8 انچ کی ایس آئی سی ایپیٹیکسیل فرنس اور ہوموپیٹاکسیل عمل پر تحقیق-Ⅰ

فی الحال، SiC انڈسٹری 150 ملی میٹر (6 انچ) سے 200 ملی میٹر (8 انچ) میں تبدیل ہو رہی ہے۔ صنعت میں بڑے سائز کے، اعلیٰ معیار کے SiC ہوموپیٹاکسیل ویفرز کی فوری مانگ کو پورا کرنے کے لیے، 150mm اور 200mm4H-SiC homoepitaxial wafersآزادانہ طور پر تیار کردہ 200mm SiC ایپیٹیکسیل گروتھ آلات کا استعمال کرتے ہوئے گھریلو ذیلی جگہوں پر کامیابی کے ساتھ تیار کیا گیا تھا۔ 150 ملی میٹر اور 200 ملی میٹر کے لیے موزوں ایک ہوموپیٹاکسیل عمل تیار کیا گیا تھا، جس میں اپیٹیکسیل ترقی کی شرح 60um/h سے زیادہ ہو سکتی ہے۔ تیز رفتار ایپیٹیکسی کو پورا کرتے ہوئے، ایپیٹیکسیل ویفر کا معیار بہترین ہے۔ 150 ملی میٹر اور 200 ملی میٹر کی موٹائی کی یکسانیتSiC ایپیٹیکسیل ویفرز1.5% کے اندر کنٹرول کیا جا سکتا ہے، ارتکاز کی یکسانیت 3% سے کم ہے، مہلک خرابی کی کثافت 0.3 ذرات/cm2 سے کم ہے، اور epitaxial سطح کی کھردری جڑ کا مطلب مربع Ra 0.15nm سے کم ہے، اور تمام بنیادی عمل کے اشارے صنعت کی اعلیٰ سطح پر ہیں۔

سلکان کاربائیڈ (SiC)تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد کے نمائندوں میں سے ایک ہے۔ اس میں اعلی بریک ڈاؤن فیلڈ طاقت، بہترین تھرمل چالکتا، بڑے الیکٹران سنترپتی بڑھے ہوئے رفتار، اور مضبوط تابکاری مزاحمت کی خصوصیات ہیں۔ اس نے پاور ڈیوائسز کی انرجی پروسیسنگ کی صلاحیت کو بہت بڑھا دیا ہے اور یہ ہائی پاور، چھوٹے سائز، ہائی ٹمپریچر، ہائی ریڈی ایشن اور دیگر انتہائی حالات والے ڈیوائسز کے لیے پاور الیکٹرانک آلات کی اگلی نسل کی سروس کی ضروریات کو پورا کر سکتا ہے۔ یہ جگہ کو کم کر سکتا ہے، بجلی کی کھپت کو کم کر سکتا ہے اور کولنگ کی ضروریات کو کم کر سکتا ہے۔ اس نے نئی انرجی گاڑیوں، ریل ٹرانسپورٹیشن، سمارٹ گرڈز اور دیگر شعبوں میں انقلابی تبدیلیاں لائی ہیں۔ لہذا، سلیکون کاربائیڈ سیمی کنڈکٹرز ایک مثالی مواد کے طور پر پہچانے گئے ہیں جو ہائی پاور پاور الیکٹرانک آلات کی اگلی نسل کی قیادت کرے گا۔ حالیہ برسوں میں، تیسری نسل کی سیمی کنڈکٹر صنعت کی ترقی کے لیے قومی پالیسی کی حمایت کی بدولت، چین میں 150 ملی میٹر SiC ڈیوائس انڈسٹری سسٹم کی تحقیق اور ترقی اور تعمیر بنیادی طور پر مکمل ہو چکی ہے، اور صنعتی سلسلہ کی حفاظت کی بنیادی طور پر ضمانت دی گئی ہے۔ لہذا، صنعت کی توجہ دھیرے دھیرے لاگت پر قابو پانے اور کارکردگی میں بہتری کی طرف مبذول ہو گئی ہے۔ جیسا کہ جدول 1 میں دکھایا گیا ہے، 150 ملی میٹر کے مقابلے میں، 200 ملی میٹر SiC میں کنارے کے استعمال کی شرح زیادہ ہے، اور سنگل ویفر چپس کی پیداوار میں تقریباً 1.8 گنا اضافہ کیا جا سکتا ہے۔ ٹیکنالوجی کے پختہ ہونے کے بعد، ایک چپ کی مینوفیکچرنگ لاگت 30 فیصد تک کم ہو سکتی ہے۔ 200 ملی میٹر کی تکنیکی پیش رفت "لاگت کو کم کرنے اور کارکردگی بڑھانے" کا براہ راست ذریعہ ہے، اور یہ میرے ملک کی سیمی کنڈکٹر انڈسٹری کے لیے "متوازی چلانے" یا حتیٰ کہ "لیڈ" کے لیے بھی کلید ہے۔

