2. النتائج التجريبية ومناقشتها
2.1الطبقة فوق المحوريةالسماكة والتجانس
يُعد سُمك الطبقة المُرَسَّبة، وتركيز الشوائب، وتجانسها من المؤشرات الأساسية لتقييم جودة رقائق السيليكون المُرَسَّبة. ويُعتبر التحكم الدقيق في السُمك، وتركيز الشوائب، وتجانسها داخل الرقاقة، مفتاحًا لضمان الأداء والاتساق.أجهزة طاقة كربيد السيليكونكما أن سمك الطبقة المترسبة وتجانس تركيز التطعيم يعتبران أيضاً من الأسس المهمة لقياس قدرة عملية معدات الترسيب الطبقي.
يوضح الشكل 3 منحنى تجانس وتوزيع السماكة لسمك 150 مم و200 ممرقائق السيليكون كاربيد المترسبة بالطبقة الرقيقةيتضح من الشكل أن منحنى توزيع سُمك الطبقة المترسبة متناظر حول مركز الرقاقة. زمن عملية الترسيب 600 ثانية، ومتوسط سُمك الطبقة المترسبة على رقاقة قطرها 150 مم هو 10.89 ميكرومتر، ونسبة تجانس السُمك 1.05%. وبحساب معدل نمو الطبقة المترسبة، نجد أنه 65.3 ميكرومتر/ساعة، وهو مستوى نموذجي لعملية ترسيب سريعة. في ظل نفس زمن عملية الترسيب، يبلغ سُمك الطبقة المترسبة على رقاقة قطرها 200 مم 10.10 ميكرومتر، ونسبة تجانس السُمك في حدود 1.36%، ومعدل النمو الإجمالي 60.60 ميكرومتر/ساعة، وهو أقل بقليل من معدل نمو الطبقة المترسبة على رقاقة قطرها 150 مم. يعود ذلك إلى وجود فقد واضح في الطاقة أثناء تدفق مصدر السيليكون ومصدر الكربون من أعلى حجرة التفاعل عبر سطح الرقاقة إلى أسفلها، ونظرًا لأن مساحة الرقاقة 200 مم أكبر من مساحة الرقاقة 150 مم، فإن الغاز يتدفق عبر سطح الرقاقة 200 مم لمسافة أطول، مما يزيد من استهلاك غاز المصدر. ومع استمرار دوران الرقاقة، يصبح سمك الطبقة المترسبة أقل، وبالتالي يكون معدل النمو أبطأ. عمومًا، يتميز سمك الرقاقات المترسبة بقياس 150 مم و200 مم بتجانس ممتاز، وتلبي قدرة الجهاز متطلبات الأجهزة عالية الجودة.
2.2 تركيز وتجانس التطعيم في الطبقة المترسبة
يوضح الشكل 4 تجانس تركيز الشوائب وتوزيع المنحنى عند 150 مم و200 ممرقائق السيليكون كاربيد المترسبة بالطبقة الرقيقةكما هو موضح في الشكل، يتميز منحنى توزيع التركيز على رقاقة الإبيتاكسي بتناظر واضح حول مركز الرقاقة. تبلغ نسبة تجانس تركيز التطعيم في طبقتي الإبيتاكسي بسمك 150 مم و200 مم 2.80% و2.66% على التوالي، وهي نسبة يمكن التحكم بها ضمن هامش خطأ لا يتجاوز 3%، ما يُعد مستوىً ممتازًا مقارنةً بالأجهزة العالمية المماثلة. يتخذ منحنى تركيز التطعيم في طبقة الإبيتاكسي شكل حرف "W" على امتداد قطر الرقاقة، وهو ما يتحدد بشكل أساسي بمجال تدفق الهواء في فرن الإبيتاكسي الأفقي ذي الجدار الساخن، حيث يبدأ تدفق الهواء في فرن نمو الإبيتاكسي الأفقي من مدخل الهواء (الطرف العلوي) ويتدفق للخارج من الطرف السفلي بشكل انسيابي عبر سطح الرقاقة. نظرًا لأن معدل "الاستنزاف على طول الطريق" لمصدر الكربون (C2H4) أعلى من معدل استنزاف مصدر السيليكون (TCS)، فعندما تدور الرقاقة، يتناقص تركيز C/Si الفعلي على سطح الرقاقة تدريجيًا من الحافة إلى المركز (مصدر الكربون في المركز أقل)، ووفقًا لـ "نظرية الموقع التنافسي" للكربون والنيتروجين، يتناقص تركيز التطعيم في مركز الرقاقة تدريجيًا باتجاه الحافة، وللحصول على تجانس ممتاز في التركيز، تتم إضافة N2 على الحافة كتعويض أثناء عملية الترسيب الطبقي لإبطاء انخفاض تركيز التطعيم من المركز إلى الحافة، بحيث يظهر منحنى تركيز التطعيم النهائي على شكل حرف "W".
