८-इंची एसआयसी एपिटॅक्सियल फर्नेस आणि होमोएपिटॅक्सियल प्रक्रियेवरील संशोधन-Ⅰ

सध्या, एसआयसी (SiC) उद्योग १५० मिमी (६ इंच) पासून २०० मिमी (८ इंच) मध्ये रूपांतरित होत आहे. उद्योगातील मोठ्या आकाराच्या, उच्च-गुणवत्तेच्या एसआयसी होमोएपिटॅक्सियल वेफर्सची तातडीची मागणी पूर्ण करण्यासाठी, १५० मिमी आणि २०० मिमी4H-SiC होमोएपिटॅक्सियल वेफर्सस्वतंत्रपणे विकसित केलेल्या २०० मिमी एसआयसी एपिटॅक्सियल ग्रोथ उपकरणाचा वापर करून स्वदेशी सबस्ट्रेट्सवर यशस्वीरित्या तयार करण्यात आले. १५० मिमी आणि २०० मिमीसाठी योग्य अशी होमोएपिटॅक्सियल प्रक्रिया विकसित करण्यात आली, ज्यामध्ये एपिटॅक्सियल वाढीचा दर ६० मायक्रॉन/तास पेक्षा जास्त असू शकतो. उच्च-गती एपिटॅक्सीची पूर्तता करताना, एपिटॅक्सियल वेफरची गुणवत्ता उत्कृष्ट आहे. १५० मिमी आणि २०० मिमी जाडीची एकसमानता.एसआयसी एपिटॅक्सियल वेफर्स१.५% च्या आत नियंत्रित केले जाऊ शकते, सांद्रता एकसमानता ३% पेक्षा कमी आहे, घातक दोष घनता ०.३ कण/सेमी² पेक्षा कमी आहे, आणि एपिटॅक्सियल पृष्ठभाग खडबडीतपणा रूट मीन स्क्वेअर Ra ०.१५nm पेक्षा कमी आहे, आणि सर्व मुख्य प्रक्रिया निर्देशक उद्योगाच्या प्रगत स्तरावर आहेत.

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) हे तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्रीच्या प्रतिनिधींपैकी एक आहे. यात उच्च ब्रेकडाउन फील्ड सामर्थ्य, उत्कृष्ट औष्णिक वाहकता, मोठा इलेक्ट्रॉन सॅचुरेशन ड्रिफ्ट वेग आणि तीव्र रेडिएशन प्रतिरोध ही वैशिष्ट्ये आहेत. याने पॉवर उपकरणांची ऊर्जा प्रक्रिया क्षमता मोठ्या प्रमाणात वाढवली आहे आणि उच्च शक्ती, लहान आकार, उच्च तापमान, उच्च रेडिएशन आणि इतर अत्यंत कठीण परिस्थिती असलेल्या उपकरणांसाठी पुढील पिढीच्या पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या सेवा आवश्यकता पूर्ण करू शकते. यामुळे जागा कमी होते, वीज वापर कमी होतो आणि कूलिंगची आवश्यकता कमी होते. याने नवीन ऊर्जा वाहने, रेल्वे वाहतूक, स्मार्ट ग्रिड आणि इतर क्षेत्रांमध्ये क्रांतीकारक बदल घडवून आणले आहेत. त्यामुळे, सिलिकॉन कार्बाइड सेमीकंडक्टरला पुढील पिढीतील उच्च-शक्तीच्या पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचे नेतृत्व करणारी एक आदर्श सामग्री म्हणून मान्यता मिळाली आहे. अलिकडच्या वर्षांत, तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर उद्योगाच्या विकासासाठी राष्ट्रीय धोरणात्मक पाठिंब्यामुळे, चीनमध्ये १५० मिमी SiC उपकरण उद्योग प्रणालीचे संशोधन आणि विकास व बांधकाम मूलभूतपणे पूर्ण झाले आहे आणि औद्योगिक साखळीची सुरक्षा मूलभूतपणे सुनिश्चित केली गेली आहे. त्यामुळे, उद्योगाचे लक्ष हळूहळू खर्च नियंत्रण आणि कार्यक्षमता सुधारण्यावर केंद्रित झाले आहे. तक्ता १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, १५० मिमीच्या तुलनेत, २०० मिमी एसआयसीचा एज युटिलायझेशन रेट जास्त आहे आणि सिंगल वेफर चिप्सचे उत्पादन सुमारे १.८ पटीने वाढवता येते. हे तंत्रज्ञान परिपक्व झाल्यावर, एका चिपचा उत्पादन खर्च ३०% ने कमी केला जाऊ शकतो. २०० मिमीमधील ही तांत्रिक प्रगती म्हणजे "खर्च कमी करणे आणि कार्यक्षमता वाढवणे" याचे एक थेट साधन आहे, आणि माझ्या देशाच्या सेमीकंडक्टर उद्योगाला "समांतरपणे चालण्यासाठी" किंवा "नेतृत्व करण्यासाठी" ही एक गुरुकिल्ली आहे.

