تحقیق روی کوره اپیتاکسیال SiC 8 اینچی و فرآیند هومواپیتاکسیال-Ⅰ

در حال حاضر، صنعت SiC در حال تغییر از 150 میلی‌متر (6 اینچ) به 200 میلی‌متر (8 اینچ) است. به منظور پاسخگویی به تقاضای فوری برای ویفرهای همواپیتکسی SiC با اندازه بزرگ و کیفیت بالا در صنعت، 150 میلی‌متر و 200 میلی‌مترویفرهای هموپیتکسیال 4H-SiCبا استفاده از تجهیزات رشد اپیتاکسیال SiC 200 میلی‌متری که به طور مستقل توسعه داده شده است، با موفقیت روی زیرلایه‌های داخلی تهیه شدند. یک فرآیند همواپیتاکسیال مناسب برای 150 میلی‌متر و 200 میلی‌متر توسعه داده شد که در آن سرعت رشد اپیتاکسیال می‌تواند بیش از 60 میکرومتر بر ساعت باشد. در حالی که اپیتاکسی با سرعت بالا را برآورده می‌کند، کیفیت ویفر اپیتاکسیال عالی است. یکنواختی ضخامت 150 میلی‌متر و 200 میلی‌مترویفرهای اپیتاکسیال SiCمی‌توان آن را در محدوده ۱.۵٪ کنترل کرد، یکنواختی غلظت کمتر از ۳٪، چگالی نقص کشنده کمتر از ۰.۳ ذره بر سانتی‌متر مربع و جذر میانگین مربعات زبری سطح اپیتاکسیال Ra کمتر از ۰.۱۵ نانومتر است و تمام شاخص‌های فرآیند اصلی در سطح پیشرفته صنعت قرار دارند.

کاربید سیلیکون (SiC)یکی از نمایندگان مواد نیمه‌هادی نسل سوم است. این ماده دارای ویژگی‌هایی مانند قدرت میدان شکست بالا، رسانایی حرارتی عالی، سرعت رانش اشباع الکترونی بالا و مقاومت در برابر تابش قوی است. این ماده ظرفیت پردازش انرژی دستگاه‌های قدرت را تا حد زیادی گسترش داده و می‌تواند نیازهای خدماتی نسل بعدی تجهیزات الکترونیک قدرت را برای دستگاه‌هایی با توان بالا، اندازه کوچک، دمای بالا، تابش بالا و سایر شرایط شدید برآورده کند. این ماده می‌تواند فضا را کاهش دهد، مصرف برق را کاهش دهد و نیازهای خنک‌کننده را کاهش دهد. این ماده تغییرات انقلابی در وسایل نقلیه انرژی جدید، حمل و نقل ریلی، شبکه‌های هوشمند و سایر زمینه‌ها به ارمغان آورده است. بنابراین، نیمه‌هادی‌های کاربید سیلیکون به عنوان ماده ایده‌آلی که نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیک قدرت با توان بالا را هدایت می‌کند، شناخته شده‌اند. در سال‌های اخیر، به لطف حمایت سیاست ملی از توسعه صنعت نیمه‌هادی نسل سوم، تحقیق و توسعه و ساخت سیستم صنعتی دستگاه SiC با قطر ۱۵۰ میلی‌متر اساساً در چین تکمیل شده و امنیت زنجیره صنعتی اساساً تضمین شده است. بنابراین، تمرکز صنعت به تدریج به کنترل هزینه و بهبود کارایی تغییر یافته است. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، در مقایسه با 150 میلی‌متر، SiC با قطر 200 میلی‌متر نرخ استفاده از لبه بالاتری دارد و خروجی تراشه‌های تک ویفر می‌تواند حدود 1.8 برابر افزایش یابد. پس از بلوغ فناوری، هزینه تولید یک تراشه می‌تواند 30٪ کاهش یابد. پیشرفت فناوری 200 میلی‌متر وسیله‌ای مستقیم برای "کاهش هزینه‌ها و افزایش کارایی" است و همچنین کلید "موازی شدن" یا حتی "پیشتازی" صنعت نیمه‌هادی کشور من است.

