حاليًا، تشهد صناعة كربيد السيليكون تحولًا من 150 مم (6 بوصات) إلى 200 مم (8 بوصات). ولتلبية الطلب المُلِحّ على رقائق كربيد السيليكون المتجانسة عالية الجودة وكبيرة الحجم في هذه الصناعة، تُستخدم رقائق 150 مم و200 ممرقائق 4H-SiC المتجانسةتم تحضيرها بنجاح على ركائز منزلية باستخدام جهاز نموّ كربيد السيليكون (SiC) 200 مم المُطوّر بشكل مستقل. طُوّرت عملية نموّ طلائيّ متجانسة مناسبة لشرائح 150 مم و200 مم، حيث يُمكن أن يتجاوز معدل النموّ الطلائيّ 60 ميكرومتر/ساعة. مع تحقيق النموّ الطلائيّ عالي السرعة، تتميز رقاقة النموّ الطلائيّ بجودة ممتازة. سماكة 150 مم و200 مم متساوية.رقائق SiC الفوقيةيمكن التحكم في حدود 1.5%، وتوحيد التركيز أقل من 3%، وكثافة العيوب القاتلة أقل من 0.3 جسيم/سم2، وجذر متوسط مربع خشونة السطح الطلائي Ra أقل من 0.15 نانومتر، وجميع مؤشرات العملية الأساسية على المستوى المتقدم في الصناعة.
كربيد السيليكون (SiC)يُعدّ كربيد السيليكون أحد أبرز مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث. يتميز بقوة مجال انهيار عالية، وموصلية حرارية ممتازة، وسرعة انجراف عالية لتشبع الإلكترونات، ومقاومة قوية للإشعاع. وقد وسّع بشكل كبير قدرة معالجة الطاقة لأجهزة الطاقة، ويمكنه تلبية متطلبات خدمة الجيل القادم من معدات إلكترونيات الطاقة للأجهزة عالية الطاقة، والصغيرة الحجم، ودرجات الحرارة العالية، والإشعاع العالي، وغيرها من الظروف القاسية. كما يتميز بقدرته على تقليل المساحة، وتقليل استهلاك الطاقة، وتقليل متطلبات التبريد. وقد أحدث تغييرات ثورية في مركبات الطاقة الجديدة، والنقل بالسكك الحديدية، والشبكات الذكية، وغيرها من المجالات. ولذلك، أصبحت أشباه موصلات كربيد السيليكون المادة المثالية التي ستقود الجيل القادم من أجهزة إلكترونيات الطاقة عالية الطاقة. في السنوات الأخيرة، وبفضل دعم السياسات الوطنية لتطوير صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث، اكتمل البحث والتطوير وبناء نظام صناعة أجهزة كربيد السيليكون 150 مم بشكل أساسي في الصين، مما ضمن بشكل أساسي أمن السلسلة الصناعية. ولذلك، تحول تركيز الصناعة تدريجيًا إلى ضبط التكاليف وتحسين الكفاءة. كما هو موضح في الجدول 1، مقارنةً بـ 150 مم، يتميز كربيد السيليكون (SiC) بسمك 200 مم بمعدل استخدام أعلى للحواف، ويمكن زيادة إنتاج رقائق الرقاقة المفردة بنحو 1.8 مرة. بعد نضج التكنولوجيا، يمكن خفض تكلفة تصنيع الشريحة المفردة بنسبة 30%. يُعدّ هذا الاختراق التكنولوجي لسمك 200 مم وسيلة مباشرة "لخفض التكاليف وزيادة الكفاءة"، وهو أيضًا مفتاح صناعة أشباه الموصلات في بلدي "للعمل بالتوازي" أو حتى "الريادة".
مختلفة عن عملية جهاز Si،أجهزة الطاقة المصنوعة من أشباه الموصلات SiCتتم معالجة جميع المواد وتجهيزها باستخدام الطبقات الفوقية كحجر أساس. تُعد الرقائق الفوقية مواد أساسية أساسية لأجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون. تُحدد جودة الطبقة الفوقية بشكل مباشر إنتاجية الجهاز، وتمثل تكلفتها 20% من تكلفة تصنيع الرقاقة. لذلك، يُعد النمو الفوقي حلقة وصل أساسية في أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون. يتم تحديد الحد الأقصى لمستوى عملية الفوقية من خلال المعدات الفوقية. في الوقت الحالي، يُعد مستوى توطين معدات الفوقية المصنوعة من كربيد السيليكون مقاس 150 مم في الصين مرتفعًا نسبيًا، ولكن التصميم العام لمعدات 200 مم لا يزال متأخرًا عن المستوى الدولي. لذلك، من أجل حل الاحتياجات العاجلة ومشاكل الاختناقات في تصنيع المواد الفوقية كبيرة الحجم وعالية الجودة لتطوير صناعة أشباه الموصلات المحلية من الجيل الثالث، تقدم هذه الورقة معدات الفوقية المصنوعة من كربيد السيليكون مقاس 200 مم التي تم تطويرها بنجاح في بلدي، وتدرس عملية الفوقية. بتحسين معايير العملية، مثل درجة حرارة العملية، ومعدل تدفق الغاز الحامل، ونسبة الكربون إلى السيليكون، وغيرها، يتم الحصول على تجانس التركيز <3%، وعدم تجانس السمك <1.5%، وخشونة Ra <0.2 نانومتر، وكثافة العيوب القاتلة <0.3 حبة/سم² لرقائق SiC ذات الطبقات الفوقية بسُمك 150 مم و200 مم، باستخدام فرن كربيد السيليكون ذو الطبقات الفوقية 200 مم المُطوّر بشكل مستقل. يُلبي مستوى عملية المعدات احتياجات تحضير أجهزة طاقة SiC عالية الجودة.
