Kas yra CVD SiC danga?

ŠSDSiC danganeįtikėtinu greičiu keičia puslaidininkių gamybos procesų ribas. Ši, atrodytų, paprasta dengimo technologija tapo pagrindiniu sprendimu trims pagrindiniams iššūkiams – dalelių užterštumui, aukštatemperatūrinei korozijai ir plazmos erozijai – lustų gamyboje. Pirmaujantys pasaulio puslaidininkių įrangos gamintojai ją įtraukė į standartinę naujos kartos įrangos technologiją. Taigi, kas daro šią dangą lustų gamybos „nematomu šarvų“ pavidalu? Šiame straipsnyje bus išsamiai analizuojami jos techniniai principai, pagrindiniai pritaikymai ir pažangiausi proveržiai.

II. CVD SiC dangos apibrėžimas

CVD SiC danga – tai apsauginis silicio karbido (SiC) sluoksnis, nusodinamas ant pagrindo cheminio garų nusodinimo (CVD) būdu. Silicio karbidas yra silicio ir anglies junginys, žinomas dėl savo puikaus kietumo, didelio šilumos laidumo, cheminio inertiškumo ir atsparumo aukštai temperatūrai. CVD technologija gali sudaryti labai gryną, tankų ir vienodo storio SiC sluoksnį, kuris gali labai gerai prisitaikyti prie sudėtingų geometrinių formų. Dėl to CVD SiC dangos labai tinka sudėtingoms reikmėms, kurių negalima patenkinti tradicinėmis biriomis medžiagomis ar kitais dengimo būdais.

II. CVD proceso principas

Cheminis garų nusodinimas (CVD) yra universalus gamybos metodas, naudojamas aukštos kokybės, didelio našumo kietosioms medžiagoms gaminti. Pagrindinis CVD principas apima dujinių pirmtakų reakciją ant įkaitinto pagrindo paviršiaus, kad susidarytų kieta danga.

Čia pateikiamas supaprastintas SiC CVD proceso suskirstymas:

CVD proceso principo schema

1. Pirmtako įvedimasĮ reakcijos kamerą įleidžiami dujiniai pirmtakai, paprastai silicio turinčios dujos (pvz., metiltrichlorosilanas – MTS arba silanas – SiH₄) ir anglies turinčios dujos (pvz., propanas – C₃H₈).

2. Dujų tiekimasŠios pirmtakų dujos teka virš įkaitinto pagrindo.

3. AdsorbcijaPirmtakų molekulės adsorbuojasi ant karšto substrato paviršiaus.

4. Paviršiaus reakcijaAukštoje temperatūroje adsorbuotos molekulės patiria chemines reakcijas, dėl kurių pirmtakas skyla ir susidaro kieta SiC plėvelė. Šalutiniai produktai išsiskiria dujų pavidalu.

5. Desorbcija ir išmetimasDujiniai šalutiniai produktai desorbuojasi nuo paviršiaus ir pašalinami iš kameros. Tikslus temperatūros, slėgio, dujų srauto greičio ir pirmtakų koncentracijos valdymas yra labai svarbus norint pasiekti norimas plėvelės savybes, įskaitant storį, grynumą, kristališkumą ir sukibimą.

III. CVD SiC dangų panaudojimas puslaidininkių procesuose

CVD SiC dangos yra nepakeičiamos puslaidininkių gamyboje, nes jų unikalus savybių derinys tiesiogiai atitinka ekstremalias gamybos aplinkos sąlygas ir griežtus grynumo reikalavimus. Jos padidina atsparumą plazmos korozijai, cheminiam poveikiui ir dalelių susidarymui, o visa tai yra labai svarbu siekiant maksimaliai padidinti plokštelių išeigą ir įrangos veikimo laiką.

Toliau pateikiamos kelios įprastos CVD SiC dengtos dalys ir jų taikymo scenarijai:

1. Plazminio ėsdinimo kamera ir fokusavimo žiedas

ProduktaiCVD SiC dengti įdėklai, dušo galvutės, susceptoriai ir fokusavimo žiedai.