متفاوت از فرآیند دستگاه Si،دستگاه‌های قدرت نیمه‌هادی SiCهمه با لایه‌های اپیتاکسیال به عنوان سنگ بنای اصلی پردازش و آماده می‌شوند. ویفرهای اپیتاکسیال مواد اولیه ضروری برای دستگاه‌های قدرت SiC هستند. کیفیت لایه اپیتاکسیال مستقیماً بازده دستگاه را تعیین می‌کند و هزینه آن 20٪ از هزینه تولید تراشه را تشکیل می‌دهد. بنابراین، رشد اپیتاکسیال یک حلقه میانی ضروری در دستگاه‌های قدرت SiC است. حد بالای سطح فرآیند اپیتاکسیال توسط تجهیزات اپیتاکسیال تعیین می‌شود. در حال حاضر، درجه بومی‌سازی تجهیزات اپیتاکسیال SiC با قطر 150 میلی‌متر در چین نسبتاً بالا است، اما طرح کلی 200 میلی‌متر در عین حال از سطح بین‌المللی عقب مانده است. بنابراین، به منظور حل نیازهای فوری و مشکلات گلوگاهی تولید مواد اپیتاکسیال با اندازه بزرگ و کیفیت بالا برای توسعه صنعت نیمه‌هادی نسل سوم داخلی، این مقاله تجهیزات اپیتاکسیال SiC با قطر 200 میلی‌متر را که با موفقیت در کشور من توسعه یافته است، معرفی می‌کند و فرآیند اپیتاکسیال را مورد مطالعه قرار می‌دهد. با بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند مانند دمای فرآیند، نرخ جریان گاز حامل، نسبت C/Si و غیره، یکنواختی غلظت <3٪، عدم یکنواختی ضخامت <1.5٪، زبری Ra <0.2 نانومتر و چگالی نقص کشنده <0.3 دانه بر سانتی‌متر مربع در ویفرهای اپیتاکسیال SiC با ابعاد 150 میلی‌متر و 200 میلی‌متر با کوره اپیتاکسیال کاربید سیلیکون 200 میلی‌متری که به طور مستقل توسعه داده شده است، به دست می‌آید. سطح فرآیند تجهیزات می‌تواند نیازهای آماده‌سازی دستگاه قدرت SiC با کیفیت بالا را برآورده کند.

 

۱ آزمایش

 

۱.۱ اصلِاپیتکسیال SiCفرآیند

فرآیند رشد همواپیتاکسی 4H-SiC عمدتاً شامل دو مرحله کلیدی است: اچینگ درجا با دمای بالا روی زیرلایه 4H-SiC و فرآیند رسوب بخار شیمیایی همگن. هدف اصلی اچینگ درجا زیرلایه، از بین بردن آسیب زیرسطحی زیرلایه پس از پولیش ویفر، مایع پولیش باقیمانده، ذرات و لایه اکسید است و می‌توان با اچینگ، یک ساختار پله‌ای اتمی منظم روی سطح زیرلایه تشکیل داد. اچینگ درجا معمولاً در اتمسفر هیدروژن انجام می‌شود. با توجه به نیازهای واقعی فرآیند، می‌توان مقدار کمی گاز کمکی مانند کلرید هیدروژن، پروپان، اتیلن یا سیلان نیز اضافه کرد. دمای اچینگ هیدروژن درجا عموماً بالای 1600 درجه سانتیگراد است و فشار محفظه واکنش معمولاً در طول فرآیند اچینگ زیر 2×104 پاسکال کنترل می‌شود.

