
Таким образом, несмотря на более высокие сложность и стоимость обработки SiC по сравнению с кремнием, современное развитие оборудования и расходных материалов позволяет успешно решать задачи перехода на подложки больших диаметров и повышения выхода годных, что является основой для дальнейшего расширения рынка силовой электроники на базе карбида кремния.
Рис. 6. Режимы эпитаксиального роста 4H-SiC: а – двумерный рост с образованием 3C-SiC; б – контролируемый ступенчатый рост
ЛИТЕРАТУРА
1. Ostling M., Koo S.-M., Lee S.-K. et al. SiC device technology for high voltage and RF power applications // 23rd International Conference on Microelectronics. May 2002.
2. https://www.vet-china.com/news/silicon-carbide-crystalgrowth-process-and-equipment-technology/.
3. Kondrath N., Kazimierczuk M. K. Characteristics and applications of silicon carbide power devices in power electronics // International Journal of Electronics and Telecommunications. 2010. V. 56, No. 3. PP. 231–236.
4. SiC end face inclination and reference edge measurement technology (http://www.malvernpanalytical17.com/ Article-4073618.html).
5. Zhang L., Wang H., Chen Y. et al. Comparative study on substrate quality of laser slicing and wire saw slicing for SiC wafers // CrystEngComm. 2026. V. 28, No. 1, PP. 177–188.
2. https://www.vet-china.com/news/silicon-carbide-crystalgrowth-process-and-equipment-technology/.
3. Kondrath N., Kazimierczuk M. K. Characteristics and applications of silicon carbide power devices in power electronics // International Journal of Electronics and Telecommunications. 2010. V. 56, No. 3. PP. 231–236.
4. SiC end face inclination and reference edge measurement technology (http://www.malvernpanalytical17.com/ Article-4073618.html).
5. Zhang L., Wang H., Chen Y. et al. Comparative study on substrate quality of laser slicing and wire saw slicing for SiC wafers // CrystEngComm. 2026. V. 28, No. 1, PP. 177–188.
Источник: https://www.electronics.ru/journal/article/11457
Автор: Сотрудник компании ООО "ТТМ" Иванов В.