سی ڈیوائس کے عمل سے مختلف،SiC سیمی کنڈکٹر پاور ڈیوائسزتمام پروسیسنگ اور epitaxial تہوں کے ساتھ بنیاد کے طور پر تیار ہیں. Epitaxial wafers SiC پاور ڈیوائسز کے لیے ضروری بنیادی مواد ہیں۔ ایپیٹیکسیل پرت کا معیار براہ راست ڈیوائس کی پیداوار کا تعین کرتا ہے، اور اس کی لاگت چپ کی تیاری کی لاگت کا 20٪ ہے۔ لہذا، epitaxial ترقی SiC پاور ڈیوائسز میں ایک لازمی انٹرمیڈیٹ لنک ہے۔ epitaxial عمل کی سطح کی اوپری حد کا تعین epitaxial آلات سے کیا جاتا ہے۔ اس وقت چین میں 150mm SiC ایپیٹیکسیل آلات کی لوکلائزیشن ڈگری نسبتاً زیادہ ہے، لیکن 200mm کی مجموعی ترتیب ایک ہی وقت میں بین الاقوامی سطح سے پیچھے ہے۔ لہذا، گھریلو تھرڈ جنریشن سیمی کنڈکٹر انڈسٹری کی ترقی کے لیے بڑے سائز، اعلیٰ معیار کے ایپیٹیکسیل میٹریل مینوفیکچرنگ کی فوری ضروریات اور رکاوٹوں کے مسائل کو حل کرنے کے لیے، یہ مقالہ میرے ملک میں کامیابی کے ساتھ تیار کیے گئے 200 ملی میٹر SiC ایپیٹیکسیل آلات کو متعارف کرایا گیا ہے، اور ایپیٹیکسیل عمل کا مطالعہ کرتا ہے۔ عمل کے درجہ حرارت، کیریئر گیس کے بہاؤ کی شرح، C/Si تناسب، وغیرہ جیسے عمل کے پیرامیٹرز کو بہتر بناتے ہوئے، ارتکاز کی یکسانیت <3%، موٹائی غیر یکسانیت <1.5%، کھردری Ra <0.2 nm اور مہلک خرابی کی کثافت <0.3 grains/cm2 150mm کے ساتھ 150 ملی میٹر اور 20 ملی میٹر کے ساتھ آزادانہ طور پر تیار کردہ 200 ملی میٹر سلکان کاربائیڈ ایپیٹیکسیل فرنس حاصل کی جاتی ہے۔ سامان کے عمل کی سطح اعلی معیار کے SiC پاور ڈیوائس کی تیاری کی ضروریات کو پورا کر سکتی ہے۔

 

1 تجربہ

 

