Hva er CVD SiC-belegg?

Hjerte- og kardiovaskulær sykdomSiC-beleggomformer grensene for halvlederproduksjonsprosesser i et forbløffende tempo. Denne tilsynelatende enkle beleggteknologien har blitt en nøkkelløsning på de tre kjerneutfordringene partikkelforurensning, høytemperaturkorrosjon og plasmaerosjon i brikkeproduksjon. Verdens ledende produsenter av halvlederutstyr har listet den opp som en standardteknologi for neste generasjons utstyr. Så hva gjør dette belegget til den «usynlige rustningen» i brikkeproduksjon? Denne artikkelen vil analysere de tekniske prinsippene, kjerneapplikasjonene og banebrytende gjennombruddene grundig.

Ⅰ. Definisjon av CVD SiC-belegg

CVD SiC-belegg refererer til et beskyttende lag av silisiumkarbid (SiC) avsatt på et substrat ved en kjemisk dampavsetningsprosess (CVD). Silisiumkarbid er en forbindelse av silisium og karbon, kjent for sin utmerkede hardhet, høye varmeledningsevne, kjemiske inertitet og høye temperaturbestandighet. CVD-teknologi kan danne et SiC-lag med høy renhet, tett og jevn tykkelse, og kan være svært konformt med komplekse geometrier. Dette gjør CVD SiC-belegg svært godt egnet for krevende applikasjoner som ikke kan oppfylles av tradisjonelle bulkmaterialer eller andre beleggmetoder.

Ⅱ. Prinsipp for CVD-prosess

Kjemisk dampavsetning (CVD) er en allsidig produksjonsmetode som brukes til å produsere faste materialer av høy kvalitet og høy ytelse. Kjerneprinsippet bak CVD involverer reaksjonen av gassformige forløpere på overflaten av et oppvarmet substrat for å danne et fast belegg.

Her er en forenklet oversikt over SiC CVD-prosessen:

Prinsippdiagram for CVD-prosessen

1. Introduksjon til forløperGassformige forløpere, vanligvis silisiumholdige gasser (f.eks. metyltriklorsilan – MTS, eller silan – SiH₄) og karbonholdige gasser (f.eks. propan – C₃H₈), føres inn i reaksjonskammeret.

2. GassleveringDisse forløpergassene strømmer over det oppvarmede substratet.

3. AdsorpsjonForløpermolekyler adsorberer til overflaten av det varme substratet.

4. OverflatereaksjonVed høye temperaturer gjennomgår de adsorberte molekylene kjemiske reaksjoner, noe som resulterer i nedbrytning av forløperen og dannelse av en fast SiC-film. Biprodukter frigjøres i form av gasser.

5. Desorpsjon og eksosGassformige biprodukter desorberes fra overflaten og slippes deretter ut fra kammeret. Presis kontroll av temperatur, trykk, gassstrømningshastighet og forløperkonsentrasjon er avgjørende for å oppnå de ønskede filmegenskapene, inkludert tykkelse, renhet, krystallinitet og adhesjon.

Ⅲ. Bruk av CVD SiC-belegg i halvlederprosesser

CVD SiC-belegg er uunnværlige i halvlederproduksjon fordi deres unike kombinasjon av egenskaper direkte møter de ekstreme forholdene og strenge renhetskravene i produksjonsmiljøet. De forbedrer motstanden mot plasmakorrosjon, kjemiske angrep og partikkelgenerering, som alle er avgjørende for å maksimere waferutbyttet og utstyrets oppetid.

Følgende er noen vanlige CVD SiC-belagte deler og deres bruksscenarier:

1. Plasmaetskammer og fokusring

ProdukterCVD SiC-belagte foringer, dusjhoder, susceptorer og fokusringer.

SøknadI plasmaetsing brukes svært aktiv plasma til å selektivt fjerne materialer fra wafere. Ubelagte eller mindre holdbare materialer brytes raskt ned, noe som resulterer i partikkelforurensning og hyppig nedetid. CVD SiC-belegg har utmerket motstand mot aggressive plasmakjemikalier (f.eks. fluor-, klor-, bromplasmaer), forlenger levetiden til viktige kammerkomponenter og reduserer partikkelgenerering, noe som direkte øker waferutbyttet.

2. PECVD- og HDPCVD-kamre

ProdukterCVD SiC-belagte reaksjonskamre og elektroder.

BruksområderPlasmaforsterket kjemisk dampavsetning (PECVD) og høydensitetsplasma-CVD (HDPCVD) brukes til å avsette tynne filmer (f.eks. dielektriske lag, passiveringslag). Disse prosessene involverer også tøffe plasmamiljøer. CVD SiC-belegg beskytter kammervegger og elektroder mot erosjon, noe som sikrer konsistent filmkvalitet og minimerer defekter.

3. Utstyr for ionimplantasjon

ProdukterCVD SiC-belagte strålelinjekomponenter (f.eks. åpninger, Faraday-kopper).

BruksområderIonimplantasjon introduserer dopantioner i halvledersubstrater. Høyenergiske ionstråler kan forårsake sputtering og erosjon av eksponerte komponenter. Hardheten og den høye renheten til CVD SiC reduserer partikkelgenerering fra strålelinjekomponenter, og forhindrer dermed forurensning av wafere under dette kritiske dopingtrinnet.

