የሲሊኮን ካርቦይድ ሽፋን፡ ለሲሲ ኤፒታክሲያል እድገት ቁልፍ በሆኑ ቁሳቁሶች ውስጥ ግኝት

የኤፒታክሲያል ንብርብር በኤፒታክሲያል ሂደት አማካኝነት በዋፈር ንጣፍ ላይ የሚበቅል የተወሰነ ነጠላ-ክሪስታል ቀጭን ፊልም ነው፤ የንዑስ ክፍል ዋፈር እና የኤፒታክሲያል ፊልም በአጠቃላይ እንደ ኤፒታክሲያል ዋፈር ይባላሉ። ከእነዚህም መካከል፣ በኮንዳክቲቭ ሲሊከን ካርቦይድ ንዑስ ወለል ላይ የሲሊኮን ካርቦይድ ንዑስ ንብርብር ማሳደግ ተመሳሳይ የሆነ የሲሊኮን ካርቦይድ ንዑስ ወለል ይፈጥራል፣ ይህም እንደ ሾትኪ ዳዮዶች፣ MOSFETs እና IGBTs ባሉ የኃይል መሳሪያዎች ውስጥ ሊፈጠር ይችላል። በስፋት ጥቅም ላይ የዋለው የንዑስ ወለል አይነት 4H-SiC ንዑስ ወለል ነው።

ሁሉም ማለት ይቻላል መሳሪያዎች በኤፒታክሲያል ንብርብሮች ላይ የተፈጠሩ ስለሆኑ፣ የኤፒታክሲያል ንብርብር ጥራት በመሳሪያው አፈፃፀም ላይ ከፍተኛ ተጽዕኖ ያሳድራል። ሆኖም፣ የኤፒታክሲያል ንብርብር ጥራት በክሪስታል እና በንዑስ ክፍል ሂደት ላይ ተጽዕኖ ያሳድራል፣ ይህም በኢንዱስትሪው ውስጥ ወሳኝ በሆነ ቦታ ላይ ያስቀምጠዋል እና በእድገቱ ውስጥ ወሳኝ ሚና ይጫወታል።

የሲሊኮን ካርቦይድ ኤፒታክሲያል ንብርብሮችን ለማዘጋጀት ዋና ዋና ዘዴዎች የሚከተሉትን ያካትታሉ፡ የእንፋሎት ክምችት፤ የፈሳሽ ደረጃ ኤፒታክሲ (LPE)፤ የሞለኪውላር ጨረር ኤፒታክሲ (MBE)፤ እና የኬሚካል ትነት ክምችት (CVD)። ከእነዚህም መካከል የኬሚካል ትነት ክምችት (CVD) ለ4H-SiC ተመሳሳይ ኤፒታክሲ በስፋት ጥቅም ላይ የሚውለው ዘዴ ነው። 4H-SiC CVD ኤፒታክሲ በተለምዶ የCVD መሳሪያዎችን ይጠቀማል፣ ይህም በከፍተኛ የእድገት ሙቀት ውስጥ የ4H-SiC ክሪስታል መዋቅር ቀጣይነትን ያረጋግጣል።

በሲቪዲ መሳሪያዎች ውስጥ፣ ንጣፉ በቀጥታ በብረት ወለል ላይ መቀመጥ ወይም በቀላሉ ለኤፒታክሲያል ክምችት በመሠረት ላይ መቀመጥ አይችልም፣ ምክንያቱም ይህ እንደ የጋዝ ፍሰት አቅጣጫ (አግድም፣ ቀጥ ያለ)፣ የሙቀት መጠን፣ ግፊት፣ ጥገና እና ከቅንጣቶች የሚመጣ ብክለት ያሉ የተለያዩ ተጽዕኖ ፈጣሪ ነገሮችን ያካትታል። ስለዚህ የድጋፍ መሠረት ያስፈልጋል፤ ንጣፉ በትሪ ላይ ይቀመጣል፣ እና ኤፒታክሲያል ክምችት በሲቪዲ ቴክኖሎጂ በመጠቀም በንጣፉ ላይ ይከናወናል። ይህ የድጋፍ መሠረት በሲሲ የተሸፈነ ግራፋይት መሠረት ነው።

