ข้อบกพร่องของชั้นเอพิแท็กเซียลซิลิคอนคาร์ไบด์มีอะไรบ้าง

เทคโนโลยีหลักสำหรับการเติบโตของเอพิแท็กเซียล SiCด้านวัสดุศาสตร์นั้น เทคโนโลยีควบคุมข้อบกพร่องเป็นอันดับแรก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยีควบคุมข้อบกพร่องที่อาจนำไปสู่ความล้มเหลวของอุปกรณ์หรือการลดลงของความน่าเชื่อถือ การศึกษาเกี่ยวกับกลไกของข้อบกพร่องของพื้นผิวที่ขยายเข้าไปในชั้นเอพิแทกเซียลระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียล กฎการถ่ายโอนและการเปลี่ยนแปลงของข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานระหว่างพื้นผิวและชั้นเอพิแทกเซียล และกลไกการเกิดนิวเคลียสของข้อบกพร่อง เป็นพื้นฐานสำหรับการชี้แจงความสัมพันธ์ระหว่างข้อบกพร่องของพื้นผิวและข้อบกพร่องเชิงโครงสร้างของเอพิแทกเซียล ซึ่งสามารถชี้นำการคัดเลือกพื้นผิวและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเอพิแทกเซียลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้อบกพร่องของชั้นเอพิแท็กเซียลของซิลิคอนคาร์ไบด์โดยหลักแล้วข้อบกพร่องของผลึกและข้อบกพร่องของลักษณะพื้นผิว ข้อบกพร่องของผลึก ได้แก่ ข้อบกพร่องแบบจุด การเคลื่อนตัวแบบเกลียว ข้อบกพร่องแบบท่อขนาดเล็ก การเคลื่อนตัวแบบขอบ ฯลฯ ส่วนใหญ่เกิดจากข้อบกพร่องบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ SiC และแพร่กระจายเข้าไปในชั้นเอพิแทกเซียล ข้อบกพร่องของลักษณะพื้นผิวสามารถสังเกตได้โดยตรงด้วยตาเปล่าโดยใช้กล้องจุลทรรศน์และมีลักษณะทางสัณฐานวิทยาที่ชัดเจน ข้อบกพร่องของลักษณะพื้นผิวส่วนใหญ่ได้แก่ รอยขีดข่วน ข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยม ข้อบกพร่องรูปแครอท การร่วงหล่น และอนุภาค ดังแสดงในรูปที่ 4 ในระหว่างกระบวนการเอพิแทกเซียล อนุภาคแปลกปลอม ข้อบกพร่องของวัสดุรองรับ ความเสียหายของพื้นผิว และความเบี่ยงเบนของกระบวนการเอพิแทกเซียล อาจส่งผลกระทบต่อโหมดการเติบโตของขั้นบันไดในบริเวณนั้น ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องของลักษณะพื้นผิว

ตารางที่ 1 สาเหตุของการเกิดข้อบกพร่องของเมทริกซ์ทั่วไปและข้อบกพร่องของสัณฐานวิทยาพื้นผิวในชั้นเอพิแท็กเซียล SiC

 

ข้อบกพร่องแบบจุด

ข้อบกพร่องแบบจุดเกิดจากตำแหน่งว่างหรือช่องว่างที่จุดโครงผลึกจุดเดียวหรือหลายจุด และไม่มีการขยายตัวในเชิงพื้นที่ ข้อบกพร่องแบบจุดอาจเกิดขึ้นในกระบวนการผลิตทุกขั้นตอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการฝังไอออน อย่างไรก็ตาม การตรวจจับข้อบกพร่องแบบจุดทำได้ยาก และความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของข้อบกพร่องแบบจุดกับข้อบกพร่องอื่นๆ ก็ค่อนข้างซับซ้อน

 

ไมโครไพพ์ (MP)

ท่อขนาดเล็ก (Micropipes) คือความคลาดเคลื่อนแบบเกลียวกลวงที่แพร่กระจายไปตามแกนการเติบโต โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์ส <0001> เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อขนาดเล็กมีตั้งแต่เศษส่วนของไมครอนไปจนถึงหลายสิบไมครอน ท่อขนาดเล็กเหล่านี้แสดงลักษณะพื้นผิวที่เป็นหลุมขนาดใหญ่บนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ SiC โดยทั่วไป ความหนาแน่นของท่อขนาดเล็กอยู่ที่ประมาณ 0.1~1 cm⁻² และลดลงอย่างต่อเนื่องในการตรวจสอบคุณภาพการผลิตเวเฟอร์เชิงพาณิชย์

