يشهد قطاع صناعة كربيد السيليكون حاليًا تحولًا من استخدام رقائق بحجم 150 مم (6 بوصات) إلى رقائق بحجم 200 مم (8 بوصات). ولتلبية الطلب المتزايد على رقائق كربيد السيليكون المتجانسة عالية الجودة وكبيرة الحجم في هذا القطاع، تم اعتماد رقائق بحجم 150 مم و200 مم.رقائق السيليكون كاربيد المتجانسة 4H-SiCتم تحضيرها بنجاح على ركائز محلية باستخدام معدات نمو طبقات السيليكون كاربيد (SiC) المطورة بشكل مستقل بقياس 200 مم. وتم تطوير عملية نمو طبقات متجانسة مناسبة لطبقات بقياس 150 مم و200 مم، حيث يمكن أن يتجاوز معدل نمو الطبقات 60 ميكرومتر/ساعة. وبالرغم من تلبية متطلبات النمو عالي السرعة، إلا أن جودة رقائق الطبقات ممتازة. كما تم تحقيق تجانس في سمك الطبقات بقياس 150 مم و200 مم.رقائق السيليكون كاربيد المترسبة بالطبقة الرقيقةيمكن التحكم فيها في حدود 1.5٪، وتجانس التركيز أقل من 3٪، وكثافة العيوب القاتلة أقل من 0.3 جسيم/سم2، ومتوسط الجذر التربيعي لخشونة سطح الطبقة الرقيقة Ra أقل من 0.15 نانومتر، وجميع مؤشرات العملية الأساسية في المستوى المتقدم للصناعة.
كربيد السيليكون (SiC)يُعدّ كربيد السيليكون أحد أبرز ممثلي مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث. يتميز بقوة مجال انهيار عالية، وموصلية حرارية ممتازة، وسرعة انجراف تشبع إلكتروني عالية، ومقاومة إشعاعية قوية. وقد ساهم بشكل كبير في توسيع قدرة معالجة الطاقة لأجهزة الطاقة، ويلبي متطلبات الجيل القادم من معدات إلكترونيات الطاقة، لا سيما الأجهزة ذات القدرة العالية، والحجم الصغير، ودرجة الحرارة العالية، والإشعاع العالي، وغيرها من الظروف القاسية. فهو يُقلل من المساحة المطلوبة، واستهلاك الطاقة، ومتطلبات التبريد. وقد أحدث تغييرات جذرية في مركبات الطاقة الجديدة، والنقل بالسكك الحديدية، والشبكات الذكية، وغيرها من المجالات. ولذلك، أصبح كربيد السيليكون يُعتبر المادة المثالية التي ستقود الجيل القادم من أجهزة إلكترونيات الطاقة عالية القدرة. في السنوات الأخيرة، وبفضل الدعم الحكومي لتطوير صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث، اكتملت أعمال البحث والتطوير وبناء نظام صناعة أجهزة كربيد السيليكون بحجم 150 مم في الصين، وتم ضمان أمن سلسلة التوريد بشكل أساسي. ونتيجة لذلك، تحوّل تركيز الصناعة تدريجيًا نحو ضبط التكاليف وتحسين الكفاءة. كما هو موضح في الجدول 1، بالمقارنة مع رقاقات السيليكون كاربيد (SiC) بقياس 150 مم، تتميز رقاقات السيليكون كاربيد بقياس 200 مم بمعدل استخدام حواف أعلى، ويمكن زيادة إنتاجية الرقاقات المفردة بنحو 1.8 ضعف. بعد نضوج هذه التقنية، يمكن خفض تكلفة تصنيع الرقاقة الواحدة بنسبة 30%. يُعدّ هذا الإنجاز التقني لرقاقات السيليكون كاربيد بقياس 200 مم وسيلة مباشرة لخفض التكاليف وزيادة الكفاءة، كما أنه يُمثّل مفتاحًا لصناعة أشباه الموصلات في بلادي للريادة أو حتى التفوق.