پس از فعال شدن سطح زیرلایه با اچینگ درجا، وارد فرآیند رسوب بخار شیمیایی با دمای بالا می‌شود، یعنی منبع رشد (مانند اتیلن/پروپان، TCS/سیلان)، منبع آلایش (نیتروژن منبع آلایش نوع n، منبع آلایش نوع p TMAl) و گاز کمکی مانند کلرید هیدروژن از طریق جریان زیادی از گاز حامل (معمولاً هیدروژن) به محفظه واکنش منتقل می‌شوند. پس از واکنش گاز در محفظه واکنش با دمای بالا، بخشی از پیش‌ساز به صورت شیمیایی واکنش داده و روی سطح ویفر جذب می‌شود و یک لایه اپیتاکسیال همگن تک کریستالی 4H-SiC با غلظت آلایش خاص، ضخامت خاص و کیفیت بالاتر با استفاده از زیرلایه تک کریستالی 4H-SiC به عنوان الگو، روی سطح زیرلایه تشکیل می‌شود. پس از سال‌ها کاوش فنی، فناوری همواپیتاکسیال 4H-SiC اساساً بالغ شده و به طور گسترده در تولید صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پرکاربردترین فناوری همواپیتاکسیال 4H-SiC در جهان دارای دو ویژگی معمول است:
(1) با استفاده از یک زیرلایه برش مورب خارج از محور (نسبت به صفحه کریستالی <0001>، به سمت جهت کریستالی <11-20>) به عنوان الگو، یک لایه اپیتاکسیال تک کریستالی 4H-SiC با خلوص بالا و بدون ناخالصی به شکل حالت رشد جریان پله‌ای روی زیرلایه رسوب داده می‌شود. رشد هموپیتکسیال اولیه 4H-SiC از یک زیرلایه کریستالی مثبت، یعنی صفحه Si <0001> برای رشد استفاده می‌کرد. چگالی پله‌های اتمی روی سطح زیرلایه کریستالی مثبت کم است و تراس‌ها پهن هستند. رشد هسته‌زایی دو بعدی در طول فرآیند اپیتاکسی برای تشکیل SiC کریستالی 3C (3C-SiC) به راحتی رخ می‌دهد. با برش خارج از محور، می‌توان پله‌های اتمی با چگالی بالا و پهنای تراس باریک را روی سطح زیرلایه 4H-SiC <0001> ایجاد کرد و پیش‌ساز جذب‌شده می‌تواند به طور مؤثر با انرژی سطحی نسبتاً کم از طریق نفوذ سطحی به موقعیت پله اتمی برسد. در مرحله، موقعیت پیوند اتم/گروه مولکولی پیش‌ساز منحصر به فرد است، بنابراین در حالت رشد جریان مرحله‌ای، لایه اپیتاکسیال می‌تواند به طور کامل توالی انباشت لایه اتمی دوگانه Si-C زیرلایه را به ارث ببرد تا یک تک بلور با همان فاز بلوری زیرلایه تشکیل دهد.
(2) رشد اپیتاکسیال با سرعت بالا با معرفی یک منبع سیلیکون حاوی کلر حاصل می‌شود. در سیستم‌های رسوب بخار شیمیایی SiC معمولی، سیلان و پروپان (یا اتیلن) ​​منابع اصلی رشد هستند. در فرآیند افزایش سرعت رشد با افزایش سرعت جریان منبع رشد، با افزایش فشار جزئی تعادلی جزء سیلیکون، تشکیل خوشه‌های سیلیکونی با هسته‌زایی فاز گازی همگن آسان می‌شود که به طور قابل توجهی سرعت استفاده از منبع سیلیکون را کاهش می‌دهد. تشکیل خوشه‌های سیلیکونی بهبود سرعت رشد اپیتاکسیال را تا حد زیادی محدود می‌کند. در عین حال، خوشه‌های سیلیکونی می‌توانند رشد جریان پله‌ای را مختل کرده و باعث هسته‌زایی نقص شوند. به منظور جلوگیری از هسته‌زایی فاز گازی همگن و افزایش سرعت رشد اپیتاکسیال، معرفی منابع سیلیکونی مبتنی بر کلر در حال حاضر روش اصلی برای افزایش سرعت رشد اپیتاکسیال 4H-SiC است.

 

۱.۲ تجهیزات و شرایط فرآیند اپیتاکسیال SiC با قطر ۲۰۰ میلی‌متر (۸ اینچ)