 

การเคลื่อนตัวแบบเกลียว (TSD) และการเคลื่อนตัวแบบขอบ (TED)

ความคลาดเคลื่อนใน SiC เป็นสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพและความล้มเหลวของอุปกรณ์ ทั้งความคลาดเคลื่อนแบบเกลียว (TSD) และความคลาดเคลื่อนแบบขอบ (TED) วิ่งไปตามแกนการเติบโต โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์สเป็น <0001> และ 1/3<11–20> ตามลำดับ

ทั้งดิสโลเคชันแบบเกลียว (TSD) และดิสโลเคชันแบบขอบ (TED) สามารถขยายจากพื้นผิวรองรับไปยังพื้นผิวเวเฟอร์และทำให้เกิดลักษณะพื้นผิวคล้ายหลุมเล็กๆ (รูปที่ 4b) โดยทั่วไป ความหนาแน่นของดิสโลเคชันแบบขอบจะมากกว่าดิสโลเคชันแบบเกลียวประมาณ 10 เท่า ดิสโลเคชันแบบเกลียวที่ขยายตัวออกไป กล่าวคือ ขยายจากพื้นผิวรองรับไปยังชั้นเอพิเลเยอร์ อาจเปลี่ยนไปเป็นข้อบกพร่องอื่นๆ และแพร่กระจายไปตามแกนการเจริญเติบโตได้ ในระหว่างเอพิแท็กเซียล SiCในระหว่างการเจริญเติบโต ดิสโลเคชันแบบเกลียวจะถูกแปลงเป็นข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน (SF) หรือข้อบกพร่องแบบแครอท ในขณะที่ดิสโลเคชันแบบขอบในชั้นเอพิเลเยอร์แสดงให้เห็นว่าถูกแปลงมาจากดิสโลเคชันระนาบฐาน (BPD) ที่สืบทอดมาจากพื้นผิวในระหว่างการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล

 

การเคลื่อนตัวของระนาบพื้นฐาน (BPD)

ตั้งอยู่บนระนาบฐาน SiC โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์สเท่ากับ 1/3 <11–20> BPD ปรากฏบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ SiC น้อยมาก โดยปกติจะกระจุกตัวอยู่บนพื้นผิวรองรับด้วยความหนาแน่น 1500 cm-2 ในขณะที่ความหนาแน่นในชั้นเอพิเลเยอร์มีเพียงประมาณ 10 cm-2 การตรวจจับ BPD โดยใช้โฟโตลูมิเนสเซนซ์ (PL) แสดงลักษณะเชิงเส้น ดังแสดงในรูปที่ 4c ในระหว่างเอพิแท็กเซียล SiCในระหว่างการเติบโต ข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึกแบบขยาย (BPD) อาจเปลี่ยนเป็นข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน (SF) หรือข้อบกพร่องที่ขอบ (TED)

 

ข้อผิดพลาดในการเรียงซ้อน (SFs)

ข้อบกพร่องในลำดับการเรียงตัวของระนาบฐาน SiC ข้อบกพร่องในการเรียงตัว (Stacking Faults หรือ SFs) สามารถปรากฏขึ้นในชั้นเอพิแทกเซียลโดยการสืบทอด SFs จากพื้นผิว หรือเกี่ยวข้องกับการขยายตัวและการเปลี่ยนแปลงของดิสโลเคชันระนาบฐาน (Basal Plane Dislocations หรือ BPDs) และดิสโลเคชันแบบเกลียว (Threading Screw Dislocations หรือ TSDs) โดยทั่วไป ความหนาแน่นของ SFs จะน้อยกว่า 1 cm-2 และจะมีลักษณะเป็นรูปสามเหลี่ยมเมื่อตรวจจับโดยใช้ PL ดังแสดงในรูปที่ 4e อย่างไรก็ตาม ข้อบกพร่องในการเรียงตัวหลายประเภทสามารถเกิดขึ้นได้ใน SiC เช่น ประเภท Shockley และประเภท Frank เนื่องจากแม้แต่ความไม่เป็นระเบียบของพลังงานการเรียงตัวเพียงเล็กน้อยระหว่างระนาบก็สามารถนำไปสู่ความไม่สม่ำเสมออย่างมากในลำดับการเรียงตัวได้

