Epitaxie van halfgeleiders verwijst naar het proces van het groeien van enkelkristallijne dunne films op silicium of siliciumcarbide (SiC) substraten. De epitaxiale laag heeft dezelfde kristaloriëntatie als het substraat en kan worden gegroeid met hetzelfde materiaal (homoepitaxie) of met verschillende materialen (heteroepitaxie). Voor apparaten met een hoge frequentie en een hoog vermogen helpt epitaxiale groei de prestaties van het apparaat te optimaliseren: epitaxiale lagen met een hoge weerstand zorgen voor een hoge doorslagspanning, terwijl substraten met een lage weerstand de serieweerstand verlagen, waardoor de verzadigingsspanning daalt. Epitaxiale lagen kunnen worden gedoteerd als P-type of N-type, waardoor PN-juncties worden gevormd die een eenrichtingsstroom mogelijk maken, wat gelijkrichting mogelijk maakt. SiC epitaxie wordt veel toegepast in vermogenselektronica, radiofrequentie (RF) apparaten en opto-elektronische toepassingen.
1. SiC-industrieketen en waardeverdeling
De industrieketen voor SiC-apparaten bestaat uit drie hoofdsegmenten: substraat, epitaxy en productie van apparaten (ontwerp, fabricage en verpakking). De substraat- en epitaxystadia zijn goed voor ongeveer 70% van de waardeketen, terwijl de verwerking van apparaten stroomafwaarts slechts 30% vertegenwoordigt. Dit staat in contrast met conventionele siliciumproducten, waar de verwerking na de wafer de meeste productiekosten veroorzaakt. De hoge waardeconcentratie stroomopwaarts benadrukt het strategische belang van substraat- en epitaxy-technologieën.
Substraat segment omvat kristalgroei, wafersnijden, slijpen en polijsten. Kristalgroei kan worden bereikt door Physical Vapor Transport (PVT), Chemische Dampafzetting bij Hoge Temperatuur (HTCVD) of Liquid Phase Epitaxy (LPE). Voor het snijden van wafers worden draadzagen, diamantdraad, laser of koude scheidingsmethoden gebruikt, terwijl chemisch mechanisch polijsten (CMP) zorgt voor vlakke, defectvrije oppervlakken die geschikt zijn voor epitaxiale groei.
2. SiC-substraat productieproces
- Kristalgroei:
- PVT: De belangrijkste methode voor SiC kristalgroei. De apparatuur is relatief eenvoudig, de bedrijfskosten zijn laag en de procesbesturing is eenvoudig.
- HTCVD: Produceert zeer zuivere kristallen, maar heeft een langzamere groeisnelheid, lagere opbrengst en hogere kosten.
- LPE: Produceert kristallen van hoge kwaliteit met weinig defecten, maar de groeisnelheid en grootte zijn beperkt.
- Wafersnijden:
- Draadzagen: Standaardmethode met hoge opbrengst en lage kosten.
- Diamantdraad en lasersnijden: Hogere efficiëntie, minder materiaalverlies en milieuvoordelen.
- Koude scheiding: Gebruikt interne materiaalspanning om wafers te scheiden met minimaal verlies.
- Slijpen en polijsten:
- CMP: De belangrijkste methode om zeer vlakke, defectvrije waferoppervlakken te verkrijgen, essentieel voor epitaxy van hoge kwaliteit.
3. Epitaxy-processen en -apparatuur
Epitaxiale groei is een kritieke stap in de fabricage van SiC-apparaten. In tegenstelling tot conventionele siliciumapparaten kunnen SiC-apparaten niet rechtstreeks op het substraat worden verwerkt. Er moet een hoogwaardige epitaxiale laag van één kristal op het substraat worden gegroeid voordat de apparaten kunnen worden gefabriceerd.
- Epitaxy-types:
- Homoepitaxie: SiC kweken op geleidende SiC-substraten, gebruikt voor apparaten met laag vermogen, RF en opto-elektronische toepassingen.
- Hetero-epitaxie: Groeien van GaN op semi-isolerende SiC-substraten, gebruikt voor apparaten met hoog vermogen.
- Epitaxy-apparatuur:
- CVD (chemische dampdepositie): Gasvormige precursoren reageren op verwarmde SiC-substraten om epitaxiale lagen af te zetten.
- MOCVD (metaal-organische CVD): Maakt gebruik van metaal-organische precursors, waardoor depositie bij lagere temperaturen en ultradunne lagen voor complexe structuren mogelijk zijn.
- LPE: Lost bronmaterialen op in een gesmolten metaaloplosmiddel en zet ze na afkoelen af op het substraat.
- MBE (Molecular Beam Epitaxy): Deponeert atomaire lagen onder ultrahoog vacuüm voor nauwkeurige controle over laagdikte en samenstelling.
- Post-Epitaxy Wafer Dicing:
- Mechanisch ontdooien en laser dicing komen vaak voor.
- Laser dicing richt hoogenergetische pulsen op kleine oppervlakken om materiaal te sublimeren of te modificeren, waardoor kerfverlies en scheurvorming worden verminderd.
4. Markt- en technologietrends
SiC epitaxy en substraatproductie blijven technologie-intensieve sectoren in de wereldwijde halfgeleiderindustrie. Toekomstige trends zijn onder andere:
- Vergroting van de substraatgrootte van 6 inch naar 8 inch of groter om de kosten per eenheid te verlagen.
- Het verbeteren van epitaxy-apparatuur voor hoge precisie, lage defectdichtheid en atoomlaagcontrole om te voldoen aan vereisten voor hoog vermogen en hoge frequentie.
- Het bevorderen van dicing-technologieën naar contactloze laser- en koude scheidingsmethoden met laag verlies.
- Bevorderen van binnenlandse en wereldwijde onafhankelijkheid van apparatuur, met name in epitaxy-ovens en zeer nauwkeurige dicing-systemen.
5. Conclusie
SiC epitaxy-apparatuur is essentieel voor de productie van hoogvermogen-, RF- en opto-elektronische apparaten. De kwaliteit van substraten, epitaxiale lagen en dicing-apparatuur heeft een directe invloed op de prestaties van apparaten en het concurrentievermogen van de industrie. Met de groeiende vraag naar apparaten met hoog vermogen zal de voortdurende vooruitgang en lokalisatie van epitaxietechnologie een steeds kritischere rol spelen in de waardeketen van halfgeleiders.