Si डिव्हाइस प्रक्रियेपेक्षा वेगळे,SiC सेमीकंडक्टर पॉवर डिव्हाइसेसएपिटॅक्सियल थरांना आधारस्तंभ मानून या सर्वांवर प्रक्रिया केली जाते आणि त्यांची तयारी केली जाते. एपिटॅक्सियल वेफर्स हे SiC पॉवर डिव्हाइसेससाठी आवश्यक मूलभूत साहित्य आहे. एपिटॅक्सियल थराची गुणवत्ता थेट डिव्हाइसचे उत्पादन ठरवते आणि त्याचा खर्च चिप उत्पादन खर्चाच्या २०% असतो. त्यामुळे, एपिटॅक्सियल वाढ ही SiC पॉवर डिव्हाइसेसमधील एक आवश्यक मध्यवर्ती दुवा आहे. एपिटॅक्सियल प्रक्रियेच्या पातळीची उच्च मर्यादा एपिटॅक्सियल उपकरणांवरून ठरवली जाते. सध्या, चीनमध्ये १५० मिमी SiC एपिटॅक्सियल उपकरणांचे स्थानिकीकरण तुलनेने उच्च आहे, परंतु त्याच वेळी २०० मिमीची एकूण रचना आंतरराष्ट्रीय पातळीपेक्षा मागे आहे. त्यामुळे, देशांतर्गत तिसऱ्या पिढीच्या सेमीकंडक्टर उद्योगाच्या विकासासाठी मोठ्या आकाराच्या, उच्च-गुणवत्तेच्या एपिटॅक्सियल सामग्रीच्या निर्मितीची तातडीची गरज आणि अडथळ्यांच्या समस्या सोडवण्यासाठी, या शोधनिबंधात माझ्या देशात यशस्वीरित्या विकसित केलेल्या २०० मिमी SiC एपिटॅक्सियल उपकरणांची ओळख करून दिली आहे आणि एपिटॅक्सियल प्रक्रियेचा अभ्यास केला आहे. प्रक्रिया तापमान, वाहक वायू प्रवाह दर, C/Si गुणोत्तर इत्यादी प्रक्रिया पॅरामीटर्सना अनुकूलित करून, स्वतंत्रपणे विकसित केलेल्या २०० मिमी सिलिकॉन कार्बाइड एपिटॅक्सियल फर्नेसमध्ये १५० मिमी आणि २०० मिमी SiC एपिटॅक्सियल वेफर्सची सांद्रता एकसमानता <३%, जाडीतील असमानता <१.५%, खडबडीतपणा Ra <०.२ nm आणि घातक दोष घनता <०.३ कण/सेमी² मिळवली जाते. या उपकरणाची प्रक्रिया पातळी उच्च-गुणवत्तेच्या SiC पॉवर डिव्हाइसच्या निर्मितीच्या गरजा पूर्ण करू शकते.

 

१ प्रयोग

 

