ปัจจุบัน อุตสาหกรรม SiC กำลังเปลี่ยนผ่านจากขนาด 150 มม. (6 นิ้ว) ไปเป็น 200 มม. (8 นิ้ว) เพื่อตอบสนองความต้องการเร่งด่วนสำหรับเวเฟอร์ SiC โฮโมอิพิแท็กเซียลขนาดใหญ่และคุณภาพสูงในอุตสาหกรรม ขนาด 150 มม. และ 200 มม. จึงมีความสำคัญแผ่นเวเฟอร์โฮโมอิพิแท็กเซียล 4H-SiCแผ่นเวเฟอร์ SiC ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นเองได้ถูกเตรียมขึ้นบนพื้นผิวภายในประเทศอย่างประสบความสำเร็จ กระบวนการโฮโมอิพิแท็กเซียลที่เหมาะสมสำหรับแผ่นเวเฟอร์ขนาด 150 มม. และ 200 มม. ได้รับการพัฒนาขึ้น โดยมีอัตราการเจริญเติบโตของอิพิแท็กเซียลมากกว่า 60 ไมโครเมตรต่อชั่วโมง นอกจากจะได้แผ่นเวเฟอร์ที่มีความเร็วสูงแล้ว คุณภาพของแผ่นเวเฟอร์ยังดีเยี่ยม ความหนาของแผ่นเวเฟอร์ขนาด 150 มม. และ 200 มม. มีความสม่ำเสมอดีแผ่นเวเฟอร์ SiC แบบเอพิแท็กเซียลสามารถควบคุมได้ภายใน 1.5% ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นน้อยกว่า 3% ความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงน้อยกว่า 0.3 อนุภาค/cm² และค่ารากกำลังสองเฉลี่ยของความขรุขระของพื้นผิวแบบเอพิเท็กเซียล Ra น้อยกว่า 0.15 นาโนเมตร และตัวชี้วัดกระบวนการหลักทั้งหมดอยู่ในระดับขั้นสูงของอุตสาหกรรม
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นหนึ่งในตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม มีคุณสมบัติเด่นคือ ความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวสูง การนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูง และความต้านทานต่อรังสีสูง ทำให้สามารถขยายขีดความสามารถในการประมวลผลพลังงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างมาก และสามารถตอบสนองความต้องการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังรุ่นใหม่สำหรับอุปกรณ์ที่มีกำลังสูง ขนาดเล็ก อุณหภูมิสูง รังสีสูง และสภาวะสุดขั้วอื่นๆ นอกจากนี้ยังสามารถลดพื้นที่ ลดการใช้พลังงาน และลดความต้องการในการระบายความร้อน นำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในยานยนต์พลังงานใหม่ การขนส่งทางราง โครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ และสาขาอื่นๆ ดังนั้น เซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์จึงได้รับการยอมรับว่าเป็นวัสดุในอุดมคติที่จะนำไปสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงรุ่นต่อไป ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการสนับสนุนนโยบายระดับชาติสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม การวิจัยและพัฒนาและการสร้างระบบอุตสาหกรรมอุปกรณ์ SiC ขนาด 150 มม. ได้เสร็จสมบูรณ์แล้วในประเทศจีน และความมั่นคงของห่วงโซ่อุตสาหกรรมได้รับการรับประกันแล้ว ดังนั้น