Mis on CVD SiC kate?

Südame-veresoonkonna haigusSiC-katemuudab hämmastava kiirusega pooljuhtide tootmisprotsesside piire. See pealtnäha lihtne kattetehnoloogia on saanud peamiseks lahenduseks kiipide tootmise kolmele põhiprobleemile: osakeste saastumine, kõrgtemperatuuriline korrosioon ja plasmaerosioon. Maailma juhtivad pooljuhtseadmete tootjad on selle järgmise põlvkonna seadmete standardtehnoloogiaks nimetanud. Mis teeb sellest kattest kiipide tootmise „nähtamatu soomusrüü“? See artikkel analüüsib põhjalikult selle tehnilisi põhimõtteid, peamisi rakendusi ja tipptasemel läbimurdeid.

II. CVD SiC-katte määratlus

CVD SiC-kate viitab ränikarbiidist (SiC) kaitsekihile, mis sadestatakse aluspinnale keemilise aurustamise (CVD) protsessi abil. Ränikarbiid on räni ja süsiniku ühend, mis on tuntud oma suurepärase kõvaduse, kõrge soojusjuhtivuse, keemilise inertsi ja kõrge temperatuurikindluse poolest. CVD-tehnoloogia abil saab moodustada kõrge puhtusastmega, tiheda ja ühtlase paksusega SiC-kihi ning see kohandub keerukate geomeetriatega väga hästi. See muudab CVD SiC-katted väga sobivaks nõudlikeks rakendusteks, mida traditsioonilised puistematerjalid või muud katmismeetodid ei suuda täita.

II. CVD protsessi põhimõte

Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD) on mitmekülgne tootmismeetod, mida kasutatakse kvaliteetsete ja suure jõudlusega tahkete materjalide tootmiseks. CVD põhiprintsiip hõlmab gaasiliste lähteainete reaktsiooni kuumutatud aluspinna pinnal, moodustades tahke katte.

Siin on SiC CVD protsessi lihtsustatud jaotus:

CVD protsessi põhimõtteline diagramm

1. Eelkäija tutvustusReaktsioonikambrisse juhitakse gaasilisi lähteaineid, tavaliselt räni sisaldavaid gaase (nt metüültriklorosilaan – MTS või silaan – SiH₄) ja süsinikku sisaldavaid gaase (nt propaan – C₃H₈).

2. Gaasi tarnimineNeed lähteainegaasid voolavad üle kuumutatud aluspinna.

3. AdsorptsioonEelkäijamolekulid adsorbeeruvad kuuma substraadi pinnale.

4. Pinna reaktsioonKõrgetel temperatuuridel toimuvad adsorbeerunud molekulidega keemilised reaktsioonid, mille tulemusel lähteaine laguneb ja moodustub tahke SiC-kile. Kõrvalproduktid eralduvad gaaside kujul.

5. Desorptsioon ja heitgaasGaasilised kõrvalsaadused desorbeeruvad pinnalt ja seejärel väljuvad kambrist. Soovitud kileomaduste, sealhulgas paksuse, puhtuse, kristallilisuse ja adhesiooni saavutamiseks on oluline temperatuuri, rõhu, gaasi voolukiiruse ja lähteaine kontsentratsiooni täpne reguleerimine.

III. CVD SiC-katete kasutamine pooljuhtide protsessides

CVD SiC-katted on pooljuhtide tootmises hädavajalikud, kuna nende ainulaadne omaduste kombinatsioon vastab otseselt tootmiskeskkonna äärmuslikele tingimustele ja rangetele puhtusnõuetele. Need suurendavad vastupidavust plasmakorrosioonile, keemilisele rünnakule ja osakeste tekkimisele, mis kõik on olulised kiipide saagikuse ja seadmete tööaja maksimeerimiseks.

Järgnevalt on toodud mõned levinumad CVD SiC-kattega osad ja nende rakendusstsenaariumid:

1. Plasmasöövituskamber ja fookusrõngas

TootedCVD SiC-kattega voodrid, dušipead, sustseptorid ja fookusrõngad.

TaotlusPlasmasöövituses kasutatakse materjalide valikuliseks eemaldamiseks vahvlitelt väga aktiivset plasmat. Katmata või vähem vastupidavad materjalid lagunevad kiiresti, mille tulemuseks on osakeste saastumine ja sagedased seisakud. CVD SiC-katted on suurepärase vastupidavusega agressiivsetele plasmakemikaalidele (nt fluori-, kloori-, broomiplasmad), pikendavad võtmekambri komponentide eluiga ja vähendavad osakeste teket, mis suurendab otseselt vahvli saagist.

2.PECVD ja HDPCVD kambrid

TootedCVD SiC-kattega reaktsioonikambrid ja elektroodid.

RakendusedPlasma abil keemilise sadestamise (PECVD) ja suure tihedusega plasma-CVD (HDPCVD) meetodit kasutatakse õhukeste kilede (nt dielektriliste kihtide, passiivkihtide) sadestamiseks. Need protsessid hõlmavad ka karme plasmakeskkondi. CVD SiC-katted kaitsevad kambri seinu ja elektroode erosiooni eest, tagades ühtlase kile kvaliteedi ja minimeerides defekte.

3. Ioonimplantatsiooni seadmed

TootedCVD SiC-kattega kiirejoone komponendid (nt avad, Faraday tassid).

RakendusedIoonide implanteerimine viib pooljuhtsubstraatidesse legeerivaid ioone. Suure energiaga ioonkiired võivad põhjustada paljastatud komponentide pritsimist ja erosiooni. CVD-ränikarbiidi kõvadus ja kõrge puhtus vähendavad osakeste teket kiirejoone komponentidest, hoides ära vahvlite saastumise selle kriitilise legeerimisetapi ajal.