يختلف عن عملية تصنيع أجهزة السيليكون،أجهزة طاقة أشباه الموصلات من كربيد السيليكونتُعالج جميع هذه الرقائق وتُجهز باستخدام طبقات الترسيب الطبقي كحجر أساس. تُعد رقائق الترسيب الطبقي مواد أساسية ضرورية لأجهزة طاقة كربيد السيليكون. وتحدد جودة طبقة الترسيب الطبقي بشكل مباشر إنتاجية الجهاز، وتشكل تكلفتها 20% من تكلفة تصنيع الرقاقة. لذلك، يُعد نمو الترسيب الطبقي حلقة وصل وسيطة أساسية في أجهزة طاقة كربيد السيليكون. ويُحدد الحد الأقصى لمستوى عملية الترسيب الطبقي بواسطة معدات الترسيب الطبقي. في الوقت الحالي، يُعد مستوى التوطين لمعدات الترسيب الطبقي لكربيد السيليكون بقياس 150 مم في الصين مرتفعًا نسبيًا، لكن التوزيع العام لمعدات الترسيب الطبقي بقياس 200 مم لا يزال متأخرًا عن المستوى العالمي. لذلك، ولحل الاحتياجات الملحة ومشاكل الاختناق في تصنيع مواد الترسيب الطبقي كبيرة الحجم وعالية الجودة لتطوير صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث محليًا، تُقدم هذه الورقة البحثية معدات الترسيب الطبقي لكربيد السيليكون بقياس 200 مم التي طُورت بنجاح في الصين، وتدرس عملية الترسيب الطبقي. من خلال تحسين معايير العملية، مثل درجة حرارة المعالجة، ومعدل تدفق الغاز الحامل، ونسبة الكربون إلى السيليكون، وغيرها، تم الحصول على تجانس تركيز أقل من 3%، وعدم تجانس في السماكة أقل من 1.5%، وخشونة سطح أقل من 0.2 نانومتر، وكثافة عيوب حرجة أقل من 0.3 حبة/سم² لرقائق السيليكون كاربيد (SiC) المُرَسَّبة على ركيزة بقياس 150 مم و200 مم، باستخدام فرن ترسيب السيليكون كاربيد المُطوَّر ذاتيًا بقياس 200 مم. يُلبي مستوى معالجة هذا الجهاز متطلبات تحضير أجهزة طاقة السيليكون كاربيد عالية الجودة.
1. التجربة
1.1 مبدأSiC epaxialعملية
تتضمن عملية النمو المتجانس لطبقة 4H-SiC خطوتين رئيسيتين، هما: الحفر الموضعي عالي الحرارة لركيزة 4H-SiC، وعملية الترسيب الكيميائي للبخار المتجانس. يهدف الحفر الموضعي للركيزة بشكل أساسي إلى إزالة التلف السطحي الناتج عن تلميع الرقاقة، بما في ذلك بقايا سائل التلميع والجسيمات وطبقة الأكسيد، مما يُتيح تكوين بنية ذرية منتظمة على سطح الركيزة. يُجرى الحفر الموضعي عادةً في جو من الهيدروجين. ووفقًا لمتطلبات العملية، يُمكن إضافة كمية صغيرة من غاز مساعد، مثل كلوريد الهيدروجين أو البروبان أو الإيثيلين أو السيلان. تتجاوز درجة حرارة الحفر الموضعي بالهيدروجين عمومًا 1600 درجة مئوية، ويُضبط ضغط حجرة التفاعل عادةً بحيث لا يتجاوز 2 × 10⁴ باسكال أثناء عملية الحفر.
