SiC基板の製造における課題は何ですか?

半導体技術が高周波数、高温、高電力、低損失に向けて反復およびアップグレードされるにつれて、炭化ケイ素は主要な第 3 世代半導体材料として際立っており、従来のシリコン基板を徐々に置き換えています。炭化ケイ素基板は、より広いバンドギャップ、より高い熱伝導率、優れた臨界電界強度、より高い電子移動度などの明確な利点を備えており、NEV、5G通信、太陽光発電インバーター、航空宇宙などの最先端分野における高性能、高出力、高周波デバイスにとって理想的な選択肢となっています。

高品質の炭化ケイ素基板の製造における課題

高品質の炭化ケイ素基板の製造と加工には、非常に高い技術的障壁があります。原材料の準備から完成品の製造に至るまで、プロセス全体にわたって多くの課題が残されており、これが大規模な用途や産業のアップグレードを制限する重要な要因となっています。

1. 原料合成の課題

炭化珪素単結晶育成の基本原料は炭素粉末と珪素粉末です。これらは合成中に環境不純物による汚染を受けやすく、これらの不純物を除去するのは困難です。これらの不純物は、下流の SiC 結晶の品質に悪影響を及ぼします。さらに、シリコン粉末とカーボン粉末の反応が不完全な場合、Si/C 比の不均衡が生じやすく、結晶構造の安定性が損なわれます。合成された SiC 粉末の結晶形と粒子サイズを正確に制御するには、厳格な合成後処理が必要となるため、原料調製の技術的障壁が高くなります。

2. 結晶成長の課題

炭化珪素の結晶成長には2300℃を超える温度が必要であり、半導体装置の高温耐性や熱制御精度が厳しく求められます。単結晶シリコンとは異なり、炭化ケイ素は非常に遅い成長速度を示します。たとえば、PVT 法を使用すると、7 日間で 2 ～ 6 センチメートルの炭化ケイ素結晶しか成長できません。その結果、炭化ケイ素基板の生産効率が低くなり、全体の製造能力が大幅に制限されます。  さらに、炭化ケイ素には200を超える結晶構造タイプがあり、その中で使用できる構造タイプは4H-SiCなど一部のみです。したがって、多形性介在物を回避し、製品の品質を確保するには、パラメーターを厳密に制御することが不可欠です。

3. 結晶加工の課題

炭化ケイ素はダイヤモンドに次いで硬度が高いため、切断の難易度が大幅に高まります。スライス工程では大幅な切断ロスが発生し、ロス率は約40％に達し、材料の利用効率が非常に低くなります。炭化ケイ素は破壊靱性が低いため、薄肉加工中に亀裂やエッジの欠けが発生しやすくなります。さらに、その後の半導体製造プロセスでは、炭化珪素基板の加工精度と表面品質、特に表面粗さ、平坦度、反りに関して非常に厳しい要件が課されます。これは、炭化ケイ素基板の薄化、研削、および研磨にかなりの加工上の課題をもたらします。

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