ما هي عيوب الطبقة الفوقية لكربيد السيليكون؟

التكنولوجيا الأساسية لنموSiC الفوقيالمواد هي في المقام الأول تكنولوجيا التحكم في العيوب، وخاصةً تلك المعرضة لفشل الأجهزة أو تدهور موثوقيتها. تُعدّ دراسة آلية امتداد عيوب الركيزة إلى الطبقة الفوقية أثناء عملية النمو الفوقي، وقوانين انتقال العيوب وتحويلها عند السطح الفاصل بين الركيزة والطبقة الفوقية، وآلية تكوين النواة للعيوب، أساسًا لتوضيح العلاقة بين عيوب الركيزة والعيوب الهيكلية الفوقية، مما يُمكّن من توجيه فحص الركيزة وتحسين عملية النمو الفوقي بفعالية.

عيوبطبقات كربيد السيليكون الفوقيةتُقسّم عيوب البلورات بشكل رئيسي إلى فئتين: عيوب البلورات وعيوب مورفولوجيا السطح. تنشأ عيوب البلورات، بما في ذلك عيوب النقاط، وخلع اللولب، وعيوب الأنابيب الدقيقة، وخلع الحواف، وغيرها، في الغالب من عيوب في ركائز كربيد السيليكون (SiC)، وتنتشر في الطبقة الفوقية. يمكن ملاحظة عيوب مورفولوجيا السطح مباشرةً بالعين المجردة باستخدام المجهر، ولها خصائص مورفولوجية نموذجية. تشمل عيوب مورفولوجيا السطح بشكل رئيسي: عيب الخدش، وعيب المثلث، وعيب الجزرة، وعيب السقوط، وعيب الجسيمات، كما هو موضح في الشكل 4. أثناء عملية الفوقية، قد تؤثر الجسيمات الغريبة، وعيوب الركيزة، وتلف السطح، وانحرافات عملية الفوقية على نمط نمو التدفق التدريجي المحلي، مما يؤدي إلى عيوب مورفولوجية السطح.

الجدول 1. أسباب تكوين عيوب المصفوفة الشائعة وعيوب مورفولوجيا السطح في الطبقات الفوقية لكربيد السيليكون

 

عيوب النقاط

تتشكل العيوب النقطية نتيجةً لشواغر أو فجوات في نقطة شبكية واحدة أو عدة نقاط، وليس لها امتداد مكاني. قد تحدث العيوب النقطية في كل عملية إنتاج، وخاصةً في عملية زرع الأيونات. ومع ذلك، يصعب اكتشافها، كما أن العلاقة بين تحول العيوب النقطية والعيوب الأخرى معقدة للغاية.

 

الأنابيب الدقيقة (MP)

الأنابيب الدقيقة هي خلع لولبي مجوف ينتشر على طول محور النمو، مع متجه برغر <0001>. يتراوح قطر الأنابيب الدقيقة من جزء من الميكرون إلى عشرات الميكرونات. تُظهر الأنابيب الدقيقة سمات سطحية كبيرة تشبه الحفر على سطح رقائق كربيد السيليكون. عادةً، تتراوح كثافة الأنابيب الدقيقة بين 0.1 و1 سم-2، وتستمر في الانخفاض مع مراقبة جودة إنتاج الرقائق التجارية.

 

خلع البراغي (TSD) وخلع الحواف (TED)

تُعدّ الخلع في كربيد السيليكون (SiC) المصدر الرئيسي لتدهور الأجهزة وتعطلها. يمتد كلٌّ من خلع البراغي (TSD) وخلع الحواف (TED) على طول محور النمو، مع متجهات برجر <0001> و1/3<11–20>، على التوالي.

يمكن أن تمتد كلٌّ من خلع اللولب (TSD) وخلع الحواف (TED) من الركيزة إلى سطح الرقاقة، مما يُنتج سمات سطحية صغيرة تُشبه الحفر (الشكل 4ب). عادةً، تكون كثافة خلع الحواف حوالي عشرة أضعاف كثافة خلع اللولب. قد تتحول خلع اللولب الممتدة، أي الممتدة من الركيزة إلى الطبقة العليا، إلى عيوب أخرى وتنتشر على طول محور النمو. أثناءSiC الفوقيأثناء النمو، يتم تحويل خلع المسمار إلى أخطاء التكديس (SF) أو عيوب الجزرة، في حين تبين أن خلع الحافة في الطبقات العليا يتم تحويله من خلع المستوى القاعدي (BPDs) الموروثة من الركيزة أثناء النمو الظهاري.

