ამჟამად, SiC ინდუსტრია 150 მმ-დან (6 ინჩი) 200 მმ-მდე (8 ინჩი) გარდაიქმნება. ინდუსტრიაში დიდი ზომის, მაღალი ხარისხის SiC ჰომოეპიტაქსიურ ვაფლებზე გადაუდებელი მოთხოვნის დასაკმაყოფილებლად, 150 მმ და 200 მმ...4H-SiC ჰომეოეპიტაქსიური ვაფლებიწარმატებით მომზადდა საყოფაცხოვრებო სუბსტრატებზე დამოუკიდებლად შემუშავებული 200 მმ SiC ეპიტაქსიალური ზრდის მოწყობილობის გამოყენებით. შემუშავდა 150 მმ და 200 მმ-სთვის შესაფერისი ჰომოეპიტაქსიალური პროცესი, რომლის დროსაც ეპიტაქსიალური ზრდის სიჩქარე შეიძლება იყოს 60 მკმ/სთ-ზე მეტი. მაღალსიჩქარიანი ეპიტაქსიის მოთხოვნების დაკმაყოფილებისას, ეპიტაქსიალური ვაფლის ხარისხი შესანიშნავია. 150 მმ და 200 მმ სისქის ერთგვაროვნებაSiC ეპიტაქსიური ვაფლებიშესაძლებელია მისი კონტროლი 1.5%-ის ფარგლებში, კონცენტრაციის ერთგვაროვნება 3%-ზე ნაკლებია, ფატალური დეფექტის სიმკვრივე 0.3 ნაწილაკზე/სმ2-ზე ნაკლებია, ხოლო ეპიტაქსიური ზედაპირის უხეშობის საშუალო კვადრატული Ra 0.15 ნმ-ზე ნაკლებია, ხოლო ძირითადი პროცესის ყველა ინდიკატორი ინდუსტრიის მოწინავე დონეზეა.
სილიციუმის კარბიდი (SiC)მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალების ერთ-ერთი წარმომადგენელია. მას ახასიათებს მაღალი დაშლის ველის სიძლიერე, შესანიშნავი თბოგამტარობა, ელექტრონების გაჯერების დიდი დრიფტის სიჩქარე და ძლიერი რადიაციული წინააღმდეგობა. მან მნიშვნელოვნად გააფართოვა ენერგომოწყობილობების ენერგიის დამუშავების შესაძლებლობა და შეუძლია დააკმაყოფილოს ახალი თაობის ენერგოელექტრონული მოწყობილობების მომსახურების მოთხოვნები მაღალი სიმძლავრის, მცირე ზომის, მაღალი ტემპერატურის, მაღალი რადიაციის და სხვა ექსტრემალური პირობების მქონე მოწყობილობებისთვის. მას შეუძლია შეამციროს სივრცე, შეამციროს ენერგიის მოხმარება და შეამციროს გაგრილების მოთხოვნები. მან რევოლუციური ცვლილებები მოიტანა ახალი ენერგიის სატრანსპორტო საშუალებებში, რკინიგზის ტრანსპორტში, ჭკვიან ქსელებსა და სხვა სფეროებში. ამიტომ, სილიციუმის კარბიდის ნახევარგამტარები აღიარებულია იდეალურ მასალად, რომელიც ლიდერობს მაღალი სიმძლავრის ელექტრონული მოწყობილობების შემდეგ თაობაში. ბოლო წლებში, მესამე თაობის ნახევარგამტარული ინდუსტრიის განვითარების ეროვნული პოლიტიკის მხარდაჭერის წყალობით, 150 მმ SiC მოწყობილობების ინდუსტრიული სისტემის კვლევა, განვითარება და მშენებლობა ძირითადად დასრულდა ჩინეთში და სამრეწველო ჯაჭვის უსაფრთხოება ძირითადად გარანტირებულია. ამიტომ, ინდუსტრიის ყურადღება თანდათან გადავიდა ხარჯების კონტროლსა და ეფექტურობის გაუმჯობესებაზე. როგორც ცხრილი 1-დან ჩანს, 150 მმ-თან შედარებით, 200 მმ SiC-ს უფრო მაღალი კიდის გამოყენების მაჩვენებელი აქვს, ხოლო ერთი ვაფლის ჩიპების გამომუშავება შეიძლება დაახლოებით 1.8-ჯერ გაიზარდოს. ტექნოლოგიის განვითარების შემდეგ, ერთი ჩიპის წარმოების ღირებულება შეიძლება 30%-ით შემცირდეს. 200 მმ-ის ტექნოლოგიური გარღვევა „ხარჯების შემცირებისა და ეფექტურობის გაზრდის“ პირდაპირი საშუალებაა და ასევე ჩემი ქვეყნის ნახევარგამტარული ინდუსტრიისთვის „პარალელურად მუშაობის“ ან თუნდაც „წამყვანობის“ გასაღებია.