จุดสนใจของอุตสาหกรรมจึงค่อยๆ เปลี่ยนไปสู่การควบคุมต้นทุนและการปรับปรุงประสิทธิภาพ ดังแสดงในตารางที่ 1 เมื่อเปรียบเทียบกับ SiC ขนาด 150 มม. แล้ว SiC ขนาด 200 มม. มีอัตราการใช้พื้นที่ขอบสูงกว่า และสามารถเพิ่มผลผลิตของชิปต่อแผ่นได้ประมาณ 1.8 เท่า เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาไปจนสมบูรณ์แล้ว ต้นทุนการผลิตชิปต่อแผ่นจะลดลงได้ถึง 30% ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของ SiC ขนาด 200 มม. เป็นวิธีการโดยตรงในการ "ลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ" และยังเป็นกุญแจสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของประเทศเราในการ "ก้าวไปพร้อมๆ กัน" หรือแม้กระทั่ง "เป็นผู้นำ"
แตกต่างจากกระบวนการผลิตอุปกรณ์ Siอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์ SiCวัสดุทั้งหมดถูกประมวลผลและเตรียมโดยใช้ชั้นเอพิแท็กเซียลเป็นรากฐานสำคัญ แผ่นเวเฟอร์เอพิแท็กเซียลเป็นวัสดุพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC คุณภาพของชั้นเอพิแท็กเซียลเป็นตัวกำหนดผลผลิตของอุปกรณ์โดยตรง และต้นทุนของชั้นเอพิแท็กเซียลคิดเป็น 20% ของต้นทุนการผลิตชิป ดังนั้น การเจริญเติบโตของเอพิแท็กเซียลจึงเป็นขั้นตอนกลางที่สำคัญในอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC ขีดจำกัดสูงสุดของระดับกระบวนการเอพิแท็กเซียลถูกกำหนดโดยอุปกรณ์เอพิแท็กเซียล ปัจจุบัน ระดับการผลิตอุปกรณ์เอพิแท็กเซียล SiC ขนาด 150 มม. ในประเทศจีนค่อนข้างสูง แต่ในขณะเดียวกัน การผลิตอุปกรณ์ขนาด 200 มม. โดยรวมยังล้าหลังระดับสากล ดังนั้น เพื่อแก้ปัญหาความต้องการเร่งด่วนและปัญหาคอขวดของการผลิตวัสดุเอพิแท็กเซียลขนาดใหญ่และคุณภาพสูงสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามในประเทศ บทความนี้จึงนำเสนออุปกรณ์เอพิแท็กเซียล SiC ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นสำเร็จในประเทศ และศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการเอพิแท็กเซียล ด้วยการปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสม เช่น อุณหภูมิกระบวนการ อัตราการไหลของก๊าซพาหะ อัตราส่วน C/Si เป็นต้น ทำให้ได้เวเฟอร์ SiC แบบเอพิแท็กเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. ที่มีความสม่ำเสมอของความเข้มข้น <3% ความไม่สม่ำเสมอของความหนา <1.5% ความหยาบผิว Ra <0.2 นาโนเมตร และความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรง <0.3 เกรน/ซม.² โดยใช้เตาเผาเอพิแท็กเซียลซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นเอง ระดับกระบวนการของอุปกรณ์นี้สามารถตอบสนองความต้องการในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC คุณภาพสูงได้
1 การทดลอง
