Αυτή τη στιγμή, η βιομηχανία SiC μετατρέπεται από 150 mm (6 ίντσες) σε 200 mm (8 ίντσες). Προκειμένου να καλυφθεί η επείγουσα ζήτηση για μεγάλου μεγέθους, υψηλής ποιότητας ομοεπιταξιακά πλακίδια SiC στη βιομηχανία, χρησιμοποιούνται πλακίδια 150 mm και 200 mm.Ομοεπιταξιακές γκοφρέτες 4H-SiCπαρασκευάστηκαν με επιτυχία σε οικιακά υποστρώματα χρησιμοποιώντας τον ανεξάρτητα ανεπτυγμένο εξοπλισμό επιταξιακής ανάπτυξης SiC 200 mm. Αναπτύχθηκε μια ομοεπιταξιακή διαδικασία κατάλληλη για 150 mm και 200 mm, στην οποία ο ρυθμός επιταξιακής ανάπτυξης μπορεί να είναι μεγαλύτερος από 60 μm/h. Ενώ πληροί την επιταξία υψηλής ταχύτητας, η ποιότητα της επιταξιακής γκοφρέτας είναι εξαιρετική. Η ομοιομορφία πάχους 150 mm και 200 mmεπιταξιακές γκοφρέτες SiCμπορεί να ελεγχθεί εντός 1,5%, η ομοιομορφία συγκέντρωσης είναι μικρότερη από 3%, η πυκνότητα θανατηφόρων ελαττωμάτων είναι μικρότερη από 0,3 σωματίδια/cm2 και ο μέσος όρος τετραγωνικής ρίζας τραχύτητας επιφάνειας της επιταξιακής επιφάνειας Ra είναι μικρότερος από 0,15nm και όλοι οι δείκτες βασικής διαδικασίας βρίσκονται στο προηγμένο επίπεδο της βιομηχανίας.
Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)είναι ένας από τους εκπροσώπους των ημιαγωγικών υλικών τρίτης γενιάς. Έχει τα χαρακτηριστικά της υψηλής έντασης πεδίου διάσπασης, της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας, της μεγάλης ταχύτητας ολίσθησης κορεσμού ηλεκτρονίων και της ισχυρής αντοχής στην ακτινοβολία. Έχει επεκτείνει σημαντικά την ικανότητα επεξεργασίας ενέργειας των συσκευών ισχύος και μπορεί να καλύψει τις απαιτήσεις συντήρησης της επόμενης γενιάς ηλεκτρονικού εξοπλισμού ισχύος για συσκευές με υψηλή ισχύ, μικρό μέγεθος, υψηλή θερμοκρασία, υψηλή ακτινοβολία και άλλες ακραίες συνθήκες. Μπορεί να μειώσει τον χώρο, να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας και να μειώσει τις απαιτήσεις ψύξης. Έχει φέρει επαναστατικές αλλαγές στα νέα ενεργειακά οχήματα, τις σιδηροδρομικές μεταφορές, τα έξυπνα δίκτυα και άλλους τομείς. Ως εκ τούτου, οι ημιαγωγοί καρβιδίου του πυριτίου έχουν αναγνωριστεί ως το ιδανικό υλικό που θα ηγηθεί της επόμενης γενιάς ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος υψηλής ισχύος. Τα τελευταία χρόνια, χάρη στην εθνική πολιτική υποστήριξης για την ανάπτυξη της βιομηχανίας ημιαγωγών τρίτης γενιάς, η έρευνα, ανάπτυξη και κατασκευή του βιομηχανικού συστήματος συσκευών SiC 150 mm έχει ουσιαστικά ολοκληρωθεί στην Κίνα και η ασφάλεια της βιομηχανικής αλυσίδας έχει ουσιαστικά εγγυηθεί. Ως εκ τούτου, η εστίαση της βιομηχανίας έχει σταδιακά μετατοπιστεί στον έλεγχο του κόστους και στη βελτίωση της αποδοτικότητας. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, σε σύγκριση με τα 150 mm, τα 200 mm SiC έχουν υψηλότερο ποσοστό αξιοποίησης των άκρων και η παραγωγή μεμονωμένων τσιπ πλακιδίων μπορεί να αυξηθεί κατά περίπου 1,8 φορές. Μετά την ωρίμανση της τεχνολογίας, το κόστος κατασκευής ενός μεμονωμένου τσιπ μπορεί να μειωθεί κατά 30%. Η τεχνολογική πρόοδος των 200 mm αποτελεί άμεσο μέσο «μείωσης του κόστους και αύξησης της αποδοτικότητας» και είναι επίσης το κλειδί για τη βιομηχανία ημιαγωγών της χώρας μου να «λειτουργήσει παράλληλα» ή ακόμα και να «ηγηθεί».
