Puolijohdeepitaksia tarkoittaa prosessia, jossa yksikiteisiä ohutkalvoja kasvatetaan pii- tai piikarbidialustoille (SiC). Epitaksikerroksella on sama kideorientaatio kuin substraatilla, ja se voidaan kasvattaa joko samasta materiaalista (homoepitaksia) tai eri materiaaleista (heteroepitaksia). Suurtaajuus- ja suuritehoisissa laitteissa epitaksikasvatus auttaa optimoimaan laitteen suorituskyvyn: korkean resistiivisyyden epitaksikerrokset tuottavat korkean läpilyöntijännitteen, kun taas matalan resistiivisyyden substraatit pienentävät sarjavastusta, mikä alentaa kyllästysjännitettä. Epitaksikerrokset voidaan seostaa P- tai N-tyyppisiksi, jolloin muodostuu PN-liitoksia, jotka mahdollistavat yksisuuntaisen virran kulun ja tasasuuntauksen. SiC-epitaksiaa käytetään laajalti tehoelektroniikassa, radiotaajuuslaitteissa (RF) ja optoelektronisissa sovelluksissa.
1. SiC-teollisuuden ketju ja arvon jakautuminen
SiC-laiteteollisuuden ketju koostuu kolmesta pääsegmentistä: substraatti, epitaksia ja laitevalmistus (suunnittelu, valmistus ja pakkaaminen). Substraatti- ja epitaksivaiheiden osuus arvoketjusta on noin 70%, kun taas jatkojalostuksen osuus on vain 30%. Tämä poikkeaa tavanomaisista piilaitteista, joissa suurin osa tuotantokustannuksista aiheutuu kiekon jälkeisestä prosessoinnista. Suuri arvokeskittymä tuotantoketjun alkupäässä korostaa substraatti- ja epitaksiteknologioiden strategista merkitystä.
Alustan segmentti siihen kuuluu kiteiden kasvattaminen, kiekon viipalointi, hionta ja kiillotus. Kiteiden kasvattaminen voidaan toteuttaa fysikaalisella höyrynsiirrolla (PVT), korkean lämpötilan kemiallisella höyrynsiirrolla (HTCVD) tai nestemäisen faasin epitaksialla (LPE). Kiekkojen viipaloimisessa käytetään lankasahoja, timanttilankaa, laseria tai kylmäerotusmenetelmiä, kun taas kemiallisessa mekaanisessa kiillotuksessa (CMP) varmistetaan tasaiset, virheettömät pinnat, jotka soveltuvat epitaksiaaliseen kasvuun.
2. SiC-alustan tuotantoprosessi
- Kristallien kasvu:
- PVT: SiC-kiteiden kasvattamisen päämenetelmä. Laitteisto on suhteellisen yksinkertainen, käyttökustannukset ovat alhaiset ja prosessin hallinta on suoraviivaista.
- HTCVD: Tuottaa erittäin puhtaita kiteitä, mutta kasvuvauhti on hitaampi, saanto pienempi ja kustannukset korkeammat.
- LPE: Tuottaa korkealaatuisia, vähävirheisiä kiteitä, mutta kasvunopeus ja koko ovat rajalliset.
- Kiekkojen viipalointi:
- Lankasahat: Vakiomenetelmä, jonka tuotto on suuri ja kustannukset alhaiset.
- Timanttilanka ja laserleikkaus: Tarjoaa korkeamman hyötysuhteen, pienemmän materiaalihävikin ja ympäristöhyötyjä.
- Kylmäerotus: Käyttää sisäistä materiaalijännitystä kiekkojen erottamiseen mahdollisimman pienellä häviöllä.
- Hionta ja kiillotus:
- CMP: Tärkein menetelmä, jolla saavutetaan erittäin tasaiset ja virheettömät kiekkopinnat, jotka ovat kriittisiä korkealaatuisen epitaksian kannalta.
3. Epitaksiaprosessit ja laitteet
Epitaksiaalinen kasvu on kriittinen vaihe SiC-laitteiden valmistuksessa. Toisin kuin tavanomaisia piilaitteita, SiC-laitteita ei voida käsitellä suoraan substraatilla. Laadukas yksikiteinen epitaksiaalikerros on kasvatettava substraatille ennen laitteen valmistusta.
- Epitaksityypit:
- Homoepitaksia: SiC:n kasvattaminen johtavilla SiC-substraateilla, joita käytetään pienitehoisissa laitteissa, RF- ja optoelektronisissa sovelluksissa.
- Heteroepitaksia: GaN:n kasvattaminen puolieristävillä SiC-substraateilla, joita käytetään suuritehoisissa laitteissa.
- Epitaksilaitteet:
- CVD (Chemical Vapor Deposition): Kaasumaiset esiasteet reagoivat lämmitetyillä SiC-alustoilla epitaksikerrosten saamiseksi.
- MOCVD (Metal-Organic CVD): Käyttää metalli-orgaanisia lähtöaineita, mikä mahdollistaa matalamman lämpötilan laskeutumisen ja erittäin ohuet kerrokset monimutkaisia rakenteita varten.
- LPE: Liuottaa lähtöaineita sulaan metalliliuottimeen ja laskee ne alustalle jäähdytyksen jälkeen.
- MBE (Molecular Beam Epitaxy): Asettaa atomikerroksia ultrakorkeassa tyhjiössä, jolloin kalvon paksuus ja koostumus ovat tarkasti hallittavissa.
- Post-Epitaxy Wafer Dicing:
- Mekaaninen kuutiointi ja laserhakkuut ovat yleisiä.
- Laserhakkuut keskittyy suurienergiapulsseihin pienillä alueilla materiaalin sublimoimiseksi tai muokkaamiseksi, mikä vähentää viiltohäviöitä ja halkeamien muodostumista.
4. Markkinoiden ja teknologian suuntaukset
SiC-epitaksia ja substraattituotanto ovat edelleen teknologiaintensiivisiä aloja maailmanlaajuisessa puolijohdeteollisuudessa. Tulevaisuuden suuntauksia ovat mm:
- Alustan koon kasvattaminen 6-tuumaisesta 8-tuumaiseen tai suurempaan yksikkökustannusten alentamiseksi.
- Epitaksia-laitteiden parantaminen suurta tarkkuutta, pientä virhetiheyttä ja atomikerroksen hallintaa varten, jotta ne vastaisivat suuritehoisia ja suurtaajuusvaatimuksia.
- Kehitetään kuutiointitekniikoita kohti kosketuksettomia, vähähäviöisiä laser- ja kylmäerotusmenetelmiä.
- Edistetään kotimaisten ja maailmanlaajuisten laitteiden riippumattomuutta erityisesti epitaksiauunien ja korkean tarkkuuden kuutiointilaitteiden osalta.
5. Päätelmät
SiC-epitaksilaitteet on välttämätöntä suuritehoisten, RF- ja optoelektronisten laitteiden valmistuksessa. Substraattien, epitaksikerrosten ja kuutiointilaitteiden laatu vaikuttaa suoraan laitteiden suorituskykyyn ja teollisuuden kilpailukykyyn. Suuritehoisten laitteiden kysynnän kasvaessa epitaksiteknologian jatkuva kehittäminen ja lokalisointi on yhä tärkeämmässä asemassa puolijohteiden arvoketjussa.