پوشش SiC به روش CVD چیست؟

بیماری‌های قلبی عروقی (CVD)پوشش SiCبا سرعتی شگفت‌آور، محدودیت‌های فرآیندهای تولید نیمه‌هادی را تغییر می‌دهد. این فناوری پوشش به ظاهر ساده، به یک راه‌حل کلیدی برای سه چالش اصلی آلودگی ذرات، خوردگی در دمای بالا و فرسایش پلاسما در تولید تراشه تبدیل شده است. تولیدکنندگان برتر تجهیزات نیمه‌هادی در جهان، آن را به عنوان یک فناوری استاندارد برای تجهیزات نسل بعدی فهرست کرده‌اند. بنابراین، چه چیزی این پوشش را به "زره نامرئی" تولید تراشه تبدیل می‌کند؟ این مقاله به طور عمیق اصول فنی، کاربردهای اصلی و پیشرفت‌های پیشرفته آن را تجزیه و تحلیل خواهد کرد.

Ⅰ. تعریف پوشش SiC به روش CVD

پوشش SiC به روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) به یک لایه محافظ از کاربید سیلیکون (SiC) اشاره دارد که توسط فرآیند رسوب بخار شیمیایی (CVD) روی یک زیرلایه رسوب داده می‌شود. کاربید سیلیکون ترکیبی از سیلیکون و کربن است که به دلیل سختی عالی، رسانایی حرارتی بالا، بی‌اثری شیمیایی و مقاومت در برابر دمای بالا شناخته شده است. فناوری CVD می‌تواند یک لایه SiC با خلوص بالا، متراکم و ضخامت یکنواخت تشکیل دهد و می‌تواند با هندسه‌های پیچیده بسیار منطبق باشد. این امر پوشش‌های SiC به روش CVD را برای کاربردهای دشواری که نمی‌توان با مواد فله‌ای سنتی یا سایر روش‌های پوشش‌دهی به آنها دست یافت، بسیار مناسب می‌کند.

Ⅱ. اصل فرآیند CVD

رسوب بخار شیمیایی (CVD) یک روش تولید همه کاره است که برای تولید مواد جامد با کیفیت و کارایی بالا استفاده می‌شود. اصل اصلی CVD شامل واکنش پیش‌سازهای گازی روی سطح یک زیرلایه گرم شده برای تشکیل یک پوشش جامد است.

در اینجا خلاصه‌ای از فرآیند SiC CVD ارائه شده است:

نمودار اصول فرآیند CVD

1. معرفی پیش‌سازپیش‌سازهای گازی، معمولاً گازهای حاوی سیلیکون (مثلاً متیل‌تری‌کلروسیلان – MTS یا سیلان – SiH₄) و گازهای حاوی کربن (مثلاً پروپان – C₃H₈)، وارد محفظه واکنش می‌شوند.

2. تحویل گاز: این گازهای پیش‌ساز روی زیرلایه گرم‌شده جریان می‌یابند.

3. جذب سطحی: مولکول‌های پیش‌ساز به سطح زیرلایه داغ جذب می‌شوند.

4. واکنش سطحیدر دماهای بالا، مولکول‌های جذب‌شده تحت واکنش‌های شیمیایی قرار می‌گیرند که منجر به تجزیه پیش‌ماده و تشکیل یک لایه جامد SiC می‌شود. محصولات جانبی به شکل گاز آزاد می‌شوند.

5. دفع و اگزوزمحصولات جانبی گازی از سطح جدا شده و سپس از محفظه خارج می‌شوند. کنترل دقیق دما، فشار، سرعت جریان گاز و غلظت پیش‌ساز برای دستیابی به خواص مطلوب فیلم، از جمله ضخامت، خلوص، بلورینگی و چسبندگی، بسیار مهم است.

Ⅲ. کاربردهای پوشش‌های SiC به روش CVD در فرآیندهای نیمه‌هادی

پوشش‌های SiC به روش CVD در تولید نیمه‌هادی‌ها ضروری هستند زیرا ترکیب منحصر به فرد خواص آنها مستقیماً شرایط سخت و الزامات دقیق خلوص محیط تولید را برآورده می‌کند. آنها مقاومت در برابر خوردگی پلاسما، حمله شیمیایی و تولید ذرات را افزایش می‌دهند که همه اینها برای به حداکثر رساندن بازده ویفر و زمان آماده به کار تجهیزات بسیار مهم هستند.

