৮-ইঞ্চি SiC এপিট্যাক্সিয়াল ফার্নেস এবং হোমোএপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়ার উপর গবেষণা-Ⅰ

বর্তমানে, SiC শিল্প ১৫০ মিমি (৬ ইঞ্চি) থেকে ২০০ মিমি (৮ ইঞ্চি) তে রূপান্তরিত হচ্ছে। শিল্পে বৃহৎ আকারের, উচ্চমানের SiC হোমিওপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফারের জরুরি চাহিদা মেটাতে, ১৫০ মিমি এবং ২০০ মিমি4H-SiC হোমিওপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফারস্বাধীনভাবে উন্নত ২০০ মিমি SiC এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি সরঞ্জাম ব্যবহার করে গার্হস্থ্য স্তরগুলিতে সফলভাবে প্রস্তুত করা হয়েছিল। ১৫০ মিমি এবং ২০০ মিমি এর জন্য উপযুক্ত একটি হোমোপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়া তৈরি করা হয়েছিল, যেখানে এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির হার ৬০um/h এর বেশি হতে পারে। উচ্চ-গতির এপিট্যাক্সি পূরণ করার সময়, এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফারের গুণমান চমৎকার। ১৫০ মিমি এবং ২০০ মিমি পুরুত্বের অভিন্নতাSiC এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার১.৫% এর মধ্যে নিয়ন্ত্রণ করা যেতে পারে, ঘনত্বের অভিন্নতা ৩% এর কম, মারাত্মক ত্রুটির ঘনত্ব ০.৩ কণা/সেমি২ এর কম, এবং এপিট্যাক্সিয়াল পৃষ্ঠের রুক্ষতা মূল গড় বর্গ Ra ০.১৫nm এর কম, এবং সমস্ত মূল প্রক্রিয়া সূচক শিল্পের উন্নত স্তরে রয়েছে।

সিলিকন কার্বাইড (SiC)তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলির মধ্যে একটি। এর উচ্চ ভাঙ্গন ক্ষেত্র শক্তি, চমৎকার তাপ পরিবাহিতা, বৃহৎ ইলেকট্রন স্যাচুরেশন ড্রিফট বেগ এবং শক্তিশালী বিকিরণ প্রতিরোধের বৈশিষ্ট্য রয়েছে। এটি পাওয়ার ডিভাইসগুলির শক্তি প্রক্রিয়াকরণ ক্ষমতাকে ব্যাপকভাবে প্রসারিত করেছে এবং উচ্চ শক্তি, ছোট আকার, উচ্চ তাপমাত্রা, উচ্চ বিকিরণ এবং অন্যান্য চরম অবস্থার ডিভাইসগুলির জন্য পরবর্তী প্রজন্মের পাওয়ার ইলেকট্রনিক সরঞ্জামের পরিষেবার প্রয়োজনীয়তা পূরণ করতে পারে। এটি স্থান হ্রাস করতে পারে, বিদ্যুৎ খরচ হ্রাস করতে পারে এবং শীতলকরণের প্রয়োজনীয়তা হ্রাস করতে পারে। এটি নতুন শক্তি যানবাহন, রেল পরিবহন, স্মার্ট গ্রিড এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে বৈপ্লবিক পরিবর্তন এনেছে। অতএব, সিলিকন কার্বাইড সেমিকন্ডাক্টরগুলি আদর্শ উপাদান হিসাবে স্বীকৃত হয়ে উঠেছে যা পরবর্তী প্রজন্মের উচ্চ-শক্তি বিদ্যুৎ ইলেকট্রনিক ডিভাইসগুলিকে নেতৃত্ব দেবে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের উন্নয়নের জন্য জাতীয় নীতি সহায়তার জন্য ধন্যবাদ, 150 মিমি SiC ডিভাইস শিল্প ব্যবস্থার গবেষণা ও উন্নয়ন এবং নির্মাণ মূলত চীনে সম্পন্ন হয়েছে এবং শিল্প শৃঙ্খলের নিরাপত্তা মূলত নিশ্চিত করা হয়েছে। অতএব, শিল্পের ফোকাস ধীরে ধীরে খরচ নিয়ন্ত্রণ এবং দক্ষতা উন্নতির দিকে স্থানান্তরিত হয়েছে। সারণি ১-এ দেখানো হয়েছে, ১৫০ মিমি-এর তুলনায়, ২০০ মিমি SiC-এর প্রান্ত ব্যবহারের হার বেশি এবং একক ওয়েফার চিপের আউটপুট প্রায় ১.৮ গুণ বৃদ্ধি করা যেতে পারে। প্রযুক্তি পরিপক্ক হওয়ার পরে, একটি একক চিপের উৎপাদন খরচ ৩০% হ্রাস করা যেতে পারে। ২০০ মিমি-এর প্রযুক্তিগত অগ্রগতি "ব্যয় হ্রাস এবং দক্ষতা বৃদ্ধির" একটি সরাসরি উপায়, এবং এটি আমার দেশের সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের জন্য "সমান্তরালভাবে চালানো" বা এমনকি "সীসা" চালানোর চাবিকাঠি।