تجربة واحدة
1.1 مبدأSiC الفوقيعملية
تتضمن عملية نمو كربيد السيليكون 4H-SiC المتجانس خطوتين رئيسيتين، هما: النقش الموضعي عالي الحرارة لركيزة كربيد السيليكون 4H-SiC، وعملية ترسيب البخار الكيميائي المتجانس. يهدف النقش الموضعي للركيزة إلى إزالة التلف السطحي للركيزة بعد تلميع الرقاقة، وبقايا سائل التلميع، والجسيمات، وطبقة الأكسيد، ويمكن من خلاله تكوين بنية ذرية منتظمة على سطح الركيزة. يُجرى النقش الموضعي عادةً في جو من الهيدروجين. ويمكن، وفقًا لمتطلبات العملية الفعلية، إضافة كمية صغيرة من الغاز المساعد، مثل كلوريد الهيدروجين، أو البروبان، أو الإيثيلين، أو السيلان. تكون درجة حرارة النقش الموضعي للهيدروجين أعلى من 1600 درجة مئوية، ويتم التحكم في ضغط غرفة التفاعل بشكل عام عند أقل من 2×104 باسكال أثناء عملية النقش.
بعد تنشيط سطح الركيزة بالنقش الموضعي، يدخل في عملية ترسيب بخار كيميائي عالي الحرارة، أي أن مصدر النمو (مثل الإيثيلين/البروبان، TCS/السيلان)، ومصدر التشويب (مصدر التشويب من النوع n، النيتروجين، مصدر التشويب من النوع p، TMAl)، والغاز المساعد مثل كلوريد الهيدروجين، يتم نقلها إلى غرفة التفاعل عبر تدفق كبير من غاز الناقل (عادةً الهيدروجين). بعد تفاعل الغاز في غرفة التفاعل عالية الحرارة، يتفاعل جزء من المادة الأولية كيميائيًا ويمتزج على سطح الرقاقة، وتتشكل طبقة إيبيتاكسية متجانسة أحادية البلورة من 4H-SiC بتركيز تشويب محدد وسمك محدد وجودة أعلى على سطح الركيزة باستخدام ركيزة 4H-SiC أحادية البلورة كقالب. بعد سنوات من البحث التقني، نضجت تقنية التماثل الإيبيتاكسي من 4H-SiC بشكل أساسي، وهي مستخدمة على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي. تتميز تقنية 4H-SiC المثلية الأكثر استخدامًا في العالم بخاصيتين نموذجيتين:
(1) باستخدام ركيزة مقطوعة بشكل مائل خارج المحور (بالنسبة إلى مستوى البلورة <0001>، باتجاه اتجاه البلورة <11-20>) كقالب، يتم ترسيب طبقة طبقية أحادية البلورة عالية النقاء من 4H-SiC بدون شوائب على الركيزة في شكل نمط نمو متدرج التدفق. استخدم النمو المتجانس المبكر لـ 4H-SiC ركيزة بلورية موجبة، أي مستوى Si <0001> للنمو. تكون كثافة الخطوات الذرية على سطح ركيزة البلورة الموجبة منخفضة والمدرجات واسعة. من السهل حدوث نمو نووي ثنائي الأبعاد أثناء عملية التكاثر الطبقي لتكوين بلورة SiC ثلاثية الكربون (3C-SiC). من خلال القطع خارج المحور، يمكن إدخال خطوات ذرية عالية الكثافة وعرض مدرج ضيق على سطح ركيزة 4H-SiC <0001>، ويمكن للسلائف الممتصة الوصول بفعالية إلى موضع الخطوة الذرية بطاقة سطحية منخفضة نسبيًا من خلال الانتشار السطحي. في هذه الخطوة، يكون موضع رابطة الذرة/المجموعة الجزيئية السابقة فريدًا، لذلك في وضع نمو التدفق التدريجي، يمكن للطبقة الطلائية أن ترث بشكل مثالي تسلسل تكديس الطبقة الذرية المزدوجة Si-C للركيزة لتشكيل بلورة واحدة بنفس الطور البلوري للركيزة.