እንደ ዋና አካል፣ የግራፋይት ንጣፍ ከፍተኛ የተወሰነ ጥንካሬ እና የተወሰነ ሞዱለስ እንዲሁም ጥሩ የሙቀት ድንጋጤ እና የዝገት መቋቋም አለው። ሆኖም፣ በምርት ጊዜ፣ ግራፋይት በቆርቆሮ ጋዞች እና በቀሪ ኦርጋኖሜታልሊክ ውህዶች ምክንያት ለዝገት እና ለዱቄት መፍሰስ የተጋለጠ ሲሆን ይህም የንጥረ ነገሩን የአገልግሎት ዘመን በእጅጉ ይቀንሳል። በተመሳሳይ ጊዜ፣ የሼድ ግራፋይት ዱቄት ቺፖችን ሊበክል ይችላል። በሲሊኮን ካርቦይድ ኤፒታክሲያል ዋፈርስ ምርት ውስጥ፣ ለግራፋይት ቁሳቁሶች የበለጠ ጥብቅ መስፈርቶችን ማሟላት በጣም አስቸጋሪ እየሆነ መጥቷል፣ ይህም እድገታቸውን እና ተግባራዊ አተገባበሩን በእጅጉ ይገድባል። በዚህም ምክንያት፣የሽፋን ቴክኖሎጂእንደ መፍትሄ ብቅ ብሏል።

በሴሚኮንዳክተር ኢንዱስትሪ ውስጥ የሲሲ ሽፋኖች ጥቅሞች

የሽፋኖች አካላዊ እና ኬሚካላዊ ባህሪያት ለከፍተኛ ሙቀት እና ለዝገት መቋቋም ጥብቅ መስፈርቶችን ማሟላት አለባቸው፣ ምክንያቱም እነዚህ በቀጥታ የምርት ምርትን እና የህይወት ዘመንን ይነካሉ። የSiC ቁሳቁስ ከፍተኛ ጥንካሬ፣ ከፍተኛ ጥንካሬ፣ ዝቅተኛ የሙቀት መስፋፋት እና እጅግ በጣም ጥሩ የሙቀት አማቂነት ስላለው ወሳኝ ከፍተኛ የሙቀት መዋቅራዊ እና ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ ያደርገዋል። በግራፊት ንጣፎች ላይ ሲተገበር ጥቅሞቹ የሚከተሉትን ያካትታሉ፡

1) ሲሲ ዝገትን የሚቋቋም ሲሆን የግራፋይት ንጣፍን ሙሉ በሙሉ መጠቅለል ይችላል። ከፍተኛ ጥግግቱ ከዝገት ጋዞች ጉዳትን ይከላከላል።

2) ሲሲ ከግራፋይት ንጣፍ ጋር ከፍተኛ የሙቀት ማስተላለፊያ እና ጠንካራ የመተሳሰሪያ ጥንካሬ አለው፣ ይህም ሽፋኑ በተደጋጋሚ ከፍተኛ-ዝቅተኛ የሙቀት ዑደቶች ከተደረጉ በኋላም እንኳን ሳይበላሽ እንዲቆይ ያረጋግጣል።

3) ሲሲ እጅግ በጣም ጥሩ የኬሚካል መረጋጋት አለው፣ ይህም በከፍተኛ ሙቀት እና በዝገት በሚበቅል ከባቢ አየር ውስጥ የሽፋን ውድቀትን ይከላከላል።

በተጨማሪም፣ ከተለያዩ ቁሳቁሶች የተሠሩ የኤፒታክሲያል ምድጃዎች የግራፊት ትሪዎችን የተወሰነ የአፈጻጸም ዝርዝር መግለጫዎችን ይፈልጋሉ። የግራፊት ቁሳቁስ የሙቀት መስፋፋት ኮፊሸንት ከኤፒታክሲያል ምድጃ የእድገት ሙቀት ጋር ተኳሃኝ መሆን አለበት። ለምሳሌ፣ ለሲሊኮን ካርቦይድ ኤፒታክሲ የእድገት ሙቀት ከፍተኛ ስለሆነ፣ ከፍተኛ የሙቀት መስፋፋት ኮፊሸንት ማመሳሰል ያላቸው ትሪዎች ያስፈልጋሉ። የSiC የሙቀት መስፋፋት ኮፊሸንት ከግራፋይት በጣም ትንሽ ስለሚለያይ የግራፊት ንጣፎችን ወለል ለመሸፈን ተመራጭ ቁሳቁስ ያደርገዋል።

SiC በብዙ ክሪስታል ቅርጾች ይገኛል፣ በአሁኑ ጊዜ በጣም የተለመደው 3C፣ 4H እና 6H አይነቶች ሲሆኑ እያንዳንዳቸው የተለያዩ አፕሊኬሽኖችን ያገለግላሉ። ለምሳሌ፣ 4H-SiC ከፍተኛ ኃይል ያላቸውን መሳሪያዎች ለማምረት ያገለግላል፤ 6H-SiC በጣም የተረጋጋ ሲሆን የኦፕቶኤሌክትሮኒክ መሳሪያዎችን ለማምረት ያገለግላል፤ እና 3C-SiC፣ ከGaN ጋር ባለው መዋቅራዊ ተመሳሳይነት ምክንያት፣ የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብሮችን ለማምረት ያገለግላል። 3C-SiC በተለምዶ β-SiC ተብሎም ይጠራል። የβ-SiC ቁልፍ አተገባበር እንደ ቀጭን ፊልም እና የሽፋን ቁሳቁስ ነው፤ በዚህም ምክንያት፣ β-SiC በአሁኑ ጊዜ ለሽፋኖች የሚያገለግል ዋና ቁሳቁስ ነው።