Si მოწყობილობის პროცესისგან განსხვავებით,SiC ნახევარგამტარული დენის მოწყობილობებიყველა მათგანი დამუშავებული და მომზადებულია ეპიტაქსიური ფენებით, როგორც ქვაკუთხედი. ეპიტაქსიური ვაფლები SiC ენერგეტიკული მოწყობილობებისთვის აუცილებელი ძირითადი მასალაა. ეპიტაქსიური ფენის ხარისხი პირდაპირ განსაზღვრავს მოწყობილობის მოსავლიანობას და მისი ღირებულება ჩიპის წარმოების ღირებულების 20%-ს შეადგენს. ამიტომ, ეპიტაქსიური ზრდა SiC ენერგეტიკული მოწყობილობების მნიშვნელოვან შუალედურ რგოლს წარმოადგენს. ეპიტაქსიური პროცესის დონის ზედა ზღვარი განისაზღვრება ეპიტაქსიური აღჭურვილობით. ამჟამად, 150 მმ SiC ეპიტაქსიური აღჭურვილობის ლოკალიზაციის ხარისხი ჩინეთში შედარებით მაღალია, მაგრამ 200 მმ-იანი მთლიანი განლაგება ამავდროულად ჩამორჩება საერთაშორისო დონეს. ამიტომ, მესამე თაობის შიდა ნახევარგამტარული ინდუსტრიის განვითარებისთვის დიდი ზომის, მაღალი ხარისხის ეპიტაქსიური მასალების წარმოების გადაუდებელი საჭიროებების და შემაფერხებელი პრობლემების გადასაჭრელად, ეს ნაშრომი წარმოგიდგენთ ჩემს ქვეყანაში წარმატებით შემუშავებულ 200 მმ SiC ეპიტაქსიურ აღჭურვილობას და შეისწავლის ეპიტაქსიურ პროცესს. პროცესის პარამეტრების, როგორიცაა პროცესის ტემპერატურა, გადამტანი აირის ნაკადის სიჩქარე, C/Si თანაფარდობა და ა.შ., ოპტიმიზაციით, დამოუკიდებლად განვითარებული 200 მმ სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიური ღუმელით მიიღება 150 მმ და 200 მმ SiC ეპიტაქსიური ვაფლების კონცენტრაციის ერთგვაროვნება <3%, სისქის არაერთგვაროვნება <1.5%, უხეშობა Ra <0.2 ნმ და ფატალური დეფექტის სიმკვრივე <0.3 მარცვალი/სმ2. აღჭურვილობის პროცესის დონეს შეუძლია დააკმაყოფილოს მაღალი ხარისხის SiC ენერგომოწყობილობის მომზადების საჭიროებები.