1.1 หลักการของเอพิแท็กเซียล SiCกระบวนการ
กระบวนการผลิตผลึกโฮโมอิพิแท็กเซียล 4H-SiC ประกอบด้วย 2 ขั้นตอนหลัก ได้แก่ การกัดเซาะพื้นผิว 4H-SiC ที่อุณหภูมิสูงแบบในตัว และกระบวนการการตกตะกอนไอสารเคมีแบบเป็นเนื้อเดียวกัน จุดประสงค์หลักของการกัดเซาะพื้นผิวแบบในตัวคือการกำจัดความเสียหายใต้พื้นผิวของวัสดุรองรับหลังจากการขัดเงาแผ่นเวเฟอร์ ของเหลวขัดเงาที่ตกค้าง อนุภาค และชั้นออกไซด์ และสามารถสร้างโครงสร้างขั้นอะตอมที่สม่ำเสมอได้บนพื้นผิวของวัสดุรองรับโดยการกัดเซาะ โดยทั่วไปการกัดเซาะแบบในตัวจะดำเนินการในบรรยากาศไฮโดรเจน ตามความต้องการของกระบวนการจริง อาจมีการเติมก๊าซเสริมในปริมาณเล็กน้อย เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ โพรเพน เอทิลีน หรือไซเลน อุณหภูมิของการกัดเซาะด้วยไฮโดรเจนแบบในตัวโดยทั่วไปจะสูงกว่า 1,600 ℃ และความดันของห้องปฏิกิริยาโดยทั่วไปจะถูกควบคุมให้ต่ำกว่า 2×10⁴ Pa ในระหว่างกระบวนการกัดเซาะ
หลังจากพื้นผิวของวัสดุตั้งต้นถูกกระตุ้นด้วยกระบวนการกัดเซาะแบบในตัวแล้ว วัสดุจะเข้าสู่กระบวนการการตกตะกอนด้วยไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง กล่าวคือ แหล่งกำเนิดการเจริญเติบโต (เช่น เอทิลีน/โพรเพน, TCS/ไซเลน) แหล่งกำเนิดสารเจือปน (แหล่งกำเนิดสารเจือปนชนิด n คือไนโตรเจน แหล่งกำเนิดสารเจือปนชนิด p คือ TMAl) และก๊าซเสริม เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ จะถูกลำเลียงไปยังห้องปฏิกิริยาผ่านกระแสของก๊าซพาหะ (โดยปกติคือไฮโดรเจน) จำนวนมาก หลังจากที่ก๊าซทำปฏิกิริยาในห้องปฏิกิริยาอุณหภูมิสูงแล้ว สารตั้งต้นบางส่วนจะทำปฏิกิริยาทางเคมีและดูดซับบนพื้นผิวของเวเฟอร์ ทำให้เกิดชั้นเอพิแทกเซียล 4H-SiC ที่เป็นผลึกเดี่ยวสม่ำเสมอ มีความเข้มข้นของสารเจือปน ความหนา และคุณภาพสูงตามที่กำหนด บนพื้นผิวของวัสดุตั้งต้น โดยใช้วัสดุตั้งต้น 4H-SiC ที่เป็นผลึกเดี่ยวเป็นแม่แบบ หลังจากหลายปีของการสำรวจทางเทคนิค เทคโนโลยีเอพิแทกเซียล 4H-SiC ที่เป็นผลึกเดี่ยวได้พัฒนาจนถึงขั้นสมบูรณ์และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตทางอุตสาหกรรม เทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบโฮโมอิพิแท็กเซียล 4H-SiC ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในโลกมีลักษณะเด่นสองประการดังนี้:
(1) โดยใช้พื้นผิวที่ตัดเฉียงนอกแกน (สัมพันธ์กับระนาบผลึก <0001> ไปทางทิศทางผลึก <11-20>) เป็นแม่แบบ ชั้นผลึกเดี่ยว 4H-SiC บริสุทธิ์สูงที่ปราศจากสิ่งเจือปนจะถูกตกตะกอนบนพื้นผิวในรูปแบบของโหมดการเติบโตแบบไหลตามขั้น การเติบโตแบบโฮโมเอพิแทกเซียลของ 4H-SiC ในยุคแรกใช้พื้นผิวผลึกบวก นั่นคือระนาบ Si <0001> สำหรับการเติบโต ความหนาแน่นของขั้นอะตอมบนพื้นผิวของพื้นผิวผลึกบวกนั้นต่ำและระเบียงกว้าง