८ इन्चको SiC एपिटेक्सियल फर्नेस र होमियोपिटेक्सियल प्रक्रियामा अनुसन्धान-Ⅰ

हाल, SiC उद्योग १५० मिमी (६ इन्च) बाट २०० मिमी (८ इन्च) मा रूपान्तरण हुँदैछ। उद्योगमा ठूलो आकारको, उच्च-गुणस्तरको SiC होमियोपिटाक्सियल वेफरहरूको तत्काल माग पूरा गर्न, १५० मिमी र २०० मिमी4H-SiC होमियोपिटाक्सियल वेफरहरूस्वतन्त्र रूपमा विकसित २०० मिमी SiC एपिटेक्सियल ग्रोथ उपकरण प्रयोग गरेर घरेलु सब्सट्रेटहरूमा सफलतापूर्वक तयार पारिएको थियो। १५० मिमी र २०० मिमीको लागि उपयुक्त होमोपिटेक्सियल प्रक्रिया विकसित गरिएको थियो, जसमा एपिटेक्सियल ग्रोथ दर ६०um/घण्टा भन्दा बढी हुन सक्छ। उच्च-गतिको एपिटेक्सियल वेफर गुणस्तर उत्कृष्ट छ। १५० मिमी र २०० मिमीको मोटाई एकरूपताSiC एपिटेक्सियल वेफर्स१.५% भित्र नियन्त्रण गर्न सकिन्छ, सांद्रता एकरूपता ३% भन्दा कम छ, घातक दोष घनत्व ०.३ कण/सेमी२ भन्दा कम छ, र एपिटेक्सियल सतह खुरदरापन मूल औसत वर्ग Ra ०.१५nm भन्दा कम छ, र सबै कोर प्रक्रिया सूचकहरू उद्योगको उन्नत स्तरमा छन्।

सिलिकन कार्बाइड (SiC)तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरूको प्रतिनिधिहरू मध्ये एक हो। यसमा उच्च ब्रेकडाउन क्षेत्र शक्ति, उत्कृष्ट थर्मल चालकता, ठूलो इलेक्ट्रोन संतृप्ति बहाव वेग, र बलियो विकिरण प्रतिरोधको विशेषताहरू छन्। यसले पावर उपकरणहरूको ऊर्जा प्रशोधन क्षमतालाई धेरै विस्तार गरेको छ र उच्च शक्ति, सानो आकार, उच्च तापक्रम, उच्च विकिरण र अन्य चरम अवस्थाहरू भएका उपकरणहरूको लागि अर्को पुस्ताको पावर इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको सेवा आवश्यकताहरू पूरा गर्न सक्छ। यसले ठाउँ घटाउन, बिजुली खपत घटाउन र शीतलन आवश्यकताहरू कम गर्न सक्छ। यसले नयाँ ऊर्जा सवारी साधनहरू, रेल यातायात, स्मार्ट ग्रिडहरू र अन्य क्षेत्रहरूमा क्रान्तिकारी परिवर्तनहरू ल्याएको छ। त्यसकारण, सिलिकन कार्बाइड अर्धचालकहरू आदर्श सामग्रीको रूपमा मान्यता प्राप्त भएका छन् जसले उच्च-शक्ति पावर इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको अर्को पुस्ताको नेतृत्व गर्नेछ। हालका वर्षहरूमा, तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक उद्योगको विकासको लागि राष्ट्रिय नीति समर्थनको लागि धन्यवाद, चीनमा १५० मिमी SiC उपकरण उद्योग प्रणालीको अनुसन्धान र विकास र निर्माण मूल रूपमा सम्पन्न भएको छ, र औद्योगिक श्रृंखलाको सुरक्षा मूल रूपमा ग्यारेन्टी गरिएको छ। त्यसकारण, उद्योगको ध्यान बिस्तारै लागत नियन्त्रण र दक्षता सुधारमा सरेको छ। तालिका १ मा देखाइए अनुसार, १५० मिमीको तुलनामा, २०० मिमी SiC को किनारा उपयोग दर उच्च छ, र एकल वेफर चिप्सको उत्पादन लगभग १.८ गुणाले बढाउन सकिन्छ। प्रविधि परिपक्व भएपछि, एकल चिपको उत्पादन लागत ३०% ले घटाउन सकिन्छ। २०० मिमीको प्राविधिक सफलता "लागत घटाउने र दक्षता बढाउने" प्रत्यक्ष माध्यम हो, र यो मेरो देशको अर्धचालक उद्योगको लागि "समानान्तर चलाउने" वा "लिड" पनि कुञ्जी हो।