1 ექსპერიმენტი
1.1 პრინციპიSiC ეპიტაქსიურიპროცესი
4H-SiC ჰომოეპიტაქსიური ზრდის პროცესი ძირითადად მოიცავს 2 ძირითად ეტაპს, კერძოდ, 4H-SiC სუბსტრატის მაღალტემპერატურულ ადგილზე გრავირებას და ჰომოგენური ქიმიური ორთქლის დეპონირების პროცესს. სუბსტრატის ადგილზე გრავირების მთავარი მიზანია ვაფლის გაპრიალების შემდეგ სუბსტრატის ზედაპირული დაზიანების, ნარჩენი გასაპრიალებელი სითხის, ნაწილაკების და ოქსიდის ფენის მოცილება, ხოლო გრავირების გზით სუბსტრატის ზედაპირზე შეიძლება ჩამოყალიბდეს რეგულარული ატომური საფეხურის სტრუქტურა. ადგილზე გრავირება, როგორც წესი, ხორციელდება წყალბადის ატმოსფეროში. პროცესის ფაქტობრივი მოთხოვნების შესაბამისად, ასევე შეიძლება დაემატოს მცირე რაოდენობით დამხმარე აირი, როგორიცაა წყალბადის ქლორიდი, პროპანი, ეთილენი ან სილანი. ადგილზე წყალბადის გრავირების ტემპერატურა, როგორც წესი, 1600 ℃-ზე მეტია, ხოლო რეაქციის კამერის წნევა, როგორც წესი, გრავირების პროცესის დროს კონტროლდება 2×104 Pa-ზე ქვემოთ.
სუბსტრატის ზედაპირის ადგილზე გრავირებით გააქტიურების შემდეგ, ის შედის მაღალტემპერატურულ ქიმიურ ორთქლის დეპონირების პროცესში, ანუ ზრდის წყარო (მაგალითად, ეთილენი/პროპანი, TCS/სილანი), დოპირების წყარო (n-ტიპის დოპირების წყარო აზოტი, p-ტიპის დოპირების წყარო TMAl) და დამხმარე აირი, როგორიცაა წყალბადის ქლორიდი, გადადის რეაქციის კამერაში გადამტანი აირის (ჩვეულებრივ წყალბადის) დიდი ნაკადის მეშვეობით. მას შემდეგ, რაც აირი რეაგირებს მაღალტემპერატურულ რეაქციის კამერაში, წინამორბედის ნაწილი ქიმიურად რეაგირებს და ადსორბირდება ვაფლის ზედაპირზე, და სუბსტრატის ზედაპირზე წარმოიქმნება ერთკრისტალური ერთგვაროვანი 4H-SiC ეპიტაქსიური ფენა სპეციფიკური დოპირების კონცენტრაციით, სპეციფიკური სისქით და უფრო მაღალი ხარისხით, ერთკრისტალური 4H-SiC სუბსტრატის, როგორც შაბლონის გამოყენებით. ტექნიკური კვლევის წლების შემდეგ, 4H-SiC ჰომოეპიტაქსიური ტექნოლოგია ძირითადად მომწიფდა და ფართოდ გამოიყენება სამრეწველო წარმოებაში. მსოფლიოში ყველაზე ფართოდ გამოყენებულ 4H-SiC ჰომოეპიტაქსიურ ტექნოლოგიას ორი ტიპიური მახასიათებელი აქვს:
(1) ღერძგარეშე (<0001> კრისტალური სიბრტყის მიმართ, <11-20> კრისტალური მიმართულებისკენ) ირიბი ჭრილის სუბსტრატის, როგორც შაბლონის გამოყენებით, სუბსტრატზე ეტაპობრივი ზრდის რეჟიმის სახით ილექება მაღალი სისუფთავის ერთკრისტალური 4H-SiC ეპიტაქსიალური ფენა მინარევების გარეშე. ადრეული 4H-SiC ჰომოეპიტაქსიალური ზრდა ზრდისთვის იყენებდა დადებით კრისტალურ სუბსტრატს, ანუ <0001> Si სიბრტყეს. დადებითი კრისტალური სუბსტრატის ზედაპირზე ატომური საფეხურების სიმკვრივე დაბალია და ტერასები ფართოა. ეპიტაქსიის პროცესის დროს ადვილად ხდება ორგანზომილებიანი ნუკლეაციის ზრდა 3C კრისტალური SiC (3C-SiC) წარმოქმნის მიზნით. ღერძგარეშე ჭრით, 4H-SiC <0001> სუბსტრატის ზედაპირზე შეიძლება შეიყვანოთ მაღალი სიმკვრივის, ვიწრო ტერასის სიგანის ატომური საფეხურები, ხოლო ადსორბირებული წინამორბედი ეფექტურად მიაღწევს ატომური საფეხურის პოზიციას შედარებით დაბალი ზედაპირული ენერგიით ზედაპირული დიფუზიის გზით. საფეხურზე, წინამორბედი ატომის/მოლეკულური ჯგუფის ბმის პოზიცია უნიკალურია, ამიტომ საფეხურებრივი ნაკადის ზრდის რეჟიმში, ეპიტაქსიურ ფენას შეუძლია იდეალურად დაიმკვიდროს სუბსტრატის Si-C ორმაგი ატომური ფენის დაწყობის თანმიმდევრობა და წარმოქმნას ერთკრისტალი იმავე კრისტალური ფაზით, რაც სუბსტრატს.