Διαφορετικά από τη διαδικασία της συσκευής Si,Συσκευές ισχύος ημιαγωγών SiCΌλα υποβάλλονται σε επεξεργασία και παρασκευάζονται με επιταξιακά στρώματα ως ακρογωνιαίο λίθο. Τα επιταξιακά πλακίδια είναι απαραίτητα βασικά υλικά για τις συσκευές ισχύος SiC. Η ποιότητα του επιταξιακού στρώματος καθορίζει άμεσα την απόδοση της συσκευής και το κόστος του αντιπροσωπεύει το 20% του κόστους κατασκευής του τσιπ. Επομένως, η επιταξιακή ανάπτυξη είναι ένας ουσιαστικός ενδιάμεσος κρίκος στις συσκευές ισχύος SiC. Το ανώτερο όριο του επιπέδου επιταξιακής διαδικασίας καθορίζεται από τον επιταξιακό εξοπλισμό. Προς το παρόν, ο βαθμός εντοπισμού του επιταξιακού εξοπλισμού SiC 150 mm στην Κίνα είναι σχετικά υψηλός, αλλά η συνολική διάταξη των 200 mm υστερεί σε σχέση με το διεθνές επίπεδο ταυτόχρονα. Επομένως, προκειμένου να επιλυθούν οι επείγουσες ανάγκες και τα προβλήματα συμφόρησης της κατασκευής επιταξιακών υλικών μεγάλου μεγέθους και υψηλής ποιότητας για την ανάπτυξη της εγχώριας βιομηχανίας ημιαγωγών τρίτης γενιάς, η παρούσα εργασία παρουσιάζει τον επιταξιακό εξοπλισμό SiC 200 mm που αναπτύχθηκε με επιτυχία στη χώρα μου και μελετά την επιταξιακή διαδικασία. Βελτιστοποιώντας τις παραμέτρους της διεργασίας, όπως η θερμοκρασία διεργασίας, ο ρυθμός ροής του φέροντος αερίου, η αναλογία C/Si κ.λπ., επιτυγχάνεται ομοιομορφία συγκέντρωσης <3%, ανομοιομορφία πάχους <1,5%, τραχύτητα Ra <0,2 nm και πυκνότητα μοιραίων ελαττωμάτων <0,3 κόκκοι/cm2 σε επιταξιακά πλακίδια SiC 150 mm και 200 mm με ανεξάρτητα αναπτυγμένο επιταξιακό κλίβανο καρβιδίου του πυριτίου 200 mm. Το επίπεδο διεργασίας του εξοπλισμού μπορεί να καλύψει τις ανάγκες υψηλής ποιότητας προετοιμασίας συσκευών ισχύος SiC.
