נכון לעכשיו, תעשיית ה-SiC עוברת שינוי מ-150 מ"מ (6 אינץ') ל-200 מ"מ (8 אינץ'). על מנת לענות על הביקוש הדחוף לפלסטיקים הומואפיטקסיאליים גדולים ואיכותיים מ-SiC בתעשייה, 150 מ"מ ו-200 מ"מ...פרוסות הומואפיטקסיאליות 4H-SiCהוכנו בהצלחה על מצעים ביתיים באמצעות ציוד גידול אפיטקסיאלי של SiC בגודל 200 מ"מ שפותח באופן עצמאי. פותח תהליך הומיואפיטקסיאלי המתאים ל-150 מ"מ ו-200 מ"מ, שבו קצב הגידול האפיטקסיאלי יכול להיות גדול מ-60 מיקרון/שעה. תוך עמידה בדרישות האפיטקסיה במהירות גבוהה, איכות הפרוסות האפיטקסיאליות מצוינת. אחידות העובי של 150 מ"מ ו-200 מ"מפרוסות אפיטקסיאליות SiCניתן לשלוט בטווח של 1.5%, אחידות הריכוז פחות מ-3%, צפיפות הפגם הקטלני פחות מ-0.3 חלקיקים/סמ"ר, וממוצע שורש החספוס האפיטקסיאלי של פני השטח, Ra, פחות מ-0.15 ננומטר, וכל מדדי התהליך המרכזיים נמצאים ברמה המתקדמת של התעשייה.
סיליקון קרביד (SiC)הוא אחד מנציגי חומרי המוליכים למחצה מהדור השלישי. יש לו מאפיינים של עוצמת שדה פריצה גבוהה, מוליכות תרמית מצוינת, מהירות סחיפה גדולה של רווית אלקטרונים ועמידות חזקה לקרינה. הוא הרחיב מאוד את קיבולת עיבוד האנרגיה של התקני כוח ויכול לעמוד בדרישות השירות של הדור הבא של ציוד אלקטרוניקה להספק עבור התקנים בעלי הספק גבוה, גודל קטן, טמפרטורה גבוהה, קרינה גבוהה ותנאים קיצוניים אחרים. הוא יכול להפחית מקום, להפחית את צריכת החשמל ולהפחית את דרישות הקירור. הוא הביא שינויים מהפכניים בכלי רכב אנרגיה חדשים, תחבורה רכבתית, רשתות חכמות ותחומים אחרים. לכן, מוליכים למחצה מסיליקון קרביד זכו להכרה כחומר האידיאלי שיוביל את הדור הבא של התקני אלקטרוניקה להספק גבוה. בשנים האחרונות, הודות לתמיכה במדיניות הלאומית בפיתוח תעשיית המוליכים למחצה מהדור השלישי, המחקר והפיתוח והבנייה של מערכת תעשיית התקני SiC 150 מ"מ הושלמו למעשה בסין, ואבטחת שרשרת התעשייה הובטחה למעשה. לכן, המיקוד של התעשייה עבר בהדרגה לבקרת עלויות ושיפור יעילות. כפי שמוצג בטבלה 1, בהשוואה ל-150 מ"מ, ל-SiC של 200 מ"מ יש שיעור ניצול קצה גבוה יותר, וניתן להגדיל את התפוקה של שבבי פרוסה בודדים בכ-1.8 פעמים. לאחר שהטכנולוגיה מתבגרת, ניתן להפחית את עלות הייצור של שבב בודד ב-30%. פריצת הדרך הטכנולוגית של 200 מ"מ היא אמצעי ישיר ל"הפחתת עלויות והגברת יעילות", והיא גם המפתח לתעשיית המוליכים למחצה של ארצי "לפעול במקביל" או אפילו "להוביל".