በሴሚኮንዳክተር ምርት ውስጥ የተለመደ ፍጆታ እንደመሆኑ መጠን የሲሲ ሽፋኖች በዋናነት እንደ ንጣፎች ዝግጅት፣ ኤፒታክሲ፣ ኦክሲዴሽን እና ስርጭት፣ ኢቺንግ እና አዮን ኢምፕላንቴሽን ባሉ ሂደቶች ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላሉ። የሽፋኑ አካላዊ እና ኬሚካላዊ ባህሪያት ለከፍተኛ የሙቀት መቋቋም እና የዝገት መቋቋም ጥብቅ መስፈርቶችን ማሟላት አለባቸው፣ ምክንያቱም እነዚህ በቀጥታ የምርት ምርትን እና የህይወት ዘመንን ይነካሉ። በዚህም ምክንያት የSiC ሽፋኖች ዝግጅት ወሳኝ ነው።

የሲሊኮን ካርቦይድ ሽፋኖችን የማዘጋጀት ሂደት

በአሁኑ ጊዜ የሲሲ ሽፋኖችን ለማዘጋጀት ዋና ዋና ዘዴዎች የሶል-ጄል ዘዴ፣ የኢምቤዲንግ ዘዴ፣ የብሩሽ ሽፋን፣ የፕላዝማ ስፕሬይ፣ የኬሚካል ትነት ምላሽ (CVR) እና የኬሚካል ትነት ክምችት (CVD) ያካትታሉ።

የመክተት ዘዴ

ይህ ዘዴ ከፍተኛ ሙቀት ያለው ጠንካራ-ስቴት ሲንቴሪንግ አይነት ነው። በዋናነት የሲሊኮን (ሲ) ዱቄት እና የካርቦን (ሲ) ዱቄት እንደ ኢንቴዲንግ ዱቄት ድብልቅ ይጠቀማል። የግራፋይት ንጣፍ በማምከቻ ዱቄት ውስጥ ይቀመጣል እና በከፍተኛ ሙቀት ውስጥ በማይንቀሳቀስ የጋዝ ከባቢ አየር ውስጥ ሲንቴሪንግ ይደረጋል፣ በመጨረሻም በግራፋይት ንጣፍ ወለል ላይ የSiC ሽፋን ይፈጥራል። ይህ ዘዴ በሽፋኑ እና በንጣፉ መካከል ቀላል ሂደት እና ጥሩ ማጣበቂያ ያሳያል፤ ሆኖም ግን፣ ሽፋኑ በውፍረት አቅጣጫ ደካማ ወጥነት ያሳያል እና ብዙ ቀዳዳዎችን በመፍጠር ደካማ የኦክሳይድ መቋቋም ያስከትላል።

የብሩሽ ሽፋን ዘዴ

የብሩሽ ሽፋን ዘዴ በዋናነት ፈሳሽ ጥሬ እቃዎችን በግራፊት ንጣፍ ወለል ላይ መተግበርን ያካትታል፣ ከዚያም ሽፋኑን ለመፍጠር ቁሳቁሱን በተወሰነ የሙቀት መጠን በማከም ያካትታል። ይህ ዘዴ ቀላል እና ወጪ ቆጣቢ ነው፤ ሆኖም ግን፣ የተገኘው ሽፋን ከንጣፉ ጋር ደካማ ማጣበቂያ፣ ደካማ ወጥነት ያለው እና በአንጻራዊነት ቀጭን ሲሆን ዝቅተኛ የኦክሳይድ መቋቋም አቅም ስላለው ተጨማሪ ዘዴዎችን ይፈልጋል።

የፕላዝማ ስፕሬይ ዘዴ

የፕላዝማ መርጫ ዘዴ የቀለጠ ወይም ከፊል-የቀለጠ ጥሬ እቃን በግራፊይት ንጣፍ ወለል ላይ ለመርጨት የፕላዝማ ሽጉጥ መጠቀምን ያካትታል፣ ይህም ከዚያም ይጠናከራል እና ሽፋን ለመፍጠር ይገናኛል። ይህ ዘዴ ለመስራት ቀላል እና በአንጻራዊነት ጥቅጥቅ ያሉ የሲሊኮን ካርቦይድ ሽፋኖችን ማምረት ይችላል፤ ሆኖም ግን፣ የተገኙት ሽፋኖች ብዙውን ጊዜ በጣም ቀጭን ስለሆኑ ደካማ የኦክሳይድ መቋቋም ያስከትላሉ። ስለዚህ፣ የሽፋን ጥራትን ለማሻሻል በአጠቃላይ የSiC ኮምፖዚት ሽፋኖችን ለማዘጋጀት ጥቅም ላይ ይውላል።