Si ডিভাইস প্রক্রিয়া থেকে ভিন্ন,SiC সেমিকন্ডাক্টর পাওয়ার ডিভাইসএপিট্যাক্সিয়াল স্তরগুলিকে ভিত্তিপ্রস্তর হিসেবে প্রক্রিয়াজাত এবং প্রস্তুত করা হয়। এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফারগুলি SiC পাওয়ার ডিভাইসের জন্য অপরিহার্য মৌলিক উপকরণ। এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের গুণমান সরাসরি ডিভাইসের ফলন নির্ধারণ করে এবং এর খরচ চিপ তৈরির খরচের 20% এর জন্য দায়ী। অতএব, এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি SiC পাওয়ার ডিভাইসগুলিতে একটি অপরিহার্য মধ্যবর্তী লিঙ্ক। এপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়া স্তরের ঊর্ধ্ব সীমা এপিট্যাক্সিয়াল সরঞ্জাম দ্বারা নির্ধারিত হয়। বর্তমানে, চীনে 150 মিমি SiC এপিট্যাক্সিয়াল সরঞ্জামের স্থানীয়করণ ডিগ্রি তুলনামূলকভাবে বেশি, তবে একই সময়ে 200 মিমি এর সামগ্রিক বিন্যাস আন্তর্জাতিক স্তরের চেয়ে পিছিয়ে রয়েছে। অতএব, দেশীয় তৃতীয়-প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের উন্নয়নের জন্য বৃহৎ আকারের, উচ্চ-মানের এপিট্যাক্সিয়াল উপাদান তৈরির জরুরি চাহিদা এবং বাধা সমস্যা সমাধানের জন্য, এই গবেষণাপত্রটি আমার দেশে সফলভাবে বিকশিত 200 মিমি SiC এপিট্যাক্সিয়াল সরঞ্জামগুলি উপস্থাপন করে এবং এপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়া অধ্যয়ন করে। প্রক্রিয়া তাপমাত্রা, বাহক গ্যাস প্রবাহ হার, C/Si অনুপাত ইত্যাদি প্রক্রিয়া পরামিতিগুলিকে অপ্টিমাইজ করে, ঘনত্বের অভিন্নতা <3%, পুরুত্বের অ-অভিন্নতা <1.5%, রুক্ষতা Ra <0.2 nm এবং মারাত্মক ত্রুটি ঘনত্ব <0.3 গ্রেন/সেমি2 150 মিমি এবং 200 মিমি SiC এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার স্বাধীনভাবে বিকশিত 200 মিমি সিলিকন কার্বাইড এপিট্যাক্সিয়াল ফার্নেস সহ প্রাপ্ত হয়। সরঞ্জাম প্রক্রিয়া স্তর উচ্চ-মানের SiC পাওয়ার ডিভাইস প্রস্তুতির চাহিদা পূরণ করতে পারে।

 

১টি পরীক্ষা

 

১.১ নীতিমালাSiC এপিট্যাক্সিয়ালপ্রক্রিয়া

4H-SiC হোমোপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি প্রক্রিয়ায় প্রধানত 2টি গুরুত্বপূর্ণ ধাপ অন্তর্ভুক্ত থাকে, যথা, 4H-SiC সাবস্ট্রেটের উচ্চ-তাপমাত্রার ইন-সিটু এচিং এবং সমজাতীয় রাসায়নিক বাষ্প জমা প্রক্রিয়া। সাবস্ট্রেট ইন-সিটু এচিংয়ের মূল উদ্দেশ্য হল ওয়েফার পলিশিং, অবশিষ্ট পলিশিং তরল, কণা এবং অক্সাইড স্তরের পরে সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠের ক্ষতি অপসারণ করা এবং এচিংয়ের মাধ্যমে সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে একটি নিয়মিত পারমাণবিক ধাপ কাঠামো তৈরি করা যেতে পারে। ইন-সিটু এচিং সাধারণত হাইড্রোজেন বায়ুমণ্ডলে করা হয়। প্রকৃত প্রক্রিয়ার প্রয়োজনীয়তা অনুসারে, হাইড্রোজেন ক্লোরাইড, প্রোপেন, ইথিলিন বা সিলেনের মতো অল্প পরিমাণে সহায়ক গ্যাসও যোগ করা যেতে পারে। ইন-সিটু হাইড্রোজেন এচিংয়ের তাপমাত্রা সাধারণত 1 600 ℃ এর উপরে থাকে এবং এচিং প্রক্রিয়া চলাকালীন বিক্রিয়া চেম্বারের চাপ সাধারণত 2×104 Pa এর নিচে নিয়ন্ত্রিত হয়।

