A epitaxia de semicondutores refere-se ao processo de crescimento de películas finas monocristalinas em substratos de silício ou de carboneto de silício (SiC). A camada epitaxial partilha a mesma orientação cristalina que o substrato e pode ser cultivada utilizando o mesmo material (homoepitaxia) ou materiais diferentes (heteroepitaxia). Para dispositivos de alta frequência e alta potência, o crescimento epitaxial ajuda a otimizar o desempenho do dispositivo: as camadas epitaxiais de alta resistividade proporcionam uma elevada tensão de rutura, enquanto os substratos de baixa resistividade reduzem a resistência em série, diminuindo a tensão de saturação. As camadas epitaxiais podem ser dopadas como tipo P ou tipo N, formando junções PN que permitem o fluxo de corrente unidirecional, possibilitando a retificação. A epitaxia de SiC é amplamente aplicada em eletrónica de potência, dispositivos de radiofrequência (RF) e aplicações optoelectrónicas.
1. Cadeia industrial do SiC e distribuição de valor
A cadeia industrial dos dispositivos de SiC é constituída por três segmentos principais: substrato, epitaxia e fabrico de dispositivos (conceção, fabrico e embalagem). As fases de substrato e epitaxia representam cerca de 70% da cadeia de valor, enquanto o processamento a jusante dos dispositivos representa apenas 30%. Este facto contrasta com os dispositivos de silício convencionais, em que o processamento pós-wafer é responsável pela maior parte dos custos de produção. A elevada concentração de valor a montante realça a importância estratégica das tecnologias de substrato e epitaxia.
Segmento de substrato envolve o crescimento de cristais, o corte da bolacha, a retificação e o polimento. O crescimento de cristais pode ser conseguido através de Transporte Físico de Vapor (PVT), Deposição Química de Vapor a Alta Temperatura (HTCVD) ou Epitaxia em Fase Líquida (LPE). O corte da bolacha utiliza serras de fio, fio de diamante, laser ou métodos de separação a frio, enquanto o polimento químico-mecânico (CMP) assegura superfícies planas e sem defeitos, adequadas para o crescimento epitaxial.
2. Processo de produção de substratos de SiC
- Crescimento de cristais:
- PVT: O principal método de crescimento de cristais de SiC. O equipamento é relativamente simples, os custos operacionais são baixos e o controlo do processo é simples.
- HTCVD: Produz cristais de elevada pureza, mas tem taxas de crescimento mais lentas, rendimentos mais baixos e custos mais elevados.
- LPE: Produz cristais de alta qualidade e com poucos defeitos, mas a taxa de crescimento e o tamanho são limitados.
- Corte de bolachas:
- Serras de fio: Método padrão com alto rendimento e baixo custo.
- Fio diamantado e corte a laser: Oferecem maior eficiência, menor perda de material e benefícios ambientais.
- Separação a frio: Utiliza a tensão interna do material para separar os wafers com perdas mínimas.
- Retificação e polimento:
- CMP: O principal método para obter superfícies de bolacha altamente planas e sem defeitos, essenciais para uma epitaxia de alta qualidade.
3. Processos e equipamento de epitaxia
O crescimento epitaxial é uma etapa crítica no fabrico de dispositivos de SiC. Ao contrário dos dispositivos de silício convencionais, os dispositivos de SiC não podem ser processados diretamente no substrato. Uma camada epitaxial monocristalina de alta qualidade deve ser cultivada no substrato antes do fabrico do dispositivo.
- Tipos de epitaxia:
- Homoepitaxia: Crescimento de SiC em substratos condutores de SiC, utilizados para dispositivos de baixa potência, RF e aplicações optoelectrónicas.
- Heteroepitaxia: Cultivo de GaN em substratos de SiC semi-isolantes, utilizados para dispositivos de alta potência.
- Equipamento de epitaxia:
- CVD (Chemical Vapor Deposition): Os precursores gasosos reagem em substratos de SiC aquecidos para depositar camadas epitaxiais.
- MOCVD (Metal-Organic CVD): Utiliza precursores metal-orgânicos, permitindo uma deposição a temperaturas mais baixas e camadas ultra-finas para estruturas complexas.
- LPE: Dissolve os materiais de origem num solvente metálico fundido e deposita-os no substrato após arrefecimento.
- MBE (Epitaxia por feixe molecular): Deposita camadas atómicas sob vácuo ultra-elevado para um controlo preciso da espessura e da composição da película.
- Dicing de pastilha pós-epitaxia:
- Corte mecânico em cubos e corte a laser são comuns.
- Dicing a laser concentra impulsos de alta energia em pequenas áreas para sublimar ou modificar o material, reduzindo a perda de corte e a formação de fissuras.
4. Tendências do mercado e da tecnologia
A epitaxia de SiC e a produção de substratos continuam a ser sectores de tecnologia intensiva na indústria global de semicondutores. As tendências futuras incluem:
- Aumentar o tamanho do substrato de 6 polegadas para 8 polegadas ou mais para reduzir o custo unitário.
- Melhoria do equipamento de epitaxia para alta precisão, baixa densidade de defeitos e controlo da camada atómica para satisfazer os requisitos de alta potência e alta frequência.
- Avanço das tecnologias de corte em cubos para métodos de separação a frio e a laser sem contacto e com baixas perdas.
- Promover a independência do equipamento nacional e mundial, nomeadamente nos fornos de epitaxia e nos sistemas de corte em cubos de alta precisão.
5. Conclusão
Equipamento de epitaxia de SiC é essencial para o fabrico de dispositivos de alta potência, RF e optoelectrónicos. A qualidade dos substratos, das camadas epitaxiais e do equipamento de corte em cubos afecta diretamente o desempenho dos dispositivos e a competitividade da indústria. Com a crescente procura de dispositivos de alta potência, o avanço contínuo e a localização da tecnologia epitaxial desempenharão um papel cada vez mais crítico na cadeia de valor dos semicondutores.