در زیر برخی از قطعات رایج پوشش داده شده با SiC به روش CVD و سناریوهای کاربرد آنها آورده شده است:

۱. محفظه حکاکی پلاسما و حلقه فوکوس

محصولات: آسترها، سردوش‌ها، سوسپکتورها و حلقه‌های فوکوس پوشش داده شده با SiC به روش CVD.

کاربرددر اچینگ پلاسما، از پلاسمای بسیار فعال برای حذف انتخابی مواد از ویفرها استفاده می‌شود. مواد بدون پوشش یا با دوام کمتر به سرعت تخریب می‌شوند و در نتیجه آلودگی ذرات و خرابی مکرر ایجاد می‌شود. پوشش‌های SiC حاصل از CVD مقاومت بسیار خوبی در برابر مواد شیمیایی تهاجمی پلاسما (مانند پلاسماهای فلوئور، کلر، برم) دارند، عمر اجزای کلیدی محفظه را افزایش می‌دهند و تولید ذرات را کاهش می‌دهند که مستقیماً بازده ویفر را افزایش می‌دهد.

۲. محفظه‌های PECVD و HDPCVD

محصولاتمحفظه‌های واکنش و الکترودهای پوشش داده شده با SiC به روش CVD.

کاربردهارسوب بخار شیمیایی با افزایش پلاسما (PECVD) و رسوب بخار شیمیایی با چگالی بالا (HDPCVD) برای رسوب لایه‌های نازک (مثلاً لایه‌های دی‌الکتریک، لایه‌های غیرفعال‌سازی) استفاده می‌شوند. این فرآیندها همچنین شامل محیط‌های پلاسمای خشن هستند. پوشش‌های SiC با CVD از دیواره‌های محفظه و الکترودها در برابر فرسایش محافظت می‌کنند و کیفیت ثابت لایه را تضمین کرده و نقص‌ها را به حداقل می‌رسانند.

۳. تجهیزات کاشت یون

محصولاتاجزای خط پرتو پوشش داده شده با SiC به روش CVD (مثلاً دیافراگم‌ها، فنجان‌های فارادی).

کاربردهاکاشت یون، یون‌های ناخالصی را به زیرلایه‌های نیمه‌هادی وارد می‌کند. پرتوهای یونی پرانرژی می‌توانند باعث کندوپاش و فرسایش اجزای در معرض تابش شوند. سختی و خلوص بالای SiC حاصل از CVD، تولید ذرات از اجزای خط پرتو را کاهش می‌دهد و از آلودگی ویفرها در طول این مرحله حساس ناخالصی جلوگیری می‌کند.

۴. اجزای راکتور اپیتاکسیال

محصولاتسوسپکتورها و توزیع‌کننده‌های گاز با پوشش SiC به روش CVD.

کاربردهارشد اپیتاکسیال (EPI) شامل رشد لایه‌های کریستالی بسیار منظم روی یک زیرلایه در دماهای بالا است. سوسپتورهای پوشش داده شده با SiC به روش CVD، پایداری حرارتی عالی و بی‌اثری شیمیایی را در دماهای بالا ارائه می‌دهند و گرمایش یکنواخت را تضمین کرده و از آلودگی خود سوسپتور جلوگیری می‌کنند، که برای دستیابی به لایه‌های اپیتاکسیال با کیفیت بالا بسیار مهم است.

با کوچک شدن هندسه تراشه‌ها و افزایش تقاضای فرآیند، تقاضا برای تامین‌کنندگان پوشش‌های SiC با کیفیت بالا و تولیدکنندگان پوشش‌های CVD همچنان رو به افزایش است.

IV. چالش‌های فرآیند پوشش‌دهی SiC به روش CVD چیست؟

علیرغم مزایای زیاد پوشش SiC به روش CVD، تولید و کاربرد آن هنوز با برخی چالش‌های فرآیندی مواجه است. حل این چالش‌ها کلید دستیابی به عملکرد پایدار و مقرون‌به‌صرفه بودن است.

چالش‌ها:

۱. چسبندگی به زیرلایه

به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی و انرژی سطحی، دستیابی به چسبندگی قوی و یکنواخت SiC به مواد زیرلایه مختلف (مانند گرافیت، سیلیکون، سرامیک) می‌تواند چالش برانگیز باشد. چسبندگی ضعیف می‌تواند منجر به لایه لایه شدن در طول چرخه حرارتی یا تنش مکانیکی شود.