بعد تنشيط سطح الركيزة بالحفر الموضعي، تدخل في عملية الترسيب الكيميائي للبخار عند درجة حرارة عالية. يتم نقل مصدر النمو (مثل الإيثيلين/البروبان، أو ثلاثي كلورو الإيثان/السيليان)، ومصدر التطعيم (مصدر تطعيم من النوع n: النيتروجين، ومصدر تطعيم من النوع p: ثلاثي ميثيل الألومنيوم)، والغاز المساعد مثل كلوريد الهيدروجين، إلى حجرة التفاعل عبر تدفق كبير من الغاز الحامل (عادةً الهيدروجين). بعد تفاعل الغاز في حجرة التفاعل ذات درجة الحرارة العالية، يتفاعل جزء من المادة الأولية كيميائيًا ويمتص على سطح الرقاقة، فتتشكل طبقة متجانسة أحادية البلورة من كربيد السيليكون 4H-SiC ذات تركيز تطعيم محدد، وسماكة محددة، وجودة عالية على سطح الركيزة باستخدام ركيزة 4H-SiC أحادية البلورة كقالب. بعد سنوات من البحث والتطوير، نضجت تقنية الترسيب المتجانس لـ 4H-SiC بشكل أساسي، وتُستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي. تتميز تقنية الترسيب المتجانس 4H-SiC الأكثر استخدامًا في العالم بسمتين نموذجيتين:
(1) باستخدام ركيزة مقطوعة بشكل مائل خارج المحور (بالنسبة لمستوى البلورة <0001>، باتجاه اتجاه البلورة <11-20>) كقالب، يتم ترسيب طبقة فوقية من 4H-SiC أحادية البلورة عالية النقاء وخالية من الشوائب على الركيزة بنمط نمو التدفق المتدرج. في المراحل الأولى من نمو 4H-SiC المتجانس، استُخدمت ركيزة بلورية موجبة، أي مستوى السيليكون <0001> للنمو. تتميز هذه الركيزة بانخفاض كثافة الخطوات الذرية على سطحها واتساع المدرجات. يسهل حدوث نمو النواة ثنائي الأبعاد أثناء عملية الترسيب لتكوين بلورة 3C من كربيد السيليكون (3C-SiC). من خلال القطع خارج المحور، يمكن إدخال خطوات ذرية عالية الكثافة وضيقة العرض على سطح ركيزة 4H-SiC <0001>، ويمكن للمادة الأولية الممتصة الوصول بفعالية إلى موضع الخطوة الذرية بطاقة سطحية منخفضة نسبيًا من خلال الانتشار السطحي. في هذه المرحلة، يكون موضع ارتباط ذرة السلف / المجموعة الجزيئية فريدًا، لذلك في وضع نمو التدفق المتدرج، يمكن للطبقة فوق المحورية أن ترث تمامًا تسلسل تكديس الطبقة الذرية المزدوجة Si-C للركيزة لتشكيل بلورة واحدة بنفس الطور البلوري للركيزة.
(2) يُمكن تحقيق نمو طبقي عالي السرعة باستخدام مصدر سيليكون يحتوي على الكلور. في أنظمة الترسيب الكيميائي للبخار التقليدية لكربيد السيليكون، يُعد السيلان والبروبان (أو الإيثيلين) المصادر الرئيسية للنمو. أثناء عملية زيادة معدل النمو بزيادة معدل تدفق مصدر النمو، ومع استمرار ارتفاع الضغط الجزئي المتوازن لمكون السيليكون، يسهل تكوّن تجمعات السيليكون عن طريق التكوين المتجانس في الطور الغازي، مما يقلل بشكل كبير من معدل استخدام مصدر السيليكون. يُحدّ تكوّن تجمعات السيليكون بشكل كبير من تحسين معدل النمو الطبقي. في الوقت نفسه، يُمكن أن تُعيق تجمعات السيليكون نمو التدفق المتدرج وتُسبب تكوّن العيوب. لتجنب التكوين المتجانس في الطور الغازي وزيادة معدل النمو الطبقي، يُعد استخدام مصادر السيليكون القائمة على الكلور حاليًا الطريقة السائدة لزيادة معدل النمو الطبقي لكربيد السيليكون 4H-SiC.