1 Πείραμα
1.1 Αρχή τηςSiC επιταξιακόδιαδικασία
Η διαδικασία ομοεπιταξιακής ανάπτυξης 4H-SiC περιλαμβάνει κυρίως 2 βασικά βήματα, συγκεκριμένα, την in-situ χάραξη υψηλής θερμοκρασίας του υποστρώματος 4H-SiC και την ομοιογενή διαδικασία χημικής εναπόθεσης ατμών. Ο κύριος σκοπός της in-situ χάραξης του υποστρώματος είναι η απομάκρυνση της υποεπιφανειακής ζημιάς του υποστρώματος μετά τη στίλβωση των πλακιδίων, του υπολειμματικού υγρού στίλβωσης, των σωματιδίων και του στρώματος οξειδίου, και μια κανονική ατομική δομή βημάτων μπορεί να σχηματιστεί στην επιφάνεια του υποστρώματος με χάραξη. Η in-situ χάραξη συνήθως πραγματοποιείται σε ατμόσφαιρα υδρογόνου. Σύμφωνα με τις πραγματικές απαιτήσεις της διαδικασίας, μπορεί επίσης να προστεθεί μια μικρή ποσότητα βοηθητικού αερίου, όπως υδροχλώριο, προπάνιο, αιθυλένιο ή σιλάνιο. Η θερμοκρασία της in-situ χάραξης με υδρογόνο είναι γενικά πάνω από 1600 ℃ και η πίεση του θαλάμου αντίδρασης ελέγχεται γενικά κάτω από 2×104 Pa κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χάραξης.
Αφού η επιφάνεια του υποστρώματος ενεργοποιηθεί με in-situ χάραξη, εισέρχεται στη διαδικασία χημικής εναπόθεσης ατμών υψηλής θερμοκρασίας, δηλαδή, η πηγή ανάπτυξης (όπως αιθυλένιο/προπάνιο, TCS/σιλάνιο), η πηγή πρόσμιξης (πηγή αζώτου πρόσμιξης τύπου n, πηγή πρόσμιξης τύπου p TMAl) και βοηθητικό αέριο όπως το υδροχλώριο μεταφέρονται στον θάλαμο αντίδρασης μέσω μιας μεγάλης ροής φέροντος αερίου (συνήθως υδρογόνο). Αφού το αέριο αντιδράσει στον θάλαμο αντίδρασης υψηλής θερμοκρασίας, μέρος του προδρόμου αντιδρά χημικά και προσροφάται στην επιφάνεια του πλακιδίου, και ένα ομοιογενές επιταξιακό στρώμα 4H-SiC μονοκρυστάλλου με συγκεκριμένη συγκέντρωση πρόσμιξης, ειδικό πάχος και υψηλότερη ποιότητα σχηματίζεται στην επιφάνεια του υποστρώματος χρησιμοποιώντας το μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα 4H-SiC ως πρότυπο. Μετά από χρόνια τεχνικής εξερεύνησης, η ομοιοεπιταξιακή τεχνολογία 4H-SiC έχει ουσιαστικά ωριμάσει και χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανική παραγωγή. Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη ομοιοεπιταξιακή τεχνολογία 4H-SiC στον κόσμο έχει δύο τυπικά χαρακτηριστικά:
(1) Χρησιμοποιώντας ένα υπόστρωμα λοξής κοπής εκτός άξονα (σε σχέση με το κρυσταλλικό επίπεδο <0001>, προς την κατεύθυνση του κρυστάλλου <11-20>) ως πρότυπο, ένα επιταξιακό στρώμα μονοκρυστάλλου 4H-SiC υψηλής καθαρότητας χωρίς ακαθαρσίες εναποτίθεται στο υπόστρωμα με τη μορφή τρόπου ανάπτυξης βαθμιδωτής ροής. Η πρώιμη ομοεπιταξιακή ανάπτυξη 4H-SiC χρησιμοποίησε ένα θετικό κρυσταλλικό υπόστρωμα, δηλαδή το επίπεδο Si <0001> για ανάπτυξη. Η πυκνότητα των ατομικών βημάτων στην επιφάνεια του θετικού κρυσταλλικού υποστρώματος είναι χαμηλή και οι αναβαθμίδες είναι ευρείες. Η δισδιάστατη ανάπτυξη πυρήνων είναι εύκολο να συμβεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επιταξίας για να σχηματιστεί κρυσταλλικό SiC 3C (3C-SiC). Με κοπή εκτός άξονα, μπορούν να εισαχθούν ατομικά βήματα υψηλής πυκνότητας, στενού πλάτους αναβαθμίδας στην επιφάνεια του υποστρώματος 4H-SiC <0001> και ο προσροφημένος πρόδρομος μπορεί να φτάσει αποτελεσματικά στη θέση του ατομικού βήματος με σχετικά χαμηλή επιφανειακή ενέργεια μέσω επιφανειακής διάχυσης. Στο βήμα, η θέση δεσμού του προδρόμου ατόμου/μοριακής ομάδας είναι μοναδική, έτσι ώστε στη λειτουργία ανάπτυξης ροής βήματος, το επιταξιακό στρώμα μπορεί να κληρονομήσει τέλεια την αλληλουχία στοίβαξης διπλού ατομικού στρώματος Si-C του υποστρώματος για να σχηματίσει έναν μονοκρύσταλλο με την ίδια κρυσταλλική φάση με το υπόστρωμα.
