Quels sont les défis liés à la fabrication de substrats SiC ?

À mesure que la technologie des semi-conducteurs évolue et évolue vers des fréquences plus élevées, des températures plus élevées, une puissance plus élevée et des pertes plus faibles, le carbure de silicium s'impose comme le premier matériau semi-conducteur de troisième génération, remplaçant progressivement les substrats de silicium conventionnels. Les substrats en carbure de silicium offrent des avantages distincts, tels qu'une bande interdite plus large, une conductivité thermique plus élevée, une intensité de champ électrique critique supérieure et une mobilité électronique plus élevée, devenant ainsi l'option idéale pour les dispositifs hautes performances, haute puissance et haute fréquence dans des domaines de pointe tels que les NEV, les communications 5G, les onduleurs photovoltaïques et l'aérospatiale.

Défis liés à la fabrication de substrats en carbure de silicium de haute qualité

La fabrication et le traitement de substrats en carbure de silicium de haute qualité impliquent des barrières techniques extrêmement élevées. De nombreux défis persistent tout au long du processus, de la préparation des matières premières à la fabrication du produit fini, ce qui est devenu un facteur crucial limitant son application à grande échelle et sa modernisation industrielle.

1. Défis de la synthèse des matières premières

Les matières premières de base pour la croissance de monocristaux de carbure de silicium sont la poudre de carbone et la poudre de silicium. Ils sont susceptibles d'être contaminés par des impuretés environnementales lors de leur synthèse, et l'élimination de ces impuretés est difficile. Ces impuretés ont un impact négatif sur la qualité des cristaux SiC en aval. En outre, une réaction incomplète entre la poudre de silicium et la poudre de carbone peut facilement provoquer un déséquilibre du rapport Si/C, compromettant la stabilité de la structure cristalline. La régulation précise de la forme cristalline et de la taille des particules dans la poudre de SiC synthétisée exige un traitement post-synthèse rigoureux, élevant ainsi la barrière technique de la préparation des matières premières.

2. Défis de la croissance cristalline

La croissance des cristaux de carbure de silicium nécessite des températures supérieures à 2 300 ℃, ce qui impose des exigences strictes en matière de résistance aux températures élevées et de précision du contrôle thermique des équipements semi-conducteurs. Contrairement au silicium monocristallin, le carbure de silicium présente des taux de croissance extrêmement lents. Par exemple, en utilisant la méthode PVT, seuls 2 à 6 centimètres de cristal de carbure de silicium peuvent être cultivés en sept jours. Cela entraîne une faible efficacité de production pour les substrats en carbure de silicium, limitant considérablement la capacité de fabrication globale.  De plus, le carbure de silicium possède plus de 200 types de structures cristallines, dans lesquels seuls quelques types de structures comme le 4H-SiC sont utilisables. Un contrôle strict des paramètres est donc essentiel pour éviter les inclusions polymorphes et garantir la qualité du produit.

3. Défis du traitement des cristaux

Étant donné que la dureté du carbure de silicium est juste derrière celle du diamant, ce qui augmente considérablement la difficulté de coupe. Au cours du processus de tranchage, des pertes de coupe importantes se produisent, le taux de perte atteignant environ 40 %, ce qui entraîne une efficacité d'utilisation du matériau extrêmement faible. En raison de sa faible ténacité, le carbure de silicium est sujet aux fissures et aux écailles des bords lors du traitement d’amincissement. De plus, les processus de fabrication ultérieurs de semi-conducteurs imposent des exigences extrêmement strictes en matière de précision d'usinage et de qualité de surface des substrats en carbure de silicium, notamment en ce qui concerne la rugosité, la planéité et le gauchissement de la surface. Cela présente des défis de traitement considérables pour l’amincissement, le meulage et le polissage des substrats en carbure de silicium.

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