การเคลือบ CVD SiC คืออะไร?

โรคหลอดเลือดหัวใจการเคลือบ SiCกำลังเปลี่ยนแปลงขอบเขตของกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ด้วยอัตราที่น่าทึ่ง เทคโนโลยีการเคลือบที่ดูเหมือนเรียบง่ายนี้ได้กลายเป็นโซลูชันสำคัญสำหรับความท้าทายหลักสามประการ ได้แก่ การปนเปื้อนของอนุภาค การกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง และการกัดกร่อนของพลาสมาในการผลิตชิป ผู้ผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำของโลกได้ระบุเทคโนโลยีนี้ให้เป็นเทคโนโลยีมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์รุ่นต่อไป แล้วอะไรที่ทำให้การเคลือบนี้เป็น "เกราะที่มองไม่เห็น" ของการผลิตชิป บทความนี้จะวิเคราะห์หลักการทางเทคนิค การใช้งานหลัก และความก้าวหน้าที่ล้ำสมัยของเทคโนโลยีนี้อย่างลึกซึ้ง

Ⅰ. คำจำกัดความของการเคลือบ CVD SiC

การเคลือบ CVD SiC หมายถึงชั้นป้องกันของซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่สะสมบนพื้นผิวโดยกระบวนการสะสมไอเคมี (CVD) ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นสารประกอบของซิลิกอนและคาร์บอน ซึ่งขึ้นชื่อในเรื่องความแข็งที่ยอดเยี่ยม การนำความร้อนสูง ความเฉื่อยต่อสารเคมี และทนต่ออุณหภูมิสูง เทคโนโลยี CVD สามารถสร้างชั้น SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง หนาแน่น และหนาสม่ำเสมอ และสามารถปรับเปลี่ยนรูปทรงที่ซับซ้อนได้อย่างมาก ซึ่งทำให้การเคลือบ CVD SiC เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูงที่ไม่สามารถทำได้ด้วยวัสดุจำนวนมากแบบดั้งเดิมหรือวิธีการเคลือบอื่นๆ

Ⅱ. หลักการทำงานของ CVD

การสะสมไอเคมี (CVD) เป็นวิธีการผลิตอเนกประสงค์ที่ใช้ในการผลิตวัสดุแข็งคุณภาพสูงและประสิทธิภาพสูง หลักการสำคัญของ CVD เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของสารตั้งต้นที่เป็นก๊าซบนพื้นผิวของวัสดุพิมพ์ที่ได้รับความร้อนเพื่อสร้างชั้นเคลือบแข็ง

ต่อไปนี้เป็นการแยกย่อยแบบง่ายของกระบวนการ SiC CVD:

แผนภาพหลักการกระบวนการ CVD

1. บทนำเบื้องต้น:สารตั้งต้นที่เป็นก๊าซ โดยทั่วไปเป็นก๊าซที่ประกอบด้วยซิลิกอน (เช่น เมทิลไตรคลอโรซิเลน – MTS หรือไซเลน – SiH₄) และก๊าซที่ประกอบด้วยคาร์บอน (เช่น โพรเพน – C₃H₈) จะถูกนำเข้าไปในห้องปฏิกิริยา

2. การจัดส่งก๊าซก๊าซสารตั้งต้นเหล่านี้ไหลผ่านพื้นผิวที่ถูกให้ความร้อน

3. การดูดซับ:โมเลกุลของสารตั้งต้นจะดูดซับเข้ากับพื้นผิวของสารตั้งต้นที่ร้อน

4. ปฏิกิริยาพื้นผิว:ที่อุณหภูมิสูง โมเลกุลที่ดูดซับจะเกิดปฏิกิริยาเคมี ส่งผลให้สารตั้งต้นสลายตัวและเกิดฟิล์ม SiC แข็ง ผลิตภัณฑ์รองจะถูกปล่อยออกมาในรูปของก๊าซ