Si उपकरण प्रक्रिया भन्दा फरक,SiC अर्धचालक पावर उपकरणहरूसबै प्रशोधन गरिएका छन् र एपिटेक्सियल तहहरूलाई आधारशिलाको रूपमा तयार पारिएका छन्। एपिटेक्सियल वेफरहरू SiC पावर उपकरणहरूको लागि आवश्यक आधारभूत सामग्री हुन्। एपिटेक्सियल तहको गुणस्तरले उपकरणको उपजलाई प्रत्यक्ष रूपमा निर्धारण गर्छ, र यसको लागत चिप निर्माण लागतको २०% हो। त्यसकारण, एपिटेक्सियल वृद्धि SiC पावर उपकरणहरूमा एक आवश्यक मध्यवर्ती लिङ्क हो। एपिटेक्सियल प्रक्रिया स्तरको माथिल्लो सीमा एपिटेक्सियल उपकरणहरूद्वारा निर्धारण गरिन्छ। हाल, चीनमा १५० मिमी SiC एपिटेक्सियल उपकरणको स्थानीयकरण डिग्री अपेक्षाकृत उच्च छ, तर २०० मिमीको समग्र लेआउट एकै समयमा अन्तर्राष्ट्रिय स्तरभन्दा पछाडि छ। त्यसकारण, घरेलु तेस्रो-पुस्ताको अर्धचालक उद्योगको विकासको लागि ठूलो आकारको, उच्च-गुणस्तरको एपिटेक्सियल सामग्री निर्माणको तत्काल आवश्यकताहरू र अवरोध समस्याहरू समाधान गर्न, यो पेपरले मेरो देशमा सफलतापूर्वक विकसित २०० मिमी SiC एपिटेक्सियल उपकरण परिचय गराउँछ, र एपिटेक्सियल प्रक्रियाको अध्ययन गर्दछ। प्रक्रिया तापक्रम, वाहक ग्यास प्रवाह दर, C/Si अनुपात, आदि जस्ता प्रक्रिया प्यारामिटरहरूलाई अनुकूलन गरेर, सांद्रता एकरूपता <3%, मोटाई गैर-एकरूपता <1.5%, खुरदरापन Ra <0.2 nm र घातक दोष घनत्व <0.3 ग्रेन/सेमी2 १५० मिमी र २०० मिमी SiC एपिटेक्सियल वेफरहरू स्वतन्त्र रूपमा विकसित २०० मिमी सिलिकन कार्बाइड एपिटेक्सियल फर्नेसको साथ प्राप्त गरिन्छ। उपकरण प्रक्रिया स्तरले उच्च-गुणस्तरको SiC पावर उपकरण तयारीको आवश्यकताहरू पूरा गर्न सक्छ।

 

१ प्रयोग

 

१.१ सिद्धान्तSiC एपिटेक्सियलप्रक्रिया

4H-SiC होमियोपिटाक्सियल ग्रोथ प्रक्रियामा मुख्यतया २ प्रमुख चरणहरू समावेश हुन्छन्, अर्थात्, 4H-SiC सब्सट्रेटको उच्च-तापमान इन-सिटु एचिंग र समरूप रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रक्रिया। सब्सट्रेट इन-सिटु एचिंगको मुख्य उद्देश्य वेफर पालिसिङ, अवशिष्ट पालिसिङ तरल पदार्थ, कण र अक्साइड तह पछि सब्सट्रेटको उप-सतह क्षति हटाउनु हो, र एचिंग द्वारा सब्सट्रेट सतहमा नियमित परमाणु चरण संरचना बनाउन सकिन्छ। इन-सिटु एचिंग सामान्यतया हाइड्रोजन वायुमण्डलमा गरिन्छ। वास्तविक प्रक्रिया आवश्यकताहरू अनुसार, हाइड्रोजन क्लोराइड, प्रोपेन, इथिलीन वा सिलेन जस्ता सहायक ग्यासको सानो मात्रा पनि थप्न सकिन्छ। इन-सिटु हाइड्रोजन एचिंगको तापक्रम सामान्यतया 1 600 ℃ भन्दा माथि हुन्छ, र एचिंग प्रक्रियाको क्रममा प्रतिक्रिया कक्षको दबाब सामान्यतया 2×104 Pa भन्दा कम नियन्त्रण गरिन्छ।