1.1 کا اصولایس سی ایپیٹیکسیلعمل

4H-SiC homoepitaxial بڑھوتری کے عمل میں بنیادی طور پر 2 اہم مراحل شامل ہیں، یعنی 4H-SiC سبسٹریٹ کی اعلی درجہ حرارت میں اینچنگ اور یکساں کیمیائی بخارات جمع کرنے کا عمل۔ سبسٹریٹ ان سیٹو ایچنگ کا بنیادی مقصد ویفر پالش کرنے، بقایا پالش کرنے والے مائع، ذرات اور آکسائیڈ کی تہہ کے بعد سبسٹریٹ کی سطح کو پہنچنے والے نقصان کو دور کرنا ہے اور اینچنگ کے ذریعے سبسٹریٹ کی سطح پر ایک باقاعدہ ایٹم سٹیپ ڈھانچہ تشکیل دیا جا سکتا ہے۔ ان سیٹو اینچنگ عام طور پر ہائیڈروجن ماحول میں کی جاتی ہے۔ اصل عمل کی ضروریات کے مطابق، تھوڑی مقدار میں معاون گیس بھی شامل کی جا سکتی ہے، جیسے ہائیڈروجن کلورائیڈ، پروپین، ایتھیلین یا سائلین۔ ان سیٹو ہائیڈروجن اینچنگ کا درجہ حرارت عام طور پر 1 600 ℃ سے اوپر ہوتا ہے، اور اینچنگ کے عمل کے دوران ری ایکشن چیمبر کا دباؤ عام طور پر 2×104 Pa سے نیچے کنٹرول کیا جاتا ہے۔

ان سیٹو اینچنگ کے ذریعے سبسٹریٹ کی سطح کو چالو کرنے کے بعد، یہ اعلی درجہ حرارت والے کیمیائی بخارات جمع کرنے کے عمل میں داخل ہوتا ہے، یعنی نمو کا ذریعہ (جیسے ایتھیلین/پروپین، TCS/سائلین)، ڈوپنگ سورس (n-type doping سورس نائٹروجن، p-type doping سورس TMAL) اور اس طرح کے ہائیڈروجن ہائیڈروجن ری ایکشن کے ذریعے منتقل ہوتے ہیں۔ کیریئر گیس (عام طور پر ہائیڈروجن) کے ایک بڑے بہاؤ کے ذریعے چیمبر۔ ہائی ٹمپریچر ری ایکشن چیمبر میں گیس کے رد عمل کے بعد، پیشگی کا کچھ حصہ کیمیائی طور پر رد عمل ظاہر کرتا ہے اور ویفر کی سطح پر جذب کرتا ہے، اور ایک مخصوص ڈوپنگ ارتکاز، مخصوص موٹائی، اور اعلیٰ معیار کے ساتھ سبسٹریٹ سطح پر سنگل کرسٹل یکساں 4H-SiC ایپیٹیکسیل پرت بنتی ہے۔ برسوں کی تکنیکی تلاش کے بعد، 4H-SiC ہوموپیٹیکسیل ٹیکنالوجی بنیادی طور پر پختہ ہو چکی ہے اور صنعتی پیداوار میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتی ہے۔ دنیا میں سب سے زیادہ استعمال ہونے والی 4H-SiC homoepitaxial ٹیکنالوجی کی دو مخصوص خصوصیات ہیں:
(1) ایک آف محور کا استعمال کرتے ہوئے (<0001> کرسٹل ہوائی جہاز کے نسبت، <11-20> کرسٹل سمت کی طرف) ترچھا کٹ سبسٹریٹ بطور ٹیمپلیٹ، ایک اعلی طہارت واحد-کرسٹل 4H-SiC ایپیٹیکسیل تہہ بغیر نجاست کے سبسٹریٹ پر سٹیپ فلو کی شکل میں جمع کی جاتی ہے۔ ابتدائی 4H-SiC homoepitaxial گروتھ میں ایک مثبت کرسٹل سبسٹریٹ استعمال کیا گیا، یعنی <0001> Si پلین ترقی کے لیے۔ مثبت کرسٹل سبسٹریٹ کی سطح پر جوہری قدموں کی کثافت کم ہے اور چھتیں چوڑی ہیں۔ 3C کرسٹل SiC (3C-SiC) بنانے کے لیے ایپیٹیکسی عمل کے دوران دو جہتی نیوکلیشن نمو آسان ہے۔ آف ایکسس کٹنگ کے ذریعے، 4H-SiC <0001> سبسٹریٹ کی سطح پر اعلی کثافت، تنگ ٹیرس چوڑائی والے ایٹم سٹیپس متعارف کرائے جا سکتے ہیں، اور جذب شدہ پیشگی سطح کے پھیلاؤ کے ذریعے نسبتاً کم سطحی توانائی کے ساتھ مؤثر طریقے سے ایٹم سٹیپ پوزیشن تک پہنچ سکتا ہے۔ قدم پر، پیشگی ایٹم/مالیکیولر گروپ بانڈنگ پوزیشن منفرد ہے، اس لیے قدم بہاؤ بڑھنے کے موڈ میں، ایپیٹیکسیل پرت بالکل اسی کرسٹل مرحلے کے ساتھ سبسٹریٹ کے ساتھ ایک کرسٹل بنانے کے لیے سبسٹریٹ کی Si-C ڈبل ایٹمک لیئر اسٹیکنگ سیکوئنس کو وراثت میں لے سکتی ہے۔
(2) کلورین پر مشتمل سلکان ماخذ کو متعارف کروا کر تیز رفتار اپیٹیکسیل نمو حاصل کی جاتی ہے۔ روایتی SiC کیمیائی بخارات جمع کرنے کے نظام میں، سائلین اور پروپین (یا ایتھیلین) ترقی کے اہم ذرائع ہیں۔ نمو کے ذریعہ بہاؤ کی شرح کو بڑھا کر ترقی کی شرح کو بڑھانے کے عمل میں، جیسا کہ سلیکون جزو کا توازن جزوی دباؤ بڑھتا رہتا ہے، یکساں گیس فیز نیوکلیشن کے ذریعے سلیکون کلسٹرز بنانا آسان ہے، جس سے سلکان ماخذ کے استعمال کی شرح میں نمایاں کمی واقع ہوتی ہے۔ سلیکون کلسٹرز کی تشکیل اپیٹیکسیل گروتھ ریٹ کی بہتری کو بہت حد تک محدود کرتی ہے۔ ایک ہی وقت میں، سلکان کلسٹرز قدم بہاؤ کی ترقی کو پریشان کر سکتے ہیں اور خرابی نیوکلیشن کا سبب بن سکتے ہیں۔ یکساں گیس فیز نیوکلیشن سے بچنے اور اپیٹیکسیل گروتھ ریٹ کو بڑھانے کے لیے، کلورین پر مبنی سلیکون ذرائع کا تعارف فی الحال 4H-SiC کی اپیٹیکسیل گروتھ ریٹ کو بڑھانے کا مرکزی طریقہ ہے۔