5. การดูดซับและการระบายออก:ผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซจะสลายตัวออกจากพื้นผิวแล้วระบายออกจากห้อง การควบคุมอุณหภูมิ แรงดัน อัตราการไหลของก๊าซ และความเข้มข้นของสารตั้งต้นอย่างแม่นยำถือเป็นสิ่งสำคัญในการบรรลุคุณสมบัติของฟิล์มที่ต้องการ รวมถึงความหนา ความบริสุทธิ์ ความเป็นผลึก และการยึดเกาะ

Ⅲ. การใช้สารเคลือบ CVD SiC ในกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์

สารเคลือบ CVD SiC เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากคุณสมบัติที่ผสมผสานกันอย่างมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวของสารเคลือบนี้สามารถตอบสนองเงื่อนไขที่รุนแรงและข้อกำหนดความบริสุทธิ์ที่เข้มงวดของสภาพแวดล้อมการผลิตได้โดยตรง สารเคลือบนี้ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อนของพลาสมา การโจมตีทางเคมี และการเกิดอนุภาค ซึ่งทั้งหมดนี้มีความสำคัญต่อการเพิ่มผลผลิตของเวเฟอร์และระยะเวลาการทำงานของอุปกรณ์ให้สูงสุด

ต่อไปนี้เป็นชิ้นส่วนเคลือบ CVD SiC ทั่วไปบางส่วนและสถานการณ์การใช้งาน:

1. ห้องกัดพลาสมาและวงแหวนโฟกัส

สินค้า:แผ่นเคลือบ CVD SiC, หัวฝักบัว, ตัวรับ และวงแหวนโฟกัส

แอปพลิเคชัน:ในการกัดด้วยพลาสม่า พลาสม่าที่มีการทำงานสูงจะถูกใช้เพื่อกำจัดวัสดุออกจากเวเฟอร์อย่างเลือกสรร วัสดุที่ไม่ได้เคลือบหรือมีความทนทานน้อยกว่าจะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการปนเปื้อนของอนุภาคและต้องหยุดทำงานบ่อยครั้ง การเคลือบ CVD SiC มีความทนทานต่อสารเคมีในพลาสม่าที่กัดกร่อนได้ดีเยี่ยม (เช่น ฟลูออรีน คลอรีน โบรมีน พลาสม่า) ช่วยยืดอายุของส่วนประกอบห้องสำคัญ และลดการเกิดอนุภาค ซึ่งจะเพิ่มผลผลิตของเวเฟอร์โดยตรง

2.ห้องPECVDและHDPCVD

สินค้า:ห้องปฏิกิริยาและอิเล็กโทรดเคลือบ CVD SiC

แอปพลิเคชั่น:การเคลือบไอเคมีด้วยพลาสม่าที่เพิ่มประสิทธิภาพ (PECVD) และการเคลือบพลาสม่าแบบ CVD ที่มีความหนาแน่นสูง (HDPCVD) ใช้ในการเคลือบฟิล์มบาง (เช่น ชั้นไดอิเล็กทริก ชั้นพาสซีฟ) กระบวนการเหล่านี้ยังเกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมพลาสม่าที่รุนแรงอีกด้วย การเคลือบ CVD SiC ช่วยปกป้องผนังห้องและอิเล็กโทรดจากการสึกกร่อน ช่วยให้มั่นใจได้ว่าฟิล์มจะมีคุณภาพสม่ำเสมอและลดข้อบกพร่องให้น้อยที่สุด

3. อุปกรณ์ฝังไอออน

สินค้า:ส่วนประกอบบีมไลน์เคลือบ CVD SiC (เช่น รูรับแสง ถ้วยฟาราเดย์)

แอปพลิเคชั่น:การฝังไอออนจะนำไอออนโดปันต์เข้าไปในซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์ ลำแสงไอออนพลังงานสูงสามารถทำให้เกิดการสปัตเตอร์และการสึกกร่อนของส่วนประกอบที่สัมผัสได้ ความแข็งและความบริสุทธิ์สูงของ CVD SiC ช่วยลดการสร้างอนุภาคจากส่วนประกอบของลำแสง ซึ่งช่วยป้องกันการปนเปื้อนของเวเฟอร์ระหว่างขั้นตอนการโดปันต์ที่สำคัญนี้