सब्सट्रेट सतह इन-सिटु एचिंग द्वारा सक्रिय भएपछि, यो उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रक्रियामा प्रवेश गर्दछ, अर्थात्, वृद्धि स्रोत (जस्तै इथिलीन/प्रोपेन, TCS/सिलेन), डोपिंग स्रोत (n-प्रकार डोपिंग स्रोत नाइट्रोजन, p-प्रकार डोपिंग स्रोत TMAl), र हाइड्रोजन क्लोराइड जस्ता सहायक ग्यासहरू वाहक ग्यास (सामान्यतया हाइड्रोजन) को ठूलो प्रवाह मार्फत प्रतिक्रिया कक्षमा ढुवानी गरिन्छ। ग्यासले उच्च-तापमान प्रतिक्रिया कक्षमा प्रतिक्रिया गरेपछि, पूर्ववर्तीको भागले रासायनिक रूपमा प्रतिक्रिया गर्दछ र वेफर सतहमा सोस्छ, र एकल-क्रिस्टल एकरूप 4H-SiC एपिटेक्सियल तह विशिष्ट डोपिंग सांद्रता, विशिष्ट मोटाई, र उच्च गुणस्तरको साथ सब्सट्रेट सतहमा बनाइन्छ। एकल-क्रिस्टल 4H-SiC सब्सट्रेटलाई टेम्प्लेटको रूपमा प्रयोग गर्दै। वर्षौंको प्राविधिक अन्वेषण पछि, 4H-SiC होमियोपिटाक्सियल प्रविधि मूल रूपमा परिपक्व भएको छ र औद्योगिक उत्पादनमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। संसारमा सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग हुने 4H-SiC होमियोपिटाक्सियल प्रविधिमा दुई विशिष्ट विशेषताहरू छन्:
(१) टेम्प्लेटको रूपमा अफ-अक्ष (<0001> क्रिस्टल प्लेनको सापेक्षमा, <11-20> क्रिस्टल दिशा तर्फ) तिरछा कट सब्सट्रेट प्रयोग गरेर, अशुद्धता बिनाको उच्च-शुद्धता एकल-क्रिस्टल 4H-SiC एपिटेक्सियल तह स्टेप-फ्लो ग्रोथ मोडको रूपमा सब्सट्रेटमा जम्मा गरिन्छ। प्रारम्भिक 4H-SiC होमियोपिट्याक्सियल वृद्धिले सकारात्मक क्रिस्टल सब्सट्रेट प्रयोग गर्‍यो, अर्थात्, वृद्धिको लागि <0001> Si प्लेन। सकारात्मक क्रिस्टल सब्सट्रेटको सतहमा परमाणु चरणहरूको घनत्व कम छ र टेरेसहरू चौडा छन्। 3C क्रिस्टल SiC (3C-SiC) बनाउन एपिटेक्सी प्रक्रियाको क्रममा दुई-आयामी न्यूक्लिएसन वृद्धि हुन सजिलो छ। अफ-अक्ष काट्ने द्वारा, उच्च-घनत्व, साँघुरो टेरेस चौडाइको परमाणु चरणहरू 4H-SiC <0001> सब्सट्रेटको सतहमा प्रस्तुत गर्न सकिन्छ, र सोखिएको अग्रदूत प्रभावकारी रूपमा सतह प्रसार मार्फत अपेक्षाकृत कम सतह ऊर्जाको साथ परमाणु चरण स्थितिमा पुग्न सक्छ। चरणमा, पूर्ववर्ती परमाणु/आणविक समूह बन्धन स्थिति अद्वितीय हुन्छ, त्यसैले चरण प्रवाह वृद्धि मोडमा, एपिटेक्सियल तहले सब्सट्रेटको Si-C डबल परमाणु तह स्ट्याकिंग अनुक्रमलाई पूर्ण रूपमा प्राप्त गर्न सक्छ जसले सब्सट्रेट जस्तै क्रिस्टल चरणको साथ एकल क्रिस्टल बनाउँछ।
(२) क्लोरिन युक्त सिलिकन स्रोतको परिचय दिएर उच्च-गतिको एपिटेक्सियल वृद्धि हासिल गरिन्छ। परम्परागत SiC रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रणालीहरूमा, सिलेन र प्रोपेन (वा इथिलीन) मुख्य वृद्धि स्रोतहरू हुन्। वृद्धि स्रोत प्रवाह दर बढाएर वृद्धि दर बढाउने प्रक्रियामा, सिलिकन घटकको सन्तुलन आंशिक दबाब बढ्दै जाँदा, समरूप ग्यास चरण न्यूक्लिएशन द्वारा सिलिकन क्लस्टरहरू बनाउन सजिलो हुन्छ, जसले सिलिकन स्रोतको उपयोग दरलाई उल्लेखनीय रूपमा घटाउँछ। सिलिकन क्लस्टरहरूको गठनले एपिटेक्सियल वृद्धि दरको सुधारलाई धेरै सीमित गर्दछ। एकै समयमा, सिलिकन क्लस्टरहरूले चरण प्रवाह वृद्धिलाई बाधा पुर्‍याउन सक्छ र दोष न्यूक्लिएशन निम्त्याउन सक्छ। समरूप ग्यास चरण न्यूक्लिएशनबाट बच्न र एपिटेक्सियल वृद्धि दर बढाउनको लागि, क्लोरीन-आधारित सिलिकन स्रोतहरूको परिचय हाल 4H-SiC को एपिटेक्सियल वृद्धि दर बढाउनको लागि मुख्यधारा विधि हो।

