Sa pagkakaron, ang industriya sa SiC nag-usab gikan sa 150 mm (6 ka pulgada) ngadto sa 200 mm (8 ka pulgada). Aron matubag ang dinalian nga panginahanglan alang sa dagkong gidak-on, taas nga kalidad nga SiC homoepitaxial wafers sa industriya, ang 150mm ug 200mm4H-SiC homoepitaxial wafersmalampusong giandam sa mga domestic substrate gamit ang independente nga naugmad nga 200mm SiC epitaxial growth equipment. Usa ka homoepitaxial nga proseso nga angay alang sa 150mm ug 200mm ang naugmad, diin ang epitaxial growth rate mahimong mas dako pa sa 60um/h. Samtang nakab-ot ang high-speed epitaxy, ang kalidad sa epitaxial wafer maayo kaayo. Ang gibag-on nga uniporme sa 150 mm ug 200 mmMga wafer nga epitaxial sa SiCmahimong makontrol sulod sa 1.5%, ang pagkaparehas sa konsentrasyon ubos sa 3%, ang makamatay nga densidad sa depekto ubos sa 0.3 ka partikulo/cm2, ug ang epitaxial surface roughness root mean square Ra ubos sa 0.15nm, ug ang tanang core process indicators anaa sa abanteng lebel sa industriya.
Silikon nga Carbide (SiC)usa sa mga representante sa mga materyales sa semiconductor sa ikatulong henerasyon. Kini adunay mga kinaiya sa taas nga kusog sa breakdown field, maayo kaayo nga thermal conductivity, dako nga electron saturation drift velocity, ug kusog nga resistensya sa radiation. Kini nakapalapad pag-ayo sa kapasidad sa pagproseso sa enerhiya sa mga power device ug makatubag sa mga kinahanglanon sa serbisyo sa sunod nga henerasyon sa mga power electronic equipment para sa mga device nga adunay taas nga gahum, gamay nga gidak-on, taas nga temperatura, taas nga radiation ug uban pang grabe nga mga kondisyon. Mahimo niini nga makunhuran ang espasyo, makunhuran ang konsumo sa kuryente ug makunhuran ang mga kinahanglanon sa pagpabugnaw. Nagdala kini og rebolusyonaryong mga pagbag-o sa bag-ong mga sakyanan sa enerhiya, transportasyon sa riles, smart grids ug uban pang mga natad. Busa, ang silicon carbide semiconductors giila nga sulundon nga materyal nga manguna sa sunod nga henerasyon sa mga high-power power electronic device. Sa bag-ohay nga mga tuig, salamat sa suporta sa nasudnong palisiya alang sa pag-uswag sa industriya sa semiconductor sa ikatulong henerasyon, ang panukiduki ug pag-uswag ug pagtukod sa 150 mm SiC device industry system nahuman na sa China, ug ang seguridad sa industrial chain gigarantiyahan na. Busa, ang pokus sa industriya hinay-hinay nga nagbalhin sa pagkontrol sa gasto ug pagpaayo sa kahusayan. Sama sa gipakita sa Talaan 1, kon itandi sa 150 mm, ang 200 mm SiC adunay mas taas nga edge utilization rate, ug ang output sa single wafer chips mahimong madugangan og mga 1.8 ka pilo. Human ma-mature ang teknolohiya, ang gasto sa paggama sa usa ka single chip mahimong maminusan og 30%. Ang teknolohikal nga kalampusan sa 200 mm usa ka direktang paagi sa "pagkunhod sa gasto ug pagdugang sa efficiency", ug kini usab ang yawe para sa industriya sa semiconductor sa akong nasud nga "modagan nga parallel" o bisan "lead".
Lahi sa proseso sa Si device,Mga aparato sa kuryente nga SiC semiconductorAng tanan giproseso ug giandam gamit ang mga epitaxial layer isip pundasyon. Ang mga epitaxial wafer importante nga mga batakang materyales para sa mga SiC power device. Ang kalidad sa epitaxial layer direktang nagtino sa ani sa device, ug ang gasto niini nagkantidad og 20% sa gasto sa paggama og chip. Busa, ang pagtubo sa epitaxial usa ka importante nga intermediate link sa mga SiC power device. Ang ibabaw nga limitasyon sa lebel sa proseso sa epitaxial gitino sa epitaxial equipment. Sa pagkakaron, ang localization degree sa 150mm SiC epitaxial equipment sa China medyo taas, apan ang kinatibuk-ang layout sa 200mm naa sa luyo sa internasyonal nga lebel sa parehas nga oras. Busa, aron masulbad ang mga dinalian nga panginahanglan ug mga problema sa bottleneck sa dagkong gidak-on, taas nga kalidad nga paggama sa epitaxial material para sa pagpalambo sa domestic third-generation semiconductor industry, kini nga papel nagpaila sa 200 mm SiC epitaxial equipment nga malampuson nga naugmad sa akong nasud, ug gitun-an ang proseso sa epitaxial. Pinaagi sa pag-optimize sa mga parametro sa proseso sama sa temperatura sa proseso, gikusgon sa pag-agos sa carrier gas, ratio sa C/Si, ug uban pa, ang pagkaparehas sa konsentrasyon nga <3%, ang dili pagkaparehas sa gibag-on nga <1.5%, ang pagkagaspang nga Ra <0.2 nm ug ang makamatay nga densidad sa depekto nga <0.3 grains/cm2 sa 150 mm ug 200 mm nga SiC epitaxial wafers nga adunay independente nga gihimo nga 200 mm nga silicon carbide epitaxial furnace makab-ot. Ang lebel sa proseso sa kagamitan makatubag sa mga panginahanglan sa pag-andam sa taas nga kalidad nga SiC power device.