4. ส่วนประกอบของเครื่องปฏิกรณ์เอพิแทกเซียล

สินค้า:ตัวรับและตัวจ่ายก๊าซเคลือบ CVD SiC

แอปพลิเคชั่น:การเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียล (EPI) เกี่ยวข้องกับการเติบโตของชั้นผลึกที่มีการเรียงลำดับสูงบนพื้นผิวที่อุณหภูมิสูง ตัวรับเคลือบ CVD SiC ให้ความเสถียรทางความร้อนที่ยอดเยี่ยมและความเฉื่อยทางเคมีที่อุณหภูมิสูง ช่วยให้ให้ความร้อนสม่ำเสมอและป้องกันการปนเปื้อนของตัวรับเอง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการบรรลุชั้นเอพิแทกเซียลคุณภาพสูง

เนื่องจากรูปทรงของชิปมีขนาดเล็กลงและความต้องการกระบวนการเพิ่มมากขึ้น ความต้องการซัพพลายเออร์เคลือบ CVD SiC คุณภาพสูงและผู้ผลิตเคลือบ CVD จึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

IV. ความท้าทายของกระบวนการเคลือบ CVD SiC มีอะไรบ้าง?

แม้ว่าการเคลือบ CVD SiC จะมีข้อดีมากมาย แต่การผลิตและการใช้งานยังคงต้องเผชิญกับความท้าทายในกระบวนการบางประการ การแก้ไขปัญหาเหล่านี้ถือเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพที่เสถียรและคุ้มทุน

ความท้าทาย:

1. การยึดติดกับพื้นผิว

SiC อาจเป็นเรื่องท้าทายในการยึดเกาะวัสดุพื้นผิวต่างๆ (เช่น กราไฟต์ ซิลิกอน เซรามิก) ให้แข็งแรงและสม่ำเสมอ เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนและพลังงานพื้นผิวแตกต่างกัน การยึดเกาะที่ไม่ดีอาจทำให้เกิดการแยกชั้นระหว่างวงจรความร้อนหรือความเค้นเชิงกล

วิธีแก้ไข:

การเตรียมพื้นผิว:การทำความสะอาดและการบำบัดพื้นผิวอย่างพิถีพิถัน (เช่น การกัดกร่อน การบำบัดด้วยพลาสม่า) ของพื้นผิวเพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อนและสร้างพื้นผิวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการยึดติด

ชั้นกลาง:วางชั้นกลางหรือชั้นบัฟเฟอร์ที่บางและปรับแต่งได้ (เช่น คาร์บอนไพโรไลติก TaC – คล้ายกับการเคลือบ CVD TaC ในการใช้งานเฉพาะ) เพื่อลดความไม่ตรงกันของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนและส่งเสริมการยึดเกาะ

เพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การสะสม:ควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และอัตราส่วนก๊าซของการสะสมอย่างระมัดระวังเพื่อปรับให้เหมาะสมในการสร้างนิวเคลียสและการเติบโตของฟิล์ม SiC และส่งเสริมการยึดติดที่แข็งแรงบนส่วนต่อประสาน

2. ฟิล์มเครียดและแตกร้าว

ระหว่างการสะสมหรือการระบายความร้อนในภายหลัง ความเค้นตกค้างอาจเกิดขึ้นภายในฟิล์ม SiC ทำให้เกิดรอยแตกร้าวหรือบิดงอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรูปทรงเรขาคณิตที่มีขนาดใหญ่หรือซับซ้อน

วิธีแก้ไข:

การควบคุมอุณหภูมิควบคุมอัตราการทำความร้อนและความเย็นอย่างแม่นยำเพื่อลดการช็อกและความเครียดจากความร้อน