1.2 معدات وظروف عملية الترسيب الطبقي لطبقة من كربيد السيليكون (SiC) بقياس 200 مم (8 بوصات)
أُجريت جميع التجارب الموصوفة في هذه الورقة البحثية على جهاز ترسيب طبقات رقيقة من كربيد السيليكون (SiC) متوافق مع معيار 150/200 مم (6/8 بوصة)، وهو جهاز أفقي متجانس ذو جدار ساخن، طُوِّر بشكل مستقل من قِبَل المعهد الثامن والأربعين التابع لمجموعة شركات تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية. يدعم فرن الترسيب تحميل وتفريغ الرقاقات بشكل آلي بالكامل. يوضح الشكل 1 مخططًا تخطيطيًا للبنية الداخلية لغرفة التفاعل في جهاز الترسيب. كما هو موضح في الشكل 1، يتكون الجدار الخارجي لغرفة التفاعل من جرس كوارتز مزود بطبقة داخلية مبردة بالماء، بينما يحتوي الجزء الداخلي من الجرس على غرفة تفاعل عالية الحرارة، تتكون من لباد كربوني عازل حراريًا، وتجويف من جرافيت خاص عالي النقاء، وقاعدة دوارة عائمة بغاز الجرافيت، وغيرها. يُغطى جرس الكوارتز بالكامل بملف حث أسطواني، ويتم تسخين غرفة التفاعل داخل الجرس كهرومغناطيسيًا بواسطة مصدر طاقة حثي متوسط التردد. كما هو موضح في الشكل 1 (ب)، يتدفق كل من الغاز الحامل وغاز التفاعل وغاز التطعيم عبر سطح الرقاقة في تدفق صفائحي أفقي من أعلى حجرة التفاعل إلى أسفلها، ويتم تصريفها من مخرج الغاز الخلفي. ولضمان تجانس مكونات الرقاقة، تُدار الرقاقة المحمولة على قاعدة هوائية عائمة باستمرار أثناء العملية.
الركيزة المستخدمة في التجربة هي ركيزة تجارية من نوع 4H-SiC موصلة من النوع n، مصقولة من الجانبين، بأبعاد 150 مم و200 مم (6 بوصات و8 بوصات)، ذات اتجاه <1120> وزاوية انحراف 4 درجات، من إنتاج شركة شانشي شوك كريستال. استُخدم ثلاثي كلورو سيلان (SiHCl3، TCS) والإيثيلين (C2H4) كمصدرين رئيسيين للنمو في هذه التجربة، حيث استُخدم TCS كمصدر للسيليكون، والإيثيلين كمصدر للكربون. استُخدم النيتروجين عالي النقاوة (N2) كمصدر للتطعيم من النوع n، والهيدروجين (H2) كغاز تخفيف وغاز حامل. تراوحت درجة حرارة عملية الترسيب الطبقي بين 1600 و1660 درجة مئوية، وضغط العملية بين 8×10³ و12×10³ باسكال، ومعدل تدفق غاز الهيدروجين الحامل بين 100 و140 لتر/دقيقة.
1.3 اختبار وتوصيف رقائق السيليكون المترسبة بالطبقة الرقيقة
تم استخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء فورييه (الشركة المصنعة للمعدات Thermalfisher، طراز iS50) وجهاز اختبار تركيز مسبار الزئبق (الشركة المصنعة للمعدات Semilab، طراز 530L) لتوصيف متوسط وتوزيع سمك الطبقة فوقية وتركيز التطعيم؛ تم تحديد سمك وتركيز التطعيم لكل نقطة في الطبقة فوقية عن طريق أخذ نقاط على طول خط القطر الذي يتقاطع مع الخط العمودي للحافة المرجعية الرئيسية بزاوية 45 درجة في مركز الرقاقة مع إزالة حافة 5 مم. بالنسبة لرقاقة سيليكون بقطر 150 مم، تم أخذ 9 نقاط على طول خط قطر واحد (قطران متعامدان)، وبالنسبة لرقاقة سيليكون بقطر 200 مم، تم أخذ 21 نقطة، كما هو موضح في الشكل 2. تم استخدام مجهر القوة الذرية (من إنتاج شركة Bruker، طراز Dimension Icon) لاختيار مناطق بمساحة 30 ميكرومتر × 30 ميكرومتر في المنطقة المركزية ومنطقة الحافة (إزالة 5 مم من الحافة) لرقاقة السيليكون المُرَسَّبة لاختبار خشونة سطح الطبقة المُرَسَّبة؛ وتم قياس عيوب الطبقة المُرَسَّبة باستخدام جهاز اختبار عيوب السطح (من إنتاج شركة China Electronics). تم توصيف جهاز التصوير ثلاثي الأبعاد بواسطة مستشعر رادار (طراز Mars 4410 pro) من شركة Kefenghua.
تاريخ النشر: 4 سبتمبر 2024