(2) მაღალსიჩქარიანი ეპიტაქსიური ზრდა მიიღწევა ქლორის შემცველი სილიციუმის წყაროს შეყვანით. SiC-ის ქიმიური ორთქლის დეპონირების ტრადიციულ სისტემებში, სილანი და პროპანი (ან ეთილენი) წარმოადგენს ზრდის ძირითად წყაროებს. ზრდის წყაროს ნაკადის სიჩქარის გაზრდით ზრდის ტემპის გაზრდის პროცესში, სილიციუმის კომპონენტის წონასწორული ნაწილობრივი წნევის აგრძელებულ ზრდასთან ერთად, ადვილია სილიციუმის კლასტერების ფორმირება ჰომოგენური აირადი ფაზის ნუკლეაციის გზით, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს სილიციუმის წყაროს გამოყენების სიჩქარეს. სილიციუმის კლასტერების ფორმირება მნიშვნელოვნად ზღუდავს ეპიტაქსიური ზრდის ტემპის გაუმჯობესებას. ამავდროულად, სილიციუმის კლასტერებს შეუძლიათ ხელი შეუშალონ ეტაპობრივ ნაკადურ ზრდას და გამოიწვიონ დეფექტური ნუკლეაცია. ჰომოგენური აირადი ფაზის ნუკლეაციის თავიდან ასაცილებლად და ეპიტაქსიური ზრდის ტემპის გასაზრდელად, ქლორზე დაფუძნებული სილიციუმის წყაროების შეყვანა ამჟამად 4H-SiC-ის ეპიტაქსიური ზრდის ტემპის გაზრდის ძირითად მეთოდს წარმოადგენს.
1.2 200 მმ (8 ინჩი) SiC ეპიტაქსიური აღჭურვილობა და პროცესის პირობები
ამ ნაშრომში აღწერილი ექსპერიმენტები ჩატარდა 150/200 მმ (6/8 ინჩი) თავსებად მონოლითურ ჰორიზონტალურ ცხელი კედლის SiC ეპიტაქსიალურ მოწყობილობაზე, რომელიც დამოუკიდებლად შემუშავებულია ჩინეთის ელექტრონიკის ტექნოლოგიების ჯგუფის კორპორაციის 48-ე ინსტიტუტის მიერ. ეპიტაქსიალური ღუმელი უზრუნველყოფს სრულად ავტომატურ ვაფლის ჩატვირთვას და გადმოტვირთვას. სურათი 1 წარმოადგენს ეპიტაქსიალური მოწყობილობის რეაქციის კამერის შიდა სტრუქტურის სქემატურ დიაგრამას. როგორც ნაჩვენებია სურათი 1-ზე, რეაქციის კამერის გარე კედელი წარმოადგენს კვარცის ზარს წყლით გაცივებული შუალედური ფენით, ხოლო ზარის შიდა მხარე წარმოადგენს მაღალი ტემპერატურის რეაქციის კამერას, რომელიც შედგება თბოიზოლაციის ნახშირბადის თექის, მაღალი სისუფთავის სპეციალური გრაფიტის ღრუს, გრაფიტის გაზზე მოტივტივე მბრუნავი ფუძისგან და ა.შ. მთელი კვარცის ზარი დაფარულია ცილინდრული ინდუქციური ხვეულით, ხოლო ზარის შიგნით რეაქციის კამერა ელექტრომაგნიტურად თბება საშუალო სიხშირის ინდუქციური კვების წყაროთი. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 1 (ბ)-ზე, გადამტანი აირი, რეაქციის აირი და შემავსებელი აირი ჰორიზონტალური ლამინარული ნაკადით მიედინება ვაფლის ზედაპირზე რეაქციის კამერის ზემოდან რეაქციის კამერის ქვედა დინებაში და გამოიყოფა კუდის აირის ბოლოდან. ვაფლში კონსისტენციის უზრუნველსაყოფად, ჰაერის მცურავი ფუძით გადატანილი ვაფლი პროცესის განმავლობაში ყოველთვის ბრუნავს.