(2) Η επιταξιακή ανάπτυξη υψηλής ταχύτητας επιτυγχάνεται με την εισαγωγή μιας πηγής πυριτίου που περιέχει χλώριο. Στα συμβατικά συστήματα χημικής εναπόθεσης ατμών SiC, το σιλάνιο και το προπάνιο (ή το αιθυλένιο) είναι οι κύριες πηγές ανάπτυξης. Κατά τη διαδικασία αύξησης του ρυθμού ανάπτυξης με την αύξηση του ρυθμού ροής της πηγής ανάπτυξης, καθώς η μερική πίεση ισορροπίας του συστατικού πυριτίου συνεχίζει να αυξάνεται, είναι εύκολο να σχηματιστούν συστάδες πυριτίου με ομοιογενή πυρήνωση αέριας φάσης, η οποία μειώνει σημαντικά τον ρυθμό αξιοποίησης της πηγής πυριτίου. Ο σχηματισμός συστάδων πυριτίου περιορίζει σημαντικά τη βελτίωση του ρυθμού επιταξιακής ανάπτυξης. Ταυτόχρονα, οι συστάδες πυριτίου μπορούν να διαταράξουν την ανάπτυξη της σταδιακής ροής και να προκαλέσουν ελαττωματική πυρήνωση. Προκειμένου να αποφευχθεί η ομοιογενής πυρήνωση αέριας φάσης και να αυξηθεί ο ρυθμός επιταξιακής ανάπτυξης, η εισαγωγή πηγών πυριτίου με βάση το χλώριο είναι επί του παρόντος η κύρια μέθοδος για την αύξηση του ρυθμού επιταξιακής ανάπτυξης του 4H-SiC.
1.2 Εξοπλισμός επιταξιακής θέρμανσης SiC 200 mm (8 ιντσών) και συνθήκες διεργασίας
Τα πειράματα που περιγράφονται σε αυτή την εργασία διεξήχθησαν όλα σε έναν μονολιθικό οριζόντιο επιταξιακό εξοπλισμό SiC θερμού τοιχώματος 150/200 mm (6/8 ίντσας) συμβατό με το 48ο Ινστιτούτο της China Electronics Technology Group Corporation. Ο επιταξιακός κλίβανος υποστηρίζει πλήρως αυτόματη φόρτωση και εκφόρτωση πλακιδίων. Το Σχήμα 1 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα της εσωτερικής δομής του θαλάμου αντίδρασης του επιταξιακού εξοπλισμού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, το εξωτερικό τοίχωμα του θαλάμου αντίδρασης είναι ένας κώδωνας χαλαζία με ένα υδρόψυκτο ενδιάμεσο στρώμα και το εσωτερικό του κώδωνα είναι ένας θάλαμος αντίδρασης υψηλής θερμοκρασίας, ο οποίος αποτελείται από θερμομονωτικό τσόχα άνθρακα, ειδική κοιλότητα γραφίτη υψηλής καθαρότητας, περιστρεφόμενη βάση αερίου γραφίτη κ.λπ. Ολόκληρος ο κώδωνας χαλαζία καλύπτεται με ένα κυλινδρικό επαγωγικό πηνίο και ο θάλαμος αντίδρασης μέσα στον κώδωνα θερμαίνεται ηλεκτρομαγνητικά από μια τροφοδοσία επαγωγής μέσης συχνότητας. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (β), το φέρον αέριο, το αέριο αντίδρασης και το αέριο πρόσμιξης ρέουν όλα μέσω της επιφάνειας της γκοφρέτας σε μια οριζόντια στρωτή ροή από τα ανάντη του θαλάμου αντίδρασης προς τα κατάντη του θαλάμου αντίδρασης και εκκενώνονται από το άκρο του ουραίου αερίου. Για να διασφαλιστεί η συνοχή μέσα στην γκοφρέτα, η γκοφρέτα που φέρεται από την αιωρούμενη βάση αέρα περιστρέφεται πάντα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.
