L'épitaxie des semi-conducteurs est le processus de croissance de couches minces monocristallines sur des substrats de silicium ou de carbure de silicium (SiC). La couche épitaxiale a la même orientation cristalline que le substrat et peut être produite à partir du même matériau (homoépitaxie) ou de matériaux différents (hétéroépitaxie). Pour les dispositifs à haute fréquence et à haute puissance, la croissance épitaxiale permet d'optimiser les performances du dispositif : les couches épitaxiales à haute résistivité fournissent une tension de claquage élevée, tandis que les substrats à faible résistivité réduisent la résistance en série, diminuant ainsi la tension de saturation. Les couches épitaxiées peuvent être dopées de type P ou de type N, formant des jonctions PN qui permettent un flux de courant unidirectionnel, autorisant la rectification. L'épitaxie du SiC est largement utilisée dans l'électronique de puissance, les dispositifs de radiofréquence (RF) et les applications optoélectroniques.
1. Chaîne industrielle du SiC et répartition de la valeur
La chaîne industrielle des dispositifs en SiC se compose de trois segments principaux : le substrat, l'épitaxie et la fabrication de dispositifs (conception, fabrication et conditionnement). Les étapes du substrat et de l'épitaxie représentent environ 70% de la chaîne de valeur, tandis que le traitement des dispositifs en aval ne représente que 30%. Cette situation contraste avec celle des dispositifs en silicium classiques, pour lesquels le traitement après la fabrication de la plaquette représente la majeure partie des coûts de production. La forte concentration de valeur en amont souligne l'importance stratégique des technologies de substrat et d'épitaxie.
Segment de substrat implique la croissance des cristaux, le découpage des tranches, le broyage et le polissage. La croissance des cristaux peut être réalisée par transport physique en phase vapeur (PVT), par dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD) ou par épitaxie en phase liquide (LPE). Le tranchage des plaquettes utilise des scies à fil, des fils diamantés, des lasers ou des méthodes de séparation à froid, tandis que le polissage mécanique chimique (CMP) garantit des surfaces planes et exemptes de défauts, propices à la croissance épitaxiale.
2. Processus de production des substrats en SiC
- Croissance cristalline :
- PVT : C'est la méthode la plus répandue pour la croissance des cristaux de SiC. L'équipement est relativement simple, les coûts d'exploitation sont faibles et le contrôle du processus est direct.
- HTCVD : Produit des cristaux de haute pureté, mais présente des taux de croissance plus lents, des rendements plus faibles et des coûts plus élevés.
- LPE : Produit des cristaux de haute qualité, avec peu de défauts, mais le taux de croissance et la taille sont limités.
- Tranchage des tranches :
- Scies à fil : Méthode standard à haut rendement et faible coût.
- Tranchage au fil diamanté et au laser : Ils offrent une plus grande efficacité, une réduction des pertes de matériaux et des avantages pour l'environnement.
- Séparation à froid : Utilise la tension interne du matériau pour séparer les plaquettes avec une perte minimale.
- Meulage et polissage :
- CMP : Il s'agit de la principale méthode permettant d'obtenir des surfaces de plaquettes très planes et exemptes de défauts, ce qui est essentiel pour une épitaxie de haute qualité.
3. Procédés et équipements d'épitaxie
La croissance épitaxiale est une étape critique dans la fabrication de dispositifs en SiC. Contrairement aux dispositifs en silicium conventionnels, les dispositifs en SiC ne peuvent pas être traités directement sur le substrat. Une couche épitaxiale monocristalline de haute qualité doit être développée sur le substrat avant la fabrication du dispositif.
- Types d'épitaxie :
- Homoépitaxie : SiC en croissance sur des substrats conducteurs en SiC, utilisés pour des dispositifs de faible puissance, des applications RF et optoélectroniques.
- Hétéroépitaxie : Culture de GaN sur des substrats semi-isolants en SiC, utilisés pour des dispositifs de haute puissance.
- Équipement d'épitaxie :
- CVD (dépôt chimique en phase vapeur) : Des précurseurs gazeux réagissent sur des substrats de SiC chauffés pour déposer des couches épitaxiales.
- MOCVD (Metal-Organic CVD) : Utilise des précurseurs métallo-organiques, ce qui permet un dépôt à basse température et des couches ultra-minces pour des structures complexes.
- LPE : Dissout les matériaux de base dans un solvant métallique en fusion et les dépose sur le substrat après refroidissement.
- MBE (épitaxie par faisceaux moléculaires) : Dépose des couches atomiques sous ultravide pour un contrôle précis de l'épaisseur et de la composition du film.
- Découpage des plaquettes après épitaxie :
- Découpage mécanique et découpage laser sont fréquents.
- Découpage laser concentre des impulsions à haute énergie sur de petites surfaces pour sublimer ou modifier le matériau, réduisant ainsi la perte d'épaisseur et la formation de fissures.
4. Tendances du marché et de la technologie
L'épitaxie au SiC et la production de substrats restent des secteurs à forte intensité technologique dans l'industrie mondiale des semi-conducteurs. Les tendances futures sont les suivantes :
- Augmentation de la taille du substrat de 6 pouces à 8 pouces ou plus pour réduire le coût unitaire.
- Amélioration de l'équipement d'épitaxie pour une haute précision, une faible densité de défauts et un contrôle de la couche atomique afin de répondre aux exigences en matière de haute puissance et de haute fréquence.
- Faire progresser les technologies de découpe vers des méthodes de séparation sans contact, à faible perte, par laser et par le froid.
- Promouvoir l'indépendance des équipements nationaux et mondiaux, notamment en ce qui concerne les fours d'épitaxie et les systèmes de découpe de haute précision.
5. Conclusion
Équipement d'épitaxie SiC est essentielle pour la fabrication de dispositifs de haute puissance, RF et optoélectroniques. La qualité des substrats, des couches épitaxiées et des équipements de découpe a une incidence directe sur les performances des appareils et la compétitivité de l'industrie. Compte tenu de la demande croissante de dispositifs à haute puissance, les progrès continus et la localisation de la technologie d'épitaxie joueront un rôle de plus en plus critique dans la chaîne de valeur des semi-conducteurs.