2. ผลการทดลองและการอภิปราย
2.1ชั้นเอพิแท็กเซียลความหนาและความสม่ำเสมอ
ความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียล ความเข้มข้นของการเจือสาร และความสม่ำเสมอ เป็นตัวชี้วัดหลักอย่างหนึ่งในการประเมินคุณภาพของเวเฟอร์เอพิแท็กเซียล การควบคุมความหนา ความเข้มข้นของการเจือสาร และความสม่ำเสมอภายในเวเฟอร์ได้อย่างแม่นยำ เป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า SiCนอกจากนี้ ความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลและความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของการเจือสาร ยังเป็นพื้นฐานสำคัญในการวัดความสามารถของกระบวนการของอุปกรณ์เอพิแท็กเซียลอีกด้วย
รูปที่ 3 แสดงเส้นโค้งความสม่ำเสมอและการกระจายความหนาของแผ่นขนาด 150 มม. และ 200 มม.แผ่นเวเฟอร์ SiC แบบเอพิแท็กเซียลจากรูปจะเห็นได้ว่าเส้นโค้งการกระจายความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลมีความสมมาตรเกี่ยวกับจุดศูนย์กลางของเวเฟอร์ เวลาในการสร้างเอพิแท็กเซียลคือ 600 วินาที ความหนาเฉลี่ยของชั้นเอพิแท็กเซียลของเวเฟอร์เอพิแท็กเซียลขนาด 150 มม. คือ 10.89 ไมโครเมตร และความสม่ำเสมอของความหนาคือ 1.05% จากการคำนวณ อัตราการเติบโตของเอพิแท็กเซียลคือ 65.3 ไมโครเมตร/ชั่วโมง ซึ่งจัดอยู่ในระดับกระบวนการเอพิแท็กเซียลที่รวดเร็วโดยทั่วไป ภายใต้เวลาในการสร้างเอพิแท็กเซียลเท่ากัน ความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลของเวเฟอร์เอพิแท็กเซียลขนาด 200 มม. คือ 10.10 ไมโครเมตร ความสม่ำเสมอของความหนาอยู่ในช่วง 1.36% และอัตราการเติบโตโดยรวมคือ 60.60 ไมโครเมตร/ชั่วโมง ซึ่งต่ำกว่าอัตราการเติบโตของเอพิแท็กเซียลของเวเฟอร์ขนาด 150 มม. เล็กน้อย เนื่องจากมีการสูญเสียอย่างเห็นได้ชัดระหว่างทางเมื่อแหล่งซิลิคอนและแหล่งคาร์บอนไหลจากต้นน้ำของห้องปฏิกิริยาผ่านพื้นผิวเวเฟอร์ไปยังปลายน้ำของห้องปฏิกิริยา และเนื่องจากพื้นที่ของเวเฟอร์ขนาด 200 มม. มีขนาดใหญ่กว่าเวเฟอร์ขนาด 150 มม. ก๊าซจึงไหลผ่านพื้นผิวของเวเฟอร์ขนาด 200 มม. ในระยะทางที่ยาวกว่า และก๊าซต้นกำเนิดที่ถูกใช้ไประหว่างทางจึงมากกว่า ภายใต้เงื่อนไขที่เวเฟอร์หมุนอย่างต่อเนื่อง ความหนาโดยรวมของชั้นเอพิแท็กเซียลจึงบางลง ดังนั้นอัตราการเติบโตจึงช้าลง โดยรวมแล้ว ความสม่ำเสมอของความหนาของเวเฟอร์เอพิแท็กเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. นั้นยอดเยี่ยม และความสามารถในการประมวลผลของอุปกรณ์สามารถตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์คุณภาพสูงได้
2.2 ความเข้มข้นและความสม่ำเสมอของการเจือสารในชั้นเอพิแท็กเซียล
รูปที่ 4 แสดงความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของการเจือปนและการกระจายตัวของเส้นโค้งของขนาด 150 มม. และ 200 มม.