שונה מתהליך התקן ה-Si,התקני כוח מוליכים למחצה SiCכולם מעובדים ומיוצרים עם שכבות אפיטקסיאליות כאבן פינה. פרוסות אפיטקסיאליות הן חומרי בסיס חיוניים עבור התקני כוח SiC. איכות השכבה האפיטקסיאלית קובעת ישירות את תפוקת ההתקן, ועלותה מהווה 20% מעלות ייצור השבב. לכן, גידול אפיטקסיאלי הוא חוליה ביניים חיונית בהתקני כוח SiC. הגבול העליון של רמת התהליך האפיטקסיאלי נקבע על ידי ציוד אפיטקסיאלי. כיום, דרגת הלוקליזציה של ציוד אפיטקסיאלי SiC 150 מ"מ בסין היא גבוהה יחסית, אך הפריסה הכוללת של 200 מ"מ מפגרת אחרי הרמה הבינלאומית בו זמנית. לכן, על מנת לפתור את הצרכים הדחופים ובעיות צווארי הבקבוק של ייצור חומרים אפיטקסיאליים בגודל גדול ובאיכות גבוהה לפיתוח תעשיית המוליכים למחצה מהדור השלישי המקומי, מאמר זה מציג את ציוד האפיטקסיאלי SiC 200 מ"מ שפותח בהצלחה במדינתי, וחוקר את התהליך האפיטקסיאלי. על ידי אופטימיזציה של פרמטרי התהליך כגון טמפרטורת התהליך, קצב זרימת גז הנשא, יחס C/Si וכו', מתקבלות אחידות ריכוז <3%, חוסר אחידות עובי <1.5%, חספוס Ra <0.2 ננומטר וצפיפות פגם קטלנית <0.3 גריין/סמ"ר של פרוסות אפיטקסיאליות SiC בגודל 150 מ"מ ו-200 מ"מ עם תנור אפיטקסיאלי סיליקון קרביד 200 מ"מ שפותח באופן עצמאי. רמת תהליך הציוד יכולה לענות על הצרכים של הכנת התקנת כוח SiC באיכות גבוהה.
ניסוי 1
1.1 עקרון האפיטקסיאלי SiCתַהֲלִיך
תהליך הגידול ההומואפיטקסיאלי של 4H-SiC כולל בעיקר שני שלבים עיקריים, כלומר, איכול in-situ בטמפרטורה גבוהה של מצע 4H-SiC ותהליך שיקוע כימי הומוגני באדים. המטרה העיקרית של איכול in-situ על המצע היא להסיר את הנזק התת-קרקעי של המצע לאחר ליטוש פרוסות, נוזל ליטוש שיורי, חלקיקים ושכבת תחמוצת, וניתן ליצור מבנה אטומי רגיל על פני המצע באמצעות איכול. איכול in-situ מתבצע בדרך כלל באטמוספרת מימן. בהתאם לדרישות התהליך בפועל, ניתן להוסיף גם כמות קטנה של גז עזר, כגון מימן כלורי, פרופאן, אתילן או סילאן. הטמפרטורה של איכול המימן in-situ היא בדרך כלל מעל 1600 ℃, ולחץ תא התגובה נשלט בדרך כלל מתחת ל-2×104 Pa במהלך תהליך האיכול.