የጄል-ሶል ዘዴ

የጄል-ሶል ዘዴ በዋናነት የንጣፉን ወለል ለመሸፈን ወጥ የሆነ ግልጽ የሆነ የሶል መፍትሄ ማዘጋጀትን ያካትታል። ወደ ጄል ከደረቀ በኋላ ቁሱ ሽፋኑን ለመፍጠር ይንጠባጠባል። ይህ ዘዴ ለመጠቀም ቀላል እና በአንጻራዊነት ዝቅተኛ ዋጋ ያለው ነው፤ ሆኖም ግን፣ የሚመነጩት ሽፋኖች እንደ ዝቅተኛ የሙቀት ድንጋጤ መቋቋም እና የመሰነጠቅ ዝንባሌ ባሉ ጉዳቶች ይሠቃያሉ፣ ይህም በስፋት አተገባበራቸው ላይ ይገድባል።

የኬሚካል ትነት ምላሽ (ሲቪአር) ዘዴ

ሲቪአር በዋናነት የSiO₂ ትነት በከፍተኛ ሙቀት ለማመንጨት የSiO₂ እና SiO₂ ዱቄቶችን ይጠቀማል፣ ይህም በSi substrate ወለል ላይ ተከታታይ የኬሚካል ግብረመልሶችን በማስነሳት የSiC ሽፋን ይፈጥራል። በዚህ ዘዴ የሚመረተው የSiC ሽፋን ከ substrate ጋር በጥብቅ ይያያዛል፤ ሆኖም ግን፣ የምላሽ ሙቀቱ ከፍተኛ ነው፣ እና ወጪውም በአንጻራዊነት ከፍተኛ ነው።

የኬሚካል ትነት ዲፖዚሽን (CVD)

ሲቪዲ በአሁኑ ጊዜ በንጣፍ ወለል ላይ የSiC ሽፋኖችን ለማዘጋጀት ዋናው ቴክኖሎጂ ነው። ዋናው ሂደት በጋዝ ሪአክታንቶች እና በንጣፍ ወለል መካከል ተከታታይ የፊዚኮኬሚካላዊ ግብረመልሶችን ያካትታል፣ በመጨረሻም የSiC ሽፋን እንዲከማች ያደርጋል። በሲቪዲ ቴክኖሎጂ የሚመረቱ የSiC ሽፋኖች ከንጣፍ ወለል ጋር በጥብቅ ይያያዛሉ እና የንጣፍ ቁሱን የኦክሳይድ መቋቋም እና የመጥፋት መቋቋምን በብቃት ሊያሻሽሉ ይችላሉ፤ ሆኖም ግን፣ ይህ ዘዴ በአንጻራዊነት ረጅም የመቀመጫ ጊዜ ይፈልጋል፣ እና የምላሽ ጋዞቹ የተወሰኑ መርዛማ ክፍሎችን ይይዛሉ።

በሲሲ ሽፋኖች ውስጥ ያሉ አዝማሚያዎች

የሲሲ ሽፋኖች በዋናነት በሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ውስጥ እንደ ፍጆታ ያገለግላሉ፣ ቁልፍ የአፈጻጸም መለኪያዎች የሽፋን ወጥነት፣ የሙቀት መስፋፋት ኮፊሸንት እና የሙቀት ኮዳክቲቭነትን ያካትታሉ። በቻይና ውስጥ ለሲሲ ሽፋኖች ከፍተኛ የሀገር ውስጥ ፍላጎት ቢኖርም፣ ቴክኖሎጂው ገና ያልበሰለ ነው። በውጭ አገር፣ በዚህ መስክ የሚሠራ አንድ የአሜሪካ ኩባንያ ብቻ ሲሆን ምርቶቹም በአንጻራዊነት ውድ ናቸው።

ክሪስታል ጀልባዎችየገበያው መጠን አነስተኛ ቢሆንም፣ በኤፒታክሲያል ምርት ውስጥ ጥቅም ላይ የሚውሉ የፍጆታ ዕቃዎች ሲሆኑ፣ SiC-coated Graphitን ሊተኩ ይችላሉ። ቀጥሎ ደግሞ ከባዶ ግራፋይት ወይም SiC-coated Graphite የተሻለ የኬሚካል ዝገት መቋቋምን የሚሰጥ TaC-coated Graphite ነው፣ ነገር ግን እጅግ ውድ እና አሁንም በልማት የመጀመሪያ ደረጃዎች ላይ ነው። በአሁኑ ጊዜ፣ እንደLiufang ሴሚኮንዳክተር, ሴሚሴራእናየቬቴክ ሴሚኮንዳክተርበዚህ መስክ በምርምርና ልማት ላይ ተሰማርተዋል።