(2) يتحقق النمو الطلائي عالي السرعة عن طريق إدخال مصدر سيليكون يحتوي على الكلور. في أنظمة ترسيب البخار الكيميائي التقليدية لكربيد السيليكون، يُعد السيلان والبروبان (أو الإيثيلين) مصادر النمو الرئيسية. في عملية زيادة معدل النمو عن طريق زيادة معدل تدفق مصدر النمو، ومع استمرار زيادة الضغط الجزئي المتوازن لمكون السيليكون، من السهل تكوين مجموعات سيليكون عن طريق نوى الطور الغازي المتجانس، مما يقلل بشكل كبير من معدل استخدام مصدر السيليكون. يحد تكوين مجموعات السيليكون بشكل كبير من تحسين معدل النمو الطلائي. في الوقت نفسه، يمكن أن تعيق مجموعات السيليكون نمو التدفق التدريجي وتسبب نوى عيب. لتجنب نوى الطور الغازي المتجانس وزيادة معدل النمو الطلائي، يُعد إدخال مصادر السيليكون القائمة على الكلور حاليًا الطريقة السائدة لزيادة معدل النمو الطلائي لكربيد السيليكون 4H.
1.2 200 مم (8 بوصة) SiC المعدات الفوقية وظروف العملية
أجريت جميع التجارب الموضحة في هذه الورقة على جهاز SiC أحادي الطبقة ذو جدار أفقي ساخن متوافق 150/200 مم (6/8 بوصة) تم تطويره بشكل مستقل من قبل المعهد 48 لشركة مجموعة تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية. يدعم الفرن الفوقي تحميل وتفريغ الرقاقة تلقائيًا بالكامل. الشكل 1 هو مخطط تخطيطي للهيكل الداخلي لغرفة التفاعل الخاصة بالجهاز الفوقي. كما هو موضح في الشكل 1، فإن الجدار الخارجي لغرفة التفاعل عبارة عن جرس كوارتز مع طبقة داخلية مبردة بالماء، والجزء الداخلي من الجرس عبارة عن غرفة تفاعل عالية الحرارة، والتي تتكون من لباد كربون عازل حراري، وتجويف جرافيت خاص عالي النقاء، وقاعدة دوارة عائمة بالغاز من الجرافيت، إلخ. جرس الكوارتز بالكامل مغطى بملف تحريض أسطواني، ويتم تسخين غرفة التفاعل داخل الجرس كهرومغناطيسيًا بواسطة مصدر طاقة تحريض متوسط التردد. كما هو موضح في الشكل 1 (ب)، يتدفق غاز الناقل، وغاز التفاعل، وغاز التنشيط عبر سطح الرقاقة في تدفق صفائحي أفقي من أعلى غرفة التفاعل إلى أسفلها، ويتم تفريغها من طرف غاز الذيل. لضمان تماسك الرقاقة، تُدار الرقاقة التي تحملها القاعدة الهوائية العائمة دائمًا أثناء العملية.
الركيزة المستخدمة في التجربة هي ركيزة SiC مصقولة مزدوجة الجوانب من النوع n، موصلة كهربائيًا بزاوية 4°، بأبعاد 150 مم و200 مم (6 بوصات و8 بوصات) <1120>، من إنتاج شركة Shanxi Shuoke Crystal. استُخدم ثلاثي كلورو السيلان (SiHCl3، TCS) والإيثيلين (C2H4) كمصدرين رئيسيين للنمو في تجربة العملية، ومن بينهما TCS وC2H4 كمصدر للسيليكون ومصدر للكربون على التوالي، ويُستخدم النيتروجين عالي النقاء (N2) كمصدر للتشويب من النوع n، ويُستخدم الهيدروجين (H2) كغاز تخفيف وغاز ناقل. يتراوح نطاق درجة حرارة العملية الفوقية بين 1600 و1660 درجة مئوية، ويتراوح ضغط العملية بين 8×103 و12×103 باسكال، ويتراوح معدل تدفق غاز الناقل H2 بين 100 و140 لترًا/دقيقة.
1.3 اختبار وتوصيف الرقاقة الفوقية
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 الظهارية وتركيز المنشطات؛ تم تحديد سمك وتركيز المنشطات لكل نقطة في الطبقة الظهارية عن طريق أخذ نقاط على طول خط القطر المتقاطع مع الخط الطبيعي للحافة المرجعية الرئيسية عند 45 درجة في مركز الرقاقة مع إزالة الحافة بمقدار 5 مم. بالنسبة لرقاقة 150 مم، تم أخذ 9 نقاط على طول خط قطر واحد (كان القطران متعامدين على بعضهما البعض)، وبالنسبة لرقاقة 200 مم، تم أخذ 21 نقطة، كما هو موضح في الشكل 2. تم استخدام مجهر القوة الذرية (الشركة المصنعة للمعدات Bruker، طراز Dimension Icon) لتحديد مناطق 30 ميكرومتر × 30 ميكرومتر في المنطقة المركزية ومنطقة الحافة (إزالة حافة 5 مم) من الرقاقة الظهارية لاختبار خشونة سطح الطبقة الظهارية؛ تم قياس عيوب الطبقة الظهارية باستخدام جهاز اختبار عيوب السطح (الشركة المصنعة للمعدات China Electronics). تم تمييز جهاز التصوير ثلاثي الأبعاد بواسطة مستشعر رادار (طراز Mars 4410 pro) من Kefenghua.
وقت النشر: 4 سبتمبر 2024