לאחר הפעלת פני השטח של המצע על ידי איכול באתר, הוא נכנס לתהליך שקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה, כלומר, מקור הצמיחה (כגון אתילן/פרופן, TCS/סילאן), מקור הסימום (מקור סימום מסוג n חנקן, מקור סימום מסוג p TMAl), וגז עזר כגון מימן כלורי מועברים לתא התגובה דרך זרימה גדולה של גז נשא (בדרך כלל מימן). לאחר שהגז מגיב בתא התגובה בטמפרטורה גבוהה, חלק מהחומר המבשר מגיב כימית ונספג על פני הוופל, ושכבה אפיטקסיאלית הומוגנית 4H-SiC חד-גבישית עם ריכוז סימום ספציפי, עובי ספציפי ואיכות גבוהה יותר נוצרת על פני השטח של המצע באמצעות מצע 4H-SiC חד-גבישי כתבנית. לאחר שנים של חקירה טכנית, טכנולוגיית ההומואפיטקסיאלית 4H-SiC התבגרה למעשה ונמצאת בשימוש נרחב בייצור תעשייתי. לטכנולוגיית ההומואפיטקסיאלית 4H-SiC הנפוצה ביותר בעולם יש שני מאפיינים אופייניים:
(1) באמצעות מצע חתוך אלכסוני מחוץ לציר (יחסית למישור הגביש <0001>, לכיוון הגביש <11-20>) כתבנית, שכבה אפיטקסיאלית של גביש יחיד 4H-SiC בעלת טוהר גבוה ללא זיהומים מופקדת על המצע בצורה של מצב גידול זרימה מדורג. גידול הומואפיטקסיאלי מוקדם של 4H-SiC השתמש במצע גבישי חיובי, כלומר, מישור Si <0001> לגידול. צפיפות המדרגות האטומיות על פני מצע הגביש החיובי נמוכה והטרסות רחבות. גידול נוקלאציה דו-ממדי מתרחש בקלות במהלך תהליך האפיטקסיה ליצירת גביש 3C SiC (3C-SiC). על ידי חיתוך מחוץ לציר, ניתן להכניס מדרגות אטומיות בצפיפות גבוהה וברוחב טרסה צר על פני מצע 4H-SiC <0001>, והקודמן הספוח יכול להגיע ביעילות למיקום המדרגה האטומית עם אנרגיית פני שטח נמוכה יחסית באמצעות דיפוזיה פני שטח. בשלב, מיקום הקשר בין אטום/קבוצה מולקולרית שלפניו הוא ייחודי, כך שבמצב גדילת זרימת הצעדים, השכבה האפיטקסיאלית יכולה לרשת בצורה מושלמת את רצף הערימה של שכבת אטום כפולה Si-C של המצע כדי ליצור גביש יחיד עם אותה פאזה גבישית כמו המצע.
(2) צמיחה אפיטקסיאלית במהירות גבוהה מושגת על ידי הכנסת מקור סיליקון המכיל כלור. במערכות שקיעת אדים כימיות קונבנציונליות של SiC, סילאן ופרופאן (או אתילן) הם מקורות הצמיחה העיקריים. בתהליך של הגברת קצב הצמיחה על ידי הגדלת קצב הזרימה של מקור הצמיחה, ככל שלחץ חלקי שיווי המשקל של רכיב הסיליקון ממשיך לעלות, קל ליצור צבירי סיליקון על ידי התגרענות הומוגנית של פאזה גזית, מה שמפחית משמעותית את קצב הניצול של מקור הסיליקון. היווצרות צבירי סיליקון מגבילה מאוד את שיפור קצב הצמיחה האפיטקסיאלית. יחד עם זאת, צבירי סיליקון יכולים להפריע לצמיחת זרימת המדרגה ולגרום להתגרענות פגמים. על מנת למנוע התגרענות הומוגנית של פאזה גזית ולהגדיל את קצב הצמיחה האפיטקסיאלית, הכנסת מקורות סיליקון מבוססי כלור היא כיום השיטה המרכזית להגברת קצב הצמיחה האפיטקסיאלית של 4H-SiC.