ইন-সিটু এচিং দ্বারা সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠ সক্রিয় হওয়ার পর, এটি উচ্চ-তাপমাত্রার রাসায়নিক বাষ্প জমার প্রক্রিয়ায় প্রবেশ করে, অর্থাৎ, বৃদ্ধির উৎস (যেমন ইথিলিন/প্রোপেন, TCS/সিলেন), ডোপিং উৎস (n-টাইপ ডোপিং উৎস নাইট্রোজেন, p-টাইপ ডোপিং উৎস TMAl), এবং হাইড্রোজেন ক্লোরাইডের মতো সহায়ক গ্যাস বাহক গ্যাসের (সাধারণত হাইড্রোজেন) একটি বৃহৎ প্রবাহের মাধ্যমে বিক্রিয়া চেম্বারে পরিবহন করা হয়। উচ্চ-তাপমাত্রার বিক্রিয়া চেম্বারে গ্যাস বিক্রিয়ার পর, পূর্বসূরীর কিছু অংশ রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়া করে এবং ওয়েফার পৃষ্ঠে শোষণ করে, এবং একক-স্ফটিক 4H-SiC সাবস্ট্রেটকে টেমপ্লেট হিসাবে ব্যবহার করে সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে একটি নির্দিষ্ট ডোপিং ঘনত্ব, নির্দিষ্ট বেধ এবং উচ্চ মানের সহ একটি একক-স্ফটিক সমজাতীয় 4H-SiC এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরি হয়। বছরের পর বছর ধরে প্রযুক্তিগত অনুসন্ধানের পর, 4H-SiC হোমোপিট্যাক্সিয়াল প্রযুক্তি মূলত পরিপক্ক হয়েছে এবং শিল্প উৎপাদনে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হচ্ছে। বিশ্বের সর্বাধিক ব্যবহৃত 4H-SiC হোমোপিট্যাক্সিয়াল প্রযুক্তির দুটি সাধারণ বৈশিষ্ট্য রয়েছে:
(১) একটি অফ-অক্ষ (<0001> স্ফটিক সমতলের সাপেক্ষে, <11-20> স্ফটিক দিকের দিকে) তির্যক কাটা সাবস্ট্রেটকে টেমপ্লেট হিসেবে ব্যবহার করে, অমেধ্য ছাড়াই একটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা একক-স্ফটিক 4H-SiC এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি ধাপ-প্রবাহ বৃদ্ধি মোড আকারে সাবস্ট্রেটে জমা হয়। প্রাথমিক 4H-SiC হোমোপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধিতে একটি ধনাত্মক স্ফটিক সাবস্ট্রেট ব্যবহার করা হয়েছিল, অর্থাৎ, বৃদ্ধির জন্য <0001> Si প্লেন। ধনাত্মক স্ফটিক সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে পারমাণবিক ধাপের ঘনত্ব কম এবং টেরেসগুলি প্রশস্ত। 3C স্ফটিক SiC (3C-SiC) গঠনের জন্য এপিট্যাক্সি প্রক্রিয়া চলাকালীন দ্বি-মাত্রিক নিউক্লিয়েশন বৃদ্ধি সহজেই ঘটতে পারে। অফ-অক্ষ কাটার মাধ্যমে, 4H-SiC <0001> সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে উচ্চ-ঘনত্ব, সংকীর্ণ টেরেস প্রস্থের পারমাণবিক ধাপগুলি কার্যকরভাবে পারমাণবিক ধাপ অবস্থানে পৌঁছাতে পারে এবং শোষণকারী পূর্বসূরী পৃষ্ঠ বিস্তারের মাধ্যমে তুলনামূলকভাবে কম পৃষ্ঠ শক্তি সহ পারমাণবিক ধাপ অবস্থানে পৌঁছাতে পারে। ধাপে, পূর্বসূরী পরমাণু/আণবিক গ্রুপ বন্ধনের অবস্থান অনন্য, তাই ধাপে প্রবাহ বৃদ্ধি মোডে, এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি সাবস্ট্রেটের Si-C ডাবল পারমাণবিক স্তর স্ট্যাকিং ক্রমকে পুরোপুরি উত্তরাধিকারসূত্রে পেতে পারে যাতে সাবস্ট্রেটের মতো একই স্ফটিক পর্যায়ের একটি একক স্ফটিক তৈরি হয়।
(২) ক্লোরিনযুক্ত সিলিকন উৎস প্রবর্তনের মাধ্যমে দ্রুতগতির এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি অর্জন করা হয়। প্রচলিত SiC রাসায়নিক বাষ্প জমার ব্যবস্থায়, সিলেন এবং প্রোপেন (বা ইথিলিন) হল প্রধান বৃদ্ধির উৎস। বৃদ্ধির উৎস প্রবাহ হার বৃদ্ধি করে বৃদ্ধির হার বৃদ্ধির প্রক্রিয়ায়, সিলিকন উপাদানের ভারসাম্য আংশিক চাপ বৃদ্ধি পেতে থাকায়, সমজাতীয় গ্যাস ফেজ নিউক্লিয়েশন দ্বারা সিলিকন ক্লাস্টার তৈরি করা সহজ হয়, যা সিলিকন উৎসের ব্যবহারের হার উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে। সিলিকন ক্লাস্টার গঠন এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির হারের উন্নতিকে ব্যাপকভাবে সীমিত করে। একই সময়ে, সিলিকন ক্লাস্টারগুলি ধাপে ধাপে প্রবাহ বৃদ্ধিকে ব্যাহত করতে পারে এবং ত্রুটিপূর্ণ নিউক্লিয়েশন ঘটাতে পারে। সমজাতীয় গ্যাস ফেজ নিউক্লিয়েশন এড়াতে এবং এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির হার বাড়ানোর জন্য, ক্লোরিন-ভিত্তিক সিলিকন উৎসের প্রবর্তন বর্তমানে 4H-SiC এর এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির হার বৃদ্ধির মূলধারার পদ্ধতি।