4. Epitaksiale reaktorkomponenter

ProdukterCVD SiC-belagte susceptorer og gassfordelere.

BruksområderEpitaksial vekst (EPI) innebærer å dyrke svært ordnede krystallinske lag på et substrat ved høye temperaturer. CVD SiC-belagte susceptorer gir utmerket termisk stabilitet og kjemisk inertitet ved høye temperaturer, noe som sikrer jevn oppvarming og forhindrer forurensning av selve susceptoren, noe som er avgjørende for å oppnå epitaksiale lag av høy kvalitet.

Etter hvert som brikkegeometriene krymper og prosesskravene intensiveres, fortsetter etterspørselen etter leverandører og produsenter av CVD SiC-belegg av høy kvalitet å vokse.

IV. Hva er utfordringene med CVD SiC-beleggprosessen?

Til tross for de store fordelene med CVD SiC-belegg, står produksjonen og anvendelsen fortsatt overfor noen prosessutfordringer. Å løse disse utfordringene er nøkkelen til å oppnå stabil ytelse og kostnadseffektivitet.

Utfordringer:

1. Vedheft til underlaget

Det kan være utfordrende å oppnå sterk og jevn adhesjon med SiC til ulike substratmaterialer (f.eks. grafitt, silisium, keramikk) på grunn av forskjeller i termiske ekspansjonskoeffisienter og overflateenergi. Dårlig adhesjon kan føre til delaminering under termisk sykling eller mekanisk stress.

Løsninger:

OverflateforberedelseNøye rengjøring og overflatebehandling (f.eks. etsing, plasmabehandling) av underlaget for å fjerne forurensninger og skape en optimal overflate for liming.

MellomlagAvsett et tynt og tilpasset mellomlag eller bufferlag (f.eks. pyrolytisk karbon, TaC – likt CVD TaC-belegg i spesifikke applikasjoner) for å redusere termisk ekspansjonsforskjell og fremme vedheft.

Optimaliser avsetningsparametereKontroller nøye avsetningstemperatur, trykk og gassforhold for å optimalisere kimdannelsen og veksten av SiC-filmer og fremme sterk grenseflatebinding.

2. Filmstress og sprekkdannelser

Under avsetning eller påfølgende avkjøling kan det oppstå restspenninger i SiC-filmer, noe som kan forårsake sprekkdannelser eller vridning, spesielt på større eller komplekse geometrier.

Løsninger:

TemperaturkontrollKontroller oppvarmings- og kjølehastigheter nøyaktig for å minimere termisk sjokk og stress.

GradientbeleggBruk flerlags- eller gradientbeleggsmetoder for gradvis å endre materialsammensetningen eller strukturen for å imøtekomme spenninger.

EtteravsetningsglødingGlød de belagte delene for å eliminere gjenværende spenning og forbedre filmens integritet.

3. Konformitet og ensartethet i komplekse geometrier

Det kan være vanskelig å avsette jevnt tykke og konforme belegg på deler med komplekse former, høye sideforhold eller interne kanaler på grunn av begrensninger i forløperdiffusjon og reaksjonskinetikk.

Løsninger:

Optimalisering av reaktordesignDesign CVD-reaktorer med optimalisert gassstrømningsdynamikk og temperaturuniformitet for å sikre jevn fordeling av forløpere.

Justering av prosessparametereFinjuster avsetningstrykk, strømningshastighet og forløperkonsentrasjon for å forbedre gassfasediffusjonen inn i komplekse egenskaper.

FlertrinnsavsetningBruk kontinuerlige avsetningstrinn eller roterende inventar for å sikre at alle overflater er tilstrekkelig belagt.

V. Vanlige spørsmål

Q1: Hva er kjerneforskjellen mellom CVD SiC og PVD SiC i halvlederapplikasjoner?

A: CVD-belegg er søyleformede krystallstrukturer med en renhet på >99,99 %, egnet for plasmamiljøer; PVD-belegg er for det meste amorfe/nanokrystallinske med en renhet på <99,9 %, hovedsakelig brukt til dekorative belegg.

Q2: Hva er den maksimale temperaturen belegget tåler?

A: Kortsiktig toleranse på 1650 °C (som glødeprosessen), langsiktig bruksgrense på 1450 °C, overskridelse av denne temperaturen vil forårsake en faseovergang fra β-SiC til α-SiC.

Q3: Typisk beleggtykkelsesområde?

A: Halvlederkomponenter er for det meste 80–150 μm, og EBC-belegg på flymotorer kan nå 300–500 μm.

Q4: Hva er de viktigste faktorene som påvirker kostnadene?

A: Forløperens renhet (40 %), utstyrets energiforbruk (30 %), utbyttetap (20 %). Enhetsprisen for avanserte belegg kan nå 5000 dollar/kg.

Q5: Hva er de største globale leverandørene?

A: Europa og USA: CoorsTek, Mersen, Ionbond; Asia: Semixlab, Veteksemicon, Kallex (Taiwan), Scientech (Taiwan)