ექსპერიმენტში გამოყენებული სუბსტრატი არის კომერციული 150 მმ, 200 მმ (6 ინჩი, 8 ინჩი) <1120> მიმართულებით 4°-დან გამომავალი კუთხით გამტარი n-ტიპის 4H-SiC ორმხრივი გაპრიალებული SiC სუბსტრატი, რომელიც წარმოებულია Shanxi Shuoke Crystal-ის მიერ. ტრიქლორსილანი (SiHCl3, TCS) და ეთილენი (C2H4) გამოიყენება როგორც ძირითადი ზრდის წყაროები პროცესის ექსპერიმენტში, რომელთა შორის TCS და C2H4 გამოიყენება შესაბამისად სილიციუმის და ნახშირბადის წყაროდ, მაღალი სისუფთავის აზოტი (N2) გამოიყენება n-ტიპის დოპირების წყაროდ, ხოლო წყალბადი (H2) გამოიყენება განზავების გაზად და მატარებელ გაზად. ეპიტაქსიური პროცესის ტემპერატურული დიაპაზონია 1600 ~1660 ℃, პროცესის წნევაა 8×103 ~12×103 Pa, ხოლო H2 მატარებელი აირის ნაკადის სიჩქარეა 100~140 ლ/წთ.
1.3 ეპიტაქსიური ვაფლის ტესტირება და დახასიათება
ეპიტაქსიური ფენის სისქისა და დოპირების კონცენტრაციის საშუალო და განაწილების დასახასიათებლად გამოყენებული იქნა ფურიეს ინფრაწითელი სპექტრომეტრი (აღჭურვილობის მწარმოებელი Thermalfisher, მოდელი iS50) და ვერცხლისწყლის ზონდის კონცენტრაციის ტესტერი (აღჭურვილობის მწარმოებელი Semilab, მოდელი 530L); ეპიტაქსიურ ფენაში თითოეული წერტილის სისქე და დოპირების კონცენტრაცია განისაზღვრა დიამეტრის ხაზის გასწვრივ წერტილების აღებით, რომლებიც კვეთენ მთავარი საცნობარო კიდის ნორმალურ ხაზს 45°-ზე, ვაფლის ცენტრში, კიდის 5 მმ მოცილებით. 150 მმ ვაფლისთვის, ერთი დიამეტრის ხაზის გასწვრივ აღებული იქნა 9 წერტილი (ორი დიამეტრი ერთმანეთთან პერპენდიკულარული იყო), ხოლო 200 მმ ვაფლისთვის, 21 წერტილი, როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში. ეპიტაქსიური ფენის ზედაპირის უხეშობის შესამოწმებლად გამოყენებული იქნა ატომური ძალის მიკროსკოპი (აღჭურვილობის მწარმოებელი Bruker, მოდელი Dimension Icon) ეპიტაქსიური ვაფლის ცენტრალურ არეში და კიდის არეში (კიდის 5 მმ მოშორებით) 30 μm×30 μm ფართობების შესარჩევად; ეპიტაქსიალური ფენის დეფექტები გაიზომა ზედაპირის დეფექტების ტესტერის გამოყენებით (აღჭურვილობის მწარმოებელი China Electronics). 3D ვიზუალიზაციის მოწყობილობა დახასიათდა Kefenghua-ს რადარის სენსორით (მოდელი Mars 4410 pro).
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 4 სექტემბერი