 

1.2 200 ملی میٹر (8 انچ) SiC ایپیٹیکسیل آلات اور عمل کے حالات

اس مقالے میں بیان کردہ تمام تجربات 150/200 ملی میٹر (6/8-انچ) ہم آہنگ یک سنگی افقی گرم دیوار SiC ایپیٹیکسیل آلات پر کیے گئے جو 48 ویں انسٹی ٹیوٹ آف چائنا الیکٹرانکس ٹیکنالوجی گروپ کارپوریشن نے آزادانہ طور پر تیار کیے ہیں۔ ایپیٹیکسیل فرنس مکمل طور پر خودکار ویفر لوڈنگ اور ان لوڈنگ کو سپورٹ کرتی ہے۔ شکل 1 ایپیٹیکسیل آلات کے رد عمل کے چیمبر کی اندرونی ساخت کا ایک اسکیمیٹک خاکہ ہے۔ جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے، ری ایکشن چیمبر کی بیرونی دیوار ایک کوارٹز بیل ہے جس میں واٹر کولڈ انٹرلیئر ہے، اور گھنٹی کے اندر ایک ہائی ٹمپریچر ری ایکشن چیمبر ہے، جو تھرمل موصلیت کاربن فیلٹ، ہائی پیوریٹی اسپیشل گریفائٹ کیوٹی، گریفائٹ گیس فلوٹنگ بیلز کے ساتھ گھومنے والی بیلز کا احاطہ کرتا ہے، وغیرہ۔ بیلناکار انڈکشن کوائل، اور بیل کے اندر ری ایکشن چیمبر کو برقی مقناطیسی طور پر درمیانی فریکوئنسی انڈکشن پاور سپلائی سے گرم کیا جاتا ہے۔ جیسا کہ شکل 1 (b) میں دکھایا گیا ہے، کیریئر گیس، ری ایکشن گیس، اور ڈوپنگ گیس سبھی ویفر کی سطح سے ایک افقی لیمینر بہاؤ میں ری ایکشن چیمبر کے اپ اسٹریم سے ری ایکشن چیمبر کے نیچے کی طرف بہتی ہیں اور ٹیل گیس اینڈ سے خارج ہوتی ہیں۔ ویفر کے اندر مستقل مزاجی کو یقینی بنانے کے لیے، عمل کے دوران ہوا میں تیرنے والے اڈے کے ذریعے لے جانے والے ویفر کو ہمیشہ گھمایا جاتا ہے۔