 

১.২ ২০০ মিমি (৮-ইঞ্চি) SiC এপিট্যাক্সিয়াল সরঞ্জাম এবং প্রক্রিয়া অবস্থা

এই গবেষণাপত্রে বর্ণিত পরীক্ষাগুলি সবই ৪৮তম ইনস্টিটিউট অফ চায়না ইলেকট্রনিক্স টেকনোলজি গ্রুপ কর্পোরেশন দ্বারা স্বাধীনভাবে তৈরি ১৫০/২০০ মিমি (৬/৮-ইঞ্চি) সামঞ্জস্যপূর্ণ একঘেয়ে অনুভূমিক গরম প্রাচীর SiC এপিট্যাক্সিয়াল সরঞ্জামের উপর পরিচালিত হয়েছিল। এপিট্যাক্সিয়াল ফার্নেস সম্পূর্ণ স্বয়ংক্রিয় ওয়েফার লোডিং এবং আনলোডিং সমর্থন করে। চিত্র ১ হল এপিট্যাক্সিয়াল সরঞ্জামের বিক্রিয়া চেম্বারের অভ্যন্তরীণ কাঠামোর একটি পরিকল্পিত চিত্র। চিত্র ১-এ দেখানো হয়েছে, বিক্রিয়া চেম্বারের বাইরের প্রাচীরটি একটি জল-শীতল ইন্টারলেয়ার সহ একটি কোয়ার্টজ বেল এবং বেলের ভিতরের অংশটি একটি উচ্চ-তাপমাত্রার বিক্রিয়া চেম্বার, যা তাপ নিরোধক কার্বন অনুভূত, উচ্চ-বিশুদ্ধতা বিশেষ গ্রাফাইট গহ্বর, গ্রাফাইট গ্যাস-ভাসমান ঘূর্ণায়মান বেস ইত্যাদি দ্বারা গঠিত। সম্পূর্ণ কোয়ার্টজ বেলটি একটি নলাকার ইন্ডাকশন কয়েল দিয়ে আচ্ছাদিত, এবং বেলের ভিতরের বিক্রিয়া চেম্বারটি একটি মাঝারি-ফ্রিকোয়েন্সি ইন্ডাকশন পাওয়ার সাপ্লাই দ্বারা তড়িৎ চৌম্বকীয়ভাবে উত্তপ্ত হয়। চিত্র ১ (খ) তে দেখানো হয়েছে, বাহক গ্যাস, বিক্রিয়া গ্যাস এবং ডোপিং গ্যাস সকলেই বিক্রিয়া চেম্বারের উজান থেকে বিক্রিয়া চেম্বারের নিম্ন প্রবাহে একটি অনুভূমিক ল্যামিনার প্রবাহে ওয়েফার পৃষ্ঠের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয় এবং লেজ গ্যাস প্রান্ত থেকে নির্গত হয়। ওয়েফারের মধ্যে সামঞ্জস্য নিশ্চিত করার জন্য, বায়ু ভাসমান বেস দ্বারা বাহিত ওয়েফারটি প্রক্রিয়া চলাকালীন সর্বদা ঘোরানো হয়।