Το υπόστρωμα που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα είναι ένα εμπορικό υπόστρωμα SiC διπλής όψης γυαλισμένου τύπου n 4H-SiC διαμέτρου 150 mm, 200 mm (6 ίντσες, 8 ίντσες) <1120> με κατεύθυνση 4°off-γωνία, αγώγιμο, διπλής όψης, από γυαλισμένο υλικό, που παράγεται από την Shanxi Shuoke Crystal. Το τριχλωροσιλάνιο (SiHCl3, TCS) και το αιθυλένιο (C2H4) χρησιμοποιούνται ως οι κύριες πηγές ανάπτυξης στο πείραμα της διεργασίας, μεταξύ των οποίων τα TCS και C2H4 χρησιμοποιούνται ως πηγή πυριτίου και άνθρακα αντίστοιχα, το άζωτο υψηλής καθαρότητας (N2) χρησιμοποιείται ως πηγή πρόσμιξης τύπου n και το υδρογόνο (H2) χρησιμοποιείται ως αέριο αραίωσης και αέριο φορέας. Το εύρος θερμοκρασίας της επιταξιακής διεργασίας είναι 1600 ~1660 ℃, η πίεση διεργασίας είναι 8×103 ~12×103 Pa και ο ρυθμός ροής του αερίου φορέα H2 είναι 100~140 L/min.
1.3 Δοκιμή και χαρακτηρισμός επιταξιακών πλακιδίων
Για τον χαρακτηρισμό του μέσου όρου και της κατανομής του πάχους της επιταξιακής στρώσης και της συγκέντρωσης προσμίξεων χρησιμοποιήθηκαν φασματόμετρο υπερύθρου Fourier (κατασκευαστής εξοπλισμού Thermalfisher, μοντέλο iS50) και δοκιμαστής συγκέντρωσης ανιχνευτή υδραργύρου (κατασκευαστής εξοπλισμού Semilab, μοντέλο 530L). Το πάχος και η συγκέντρωση προσμίξεων κάθε σημείου στην επιταξιακή στρώση προσδιορίστηκαν λαμβάνοντας σημεία κατά μήκος της γραμμής διαμέτρου που τέμνει την κανονική γραμμή της κύριας άκρης αναφοράς στις 45° στο κέντρο της πλακέτας με αφαίρεση άκρης 5 mm. Για μια πλακέτα 150 mm, ελήφθησαν 9 σημεία κατά μήκος μίας γραμμής διαμέτρου (δύο διάμετροι ήταν κάθετες μεταξύ τους) και για μια πλακέτα 200 mm, ελήφθησαν 21 σημεία, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Χρησιμοποιήθηκε ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (κατασκευαστής εξοπλισμού Bruker, μοντέλο Dimension Icon) για την επιλογή περιοχών 30 μm×30 μm στην κεντρική περιοχή και στην περιοχή άκρης (αφαίρεση άκρης 5 mm) της επιταξιακής πλακέτας για τον έλεγχο της τραχύτητας της επιφάνειας της επιταξιακής στρώσης. Τα ελαττώματα του επιταξιακού στρώματος μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν ελεγκτή επιφανειακών ελαττωμάτων (κατασκευαστής εξοπλισμού China Electronics). Ο τρισδιάστατος απεικονιστής χαρακτηρίστηκε από έναν αισθητήρα ραντάρ (μοντέλο Mars 4410 pro) από την Kefenghua.
Ώρα δημοσίευσης: 04 Σεπτεμβρίου 2024