ParaiškaPlazminio ėsdinimo metu naudojama labai aktyvi plazma, skirta selektyviai pašalinti medžiagas iš plokštelių. Nepadengtos arba mažiau patvarios medžiagos greitai suyra, todėl jos užteršiamos dalelėmis ir dažnai trunka prastovos. CVD SiC dangos pasižymi puikiu atsparumu agresyvioms plazmos cheminėms medžiagoms (pvz., fluoro, chloro, bromo plazmai), pailgina pagrindinių kameros komponentų tarnavimo laiką ir sumažina dalelių susidarymą, o tai tiesiogiai padidina plokštelių išeigą.

2. PECVD ir HDPCVD kameros

ProduktaiCVD SiC dengtos reakcijos kameros ir elektrodai.

ParaiškosPlonoms plėvelėms (pvz., dielektriniams sluoksniams, pasyvavimo sluoksniams) nusodinti naudojami plazminiu būdu sustiprintas cheminis garų nusodinimas (PECVD) ir didelio tankio plazminis CVD (HDPCVD). Šie procesai taip pat apima atšiaurias plazmos aplinkas. CVD SiC dangos apsaugo kameros sieneles ir elektrodus nuo erozijos, užtikrindamos pastovią plėvelės kokybę ir sumažindamos defektus.

3. Jonų implantavimo įranga

ProduktaiCVD SiC dengti spindulių linijų komponentai (pvz., apertūros, Faradėjaus puodeliai).

ParaiškosJonų implantacija į puslaidininkinius substratus įveda legiruojančius jonus. Didelės energijos jonų pluoštai gali sukelti atvirų komponentų dulkinimąsi ir eroziją. CVD SiC kietumas ir didelis grynumas sumažina dalelių susidarymą iš pluošto linijų komponentų, užkertant kelią plokštelių užteršimui šio svarbaus legiravimo etapo metu.

4. Epitaksinio reaktoriaus komponentai

ProduktaiCVD SiC dengti susceptoriai ir dujų skirstytuvai.

ParaiškosEpitaksinis auginimas (EPI) – tai labai tvarkingų kristalinių sluoksnių auginimas ant substrato aukštoje temperatūroje. CVD SiC dengti susceptoriai pasižymi puikiu terminiu stabilumu ir cheminiu inertiškumu aukštoje temperatūroje, užtikrindami tolygų kaitinimą ir apsaugodami patį susceptorių nuo užteršimo, o tai yra labai svarbu norint gauti aukštos kokybės epitaksinius sluoksnius.

Mažėjant lustų geometrijoms ir didėjant procesų reikalavimams, aukštos kokybės CVD SiC dangų tiekėjų ir gamintojų paklausa toliau auga.

IV. Kokie yra CVD SiC dengimo proceso iššūkiai?

Nepaisant didelių CVD SiC dangos privalumų, jos gamyba ir taikymas vis dar susiduria su tam tikrais technologiniais iššūkiais. Šių iššūkių sprendimas yra raktas į stabilų našumą ir ekonomiškumą.

Iššūkiai:

1. Sukibimas su pagrindu

Dėl skirtingų šiluminio plėtimosi koeficientų ir paviršiaus energijos SiC gali būti sunku užtikrinti tvirtą ir vienodą sukibimą su įvairiomis substrato medžiagomis (pvz., grafitu, siliciu, keramika). Prastas sukibimas gali sukelti delaminaciją terminio ciklavimo ar mechaninio įtempio metu.

Sprendimai:

Paviršiaus paruošimasKruopštus pagrindo valymas ir paviršiaus apdorojimas (pvz., ėsdinimas, plazminis apdorojimas), siekiant pašalinti teršalus ir sukurti optimalų paviršių klijavimui.