পরীক্ষায় ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটটি হল একটি বাণিজ্যিক ১৫০ মিমি, ২০০ মিমি (৬ ইঞ্চি, ৮ ইঞ্চি) <১১২০> দিক ৪° অফ-অ্যাঙ্গেল পরিবাহী n-টাইপ 4H-SiC ডাবল-পার্শ্বযুক্ত পালিশ করা SiC সাবস্ট্রেট যা Shanxi Shuoke Crystal দ্বারা উত্পাদিত। ট্রাইক্লোরোসিলেন (SiHCl3, TCS) এবং ইথিলিন (C2H4) প্রক্রিয়া পরীক্ষায় প্রধান বৃদ্ধির উৎস হিসেবে ব্যবহৃত হয়, যার মধ্যে TCS এবং C2H4 যথাক্রমে সিলিকন উৎস এবং কার্বন উৎস হিসেবে ব্যবহৃত হয়, উচ্চ-বিশুদ্ধতা নাইট্রোজেন (N2) n-টাইপ ডোপিং উৎস হিসেবে ব্যবহৃত হয়, এবং হাইড্রোজেন (H2) তরলীকরণ গ্যাস এবং বাহক গ্যাস হিসেবে ব্যবহৃত হয়। এপিট্যাক্সিয়াল প্রক্রিয়ার তাপমাত্রা পরিসীমা হল ১ 600 ~ ১ 660 ℃, প্রক্রিয়া চাপ হল 8×103 ~ 12×103 Pa, এবং H2 বাহক গ্যাস প্রবাহ হার হল ১০০ ~ ১৪০ L/মিনিট।

 

১.৩ এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার পরীক্ষা এবং চরিত্রায়ন

এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের পুরুত্ব এবং ডোপিং ঘনত্বের গড় এবং বন্টন চিহ্নিত করার জন্য ফুরিয়ার ইনফ্রারেড স্পেকট্রোমিটার (সরঞ্জাম প্রস্তুতকারক থার্মালফিশার, মডেল iS50) এবং পারদ প্রোব ঘনত্ব পরীক্ষক (সরঞ্জাম প্রস্তুতকারক সেমিল্যাব, মডেল 530L) ব্যবহার করা হয়েছিল; এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের প্রতিটি বিন্দুর পুরুত্ব এবং ডোপিং ঘনত্ব নির্ধারণ করা হয়েছিল ব্যাস রেখা বরাবর বিন্দু নিয়ে যা ওয়েফারের কেন্দ্রে 45° এ মূল রেফারেন্স প্রান্তের স্বাভাবিক রেখাকে ছেদ করে 5 মিমি প্রান্ত অপসারণ করে। 150 মিমি ওয়েফারের জন্য, একটি একক ব্যাসের রেখা বরাবর 9 পয়েন্ট নেওয়া হয়েছিল (দুটি ব্যাস একে অপরের সাথে লম্ব ছিল), এবং 200 মিমি ওয়েফারের জন্য, 21 পয়েন্ট নেওয়া হয়েছিল, যেমন চিত্র 2-এ দেখানো হয়েছে। একটি পারমাণবিক বল মাইক্রোস্কোপ (সরঞ্জাম প্রস্তুতকারক ব্রুকার, মডেল ডাইমেনশন আইকন) এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের পৃষ্ঠের রুক্ষতা পরীক্ষা করার জন্য এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফারের কেন্দ্র অঞ্চলে 30 μm×30 μm এলাকা এবং এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফারের প্রান্ত এলাকা (5 মিমি প্রান্ত অপসারণ) নির্বাচন করতে ব্যবহার করা হয়েছিল; এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের ত্রুটিগুলি একটি পৃষ্ঠ ত্রুটি পরীক্ষক (সরঞ্জাম প্রস্তুতকারক চীন ইলেকট্রনিক্স) ব্যবহার করে পরিমাপ করা হয়েছিল। 3D ইমেজারটি কেফেংহুয়ার একটি রাডার সেন্সর (মডেল মার্স 4410 প্রো) দ্বারা চিহ্নিত করা হয়েছিল।