การเติบโตแบบนิวเคลียสสองมิติเกิดขึ้นได้ง่ายในระหว่างกระบวนการเอพิแทกเซียลเพื่อสร้างผลึก SiC 3C (3C-SiC) โดยการตัดนอกแกน สามารถนำขั้นอะตอมที่มีความหนาแน่นสูงและความกว้างของระเบียงแคบๆ เข้ามาบนพื้นผิวของพื้นผิว 4H-SiC <0001> ได้ และสารตั้งต้นที่ดูดซับสามารถเข้าถึงตำแหน่งขั้นอะตอมที่มีพลังงานพื้นผิวค่อนข้างต่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการแพร่กระจายบนพื้นผิว ในขั้นตอนนี้ ตำแหน่งการเชื่อมต่อของอะตอม/กลุ่มโมเลกุลตั้งต้นมีความเฉพาะตัว ดังนั้นในโหมดการเติบโตแบบไหลตามขั้นบันได ชั้นเอพิแท็กเซียลจึงสามารถสืบทอดลำดับการเรียงซ้อนของชั้นอะตอมคู่ Si-C ของพื้นผิวได้อย่างสมบูรณ์แบบ เพื่อสร้างผลึกเดี่ยวที่มีเฟสผลึกเดียวกันกับพื้นผิว
(2) การเติบโตแบบเอพิเท็กเซียความเร็วสูงเกิดขึ้นได้โดยการนำแหล่งซิลิคอนที่มีคลอรีนเข้ามาใช้ ในระบบการตกตะกอนไอสารเคมี SiC แบบดั้งเดิม ไซเลนและโพรเพน (หรือเอทิลีน) เป็นแหล่งการเติบโตหลัก ในกระบวนการเพิ่มอัตราการเติบโตโดยการเพิ่มอัตราการไหลของแหล่งการเติบโต เมื่อความดันย่อยสมดุลของส่วนประกอบซิลิคอนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง จะทำให้เกิดกลุ่มซิลิคอนได้ง่ายโดยการเกิดนิวเคลียสของเฟสแก๊สแบบเอกพันธ์ ซึ่งลดอัตราการใช้ประโยชน์ของแหล่งซิลิคอนลงอย่างมาก การก่อตัวของกลุ่มซิลิคอนจำกัดการปรับปรุงอัตราการเติบโตแบบเอพิเท็กเซียอย่างมาก ในขณะเดียวกัน กลุ่มซิลิคอนสามารถรบกวนการเติบโตแบบไหลตามขั้นบันไดและทำให้เกิดนิวเคลียสของข้อบกพร่อง เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดนิวเคลียสของเฟสแก๊สแบบเอกพันธ์และเพิ่มอัตราการเติบโตแบบเอพิเท็กเซีย การนำแหล่งซิลิคอนที่มีคลอรีนเข้ามาใช้จึงเป็นวิธีการหลักในปัจจุบันเพื่อเพิ่มอัตราการเติบโตแบบเอพิเท็กเซียของ 4H-SiC
1.2 อุปกรณ์และสภาวะกระบวนการสำหรับการปลูกผลึก SiC แบบเอพิแท็กเซียลขนาด 200 มม. (8 นิ้ว)
การทดลองที่อธิบายไว้ในเอกสารนี้ดำเนินการทั้งหมดบนอุปกรณ์การผลิตผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) แบบผนังร้อนแนวนอนชนิดโมโนลิธิกที่เข้ากันได้กับขนาด 150/200 มม. (6/8 นิ้ว) ซึ่งพัฒนาขึ้นโดยอิสระโดยสถาบันที่ 48 ของบริษัท China Electronics Technology Group Corporation เตาเผาผลึกนี้รองรับการโหลดและขนถ่ายเวเฟอร์แบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ รูปที่ 1 เป็นแผนภาพโครงสร้างภายในของห้องปฏิกิริยาของอุปกรณ์การผลิตผลึก ดังแสดงในรูปที่ 1 ผนังด้านนอกของห้องปฏิกิริยาเป็นระฆังควอตซ์ที่มีชั้นระบายความร้อนด้วยน้ำ และภายในระฆังเป็นห้องปฏิกิริยาอุณหภูมิสูง ซึ่งประกอบด้วยแผ่นใยคาร์บอนฉนวนกันความร้อน ช่องกราไฟต์พิเศษความบริสุทธิ์สูง ฐานหมุนลอยตัวด้วยก๊าซกราไฟต์ เป็นต้น