تجربے میں استعمال کیا جانے والا سبسٹریٹ ایک کمرشل 150 ملی میٹر، 200 ملی میٹر (6 انچ، 8 انچ) <1120> سمت 4° آف زاویہ کنڈکٹیو این ٹائپ 4H-SiC ڈبل سائیڈ پالش SiC سبسٹریٹ ہے جسے شانکسی شووک کرسٹل نے تیار کیا ہے۔ Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) اور ethylene (C2H4) کو عمل کے تجربے میں ترقی کے اہم ذرائع کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، جن میں TCS اور C2H4 کو بالترتیب سلکان ماخذ اور کاربن ماخذ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، ہائی پیوریٹی نائٹروجن (N2) کو n قسم کے ڈوپنگ ماخذ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، اور ہائیڈروجن گیس اور کاربن کے ماخذ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ ایپیٹیکسیل عمل کی درجہ حرارت کی حد 1 600 ~ 1 660 ℃ ہے، عمل کا دباؤ 8×103 ~ 12×103 Pa ہے، اور H2 کیریئر گیس کے بہاؤ کی شرح 100～140 L/min ہے۔

 

1.3 ایپیٹیکسیل ویفر کی جانچ اور خصوصیات

فوئیر انفراریڈ سپیکٹرومیٹر (سامان تیار کرنے والا تھرمل فشر، ماڈل iS50) اور مرکری پروب کنسنٹریشن ٹیسٹر (سامان تیار کرنے والا سیمیلاب، ماڈل 530L) ایپیٹیکسیل پرت کی موٹائی اور ڈوپنگ ارتکاز کی اوسط اور تقسیم کی خصوصیت کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔ epitaxial تہہ میں ہر نقطہ کی موٹائی اور ڈوپنگ ارتکاز کا تعین قطر کی لکیر کے ساتھ پوائنٹس لے کر 5 ملی میٹر کنارے ہٹانے کے ساتھ ویفر کے مرکز میں 45° پر مرکزی حوالہ کے کنارے کی نارمل لائن کو کاٹتے ہوئے کیا گیا تھا۔ ایک 150 ملی میٹر ویفر کے لیے، 9 پوائنٹس کو ایک قطر کی لائن کے ساتھ لیا گیا تھا (دو قطر ایک دوسرے کے ساتھ کھڑے تھے)، اور 200 ملی میٹر کے ویفر کے لیے، 21 پوائنٹس لیے گئے تھے، جیسا کہ شکل 2 میں دکھایا گیا ہے۔ ایک جوہری قوت خوردبین (آلات بنانے والی کمپنی بروکر، ماڈل ڈائیمینشن آئیکن کو μm × 3 کے رقبہ کو منتخب کرنے کے لیے μm × 3 میں ماڈل کا استعمال کیا گیا تھا) اور epitaxial wafer کے کنارے کا علاقہ (5 mm کنارے ہٹانا) epitaxial تہہ کی سطح کی کھردری کو جانچنے کے لیے؛ epitaxial تہہ کے نقائص کی پیمائش سطح کے عیب ٹیسٹر (سامان بنانے والی کمپنی چائنا الیکٹرانکس The 3D امیجر کی خصوصیت Kefenghua سے ایک ریڈار سینسر (ماڈل Mars 4410 pro) کے ذریعے کی گئی تھی۔