१.१ चे तत्त्वSiC एपिटॅक्सियलप्रक्रिया

4H-SiC होमोएपिटॅक्सियल वाढ प्रक्रियेमध्ये प्रामुख्याने २ मुख्य टप्पे समाविष्ट आहेत, ते म्हणजे, 4H-SiC सबस्ट्रेटचे उच्च-तापमान इन-सिटू एचिंग आणि होमोजिनियस केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन प्रक्रिया. सबस्ट्रेट इन-सिटू एचिंगचा मुख्य उद्देश वेफर पॉलिशिंगनंतर सबस्ट्रेटच्या पृष्ठभागाखालील नुकसान, शिल्लक राहिलेले पॉलिशिंग द्रव, कण आणि ऑक्साईड थर काढून टाकणे हा आहे, आणि एचिंगद्वारे सबस्ट्रेटच्या पृष्ठभागावर एक नियमित अणूंच्या पायऱ्यांसारखी रचना तयार केली जाऊ शकते. इन-सिटू एचिंग सामान्यतः हायड्रोजनच्या वातावरणात केले जाते. प्रत्यक्ष प्रक्रियेच्या गरजेनुसार, हायड्रोजन क्लोराईड, प्रोपेन, इथिलीन किंवा सिलेन यांसारखा थोड्या प्रमाणात सहायक वायू देखील जोडला जाऊ शकतो. इन-सिटू हायड्रोजन एचिंगचे तापमान साधारणपणे १,६००°C पेक्षा जास्त असते आणि एचिंग प्रक्रियेदरम्यान रिॲक्शन चेंबरचा दाब साधारणपणे २×१०⁴ Pa पेक्षा कमी नियंत्रित केला जातो.

सब्सट्रेटचा पृष्ठभाग इन-सिटू एचिंगद्वारे सक्रिय केल्यानंतर, तो उच्च-तापमान रासायनिक बाष्प निक्षेपण प्रक्रियेत प्रवेश करतो, म्हणजेच, वाढीचा स्रोत (जसे की इथिलीन/प्रोपेन, टीसीएस/सिलेन), डोपिंगचा स्रोत (एन-टाइप डोपिंग स्रोत नायट्रोजन, पी-टाइप डोपिंग स्रोत टीएमएएल), आणि हायड्रोजन क्लोराइडसारखा सहायक वायू वाहक वायूच्या (सहसा हायड्रोजन) मोठ्या प्रवाहाद्वारे अभिक्रिया कक्षात वाहून नेला जातो. उच्च-तापमान अभिक्रिया कक्षात वायूची अभिक्रिया झाल्यानंतर, पूर्वगामी पदार्थाचा काही भाग रासायनिकरित्या अभिक्रिया करतो आणि वेफरच्या पृष्ठभागावर शोषला जातो, आणि एकल-स्फटिक 4H-SiC सब्सट्रेटचा साचा म्हणून वापर करून सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर विशिष्ट डोपिंग सांद्रता, विशिष्ट जाडी आणि उच्च गुणवत्तेचा एकल-स्फटिक एकसंध 4H-SiC एपिटॅक्सियल थर तयार होतो. अनेक वर्षांच्या तांत्रिक संशोधनानंतर, 4H-SiC होमोएपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान मूलतः परिपक्व झाले आहे आणि औद्योगिक उत्पादनात त्याचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. जगात सर्वाधिक वापरल्या जाणाऱ्या 4H-SiC होमोएपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाची दोन ठळक वैशिष्ट्ये आहेत:
(१) ऑफ-अॅक्सिस (<०००१> क्रिस्टल प्लेनच्या सापेक्ष, <११-२०> क्रिस्टल दिशेकडे) तिरकस कापलेल्या सबस्ट्रेटचा टेम्पलेट म्हणून वापर करून, स्टेप-फ्लो ग्रोथ मोडच्या स्वरूपात सबस्ट्रेटवर अशुद्धीविरहित उच्च-शुद्धतेचा सिंगल-क्रिस्टल ४एच-एसआयसी (4H-SiC) एपिटॅक्सियल थर जमा केला जातो. सुरुवातीच्या ४एच-एसआयसी होमोएपिटॅक्सियल ग्रोथमध्ये पॉझिटिव्ह क्रिस्टल सबस्ट्रेट, म्हणजेच <०००१> एसआयसी (Si) प्लेनचा, वाढीसाठी वापर केला जात असे. पॉझिटिव्ह क्रिस्टल सबस्ट्रेटच्या पृष्ठभागावरील अणूंच्या पायऱ्यांची घनता कमी असते आणि टेरेस रुंद असतात. एपिटॅक्सी प्रक्रियेदरम्यान द्विमितीय न्यूक्लिएशन ग्रोथ होऊन ३सी क्रिस्टल एसआयसी (3C-SiC) तयार होण्याची शक्यता असते. ऑफ-अॅक्सिस कटिंगमुळे, ४एच-एसआयसी <०००१> सबस्ट्रेटच्या पृष्ठभागावर उच्च-घनतेच्या, अरुंद टेरेस रुंदीच्या अणूंच्या पायऱ्या तयार करता येतात आणि शोषलेला प्रिकर्सर पृष्ठभागीय विसरणाद्वारे तुलनेने कमी पृष्ठभागीय ऊर्जेसह अणूंच्या पायऱ्यांच्या स्थानापर्यंत प्रभावीपणे पोहोचू शकतो. त्या टप्प्यावर, पूर्वसूचक अणू/आण्विक गटाच्या बंधनाची स्थिती अद्वितीय असते, त्यामुळे स्टेप फ्लो ग्रोथ मोडमध्ये, एपिटॅक्सियल थर सब्सट्रेटच्या Si-C दुहेरी अणू थरांच्या रचनेचा क्रम उत्तम प्रकारे जतन करून सब्सट्रेटसारख्याच क्रिस्टल फेजचा एकल क्रिस्टल तयार करू शकतो.
(२) क्लोरीनयुक्त सिलिकॉन स्रोताचा वापर करून उच्च-गती एपिटॅक्सियल वाढ साधली जाते. पारंपरिक SiC केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन प्रणालींमध्ये, सिलेन आणि प्रोपेन (किंवा इथिलीन) हे मुख्य वाढीचे स्रोत आहेत. वाढीच्या स्रोताचा प्रवाह दर वाढवून वाढीचा दर वाढवण्याच्या प्रक्रियेत, सिलिकॉन घटकाचा समतोल आंशिक दाब सतत वाढत असल्याने, एकसमान वायू अवस्थेतील केंद्रकीभवनाद्वारे सिलिकॉनचे समूह तयार होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे सिलिकॉन स्रोताच्या वापराचा दर लक्षणीयरीत्या कमी होतो. सिलिकॉन समूहांच्या निर्मितीमुळे एपिटॅक्सियल वाढीच्या दरातील सुधारणा मोठ्या प्रमाणात मर्यादित होते. त्याच वेळी, सिलिकॉन समूह स्टेप फ्लो वाढीमध्ये अडथळा आणू शकतात आणि दोष केंद्रकीभवन घडवू शकतात. एकसमान वायू अवस्थेतील केंद्रकीभवन टाळण्यासाठी आणि एपिटॅक्सियल वाढीचा दर वाढवण्यासाठी, क्लोरीन-आधारित सिलिकॉन स्रोतांचा वापर करणे ही सध्या 4H-SiC च्या एपिटॅक्सियल वाढीचा दर वाढवण्याची मुख्य पद्धत आहे.