ระฆังควอตซ์ทั้งหมดถูกหุ้มด้วยขดลวดเหนี่ยวนำทรงกระบอก และห้องปฏิกิริยาภายในระฆังได้รับความร้อนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยแหล่งจ่ายไฟเหนี่ยวนำความถี่ปานกลาง ดังแสดงในรูปที่ 1 (b) ก๊าซพาหะ ก๊าซปฏิกิริยา และก๊าซโดปปิ้งทั้งหมดไหลผ่านพื้นผิวเวเฟอร์ในลักษณะการไหลแบบราบเรียบในแนวนอนจากด้านต้นน้ำของห้องปฏิกิริยาไปยังด้านท้ายน้ำของห้องปฏิกิริยา และถูกปล่อยออกทางปลายก๊าซท้าย เพื่อให้มั่นใจในความสม่ำเสมอภายในเวเฟอร์ เวเฟอร์ที่วางอยู่บนฐานลอยอากาศจะถูกหมุนอยู่เสมอในระหว่างกระบวนการ
แผ่นรองรับที่ใช้ในการทดลองคือแผ่นรองรับ SiC ชนิด n-type 4H-SiC ขัดเงาสองด้าน ขนาด 150 มม. และ 200 มม. (6 นิ้ว และ 8 นิ้ว) ทิศทาง <1120> ทำมุมเอียง 4° ผลิตโดยบริษัท Shanxi Shuoke Crystal ไตรคลอโรไซเลน (SiHCl3, TCS) และเอทิลีน (C2H4) ถูกใช้เป็นแหล่งการเจริญเติบโตหลักในการทดลอง โดย TCS และ C2H4 ถูกใช้เป็นแหล่งซิลิคอนและแหล่งคาร์บอนตามลำดับ ไนโตรเจนบริสุทธิ์สูง (N2) ถูกใช้เป็นแหล่งเจือปนชนิด n-type และไฮโดรเจน (H2) ถูกใช้เป็นก๊าซเจือจางและก๊าซพาหะ ช่วงอุณหภูมิของกระบวนการเอพิแทกเซียลคือ 1,600 ~ 1,660 ℃ ความดันของกระบวนการคือ 8×10³ ~ 12×10³ Pa และอัตราการไหลของก๊าซพาหะ H2 คือ 100～140 ลิตร/นาที
1.3 การทดสอบและลักษณะเฉพาะของเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียล
ใช้เครื่องสเปกโทรเมตรอินฟราเรดฟูริเยร์ (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Thermalfisher รุ่น iS50) และเครื่องทดสอบความเข้มข้นแบบปรอท (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Semilab รุ่น 530L) ในการหาค่าเฉลี่ยและการกระจายตัวของความหนาและความเข้มข้นของการเจือปนของชั้นเอพิแท็กเซียล โดยกำหนดความหนาและความเข้มข้นของการเจือปนของแต่ละจุดในชั้นเอพิแท็กเซียลโดยการเลือกจุดตามแนวเส้นเส้นผ่านศูนย์กลางที่ตัดกับเส้นตั้งฉากของขอบอ้างอิงหลักที่มุม 45° ณ จุดศูนย์กลางของเวเฟอร์ที่ตัดขอบออก 5 มม. สำหรับเวเฟอร์ขนาด 150 มม. จะทำการวัด 9 จุดตามแนวเส้นเส้นผ่านศูนย์กลางเดียว (เส้นผ่านศูนย์กลางสองเส้นตั้งฉากกัน) และสำหรับเวเฟอร์ขนาด 200 มม. จะทำการวัด 21 จุด ดังแสดงในรูปที่ 2 ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Bruker รุ่น Dimension Icon) เลือกพื้นที่ขนาด 30 μm × 30 μm ในบริเวณตรงกลางและบริเวณขอบ (ตัดขอบออก 5 มม.) ของเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลเพื่อทดสอบความหยาบของพื้นผิวชั้นเอพิแท็กเซียล วัดข้อบกพร่องของชั้นเอพิแท็กเซียลโดยใช้เครื่องทดสอบข้อบกพร่องบนพื้นผิว (ผู้ผลิตอุปกรณ์ China Electronics) และสร้างภาพ 3 มิติโดยใช้เซ็นเซอร์เรดาร์ (รุ่น Mars 4410 pro) จาก Kefenghua
วันที่โพสต์: 4 กันยายน 2024