แผ่นเวเฟอร์ SiC แบบเอพิแท็กเซียลจากรูปจะเห็นได้ว่าเส้นโค้งการกระจายความเข้มข้นบนแผ่นเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลมีความสมมาตรอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับจุดศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์ ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของการเจือปนของชั้นเอพิแท็กเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. คือ 2.80% และ 2.66% ตามลำดับ ซึ่งสามารถควบคุมได้ภายใน 3% ซึ่งถือเป็นระดับที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์ระดับสากลที่คล้ายคลึงกัน เส้นโค้งความเข้มข้นของการเจือปนของชั้นเอพิแท็กเซียลมีการกระจายตัวเป็นรูปตัว "W" ตามทิศทางเส้นผ่านศูนย์กลาง ซึ่งส่วนใหญ่กำหนดโดยสนามการไหลของเตาเผาเอพิแท็กเซียลแบบผนังร้อนแนวนอน เนื่องจากทิศทางการไหลของอากาศของเตาเผาเอพิแท็กเซียลแบบไหลเวียนอากาศแนวนอนนั้นมาจากด้านทางเข้าอากาศ (ต้นน้ำ) และไหลออกทางปลายน้ำในลักษณะการไหลแบบราบเรียบผ่านพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ เนื่องจากอัตราการ "ลดลงระหว่างทาง" ของแหล่งคาร์บอน (C2H4) สูงกว่าอัตราการลดลงระหว่างทางของแหล่งซิลิคอน (TCS) เมื่อแผ่นเวเฟอร์หมุน อัตราส่วน C/Si ที่แท้จริงบนพื้นผิวเวเฟอร์จะค่อยๆ ลดลงจากขอบไปยังศูนย์กลาง (แหล่งคาร์บอนที่ศูนย์กลางมีน้อยกว่า) ตาม "ทฤษฎีตำแหน่งการแข่งขัน" ของ C และ N ความเข้มข้นของการเจือปนที่ศูนย์กลางของเวเฟอร์จะค่อยๆ ลดลงไปทางขอบ เพื่อให้ได้ความเข้มข้นที่สม่ำเสมออย่างยอดเยี่ยม จึงมีการเติม N2 ที่ขอบเพื่อชดเชยในระหว่างกระบวนการเอพิแทกเซียล เพื่อชะลอการลดลงของความเข้มข้นของการเจือปนจากศูนย์กลางไปยังขอบ ทำให้เส้นโค้งความเข้มข้นของการเจือปนสุดท้ายมีรูปร่างเป็นตัว "W"
2.3 ข้อบกพร่องของชั้นเอพิแท็กเซียล
นอกเหนือจากความหนาและความเข้มข้นของการเจือสารแล้ว ระดับการควบคุมข้อบกพร่องของชั้นเอพิแท็กเซียลยังเป็นพารามิเตอร์หลักในการวัดคุณภาพของเวเฟอร์เอพิแท็กเซียล และเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของความสามารถในการทำงานของอุปกรณ์เอพิแท็กเซียล แม้ว่า SBD และ MOSFET จะมีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับข้อบกพร่อง แต่ข้อบกพร่องที่มีลักษณะพื้นผิวที่เห็นได้ชัดเจน เช่น ข้อบกพร่องรูปหยดน้ำ ข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยม ข้อบกพร่องรูปแครอท ข้อบกพร่องรูปดาวหาง เป็นต้น ถูกกำหนดให้เป็นข้อบกพร่องร้ายแรงของอุปกรณ์ SBD และ MOSFET ความน่าจะเป็นที่ชิปจะล้มเหลวซึ่งมีข้อบกพร่องเหล่านี้สูง ดังนั้นการควบคุมจำนวนข้อบกพร่องร้ายแรงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มผลผลิตของชิปและลดต้นทุน รูปที่ 5 แสดงการกระจายของข้อบกพร่องร้ายแรงในเวเฟอร์เอพิแท็กเซียล SiC ขนาด 150 มม. และ 200 มม. ภายใต้เงื่อนไขที่ไม่มีความไม่สมดุลที่เห็นได้ชัดในอัตราส่วน C/Si ข้อบกพร่องรูปแครอทและข้อบกพร่องรูปดาวหางสามารถกำจัดได้โดยพื้นฐาน ในขณะที่ข้อบกพร่องรูปหยดน้ำและข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยมเกี่ยวข้องกับการควบคุมความสะอาดในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์การปลูกผลึก ระดับสิ่งเจือปนของชิ้นส่วนกราไฟต์ในห้องปฏิกิริยา และคุณภาพของพื้นผิว จากตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงของเวเฟอร์การปลูกผลึกขนาด 150 มม. และ 200 มม. สามารถควบคุมได้ภายใน 0.3 อนุภาค/ซม.² ซึ่งเป็นระดับที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์ประเภทเดียวกัน ระดับการควบคุมความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงของเวเฟอร์การปลูกผลึกขนาด 150 มม. ดีกว่าเวเฟอร์การปลูกผลึกขนาด 200 มม. เนื่องจากกระบวนการเตรียมพื้นผิวของเวเฟอร์ขนาด 150 มม. มีความสมบูรณ์กว่าของเวเฟอร์ขนาด 200 มม. คุณภาพของพื้นผิวดีกว่า และระดับการควบคุมสิ่งเจือปนของห้องปฏิกิริยากราไฟต์ของเวเฟอร์ขนาด 150 มม. ดีกว่า