آزمایش‌های شرح داده شده در این مقاله همگی بر روی یک تجهیزات اپیتاکسیال SiC یکپارچه افقی با دیواره گرم و سازگار با ابعاد 150/200 میلی‌متر (6/8 اینچ) که به طور مستقل توسط موسسه 48 گروه فناوری الکترونیک چین توسعه داده شده است، انجام شده‌اند. کوره اپیتاکسیال از بارگیری و تخلیه ویفر کاملاً خودکار پشتیبانی می‌کند. شکل 1 نمودار شماتیک ساختار داخلی محفظه واکنش تجهیزات اپیتاکسیال است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، دیواره بیرونی محفظه واکنش یک زنگوله کوارتزی با یک لایه میانی خنک شونده با آب است و داخل زنگوله یک محفظه واکنش با دمای بالا است که از نمد کربنی عایق حرارتی، حفره گرافیتی ویژه با خلوص بالا، پایه چرخان شناور گاز گرافیتی و غیره تشکیل شده است. کل زنگوله کوارتزی با یک سیم‌پیچ القایی استوانه‌ای پوشانده شده است و محفظه واکنش داخل زنگوله توسط یک منبع تغذیه القایی با فرکانس متوسط ​​به صورت الکترومغناطیسی گرم می‌شود. همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است، گاز حامل، گاز واکنش و گاز ناخالصی، همگی در یک جریان افقی لایه‌ای از بالادست محفظه واکنش به پایین‌دست محفظه واکنش، از سطح ویفر عبور کرده و از انتهای گاز انتهایی تخلیه می‌شوند. برای اطمینان از ثبات در داخل ویفر، ویفر حمل شده توسط پایه شناور هوا، همیشه در طول فرآیند چرخانده می‌شود.

زیرلایه مورد استفاده در این آزمایش، یک زیرلایه SiC دو طرفه صیقلی و رسانا از نوع n با ابعاد تجاری ۱۵۰ میلی‌متر و ۲۰۰ میلی‌متر (۶ اینچ، ۸ اینچ) با زاویه کمتر از ۱۱۲۰ درجه و جهت ۴ درجه خارج از زاویه و جنس 4H-SiC است که توسط شرکت Shanxi Shuoke Crystal تولید شده است. تری‌کلروسیلان (SiHCl3، TCS) و اتیلن (C2H4) به عنوان منابع اصلی رشد در این آزمایش فرآیندی استفاده می‌شوند که از بین آنها TCS و C2H4 به ترتیب به عنوان منبع سیلیکون و منبع کربن، نیتروژن با خلوص بالا (N2) به عنوان منبع آلایش نوع n و هیدروژن (H2) به عنوان گاز رقیق‌کننده و گاز حامل استفاده می‌شوند. محدوده دمایی فرآیند اپیتاکسیال ۱۶۰۰ تا ۱۶۶۰ درجه سانتیگراد، فشار فرآیند ۸×۱۰۳ تا ۱۲×۱۰۳ پاسکال و سرعت جریان گاز حامل H2 ۱۰۰ تا ۱۴۰ لیتر در دقیقه است.

 

۱.۳ آزمایش و توصیف ویفر اپیتاکسیال

طیف‌سنج مادون قرمز فوریه (تولیدکننده تجهیزات Thermalfisher، مدل iS50) و دستگاه تست غلظت پروب جیوه (تولیدکننده تجهیزات Semilab، مدل 530L) برای توصیف میانگین و توزیع ضخامت لایه اپیتاکسیال و غلظت آلایش استفاده شدند. ضخامت و غلظت آلایش هر نقطه در لایه اپیتاکسیال با گرفتن نقاطی در امتداد خط قطری که خط نرمال لبه مرجع اصلی را در زاویه 45 درجه در مرکز ویفر با حذف لبه 5 میلی‌متر قطع می‌کرد، تعیین شد. برای یک ویفر 150 میلی‌متری، 9 نقطه در امتداد یک خط قطری واحد (دو قطر عمود بر یکدیگر بودند) و برای یک ویفر 200 میلی‌متری، 21 نقطه، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، گرفته شد. یک میکروسکوپ نیروی اتمی (تولیدکننده تجهیزات Bruker، مدل Dimension Icon) برای انتخاب نواحی 30 میکرومتر × 30 میکرومتر در ناحیه مرکزی و ناحیه لبه (حذف لبه 5 میلی‌متری) ویفر اپیتاکسیال برای آزمایش زبری سطح لایه اپیتاکسیال استفاده شد. نقص‌های لایه اپیتاکسیال با استفاده از دستگاه تست نقص سطح (تولیدکننده تجهیزات China Electronics) اندازه‌گیری شدند. تصویربردار سه‌بعدی با یک حسگر رادار (مدل Mars 4410 pro) از Kefenghua مشخص شد.