 

१.२ २०० मिमी (८-इंच) एसआयसी एपिटॅक्सियल उपकरण आणि प्रक्रिया परिस्थिती

या शोधनिबंधात वर्णन केलेले सर्व प्रयोग, चायना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नॉलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशनच्या ४८ व्या संस्थेने स्वतंत्रपणे विकसित केलेल्या १५०/२०० मिमी (६/८-इंच) सुसंगत मोनोलिथिक हॉरिझॉन्टल हॉट वॉल SiC एपिटॅक्सियल उपकरणावर करण्यात आले. ही एपिटॅक्सियल भट्टी पूर्णपणे स्वयंचलित वेफर लोडिंग आणि अनलोडिंगला समर्थन देते. आकृती १ ही एपिटॅक्सियल उपकरणाच्या प्रतिक्रिया कक्षाच्या अंतर्गत संरचनेची योजनाबद्ध आकृती आहे. आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, प्रतिक्रिया कक्षाची बाह्य भिंत ही पाण्याने थंड केलेल्या इंटरलेअरसह एक क्वार्ट्झ बेल आहे, आणि बेलच्या आत एक उच्च-तापमान प्रतिक्रिया कक्ष आहे, जो थर्मल इन्सुलेशन कार्बन फेल्ट, उच्च-शुद्धतेची विशेष ग्रॅफाइट कॅव्हिटी, ग्रॅफाइट गॅस-फ्लोटिंग रोटेटिंग बेस इत्यादींनी बनलेला आहे. संपूर्ण क्वार्ट्झ बेल एका दंडगोलाकार इंडक्शन कॉइलने झाकलेली आहे, आणि बेलच्या आतील प्रतिक्रिया कक्षाला मध्यम-फ्रिक्वेन्सी इंडक्शन पॉवर सप्लायद्वारे विद्युतचुंबकीयरित्या गरम केले जाते. आकृती १ (ब) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, वाहक वायू, अभिक्रिया वायू आणि डोपिंग वायू हे सर्व अभिक्रिया कक्षाच्या अपस्ट्रीमपासून डाउनस्ट्रीमपर्यंत वेफरच्या पृष्ठभागावरून एका आडव्या स्तरित प्रवाहात वाहतात आणि टेल गॅसच्या टोकातून बाहेर टाकले जातात. वेफरमधील सुसंगतता सुनिश्चित करण्यासाठी, एअर फ्लोटिंग बेसने वाहून नेलेली वेफर प्रक्रियेदरम्यान नेहमी फिरवली जाते.