 

ความล่มสลาย

ข้อบกพร่องด้านการตกหล่นส่วนใหญ่เกิดจากการที่อนุภาคตกลงบนผนังด้านบนและด้านข้างของห้องปฏิกิริยาในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยการปรับปรุงกระบวนการบำรุงรักษาวัสดุสิ้นเปลืองกราไฟต์ในห้องปฏิกิริยาเป็นระยะๆ

 

ข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยม

เป็นโครงสร้างผลึกแบบ 3C-SiC ที่แผ่ขยายไปยังพื้นผิวของชั้นเอพิเลเยอร์ SiC ตามทิศทางระนาบฐาน ดังแสดงในรูปที่ 4g อาจเกิดจากอนุภาคที่ตกลงบนพื้นผิวของชั้นเอพิเลเยอร์ SiC ระหว่างการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียล อนุภาคเหล่านี้ฝังตัวอยู่ในชั้นเอพิเลเยอร์และรบกวนกระบวนการเจริญเติบโต ส่งผลให้เกิดโครงสร้างผลึกแบบ 3C-SiC ซึ่งมีลักษณะพื้นผิวเป็นรูปสามเหลี่ยมมุมแหลม โดยมีอนุภาคอยู่ที่จุดยอดของบริเวณรูปสามเหลี่ยม นอกจากนี้ การศึกษาหลายชิ้นยังระบุว่าต้นกำเนิดของโครงสร้างผลึกแบบโพลีไทป์นี้เกิดจากรอยขีดข่วนบนพื้นผิว ท่อขนาดเล็ก และพารามิเตอร์ที่ไม่เหมาะสมของกระบวนการเจริญเติบโตด้วย

 

ข้อบกพร่องของแครอท

ข้อบกพร่องรูปแครอทเป็นกลุ่มของความผิดพลาดในการเรียงตัวของผลึกที่มีปลายทั้งสองข้างอยู่ที่ระนาบผลึกฐาน TSD และ SF โดยสิ้นสุดด้วยการเคลื่อนที่ของผลึกแบบแฟรงค์ และขนาดของข้อบกพร่องรูปแครอทมีความสัมพันธ์กับความผิดพลาดในการเรียงตัวของผลึกแบบปริซึม การรวมกันของลักษณะเหล่านี้ก่อให้เกิดลักษณะพื้นผิวของข้อบกพร่องรูปแครอท ซึ่งมีลักษณะคล้ายแครอทที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า 1 cm⁻² ดังแสดงในรูปที่ 4f ข้อบกพร่องรูปแครอทเกิดขึ้นได้ง่ายที่รอยขีดข่วนจากการขัดเงา TSD หรือข้อบกพร่องของพื้นผิว

 

รอยขีดข่วน

รอยขีดข่วนเป็นความเสียหายทางกลบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ SiC ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิต ดังแสดงในรูปที่ 4h รอยขีดข่วนบนพื้นผิว SiC อาจรบกวนการเจริญเติบโตของชั้นเอพิเลเยอร์ ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของอะตอมที่มีความหนาแน่นสูงภายในชั้นเอพิเลเยอร์ หรืออาจเป็นพื้นฐานของการเกิดข้อบกพร่องแบบแครอท ดังนั้น การขัดเงาแผ่นเวเฟอร์ SiC อย่างเหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากรอยขีดข่วนเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เมื่อปรากฏในบริเวณที่ใช้งานของอุปกรณ์

 

ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวอื่นๆ

การเกิดกลุ่มขั้นบันได (Step bunching) เป็นข้อบกพร่องบนพื้นผิวที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ซึ่งทำให้เกิดลักษณะรูปสามเหลี่ยมมุมป้านหรือรูปสี่เหลี่ยมคางหมูบนพื้นผิวของชั้นเอพิเลเยอร์ SiC นอกจากนี้ยังมีข้อบกพร่องบนพื้นผิวอื่นๆ อีกมากมาย เช่น หลุมบนพื้นผิว รอยนูน และคราบต่างๆ ข้อบกพร่องเหล่านี้มักเกิดจากกระบวนการเจริญเติบโตที่ไม่เหมาะสมและการกำจัดความเสียหายจากการขัดเงาที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์