Peran Penting Substrat SiC dan Pertumbuhan Kristal dalam Industri Semikonduktor

Dalam rantai industri silikon karbida (SiC), pemasok substrat mempunyai pengaruh yang signifikan, terutama karena distribusi nilai.Substrat SiC menyumbang 47% dari nilai total, diikuti oleh lapisan epitaksi sebesar 23%, sedangkan desain dan manufaktur perangkat merupakan 30% sisanya. Rantai nilai terbalik ini berasal dari hambatan teknologi tinggi yang melekat pada produksi substrat dan lapisan epitaksi.

Ada 3 tantangan utama yang mengganggu pertumbuhan substrat SiC:kondisi pertumbuhan yang ketat, tingkat pertumbuhan yang lambat, dan persyaratan kristalografi yang menuntut. Kompleksitas ini berkontribusi pada meningkatnya kesulitan pemrosesan, yang pada akhirnya mengakibatkan rendahnya hasil produk dan tingginya biaya. Selain itu, ketebalan lapisan epitaksi dan konsentrasi doping merupakan parameter penting yang berdampak langsung pada kinerja akhir perangkat.

Proses Pembuatan Substrat SiC:

Sintesis Bahan Baku:Bubuk silikon dan karbon dengan kemurnian tinggi dicampur dengan cermat sesuai dengan resep tertentu. Campuran ini mengalami reaksi suhu tinggi (di atas 2000°C) untuk mensintesis partikel SiC dengan struktur kristal dan ukuran partikel terkontrol. Proses penghancuran, pengayakan, dan pembersihan selanjutnya menghasilkan bubuk SiC dengan kemurnian tinggi yang cocok untuk pertumbuhan kristal.

Pertumbuhan Kristal:Sebagai langkah paling penting dalam pembuatan substrat SiC, pertumbuhan kristal menentukan sifat listrik substrat. Saat ini, metode Pengangkutan Uap Fisik (PVT) mendominasi pertumbuhan kristal SiC komersial. Alternatifnya termasuk Deposisi Uap Kimia Suhu Tinggi (HT-CVD) dan Epitaksi Fase Cair (LPE), meskipun penerapan komersialnya masih terbatas.

Pengolahan Kristal:Tahap ini melibatkan transformasi boule SiC menjadi wafer yang dipoles melalui serangkaian langkah yang cermat: pemrosesan ingot, pemotongan wafer, penggilingan, pemolesan, dan pembersihan. Setiap langkah memerlukan peralatan dan keahlian presisi tinggi, yang pada akhirnya memastikan kualitas dan kinerja substrat SiC akhir.

1. Tantangan Teknis dalam Pertumbuhan Kristal SiC:

Pertumbuhan kristal SiC menghadapi beberapa kendala teknis:

Suhu Pertumbuhan Tinggi:Melebihi 2300°C, suhu ini memerlukan kontrol yang ketat terhadap suhu dan tekanan di dalam tungku pertumbuhan.

Pengendalian Politipisme:SiC menunjukkan lebih dari 250 politipe, dengan 4H-SiC menjadi yang paling diinginkan untuk aplikasi elektronik. Untuk mencapai politipe spesifik ini memerlukan kontrol yang tepat atas rasio silikon terhadap karbon, gradien suhu, dan dinamika aliran gas selama pertumbuhan.

Tingkat Pertumbuhan Lambat:PVT, meskipun didirikan secara komersial, memiliki tingkat pertumbuhan yang lambat sekitar 0,3-0,5 mm/jam. Menumbuhkan kristal berukuran 2cm membutuhkan waktu sekitar 7 hari, dengan panjang kristal maksimum yang dapat dicapai dibatasi hingga 3-5cm. Hal ini sangat kontras dengan pertumbuhan kristal silikon, di mana tinggi boule mencapai 2-3m dalam waktu 72 jam, dengan diameter mencapai 6-8 inci dan bahkan 12 inci di fasilitas baru. Perbedaan ini membatasi diameter ingot SiC, biasanya berkisar antara 4 hingga 6 inci.

Meskipun Pengangkutan Uap Fisik (PVT) mendominasi pertumbuhan kristal SiC komersial, metode alternatif seperti Deposisi Uap Kimia Suhu Tinggi (HT-CVD) dan Epitaksi Fase Cair (LPE) menawarkan keuntungan tersendiri. Namun, mengatasi keterbatasannya dan meningkatkan tingkat pertumbuhan dan kualitas kristal sangat penting untuk adopsi industri SiC yang lebih luas.

