Polovodičovou epitaxí se rozumí proces pěstování monokrystalických tenkých vrstev na substrátech z křemíku nebo karbidu křemíku (SiC). Epitaxní vrstva má stejnou krystalovou orientaci jako substrát a může být vypěstována buď ze stejného materiálu (homoepitaxe), nebo z různých materiálů (heteroepitaxe). U vysokofrekvenčních a vysoce výkonných zařízení pomáhá epitaxní růst optimalizovat výkon zařízení: epitaxní vrstvy s vysokou rezistivitou zajišťují vysoké průrazné napětí, zatímco substráty s nízkou rezistivitou snižují sériový odpor, čímž snižují saturační napětí. Epitaxní vrstvy mohou být dopovány jako typ P nebo N a vytvářejí přechody PN, které umožňují jednosměrný tok proudu a rektifikaci. Epitaxe SiC se široce uplatňuje ve výkonové elektronice, radiofrekvenčních (RF) zařízeních a optoelektronických aplikacích.
1. Průmyslový řetězec SiC a rozdělení hodnot
Průmyslový řetězec SiC zařízení se skládá ze tří hlavních segmentů: substrátu, epitaxe a výroby zařízení (návrh, výroba a balení). Fáze substrátu a epitaxe představují přibližně 70% hodnotového řetězce, zatímco následné zpracování zařízení představuje pouze 30%. To je v kontrastu s běžnými křemíkovými zařízeními, kde většinu výrobních nákladů tvoří zpracování po výrobě. Vysoká koncentrace hodnoty před výrobou zdůrazňuje strategický význam technologií substrátu a epitaxe.
Segment substrátu zahrnuje růst krystalů, krájení plátků, broušení a leštění. Růstu krystalů lze dosáhnout pomocí fyzikálního transportu par (PVT), vysokoteplotní chemické depozice z par (HTCVD) nebo epitaxe v kapalné fázi (LPE). Při krájení destiček se používají drátové pily, diamantový drát, laser nebo metody studené separace, zatímco chemické mechanické leštění (CMP) zajišťuje rovné povrchy bez defektů vhodné pro epitaxní růst.
2. Proces výroby SiC substrátu
- Růst krystalů:
- PVT: Hlavní metoda růstu krystalů SiC. Zařízení je relativně jednoduché, provozní náklady jsou nízké a řízení procesu je jednoduché.
- HTCVD: Produkuje krystaly vysoké čistoty, ale má pomalejší růst, nižší výtěžnost a vyšší náklady.
- LPE: Vytváří vysoce kvalitní krystaly s nízkým počtem defektů, ale rychlost růstu a velikost jsou omezené.
- Krájení oplatek:
- Drátové pily: Standardní metoda s vysokou výtěžností a nízkými náklady.
- Diamantový drát a laserové řezání: Nabízí vyšší účinnost, nižší ztráty materiálu a ekologické výhody.
- Oddělení za studena: Využívá vnitřní pnutí materiálu k oddělení destiček s minimálními ztrátami.
- Broušení a leštění:
- CMP: Hlavní metoda pro dosažení vysoce plochých povrchů destiček bez defektů, které jsou rozhodující pro vysoce kvalitní epitaxi.
3. Epitaxní procesy a zařízení
Epitaxní růst je kritickým krokem při výrobě SiC zařízení. Na rozdíl od běžných křemíkových zařízení nelze SiC zařízení zpracovávat přímo na substrátu. Před výrobou zařízení musí být na substrátu vypěstována vysoce kvalitní monokrystalická epitaxní vrstva.
- Typy epitaxe:
- Homoepitaxy: Pěstování SiC na vodivých substrátech SiC, které se používají pro nízkovýkonná zařízení, RF a optoelektronické aplikace.
- Heteroepitaxe: Pěstování GaN na poloizolačních substrátech SiC, které se používají pro vysoce výkonná zařízení.
- Epitaxní zařízení:
- CVD (Chemical Vapor Deposition): Plynné prekurzory reagují na zahřátých substrátech SiC za účelem depozice epitaxních vrstev.
- MOCVD (Metal-Organic CVD): Používá kovově-organické prekurzory, které umožňují depozici při nižších teplotách a nanesení ultratenkých vrstev pro složité struktury.
- LPE: Zdrojové materiály se rozpustí v roztaveném kovovém rozpouštědle a po ochlazení se nanesou na substrát.
- MBE (Molecular Beam Epitaxy): Nanáší atomární vrstvy v ultravysokém vakuu pro přesnou kontrolu tloušťky a složení vrstvy.
- Post-Epitaxy Wafer Dicing:
- Mechanické krájení na kostky a laserové krájení na kostky jsou běžné.
- Laserové krájení na kostky zaměřuje vysokoenergetické pulzy na malé plochy, aby sublimovaly nebo upravily materiál, čímž se snižuje ztráta prořezu a tvorba trhlin.
4. Tržní a technologické trendy
Epitaxe SiC a výroba substrátů zůstávají technologicky náročnými odvětvími světového polovodičového průmyslu. Budoucí trendy zahrnují:
- Zvětšení velikosti substrátu z 6 na 8 palců nebo větší, aby se snížily jednotkové náklady.
- Zdokonalení epitaxního zařízení pro vysokou přesnost, nízkou hustotu defektů a kontrolu atomárních vrstev pro splnění požadavků na vysoký výkon a vysokou frekvenci.
- Pokrok v technologiích dicingu směrem k bezkontaktním, nízkoztrátovým laserovým metodám a metodám separace za studena.
- Podpora nezávislosti na domácím a celosvětovém vybavení, zejména v oblasti epitaxních pecí a vysoce přesných systémů pro dicing.
5. Závěr
Zařízení pro epitaxi SiC je nezbytný pro výrobu vysoce výkonných, rádiových a optoelektronických zařízení. Kvalita substrátů, epitaxiálních vrstev a zařízení pro dicing přímo ovlivňuje výkon zařízení a konkurenceschopnost průmyslu. S rostoucí poptávkou po vysoce výkonných zařízeních bude další rozvoj a lokalizace epitaxní technologie hrát v hodnotovém řetězci polovodičů stále důležitější roli.