ציוד אפיטקסיאלי של SiC בקוטר 1.2 200 מ"מ (8 אינץ') ותנאי תהליך
הניסויים המתוארים במאמר זה נערכו כולם על ציוד אפיטקסיאלי מונוליטי תואם 150/200 מ"מ (6/8 אינץ') בעל דופן חמה אופקית SiC, שפותח באופן עצמאי על ידי המכון ה-48 של קבוצת טכנולוגיית האלקטרוניקה של סין. תנור האפיטקסיאלי תומך בטעינה ופריקה אוטומטיות לחלוטין של פרוסות ופלים. איור 1 הוא תרשים סכמטי של המבנה הפנימי של תא התגובה של הציוד האפיטקסיאלי. כפי שמוצג באיור 1, הדופן החיצונית של תא התגובה היא פעמון קוורץ עם שכבת ביניים מקוררת במים, ופנימי הפעמון הוא תא תגובה בטמפרטורה גבוהה, המורכב מלבד פחמן מבודד תרמי, חלל גרפיט מיוחד בעל טוהר גבוה, בסיס מסתובב צף של גז גרפיט וכו'. כל פעמון הקוורץ מכוסה בסליל אינדוקציה גלילי, ותא התגובה בתוך הפעמון מחומם אלקטרומגנטית על ידי ספק כוח אינדוקציה בתדר בינוני. כפי שמוצג באיור 1 (ב), גז הנשא, גז התגובה וגז הסימום זורמים כולם דרך פני השטח של הוופל בזרימה למינרית אופקית מהזרם של תא התגובה אל הזרימה של תא התגובה, ונפלטים מקצה גז הזנב. כדי להבטיח את העקביות בתוך הוופל, הוופל הנישא על ידי הבסיס הצף באוויר מסובב תמיד במהלך התהליך.
המצע ששימש בניסוי הוא מצע SiC דו-צדדי מלוטש מסוג 4H-SiC מסחרי בכיוון <1120> מסוג n, בכיוון 4°, המיוצר על ידי חברת Shanxi Shuoke Crystal. טריכלורוסילאן (SiHCl3, TCS) ואתילן (C2H4) משמשים כמקורות הצמיחה העיקריים בניסוי התהליך, ביניהם TCS ו-C2H4 משמשים כמקור סיליקון ומקור פחמן בהתאמה, חנקן (N2) בעל טוהר גבוה משמש כמקור סימום מסוג n, ומימן (H2) משמש כגז דילול וגז נשא. טווח הטמפרטורות של התהליך האפיטקסיאלי הוא 1600 ~ 1660 ℃, לחץ התהליך הוא 8×103 ~ 12×103 Pa, וקצב הזרימה של גז הנשא של H2 הוא 100 ~ 140 ליטר/דקה.
1.3 בדיקה ואפיון פרוסות אפיטקסיאליות
ספקטרומטר אינפרא אדום פורייה (יצרן הציוד Thermalfisher, דגם iS50) ובודק ריכוז גשש כספית (יצרן הציוד Semilab, דגם 530L) שימשו לאפיון הממוצע וההתפלגות של עובי השכבה האפיטקסיאלית וריכוז הסימום; העובי וריכוז הסימום של כל נקודה בשכבה האפיטקסיאלית נקבעו על ידי לקיחת נקודות לאורך קו הקוטר החותך את קו הנורמלי של קצה הייחוס הראשי בזווית של 45° במרכז הוופל עם הסרת קצה של 5 מ"מ. עבור וופל של 150 מ"מ, נלקחו 9 נקודות לאורך קו קוטר יחיד (שני קטרים היו ניצבים זה לזה), ועבור וופל של 200 מ"מ, נלקחו 21 נקודות, כפי שמוצג באיור 2. מיקרוסקופ כוח אטומי (יצרן הציוד Bruker, דגם Dimension Icon) שימש לבחירת אזורים של 30 מיקרומטר × 30 מיקרומטר באזור המרכז ובאזור הקצה (הסרת קצה של 5 מ"מ) של הוופל האפיטקסיאלי כדי לבדוק את חספוס פני השטח של השכבה האפיטקסיאלית; הפגמים בשכבה האפיטקסיאלית נמדדו באמצעות בודק פגמי שטח (יצרן ציוד China Electronics). מכשיר ההדמיה התלת-ממדית אופיין על ידי חיישן מכ"ם (דגם Mars 4410 pro) מתוצרת Kefenghua.
זמן פרסום: 4 בספטמבר 2024