 

خلع المستوى الأساسي (BPD)

تقع على المستوى القاعدي لكربيد السيليكون، مع متجه برجر 1/3 <11–20>. نادرًا ما تظهر BPDs على سطح رقائق كربيد السيليكون. عادةً ما تتركز على الركيزة بكثافة 1500 سم-2، بينما تبلغ كثافتها في الطبقة العلوية حوالي 10 سم-2 فقط. يُظهر الكشف عن BPDs باستخدام التلألؤ الضوئي (PL) سمات خطية، كما هو موضح في الشكل 4ج. أثناءSiC الفوقيمع النمو، قد يتم تحويل BPDs الممتدة إلى أخطاء التكديس (SF) أو خلع الحافة (TED).

 

أخطاء التكديس (SFs)

عيوب في تسلسل التكديس في المستوى القاعدي لكربيد السيليكون (SiC). يمكن أن تظهر صدوع التكديس في الطبقة الفوقية عن طريق وراثة صدوع SF في الركيزة، أو أن تكون مرتبطة بامتداد وتحويل خلع المستوى القاعدي (BPDs) وخلع برغي اللولبة (TSDs). عمومًا، تكون كثافة صدوع SFs أقل من 1 سم-2، وتظهر سمة مثلثية عند الكشف عنها باستخدام PL، كما هو موضح في الشكل 4هـ. ومع ذلك، يمكن أن تتشكل أنواع مختلفة من صدوع التكديس في كربيد السيليكون، مثل نوعي Shockley وFrank، لأن حتى مقدارًا ضئيلًا من اضطراب طاقة التكديس بين المستويات يمكن أن يؤدي إلى عدم انتظام كبير في تسلسل التكديس.

 

سقوط

ينشأ عيب السقوط بشكل أساسي من سقوط الجسيمات على الجدران العلوية والجانبية لغرفة التفاعل أثناء عملية النمو، ويمكن تحسين ذلك من خلال تحسين عملية الصيانة الدورية لمواد الجرافيت الاستهلاكية لغرفة التفاعل.

 

عيب مثلثي

هو عبارة عن شوائب متعددة الأنواع من كربيد السيليكون ثلاثي الكربون، تمتد إلى سطح الطبقة العلوية من كربيد السيليكون على طول اتجاه المستوى القاعدي، كما هو موضح في الشكل 4ز. قد تنشأ هذه الشوائب نتيجة سقوط الجسيمات على سطح الطبقة العلوية من كربيد السيليكون أثناء النمو الفوقي. تنغرس هذه الجسيمات في الطبقة العلوية وتتداخل مع عملية النمو، مما ينتج عنه شوائب متعددة الأنواع من كربيد السيليكون ثلاثي الكربون، تتميز بسطح مثلثي حاد الزوايا، وتقع الجسيمات عند رؤوس المنطقة المثلثية. كما عزت العديد من الدراسات أصل الشوائب متعددة الأنواع إلى خدوش السطح، والأنابيب الدقيقة، واختلال معايير عملية النمو.

 

عيب الجزرة

عيب الجزرة هو صدع تراكمي ذو طرفين يقعان عند المستويات البلورية القاعدية لـ TSD وSF، وينتهي بخلع من نوع فرانك، ويرتبط حجم عيب الجزرة بصدع التراكم المنشوري. يُشكل مزيج هذه الخصائص مورفولوجيا سطح عيب الجزرة، الذي يشبه شكل الجزرة بكثافة أقل من 1 سم-2، كما هو موضح في الشكل 4و. تتشكل عيوب الجزرة بسهولة عند خدوش التلميع، أو عيوب TSD، أو عيوب الركيزة.

 

خدوش

الخدوش هي أضرار ميكانيكية على سطح رقائق كربيد السيليكون (SiC) تتشكل أثناء عملية الإنتاج، كما هو موضح في الشكل 4ح. قد تؤثر الخدوش على ركيزة كربيد السيليكون على نمو الطبقة الخارجية، أو تُسبب سلسلة من الخلع عالي الكثافة داخل الطبقة الخارجية، أو قد تُشكل أساسًا لظهور عيوب الجزرة. لذلك، من الضروري تلميع رقائق كربيد السيليكون جيدًا، لأن هذه الخدوش قد تؤثر بشكل كبير على أداء الجهاز عند ظهورها في المنطقة النشطة منه.

 

عيوب أخرى في مورفولوجيا السطح

التكتل التدريجي هو عيب سطحي يتشكل أثناء عملية النمو الفوقي لكربيد السيليكون، مما يُنتج مثلثات منفرجة أو أشكالًا شبه منحرفة على سطح الطبقة الخارجية لكربيد السيليكون. هناك العديد من العيوب السطحية الأخرى، مثل الحفر والنتوءات والبقع السطحية. عادةً ما تنجم هذه العيوب عن عمليات نمو غير مُحسّنة وعدم إزالة أضرار التلميع بشكل كامل، مما يؤثر سلبًا على أداء الجهاز.