1 Eksperimento
1.1 Prinsipyo saSiC epitaxialproseso
Ang proseso sa pagtubo sa 4H-SiC homoepitaxial naglakip sa 2 ka importanteng lakang, nga mao ang high-temperature in-situ etching sa 4H-SiC substrate ug homogenous chemical vapor deposition process. Ang pangunang katuyoan sa substrate in-situ etching mao ang pagtangtang sa kadaot sa ilalom sa substrate human sa wafer polishing, residual polishing liquid, particles ug oxide layer, ug usa ka regular nga atomic step structure ang maporma sa ibabaw sa substrate pinaagi sa etching. Ang in-situ etching kasagaran gihimo sa hydrogen atmosphere. Sumala sa aktuwal nga mga kinahanglanon sa proseso, usa ka gamay nga kantidad sa auxiliary gas ang mahimo usab nga idugang, sama sa hydrogen chloride, propane, ethylene o silane. Ang temperatura sa in-situ hydrogen etching kasagaran labaw sa 1 600 ℃, ug ang presyur sa reaction chamber kasagaran gikontrolar ubos sa 2 × 104 Pa atol sa proseso sa etching.
Human ma-activate ang substrate surface pinaagi sa in-situ etching, mosulod kini sa high-temperature chemical vapor deposition process, nga mao, ang growth source (sama sa ethylene/propane, TCS/silane), doping source (n-type doping source nitrogen, p-type doping source TMAl), ug auxiliary gas sama sa hydrogen chloride ang gidala ngadto sa reaction chamber pinaagi sa dakong agos sa carrier gas (kasagaran hydrogen). Human mo-react ang gas sa high-temperature reaction chamber, ang bahin sa precursor mo-react sa kemikal ug mo-adsorb sa wafer surface, ug usa ka single-crystal homogenous 4H-SiC epitaxial layer nga adunay espesipikong doping concentration, espesipikong gibag-on, ug mas taas nga kalidad ang maporma sa substrate surface gamit ang single-crystal 4H-SiC substrate isip template. Human sa mga katuigan sa teknikal nga eksplorasyon, ang 4H-SiC homoepitaxial nga teknolohiya hapit na ma-hinog ug kaylap nga gigamit sa industriyal nga produksiyon. Ang labing kaylap nga gigamit nga 4H-SiC homoepitaxial nga teknolohiya sa kalibutan adunay duha ka tipikal nga kinaiya:
(1) Gamit ang off-axis (relative sa <0001> crystal plane, padulong sa <11-20> crystal direction) oblique cut substrate isip template, usa ka high-purity single-crystal 4H-SiC epitaxial layer nga walay mga hugaw ang gibutang sa substrate sa porma sa step-flow growth mode. Ang sayo nga 4H-SiC homoepitaxial growth migamit og positive crystal substrate, nga mao, ang <0001> Si plane para sa pagtubo. Ubos ang density sa atomic steps sa ibabaw sa positive crystal substrate ug lapad ang mga terrace. Sayon ra mahitabo ang two-dimensional nucleation growth atol sa epitaxy process aron maporma ang 3C crystal SiC (3C-SiC). Pinaagi sa off-axis cutting, ang high-density, pig-ot nga terrace width atomic steps mahimong ipaila sa ibabaw sa 4H-SiC <0001> substrate, ug ang adsorbed precursor epektibong makaabot sa atomic step position nga adunay medyo ubos nga surface energy pinaagi sa surface diffusion. Sa step, ang posisyon sa precursor atom/molecular group bonding talagsaon, busa sa step flow growth mode, ang epitaxial layer hingpit nga makapanunod sa Si-C double atomic layer stacking sequence sa substrate aron maporma ang usa ka kristal nga adunay parehas nga crystal phase sama sa substrate.