 

१.२ २०० मिमी (८-इन्च) SiC एपिटेक्सियल उपकरण र प्रक्रिया अवस्थाहरू

यस पेपरमा वर्णन गरिएका सबै प्रयोगहरू ४८ औं इन्स्टिच्युट अफ चाइना इलेक्ट्रोनिक्स टेक्नोलोजी ग्रुप कर्पोरेशनद्वारा स्वतन्त्र रूपमा विकसित गरिएको १५०/२०० मिमी (६/८-इन्च) मिल्दो मोनोलिथिक तेर्सो तातो पर्खाल SiC एपिटेक्सियल उपकरणमा गरिएको थियो। एपिटेक्सियल फर्नेसले पूर्ण रूपमा स्वचालित वेफर लोडिङ र अनलोडिङलाई समर्थन गर्दछ। चित्र १ एपिटेक्सियल उपकरणको प्रतिक्रिया कक्षको आन्तरिक संरचनाको योजनाबद्ध रेखाचित्र हो। चित्र १ मा देखाइए अनुसार, प्रतिक्रिया कक्षको बाहिरी पर्खाल पानी-चिसो इन्टरलेयर भएको क्वार्ट्ज घण्टी हो, र घण्टीको भित्री भाग उच्च-तापमान प्रतिक्रिया कक्ष हो, जुन थर्मल इन्सुलेशन कार्बन फेल्ट, उच्च-शुद्धता विशेष ग्रेफाइट गुहा, ग्रेफाइट ग्यास-फ्लोटिंग घुमाउने आधार, आदि मिलेर बनेको हुन्छ। सम्पूर्ण क्वार्ट्ज घण्टी बेलनाकार इन्डक्सन कोइलले ढाकिएको छ, र घण्टी भित्रको प्रतिक्रिया कक्ष मध्यम-फ्रिक्वेन्सी इन्डक्सन पावर सप्लाईद्वारा विद्युत चुम्बकीय रूपमा तताइएको छ। चित्र १ (ख) मा देखाइए अनुसार, वाहक ग्यास, प्रतिक्रिया ग्यास, र डोपिङ ग्यास सबै प्रतिक्रिया कक्षको माथिल्लो भागबाट प्रतिक्रिया कक्षको डाउनस्ट्रीममा तेर्सो ल्यामिनार प्रवाहमा वेफर सतहबाट बग्छन् र पुच्छर ग्यासको छेउबाट डिस्चार्ज हुन्छन्। वेफर भित्र स्थिरता सुनिश्चित गर्न, हावामा तैरिरहेको आधारद्वारा बोकेको वेफर सधैं प्रक्रियाको क्रममा घुमाइन्छ।

