2 النتائج التجريبية والمناقشة
2.1الطبقة الفوقيةالسمك والتوحيد
يُعد سُمك الطبقة الفوقية، وتركيز المُشَوِّب، وتجانسها من المؤشرات الأساسية لتقييم جودة الرقاقات الفوقية. يُعدّ السُمك القابل للتحكم بدقة، وتركيز المُشَوِّب، وتجانسها داخل الرقاقة، مفتاحًا لضمان أداء وثبات الرقاقة.أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون، كما أن سمك الطبقة الطبقية وتوحيد تركيز المنشطات هي أيضًا أسس مهمة لقياس قدرة عملية المعدات الطبقية.
يوضح الشكل 3 منحنى توزيع وتوحيد السُمك لسمك 150 مم و200 ممرقائق SiC الفوقيةيتضح من الشكل أن منحنى توزيع سمك الطبقة الفوقية متماثل حول مركز الرقاقة. يبلغ زمن عملية الفوقية 600 ثانية، ويبلغ متوسط سمك الطبقة الفوقية لرقاقة الفوقية 150 مم 10.89 ميكرومتر، وتوحيد السمك 1.05%. وبالحساب، يبلغ معدل نمو الطبقة الفوقية 65.3 ميكرومتر/ساعة، وهو معدل نموذجي لسرعة عملية الفوقية. وفي نفس زمن عملية الفوقية، يبلغ سمك الطبقة الفوقية لرقاقة الفوقية 200 مم 10.10 ميكرومتر، وتوحيد السمك 1.36%، ويبلغ معدل النمو الإجمالي 60.60 ميكرومتر/ساعة، وهو أقل بقليل من معدل نمو الطبقة الفوقية 150 مم. يعود ذلك إلى وجود فقدان واضح على طول الطريق عند تدفق مصدر السيليكون ومصدر الكربون من أعلى غرفة التفاعل عبر سطح الرقاقة إلى أسفلها، حيث تكون مساحة الرقاقة 200 مم أكبر من مساحة الرقاقة 150 مم. يتدفق الغاز عبر سطح الرقاقة 200 مم لمسافة أطول، ويكون غاز المصدر المستهلك على طول الطريق أكبر. في حالة استمرار دوران الرقاقة، يكون السُمك الكلي للطبقة الفوقية أرق، وبالتالي يكون معدل النمو أبطأ. بشكل عام، يتميز سماكة الرقاقات الفوقية 150 مم و200 مم بتجانس ممتاز، ويمكن أن تلبي قدرة معالجة الجهاز متطلبات الأجهزة عالية الجودة.
2.2 تركيز وتوحيد المنشطات في الطبقة الفوقية
يوضح الشكل 4 تجانس تركيز المنشطات وتوزيع المنحنى لـ 150 مم و 200 ممرقائق SiC الفوقيةكما يتضح من الشكل، يتميز منحنى توزيع التركيز على الرقاقة الفوقية بتماثل واضح بالنسبة لمركز الرقاقة. يبلغ تجانس تركيز التشويب للطبقتين الفوقيتين 150 مم و200 مم 2.80% و2.66% على التوالي، ويمكن التحكم فيهما في حدود 3%، وهو مستوى ممتاز لمعدات دولية مماثلة. يتوزع منحنى تركيز التشويب للطبقة الفوقية على شكل حرف "W" على طول اتجاه القطر، والذي يُحدده بشكل أساسي مجال تدفق فرن النمو الفوقي ذي الجدار الساخن الأفقي، لأن اتجاه تدفق الهواء في فرن النمو الفوقي ذي التدفق الأفقي يكون من طرف مدخل الهواء (المنبع) ويتدفق من الطرف المصب بشكل صفائحي عبر سطح الرقاقة. لأن معدل "الاستنزاف على طول الطريق" لمصدر الكربون (C2H4) أعلى من معدل مصدر السيليكون (TCS)، عندما تدور الرقاقة، ينخفض C/Si الفعلي على سطح الرقاقة تدريجيًا من الحافة إلى المركز (مصدر الكربون في المركز أقل)، وفقًا لـ "نظرية الموضع التنافسي" لـ C وN، ينخفض تركيز المنشطات في مركز الرقاقة تدريجيًا نحو الحافة، من أجل الحصول على تجانس تركيز ممتاز، تتم إضافة الحافة N2 كتعويض أثناء العملية الظهارية لإبطاء انخفاض تركيز المنشطات من المركز إلى الحافة، بحيث يظهر منحنى تركيز المنشطات النهائي شكل "W".