2.4 ความหยาบของพื้นผิวเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียล
รูปที่ 6 แสดงภาพ AFM ของพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ SiC แบบเอพิแท็กเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. จากรูปจะเห็นได้ว่าค่าความขรุขระเฉลี่ยแบบรากกำลังสอง (Ra) ของพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. คือ 0.129 นาโนเมตร และ 0.113 นาโนเมตร ตามลำดับ และพื้นผิวของชั้นเอพิแท็กเซียลนั้นเรียบเนียนโดยไม่มีปรากฏการณ์การรวมตัวของขั้นบันไดขนาดใหญ่ที่เห็นได้ชัด ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นว่าการเติบโตของชั้นเอพิแท็กเซียลนั้นรักษาโหมดการเติบโตแบบไหลตามขั้นบันไดตลอดกระบวนการเอพิแท็กเซียลทั้งหมด และไม่มีการรวมตัวของขั้นบันไดเกิดขึ้น จะเห็นได้ว่าโดยการใช้กระบวนการเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลที่เหมาะสมที่สุด สามารถสร้างชั้นเอพิแท็กเซียลที่เรียบเนียนบนพื้นผิวเอียงต่ำขนาด 150 มม. และ 200 มม. ได้
3. บทสรุป
แผ่นเวเฟอร์ซิคซี 4H แบบเนื้อเดียวกันขนาด 150 มม. และ 200 มม. ได้รับการเตรียมบนพื้นผิวภายในประเทศได้สำเร็จโดยใช้อุปกรณ์การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลซิคซีขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นเอง และได้พัฒนาขั้นตอนการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลที่เป็นเนื้อเดียวกันที่เหมาะสมสำหรับขนาด 150 มม. และ 200 มม. อัตราการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลสามารถมากกว่า 60 ไมโครเมตร/ชั่วโมง ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลความเร็วสูงและคุณภาพของแผ่นเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลนั้นยอดเยี่ยม ความสม่ำเสมอของความหนาของแผ่นเวเฟอร์ซิคซีแบบเอพิแท็กเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. สามารถควบคุมได้ภายใน 1.5% ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นน้อยกว่า 3% ความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงน้อยกว่า 0.3 อนุภาค/ตร.ซม. และค่าความขรุขระเฉลี่ยกำลังสองของพื้นผิวแบบเอพิแท็กเซียล Ra น้อยกว่า 0.15 นาโนเมตร ตัวชี้วัดกระบวนการหลักของแผ่นเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลอยู่ในระดับที่ก้าวหน้าในอุตสาหกรรม
ที่มา: อุปกรณ์พิเศษอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
ผู้แต่ง: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(สถาบันวิจัยที่ 48 ของบริษัท China Electronics Technology Group Corporation, ฉางชา มณฑลหูหนาน 410111)
วันที่โพสต์: 4 กันยายน 2024