راه حل ها:

آماده سازی سطحتمیزکاری دقیق و عملیات سطحی (مثلاً اچینگ، عملیات پلاسما) زیرلایه برای حذف آلودگی‌ها و ایجاد سطحی بهینه برای اتصال.

لایه میانییک لایه میانی یا بافر نازک و سفارشی (مثلاً کربن پیرولیتیک، TaC - مشابه پوشش CVD TaC در کاربردهای خاص) را برای کاهش عدم تطابق انبساط حرارتی و افزایش چسبندگی، رسوب دهید.

پارامترهای رسوب‌گذاری را بهینه کنیددما، فشار و نسبت گاز رسوب‌گذاری را با دقت کنترل کنید تا جوانه‌زنی و رشد لایه‌های SiC بهینه شود و پیوند بین سطحی قوی ایجاد شود.

۲. تنش و ترک خوردگی فیلم

در طول رسوب‌گذاری یا خنک‌سازی بعدی، تنش‌های پسماند ممکن است در لایه‌های SiC ایجاد شوند و باعث ترک‌خوردگی یا تاب برداشتن، به‌ویژه در هندسه‌های بزرگ‌تر یا پیچیده، شوند.

راه حل ها:

کنترل دما: نرخ گرمایش و سرمایش را به طور دقیق کنترل کنید تا شوک و تنش حرارتی به حداقل برسد.

پوشش گرادیان: از روش‌های پوشش‌دهی چندلایه یا گرادیانی برای تغییر تدریجی ترکیب یا ساختار ماده جهت تطبیق با تنش استفاده کنید.

آنیل پس از رسوب‌گذاریقطعات پوشش داده شده را برای از بین بردن تنش پسماند و بهبود یکپارچگی لایه نازک، آنیل کنید.

۳. انطباق و یکنواختی در هندسه‌های پیچیده

ایجاد پوشش‌های یکنواخت ضخیم و همدیس روی قطعاتی با اشکال پیچیده، نسبت ابعاد بالا یا کانال‌های داخلی می‌تواند به دلیل محدودیت‌های انتشار پیش‌ساز و سینتیک واکنش دشوار باشد.

راه حل ها:

بهینه‌سازی طراحی راکتورطراحی راکتورهای CVD با دینامیک جریان گاز بهینه و یکنواختی دما برای اطمینان از توزیع یکنواخت پیش‌سازها.

تنظیم پارامتر فرآیندتنظیم دقیق فشار رسوب، سرعت جریان و غلظت پیش‌ساز برای افزایش نفوذ فاز گازی به ساختارهای پیچیده.

رسوب‌گذاری چند مرحله‌ای: برای اطمینان از پوشش کافی تمام سطوح، از مراحل رسوب‌دهی پیوسته یا وسایل چرخشی استفاده کنید.

سوالات متداول

سوال ۱: تفاوت اصلی بین SiC تولید شده به روش CVD و SiC تولید شده به روش PVD در کاربردهای نیمه‌هادی چیست؟

الف) پوشش‌های CVD ساختارهای کریستالی ستونی با خلوص >99.99% هستند که برای محیط‌های پلاسما مناسبند؛ پوشش‌های PVD عمدتاً آمورف/نانوکریستالی با خلوص <99.9% هستند که عمدتاً برای پوشش‌های تزئینی استفاده می‌شوند.

Q2: حداکثر دمایی که پوشش می‌تواند تحمل کند چقدر است؟

الف: تحمل کوتاه مدت ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد (مانند فرآیند آنیل)، محدودیت استفاده طولانی مدت ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد، فراتر رفتن از این دما باعث گذار فاز از β-SiC به α-SiC خواهد شد.

Q3: محدوده ضخامت پوشش معمول چیست؟

الف) اجزای نیمه‌هادی عمدتاً ۸۰ تا ۱۵۰ میکرومتر هستند و پوشش‌های EBC موتور هواپیما می‌توانند به ۳۰۰ تا ۵۰۰ میکرومتر برسند.

سوال چهارم: عوامل کلیدی مؤثر بر هزینه چیست؟

الف) خلوص پیش ماده (40%)، مصرف انرژی تجهیزات (30%)، افت بازده (20%). قیمت واحد پوشش‌های پیشرفته می‌تواند به 5000 دلار در هر کیلوگرم برسد.

سوال ۵: تامین‌کنندگان اصلی جهانی کدامند؟

الف) اروپا و ایالات متحده: CoorsTek، Mersen، Ionbond؛ آسیا: Semixlab، Veteksemicon، Kallex (تایوان)، Scientech (تایوان)