Berikut gambaran perbandingan teknik pertumbuhan kristal ini:

(1) Transportasi Uap Fisik (PVT):

Prinsip: Memanfaatkan mekanisme “sublimasi-transportasi-rekristalisasi” untuk pertumbuhan kristal SiC.

Proses: Serbuk karbon dan silikon dengan kemurnian tinggi dicampur dalam perbandingan yang tepat. Bubuk SiC dan kristal benih masing-masing ditempatkan di bagian bawah dan atas wadah dalam tungku pertumbuhan. Suhu yang melebihi 2000°C menciptakan gradien suhu, menyebabkan bubuk SiC menyublim dan mengkristal kembali ke kristal benih, membentuk boule.

Kekurangan: Tingkat pertumbuhan yang lambat (kira-kira 2cm dalam 7 hari), kerentanan terhadap reaksi parasit menyebabkan kepadatan cacat yang lebih tinggi pada kristal yang tumbuh.

(2) Deposisi Uap Kimia Suhu Tinggi (HT-CVD):

Prinsip: Pada suhu antara 2000-2500°C, gas prekursor dengan kemurnian tinggi seperti silan, etana atau propana, dan hidrogen dimasukkan ke dalam ruang reaksi. Gas-gas ini terurai di zona suhu tinggi, membentuk prekursor gas SiC yang kemudian mengendap dan mengkristal menjadi kristal benih di zona suhu lebih rendah.

Keuntungan: Memungkinkan pertumbuhan kristal berkelanjutan, menggunakan prekursor gas dengan kemurnian tinggi sehingga menghasilkan kristal SiC dengan kemurnian lebih tinggi dengan cacat lebih sedikit.

Kekurangan: Tingkat pertumbuhan yang lambat (kira-kira 0,4-0,5 mm/jam), biaya peralatan dan operasional yang tinggi, kerentanan terhadap penyumbatan saluran masuk dan saluran keluar gas.

(3) Epitaksi Fase Cair (LPE):

(Meskipun tidak disertakan dalam kutipan Anda, saya menambahkan gambaran singkat tentang LPE untuk kelengkapan.)

Prinsip: Menggunakan mekanisme “pembubaran-presipitasi”. Pada suhu berkisar antara 1400-1800°C, karbon dilarutkan dalam lelehan silikon dengan kemurnian tinggi. Kristal SiC mengendap dari larutan lewat jenuh saat mendingin.

Keuntungan: Temperatur pertumbuhan yang lebih rendah mengurangi tekanan termal selama pendinginan, menghasilkan kepadatan cacat yang lebih rendah dan kualitas kristal yang lebih tinggi. Menawarkan tingkat pertumbuhan yang jauh lebih cepat dibandingkan dengan PVT.

Kekurangan: Rentan terhadap kontaminasi logam dari wadah, terbatasnya ukuran kristal yang dapat dicapai, terutama terbatas pada pertumbuhan skala laboratorium.

Setiap metode menghadirkan kelebihan dan keterbatasan yang unik. Pemilihan teknik pertumbuhan optimal bergantung pada persyaratan aplikasi spesifik, pertimbangan biaya, dan karakteristik kristal yang diinginkan.

2. Tantangan dan Solusi Pemrosesan Kristal SiC:

Pengirisan Wafer:Kekerasan, kerapuhan, dan ketahanan abrasi SiC membuat pengirisan menjadi sulit. Penggergajian kawat berlian tradisional memakan waktu, boros, dan mahal. Solusinya mencakup teknik pemotongan laser dan pemisahan dingin untuk meningkatkan efisiensi pemotongan dan hasil wafer.

Penipisan Wafer:Ketangguhan patah SiC yang rendah membuatnya rentan retak selama penipisan, sehingga menghambat pengurangan ketebalan yang seragam. Teknik saat ini mengandalkan penggilingan rotasi, yang menyebabkan keausan roda dan kerusakan permukaan. Metode canggih seperti penggilingan dengan bantuan getaran ultrasonik dan pemolesan mekanis elektrokimia sedang dieksplorasi untuk meningkatkan tingkat penghilangan material dan meminimalkan cacat permukaan.

3. Prospek Masa Depan:

Mengoptimalkan pertumbuhan kristal SiC dan pemrosesan wafer sangat penting untuk adopsi SiC secara luas. Penelitian di masa depan akan fokus pada peningkatan laju pertumbuhan, peningkatan kualitas kristal, dan peningkatan efisiensi pemrosesan wafer untuk membuka potensi penuh dari bahan semikonduktor yang menjanjikan ini.**