การเคลือบแบบไล่ระดับ:ใช้การเคลือบแบบหลายชั้นหรือแบบไล่ระดับเพื่อเปลี่ยนองค์ประกอบหรือโครงสร้างของวัสดุอย่างค่อยเป็นค่อยไปเพื่อรองรับความเครียด

การอบหลังการสะสม:อบชิ้นส่วนที่เคลือบเพื่อขจัดความเครียดตกค้างและปรับปรุงความสมบูรณ์ของฟิล์ม

3. ความสอดคล้องและความสม่ำเสมอบนรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน

การเคลือบสารเคลือบที่มีความหนาสม่ำเสมอและสม่ำเสมอบนชิ้นส่วนที่มีรูปร่างที่ซับซ้อน อัตราส่วนความกว้างยาวสูง หรือช่องภายในอาจทำได้ยากเนื่องจากข้อจำกัดในการแพร่กระจายของสารตั้งต้นและจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา

วิธีแก้ไข:

การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์:ออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ CVD ที่มีพลวัตการไหลของก๊าซที่เหมาะสมและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเพื่อให้แน่ใจว่าสารตั้งต้นกระจายตัวสม่ำเสมอ

การปรับพารามิเตอร์กระบวนการ:ปรับแต่งความดันการสะสม อัตราการไหล และความเข้มข้นของสารตั้งต้นอย่างละเอียดเพื่อปรับปรุงการแพร่กระจายในเฟสก๊าซไปยังคุณสมบัติที่ซับซ้อน

การสะสมแบบหลายขั้นตอน:ใช้ขั้นตอนการเคลือบอย่างต่อเนื่องหรืออุปกรณ์หมุนเพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวทั้งหมดได้รับการเคลือบอย่างเหมาะสม

V. คำถามที่พบบ่อย

คำถามที่ 1: ความแตกต่างหลักระหว่าง CVD SiC และ PVD SiC ในการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร

A: การเคลือบแบบ CVD เป็นโครงสร้างผลึกคอลัมน์ที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 99.99% เหมาะกับสภาพแวดล้อมพลาสมา ส่วนการเคลือบแบบ PVD ส่วนใหญ่เป็นแบบอะมอร์ฟัส/นาโนคริสตัลไลน์ที่มีความบริสุทธิ์น้อยกว่า 99.9% ใช้สำหรับเคลือบตกแต่งเป็นหลัก

คำถามที่ 2: อุณหภูมิสูงสุดที่เคลือบสามารถทนได้คือเท่าไร?

A: ความทนต่ออุณหภูมิในระยะสั้นที่ 1,650°C (เช่น กระบวนการอบอ่อน) ขีดจำกัดการใช้งานในระยะยาวที่ 1,450°C หากเกินอุณหภูมิดังกล่าวจะทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟสจาก β-SiC ไปเป็น α-SiC

คำถามที่ 3: ช่วงความหนาของการเคลือบโดยทั่วไป?

A: ส่วนประกอบของเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่มีขนาด 80-150μm และการเคลือบ EBC ของเครื่องยนต์เครื่องบินสามารถเข้าถึง 300-500μm

ไตรมาสที่ 4: ปัจจัยหลักที่มีผลต่อต้นทุนคืออะไร?

A: ความบริสุทธิ์ของสารตั้งต้น (40%) การใช้พลังงานของอุปกรณ์ (30%) การสูญเสียผลผลิต (20%) ราคาต่อหน่วยของสารเคลือบระดับไฮเอนด์อาจสูงถึง 5,000 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลกรัม

คำถามที่ 5: ซัพพลายเออร์รายใหญ่ของโลกมีอะไรบ้าง?

A: ยุโรปและสหรัฐอเมริกา: CoorsTek, Mersen, Ionbond; เอเชีย: Semixlab, Veteksemicon, Kallex (ไต้หวัน), Scientech (ไต้หวัน)