4. Epitaksiaalreaktori komponendid

TootedCVD SiC-kattega sustseptorid ja gaasijaoturid.

RakendusedEpitaksiaalne kasv (EPI) hõlmab kõrge temperatuuri juures substraadile kõrgelt korrastatud kristalliliste kihtide kasvatamist. CVD-ga SiC-kattega sustseptorid pakuvad suurepärast termilist stabiilsust ja keemilist inertsust kõrgetel temperatuuridel, tagades ühtlase kuumenemise ja hoides ära sustseptori enda saastumise, mis on kvaliteetsete epitaksiaalsete kihtide saavutamiseks kriitilise tähtsusega.

Kuna kiibi geomeetria väheneb ja protsessinõuded suurenevad, kasvab nõudlus kvaliteetsete CVD SiC-katte tarnijate ja CVD-katte tootjate järele jätkuvalt.

IV. Millised on CVD SiC katmisprotsessi väljakutsed?

Vaatamata CVD SiC-katte suurtele eelistele, on selle tootmisel ja kasutamisel siiski mõningaid protsessiga seotud väljakutseid. Nende väljakutsete lahendamine on stabiilse jõudluse ja kulutõhususe saavutamise võti.

Väljakutsed:

1. Nakkuvus aluspinnaga

SiC-l võib olla keeruline saavutada tugevat ja ühtlast nakkuvust erinevate alusmaterjalidega (nt grafiit, räni, keraamika) soojuspaisumistegurite ja pinnaenergia erinevuste tõttu. Halb nakkuvus võib termilise tsükkelduse või mehaanilise pinge ajal põhjustada delaminatsiooni.

Lahendused:

Pinna ettevalmistamineAluspinna hoolikas puhastamine ja pinnatöötlus (nt söövitamine, plasmatöötlus) saasteainete eemaldamiseks ja optimaalse liimimispinna loomiseks.

VahekihtKandke õhuke ja kohandatud vahekiht või puhverkiht (nt pürolüütiline süsinik, TaC – sarnane CVD TaC-kattele teatud rakendustes), et vähendada soojuspaisumise ebakõla ja parandada adhesiooni.

Optimeerige sadestumisparameetreidSadestamistemperatuuri, rõhku ja gaasi suhet tuleb hoolikalt kontrollida, et optimeerida SiC-kilede tuumastumist ja kasvu ning soodustada tugevat faasidevahelist sidet.

2. Kile pinge ja pragunemine

Sadestamise või järgneva jahutamise ajal võivad SiC-kiledesse tekkida jääkpinged, mis põhjustavad pragunemist või deformeerumist, eriti suuremate või keerukamate geomeetriaga materjalide puhul.

Lahendused:

Temperatuuri kontrollTermilise šoki ja pinge minimeerimiseks kontrollige täpselt kütte- ja jahutuskiirust.

GradientkateKasutage mitmekihilisi või gradientkatmismeetodeid, et muuta materjali koostist või struktuuri järk-järgult pingega toimetulekuks.

Sadestamisjärgne lõõmutamineKuumutage kaetud osi jääkpingete kõrvaldamiseks ja kile terviklikkuse parandamiseks.

3. Konformaalsus ja ühtlus keerukatel geomeetrilistel kujunditel

Ühtlase paksuse ja konformse kattekihi sadestamine keeruka kuju, suure kuvasuhte või sisemiste kanalitega osadele võib olla keeruline prekursori difusiooni ja reaktsioonikineetika piirangute tõttu.

Lahendused:

Reaktori disaini optimeerimineProjekteerida optimeeritud gaasivoolu dünaamika ja temperatuuri ühtluse tagavad CVD-reaktorid, et tagada lähteainete ühtlane jaotumine.

Protsessi parameetrite reguleerimineSadestamisrõhu, voolukiiruse ja lähteaine kontsentratsiooni peenhäälestamine gaasifaasi difusiooni parandamiseks keerukatesse struktuuridesse.

Mitmeastmeline sadestamineKasutage pidevaid sadestamisetappe või pöörlevaid kinnitusvahendeid, et tagada kõigi pindade piisav katmine.

V. KKK

K1: Mis on CVD SiC ja PVD SiC peamine erinevus pooljuhtide rakendustes?

A: CVD-katted on sammaskristallstruktuurid puhtusega >99,99%, mis sobivad plasmakeskkondadesse; PVD-katted on enamasti amorfsed/nanokristallilised puhtusega <99,9%, mida kasutatakse peamiselt dekoratiivkatete jaoks.

K2: Milline on maksimaalne temperatuur, mida kate talub?

A: Lühiajaline taluvus 1650 °C (näiteks lõõmutusprotsess), pikaajaline kasutuspiirang 1450 °C, selle temperatuuri ületamine põhjustab faasisiirde β-SiC-st α-SiC-ks.

K3: Tüüpiline katte paksuse vahemik?

A: Pooljuhtkomponentide paksus on enamasti 80–150 μm ja lennukimootorite EBC-kattekihi paksus võib ulatuda 300–500 μm-ni.

K4: Millised on peamised tegurid, mis mõjutavad kulusid?

A: Lähteaine puhtus (40%), seadmete energiatarve (30%), saagikuse kadu (20%). Kvaliteetsete katete ühikuhind võib ulatuda 5000 dollarini/kg.

K5: Millised on peamised ülemaailmsed tarnijad?

A: Euroopa ja Ameerika Ühendriigid: CoorsTek, Mersen, Ionbond; Aasia: Semixlab, Veteksemicon, Kallex (Taiwan), Scientech (Taiwan)