प्रयोगात वापरलेले सबस्ट्रेट हे शांक्सी शुओके क्रिस्टलने उत्पादित केलेले एक व्यावसायिक १५० मिमी, २०० मिमी (६ इंच, ८ इंच) <११२०> दिशेतील ४° ऑफ-अँगल असलेले प्रवाहकीय एन-टाइप ४एच-एसआयसी (4H-SiC) दुहेरी बाजूने पॉलिश केलेले एसआयसी (SiC) सबस्ट्रेट आहे. प्रक्रिया प्रयोगात ट्रायक्लोरोसिलिन (SiHCl3, TCS) आणि एथिलीन (C2H4) हे मुख्य वाढ स्रोत म्हणून वापरले जातात, ज्यापैकी TCS आणि C2H4 अनुक्रमे सिलिकॉन स्रोत आणि कार्बन स्रोत म्हणून वापरले जातात, उच्च-शुद्धतेचा नायट्रोजन (N2) एन-टाइप डोपिंग स्रोत म्हणून वापरला जातो आणि हायड्रोजन (H2) डायल्यूशन गॅस आणि कॅरियर गॅस म्हणून वापरला जातो. एपिटॅक्सियल प्रक्रियेची तापमान श्रेणी १६०० ~ १६६० ℃ आहे, प्रक्रिया दाब ८×१०³ ~१२×१०³ पास्कल आहे आणि H2 कॅरियर गॅसचा प्रवाह दर १००～१४० लिटर/मिनिट आहे.

 

१.३ एपिटॅक्सियल वेफरची चाचणी आणि वैशिष्ट्यीकरण

एपिटॅक्सियल थराच्या जाडीची आणि डोपिंग सांद्रतेची सरासरी आणि वितरणाचे वैशिष्ट्यीकरण करण्यासाठी फूरियर इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटर (उपकरण निर्माता थर्मलफिशर, मॉडेल iS50) आणि मर्क्युरी प्रोब सांद्रता परीक्षक (उपकरण निर्माता सेमिलॅब, मॉडेल 530L) यांचा वापर करण्यात आला; 5 मिमी कडा काढून टाकलेल्या वेफरच्या मध्यभागी, मुख्य संदर्भ कडेच्या लंब रेषेला 45° वर छेदणाऱ्या व्यासाच्या रेषेवर बिंदू घेऊन एपिटॅक्सियल थरातील प्रत्येक बिंदूची जाडी आणि डोपिंग सांद्रता निश्चित करण्यात आली. आकृती २ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, १५० मिमी वेफरसाठी, एकाच व्यासाच्या रेषेवर (दोन व्यास एकमेकांना लंब होते) ९ बिंदू घेतले गेले आणि २०० मिमी वेफरसाठी २१ बिंदू घेतले गेले. एपिटॅक्सियल थराच्या पृष्ठभागाची खडबडपणा तपासण्यासाठी, एपिटॅक्सियल वेफरच्या मध्यभागी आणि कडेच्या भागात (५ मिमी कडा काढून) ३० μm×३० μm क्षेत्र निवडण्याकरिता एक ॲटोमिक फोर्स मायक्रोस्कोप (उपकरण निर्माता ब्रुकर, मॉडेल डायमेन्शन आयकॉन) वापरण्यात आला; एपिटॅक्सियल थरातील दोष सरफेस डिफेक्ट टेस्टर (उपकरण निर्माता चायना इलेक्ट्रॉनिक्स) वापरून मोजण्यात आले. ३डी इमेजरचे वैशिष्ट्यीकरण केफेनघुआच्या रडार सेन्सर (मॉडेल मार्स ४४१० प्रो) द्वारे करण्यात आले.