2.3 عيوب الطبقة فوق المحورية
بالإضافة إلى سُمك الطبقة وتركيز الشوائب، يُعدّ مستوى التحكم في عيوب الطبقة المُرَسَّبة معيارًا أساسيًا لقياس جودة رقائق السيليكون المُرَسَّبة، ومؤشرًا هامًا على كفاءة عملية تصنيعها. ورغم اختلاف متطلبات العيوب في ثنائيات شوتكي (SBD) وترانزستورات MOSFET، تُعرَّف عيوب مورفولوجيا السطح الأكثر وضوحًا، مثل عيوب القطرات والمثلثات والجزر والمذنبات، بأنها عيوب قاتلة في هذه الأجهزة. ونظرًا لارتفاع احتمالية فشل الرقائق التي تحتوي على هذه العيوب، يُعدّ التحكم في عدد العيوب القاتلة أمرًا بالغ الأهمية لتحسين إنتاجية الرقائق وخفض التكاليف. يوضح الشكل 5 توزيع العيوب القاتلة في رقائق السيليكون كاربيد المُرَسَّبة بقياس 150 مم و200 مم. في حال عدم وجود اختلال واضح في نسبة الكربون إلى السيليكون، يمكن التخلص بشكل أساسي من عيوب الجزر وعيوب المذنبات، بينما ترتبط عيوب القطرات وعيوب المثلثات بمراقبة النظافة أثناء تشغيل معدات الترسيب الطبقي، ومستوى شوائب أجزاء الجرافيت في حجرة التفاعل، وجودة الركيزة. من الجدول 2، يتضح أنه يمكن التحكم في كثافة العيوب القاتلة لرقائق الترسيب الطبقي بقياس 150 مم و200 مم ضمن نطاق 0.3 جسيم/سم²، وهو مستوى ممتاز لنفس نوع المعدات. مستوى التحكم في كثافة العيوب القاتلة لرقاقة الترسيب الطبقي بقياس 150 مم أفضل من نظيره في رقاقة الترسيب الطبقي بقياس 200 مم. ويعود ذلك إلى أن عملية تحضير الركيزة في رقاقة 150 مم أكثر نضجًا من تلك في رقاقة 200 مم، وجودة الركيزة أفضل، ومستوى التحكم في شوائب حجرة تفاعل الجرافيت في رقاقة 150 مم أفضل.
2.4 خشونة سطح رقاقة الإبيتاكسي
يوضح الشكل 6 صور المجهر الذري الماسح (AFM) لسطح رقائق السيليكون كاربيد (SiC) المُرَسَّبة بطبقة رقيقة (إبيتاكسية) بقياس 150 مم و200 مم. يتضح من الشكل أن متوسط الجذر التربيعي لخشونة السطح (Ra) لرقائق السيليكون كاربيد المُرَسَّبة بقياس 150 مم و200 مم هو 0.129 نانومتر و0.113 نانومتر على التوالي، وأن سطح الطبقة المُرَسَّبة أملس دون وجود تكتلات واضحة على السطح. تشير هذه الظاهرة إلى أن نمو الطبقة المُرَسَّبة يحافظ على نمط النمو التدريجي طوال عملية الترسيب، دون حدوث أي تكتلات. يتضح من ذلك أنه باستخدام عملية الترسيب المُحسَّنة، يُمكن الحصول على طبقات رقيقة ملساء على ركائز ذات زاوية منخفضة بقياس 150 مم و200 مم.
3. الخاتمة
تم بنجاح تحضير رقائق السيليكون كاربيد 4H-SiC المتجانسة ذات الأبعاد 150 مم و200 مم على ركائز محلية باستخدام معدات نمو السيليكون كاربيد المطورة ذاتيًا ذات الأبعاد 200 مم، كما تم تطوير عملية نمو متجانسة مناسبة لهذه الأبعاد. ويمكن أن يتجاوز معدل النمو 60 ميكرومتر/ساعة. وبينما تلبي هذه الرقائق متطلبات النمو السريع، تتميز بجودة ممتازة. ويمكن التحكم في تجانس سمك رقائق السيليكون كاربيد ذات الأبعاد 150 مم و200 مم بنسبة لا تتجاوز 1.5%، وتجانس التركيز بنسبة أقل من 3%، وكثافة العيوب الخطيرة بأقل من 0.3 جسيم/سم²، ومتوسط الجذر التربيعي لخشونة سطح الطبقة الرقيقة Ra بأقل من 0.15 نانومتر. وتُعد مؤشرات العملية الأساسية لهذه الرقائق من بين الأفضل في هذا المجال.
المصدر: معدات خاصة في صناعة الإلكترونيات
المؤلف: شيه تيانلي، لي بينغ، يانغ يو، غونغ شياو ليانغ، با ساي، تشن غوكين، وان شينغ تشيانغ
(المعهد البحثي الثامن والأربعون لشركة مجموعة تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية، تشانغشا، هونان 410111)
تاريخ النشر: 4 سبتمبر 2024