प्रयोगमा प्रयोग गरिएको सब्सट्रेट शान्सी शुओके क्रिस्टलद्वारा उत्पादित व्यावसायिक १५० मिमी, २०० मिमी (६ इन्च, ८ इन्च) <११२०> दिशा ४° अफ-एंगल कन्डक्टिव n-टाइप ४H-SiC डबल-साइडेड पॉलिश गरिएको SiC सब्सट्रेट हो। प्रक्रिया प्रयोगमा ट्राइक्लोरोसिलेन (SiHCl3, TCS) र इथिलीन (C2H4) मुख्य वृद्धि स्रोतको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, जसमध्ये TCS र C2H4 क्रमशः सिलिकन स्रोत र कार्बन स्रोतको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, उच्च-शुद्धता नाइट्रोजन (N2) n-टाइप डोपिङ स्रोतको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, र हाइड्रोजन (H2) पातलो ग्यास र वाहक ग्यासको रूपमा प्रयोग गरिन्छ। एपिटेक्सियल प्रक्रियाको तापमान दायरा १ 600 ~ १ 660 ℃ छ, प्रक्रियाको चाप ८×१०३ ~१२×१०३ Pa छ, र H2 वाहक ग्यास प्रवाह दर १००～१४० L/मिनेट छ।

 

१.३ एपिटेक्सियल वेफर परीक्षण र विशेषता वर्णन

एपिटेक्सियल तह मोटाई र डोपिंग सांद्रताको औसत र वितरणलाई चित्रण गर्न फुरियर इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमिटर (उपकरण निर्माता थर्मलफिशर, मोडेल iS50) र पारा प्रोब सांद्रता परीक्षक (उपकरण निर्माता सेमिल्याब, मोडेल 530L) प्रयोग गरिएको थियो; एपिटेक्सियल तहमा प्रत्येक बिन्दुको मोटाई र डोपिंग सांद्रता 5 मिमी किनारा हटाउने वेफरको केन्द्रमा 45° मा मुख्य सन्दर्भ किनाराको सामान्य रेखालाई काट्ने व्यास रेखाको साथ बिन्दुहरू लिएर निर्धारण गरिएको थियो। 150 मिमी वेफरको लागि, एकल व्यास रेखाको साथ 9 बिन्दुहरू लिइयो (दुई व्यास एकअर्कासँग लम्बवत थिए), र 200 मिमी वेफरको लागि, चित्र 2 मा देखाइए अनुसार 21 बिन्दुहरू लिइयो। एपिटेक्सियल तहको सतह खुरदरापन परीक्षण गर्न केन्द्र क्षेत्रमा 30 μm×30 μm क्षेत्रहरू र एपिटेक्सियल वेफरको किनारा क्षेत्र (5 मिमी किनारा हटाउने) चयन गर्न एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (उपकरण निर्माता ब्रुकर, मोडेल आयाम आइकन) प्रयोग गरिएको थियो; एपिटेक्सियल तहका दोषहरू सतह दोष परीक्षक (उपकरण निर्माता चाइना इलेक्ट्रोनिक्स) प्रयोग गरेर मापन गरिएको थियो। थ्रीडी इमेजरलाई केफेन्घुआको राडार सेन्सर (मोडेल मार्स ४४१० प्रो) द्वारा विशेषता दिइएको थियो।