Tarpinis sluoksnisUžtepkite ploną ir pritaikytą tarpsluoksnį arba buferinį sluoksnį (pvz., pirolizės anglį, TaC – panašiai kaip CVD TaC danga tam tikrose srityse), kad sumažintumėte šiluminio plėtimosi neatitikimą ir pagerintumėte sukibimą.

Optimizuokite nusodinimo parametrusKruopščiai kontroliuokite nusodinimo temperatūrą, slėgį ir dujų santykį, kad optimizuotumėte SiC plėvelių susidarymą ir augimą bei skatintumėte stiprų tarpsluoksninį ryšį.

2. Plėvelės įtempimas ir įtrūkimai

Nusodinimo arba vėlesnio aušinimo metu SiC plėvelėse gali susidaryti liekamieji įtempiai, dėl kurių jos gali įtrūkti arba deformuotis, ypač didesnėse arba sudėtingesnėse geometrijose.

Sprendimai:

Temperatūros kontrolėTiksliai valdykite šildymo ir vėsinimo greitį, kad sumažintumėte terminį smūgį ir įtempį.

Gradiento dangaNaudokite daugiasluoksnius arba gradientinius dengimo metodus, kad palaipsniui keistumėte medžiagos sudėtį arba struktūrą ir prisitaikytumėte prie įtempių.

Atkaitinimas po nusodinimoAtkaitinkite padengtas dalis, kad pašalintumėte liekamąjį įtempį ir pagerintumėte plėvelės vientisumą.

3. Sudėtingų geometrinių formų konformiškumas ir vienodumas

Dėl prekursorių difuzijos ir reakcijos kinetikos apribojimų gali būti sunku nusodinti vienodo storio ir konforminius sluoksnius ant sudėtingų formų, didelio kraštinių santykio arba vidinių kanalų detalių.

Sprendimai:

Reaktoriaus konstrukcijos optimizavimasSuprojektuoti CVD reaktorius su optimizuota dujų srauto dinamika ir temperatūros vienodumu, siekiant užtikrinti tolygų pirmtakų pasiskirstymą.

Proceso parametrų koregavimasTiksliai sureguliuokite nusodinimo slėgį, srauto greitį ir pirmtakų koncentraciją, kad pagerintumėte dujų fazės difuziją į sudėtingus darinius.

Daugiapakopis nusodinimasNaudokite nuolatinio nusodinimo etapus arba besisukančius įtaisus, kad visi paviršiai būtų tinkamai padengti.

V. DUK

1 klausimas: Kuo pagrindinis CVD SiC ir PVD SiC skirtumas puslaidininkių taikymuose?

A: CVD dangos yra stulpelinės kristalinės struktūros, kurių grynumas yra >99,99 %, tinkamos plazminei aplinkai; PVD dangos dažniausiai yra amorfinės/nanokristalinės, kurių grynumas yra <99,9 %, daugiausia naudojamos dekoratyvinėms dangoms.

2 klausimas: Kokia maksimali temperatūra gali atlaikyti dangą?

A: Trumpalaikis 1650 °C toleravimas (pvz., atkaitinimo procesas), ilgalaikio naudojimo riba 1450 °C, viršijus šią temperatūrą, įvyks fazinis virsmas iš β-SiC į α-SiC.

3 klausimas: Tipinis dangos storio diapazonas?

A: Puslaidininkinių komponentų storis dažniausiai siekia 80–150 μm, o orlaivių variklių EBC dangų storis gali siekti 300–500 μm.

4 klausimas: Kokie yra pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką kainai?

A: Pirmtako grynumas (40 %), įrangos energijos suvartojimas (30 %), išeigos nuostoliai (20 %). Aukštos klasės dangų vieneto kaina gali siekti 5 000 USD/kg.

5 klausimas: Kokie yra pagrindiniai pasauliniai tiekėjai?

A: Europa ir Jungtinės Valstijos: „CoorsTek“, „Mersen“, „Ionbond“; Azija: „Semixlab“, „Veteksemicon“, „Kallex“ (Taivanas), „Scientech“ (Taivanas)