2.3 عيوب الطبقة الفوقية
بالإضافة إلى السُمك وتركيز التشويب، يُعدّ مستوى التحكم في عيوب الطبقة الفوقية معيارًا أساسيًا لقياس جودة الرقائق الفوقية، ومؤشرًا مهمًا على كفاءة معدات الفوقية. على الرغم من اختلاف متطلبات العيوب في ترانزستورات SBD وMOSFET، إلا أن عيوب مورفولوجيا السطح الأكثر وضوحًا، مثل عيوب السقوط، وعيوب المثلث، وعيوب الجزرة، وعيوب المذنب، وغيرها، تُعرّف بأنها عيوب قاتلة في أجهزة SBD وMOSFET. ونظرًا لاحتمالية فشل الرقائق التي تحتوي على هذه العيوب، فإن التحكم في عدد العيوب القاتلة أمر بالغ الأهمية لتحسين إنتاجية الرقائق وخفض التكاليف. يوضح الشكل 5 توزيع العيوب القاتلة في رقاقات SiC الفوقية بسُمك 150 مم و200 مم. في حالة عدم وجود خلل واضح في نسبة الكربون/السيليكون، يمكن التخلص من عيوب الجزرة وعيوب المذنب بشكل أساسي، بينما ترتبط عيوب السقوط وعيوب المثلث بمراقبة النظافة أثناء تشغيل المعدات الفوقية، ومستوى شوائب أجزاء الجرافيت في غرفة التفاعل، وجودة الركيزة. من الجدول 2، يمكن ملاحظة أنه يمكن التحكم في كثافة العيب القاتل لرقائق الفوقية 150 مم و200 مم في حدود 0.3 جسيم/سم2، وهو مستوى ممتاز لنفس النوع من المعدات. مستوى التحكم في كثافة العيب القاتل لرقاقة الفوقية 150 مم أفضل من مستوى رقاقة الفوقية 200 مم. وذلك لأن عملية تحضير الركيزة 150 مم أكثر نضجًا من 200 مم، وجودة الركيزة أفضل، ومستوى التحكم في الشوائب في غرفة تفاعل الجرافيت 150 مم أفضل.
2.4 خشونة سطح الرقاقة الفوقية
يوضح الشكل 6 صور المجهر الإلكتروني AFM لسطح رقائق كربيد السيليكون (SiC) الفوقية بأقطار 150 مم و200 مم. يتضح من الشكل أن خشونة الجذر التربيعي لمتوسط سطح الرقاقات الفوقية (Ra) بأقطار 150 مم و200 مم هي 0.129 نانومتر و0.113 نانومتر على التوالي، وأن سطح الطبقة الفوقية أملس دون ظاهرة واضحة لتجمع الطبقات الكبيرة. تُظهر هذه الظاهرة أن نمو الطبقة الفوقية يحافظ دائمًا على نمط نمو التدفق التدريجي طوال عملية النمو الفوقي، دون حدوث أي تجمع للطبقات. يتضح أنه باستخدام عملية النمو الفوقي المُحسّنة، يمكن الحصول على طبقات فوقية ناعمة على ركائز منخفضة الزاوية بأقطار 150 مم و200 مم.
3 الخاتمة
تم تحضير رقائق كربيد السيليكون 4H-SiC المتجانسة بأحجام 150 مم و200 مم بنجاح على ركائز محلية باستخدام جهاز نمو كربيد السيليكون 200 مم المطور ذاتيًا، كما طُوّرت عملية نمو متجانسة مناسبة لرقائق 150 مم و200 مم. يمكن أن يتجاوز معدل النمو التراكمي 60 ميكرومتر/ساعة. تتميز رقاقة النمو التراكمي بجودة ممتازة، مع تلبية متطلبات النمو التراكمي عالي السرعة. يمكن التحكم في تجانس سمك رقائق كربيد السيليكون 150 مم و200 مم التراكمي في حدود 1.5%، وتجانس التركيز أقل من 3%، وكثافة العيوب القاتلة أقل من 0.3 جسيم/سم²، وجذر متوسط مربع خشونة السطح التراكمي (Ra) أقل من 0.15 نانومتر. مؤشرات العملية الأساسية لرقائق النمو التراكمي متقدمة جدًا في هذه الصناعة.
المصدر: معدات خاصة للصناعة الإلكترونية
المؤلف: شيه تيانلي، لي بينغ، يانغ يو، غونغ شياو ليانغ، با ساي، تشن غوكين، وان شينغ تشيانغ
(معهد الأبحاث رقم 48 التابع لمجموعة شركات تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية، تشانغشا، هونان 410111)
وقت النشر: 4 سبتمبر 2024