(2) Ang paspas nga pagtubo sa epitaxial makab-ot pinaagi sa pagpaila sa usa ka tinubdan sa silicon nga adunay chlorine. Sa naandan nga mga sistema sa pagdeposito sa alisngaw sa kemikal nga SiC, ang silane ug propane (o ethylene) mao ang panguna nga gigikanan sa pagtubo. Sa proseso sa pagdugang sa rate sa pagtubo pinaagi sa pagdugang sa rate sa pag-agos sa tinubdan sa pagtubo, samtang ang equilibrium partial pressure sa sangkap sa silicon nagpadayon sa pagtaas, dali nga maporma ang mga cluster sa silicon pinaagi sa homogenous gas phase nucleation, nga hinungdanon nga nagpamenos sa rate sa paggamit sa tinubdan sa silicon. Ang pagporma sa mga cluster sa silicon naglimite pag-ayo sa pag-uswag sa rate sa pagtubo sa epitaxial. Sa parehas nga oras, ang mga cluster sa silicon mahimong makabalda sa pagtubo sa step flow ug hinungdan sa defect nucleation. Aron malikayan ang homogenous gas phase nucleation ug madugangan ang rate sa pagtubo sa epitaxial, ang pagpaila sa mga tinubdan sa silicon nga nakabase sa chlorine mao ang panguna nga pamaagi karon aron madugangan ang rate sa pagtubo sa epitaxial sa 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-pulgada) nga SiC epitaxial nga kagamitan ug mga kondisyon sa proseso
Ang mga eksperimento nga gihulagway niini nga papel gihimo tanan sa usa ka 150/200 mm (6/8-pulgada) nga compatible monolithic horizontal hot wall SiC epitaxial equipment nga independente nga gipalambo sa 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Ang epitaxial furnace nagsuporta sa hingpit nga awtomatik nga wafer loading ug unloading. Ang Figure 1 usa ka eskematiko nga diagram sa internal nga istruktura sa reaction chamber sa epitaxial equipment. Sama sa gipakita sa Figure 1, ang gawas nga bungbong sa reaction chamber usa ka quartz bell nga adunay water-cooled interlayer, ug ang sulod sa bell usa ka high-temperature reaction chamber, nga gilangkoban sa thermal insulation carbon felt, high-purity special graphite cavity, graphite gas-floating rotating base, ug uban pa. Ang tibuok quartz bell gitabonan sa usa ka cylindrical induction coil, ug ang reaction chamber sulod sa bell gipainit sa electromagnetically sa usa ka medium-frequency induction power supply. Sama sa gipakita sa Figure 1 (b), ang carrier gas, reaction gas, ug doping gas moagos tanan agi sa nawong sa wafer sa usa ka pinahigda nga laminar flow gikan sa ibabaw sa reaction chamber ngadto sa ubos sa reaction chamber ug gipagawas gikan sa tail gas end. Aron masiguro ang pagkaparehas sulod sa wafer, ang wafer nga gidala sa air floating base kanunay nga gipatuyok atol sa proseso.
Ang substrate nga gigamit sa eksperimento usa ka komersyal nga 150 mm, 200 mm (6 pulgada, 8 pulgada) <1120> direction 4°off-angle conductive n-type 4H-SiC double-sided polished SiC substrate nga gihimo sa Shanxi Shuoke Crystal. Ang Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) ug ethylene (C2H4) gigamit isip pangunang tinubdan sa pagtubo sa eksperimento sa proseso, diin ang TCS ug C2H4 gigamit isip tinubdan sa silicon ug tinubdan sa carbon matag usa, ang high-purity nitrogen (N2) gigamit isip tinubdan sa n-type doping, ug ang hydrogen (H2) gigamit isip dilution gas ug carrier gas. Ang range sa temperatura sa epitaxial process kay 1 600 ~1 660 ℃, ang pressure sa proseso kay 8×103 ~12×103 Pa, ug ang H2 carrier gas flow rate kay 100～140 L/min.
1.3 Pagsulay ug pag-ila sa epitaxial wafer
Ang Fourier infrared spectrometer (tighimo sa kagamitan nga Thermalfisher, modelo iS50) ug mercury probe concentration tester (tighimo sa kagamitan nga Semilab, modelo 530L) gigamit aron mailhan ang mean ug distribution sa gibag-on sa epitaxial layer ug doping concentration; ang gibag-on ug doping concentration sa matag punto sa epitaxial layer gitino pinaagi sa pagkuha og mga punto subay sa linya sa diametro nga nag-intersect sa normal nga linya sa main reference edge sa 45° sa sentro sa wafer nga adunay 5 mm nga pagtangtang sa ngilit. Para sa usa ka 150 mm nga wafer, 9 ka punto ang gikuha subay sa usa ka linya sa diametro (duha ka diametro ang perpendicular sa usag usa), ug para sa usa ka 200 mm nga wafer, 21 ka punto ang gikuha, sama sa gipakita sa Figure 2. Usa ka atomic force microscope (tighimo sa kagamitan nga Bruker, modelo Dimension Icon) ang gigamit aron mapili ang 30 μm×30 μm nga mga lugar sa sentro nga lugar ug sa ngilit nga lugar (5 mm nga pagtangtang sa ngilit) sa epitaxial wafer aron masulayan ang surface roughness sa epitaxial layer; Ang mga depekto sa epitaxial layer gisukod gamit ang surface defect tester (tighimo sa kagamitan nga China Electronics). Ang 3D imager gihulagway pinaagi sa usa ka radar sensor (modelo Mars 4410 pro) gikan sa Kefenghua.
Oras sa pag-post: Sep-04-2024