بحث حول الفرن الفوقي من كربيد السيليكون مقاس 8 بوصة وعملية الفوقي المتجانس-Ⅰ

حاليًا، تتحول صناعة SiC من 150 ملم (6 بوصات) إلى 200 ملم (8 بوصات). من أجل تلبية الطلب العاجل على الرقائق المتجانسة ذات الحجم الكبير وعالية الجودة من SiC في الصناعة، 150 مم و200 مم4H-SiC رقائق متجانسة المحورتم إعدادها بنجاح على ركائز محلية باستخدام معدات النمو الفوقي 200 مم SiC المطورة بشكل مستقل. تم تطوير عملية الفوقي المتجانس المناسبة لـ 150 مم و200 مم، حيث يمكن أن يكون معدل النمو الفوقي أكبر من 60 ميكرومتر/ساعة. أثناء تلبية النفوق عالي السرعة، فإن جودة الرقاقة الفوقي ممتازة. سمك التوحيد 150 ملم و 200 ملمرقائق كربيد الفوقييمكن التحكم بها في حدود 1.5%، وتوحيد التركيز أقل من 3%، وكثافة العيب المميت أقل من 0.3 جسيمات/سم2، وجذر خشونة السطح الفوقي يعني مربع Ra أقل من 0.15 نانومتر، وجميع مؤشرات العملية الأساسية عند المستوى المتقدم للصناعة.

كربيد السيليكون (SiC)هو أحد ممثلي مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث. يتميز بخصائص قوة مجال الانهيار العالية، والتوصيل الحراري الممتاز، وسرعة انجراف التشبع الإلكتروني الكبيرة، ومقاومة الإشعاع القوية. لقد وسعت بشكل كبير قدرة معالجة الطاقة لأجهزة الطاقة ويمكنها تلبية متطلبات الخدمة للجيل القادم من معدات الطاقة الإلكترونية للأجهزة ذات الطاقة العالية والحجم الصغير ودرجة الحرارة العالية والإشعاع العالي وغيرها من الظروف القاسية. يمكنه تقليل المساحة وتقليل استهلاك الطاقة وتقليل متطلبات التبريد. لقد أحدثت تغييرات ثورية في مركبات الطاقة الجديدة والنقل بالسكك الحديدية والشبكات الذكية وغيرها من المجالات. لذلك، أصبحت أشباه الموصلات من كربيد السيليكون معروفة باعتبارها المادة المثالية التي ستقود الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة. في السنوات الأخيرة، بفضل دعم السياسة الوطنية لتطوير صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث، تم الانتهاء بشكل أساسي من البحث والتطوير والبناء لنظام صناعة أجهزة SiC مقاس 150 مم في الصين، وأصبح أمن السلسلة الصناعية تم ضمانها بشكل أساسي. ولذلك، تحول تركيز الصناعة تدريجياً إلى التحكم في التكاليف وتحسين الكفاءة. كما هو موضح في الجدول 1، مقارنة بـ 150 مم، فإن 200 مم SiC لديه معدل استخدام حافة أعلى، ويمكن زيادة إنتاج رقائق الرقاقة المفردة بحوالي 1.8 مرة. وبعد نضوج التكنولوجيا، يمكن تخفيض تكلفة تصنيع شريحة واحدة بنسبة 30%. إن التقدم التكنولوجي الذي يبلغ 200 ملم هو وسيلة مباشرة "لخفض التكاليف وزيادة الكفاءة"، وهو أيضًا المفتاح لصناعة أشباه الموصلات في بلدي "للعمل بالتوازي" أو حتى "الريادة".

يختلف عن عملية جهاز Si،أجهزة الطاقة لأشباه الموصلات SiCتتم معالجتها جميعًا وإعدادها باستخدام طبقات الفوقي باعتبارها حجر الزاوية. تعتبر الرقائق الفوقي من المواد الأساسية الأساسية لأجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون. تحدد جودة الطبقة الفوقية بشكل مباشر إنتاجية الجهاز، وتمثل تكلفتها 20% من تكلفة تصنيع الرقاقة. لذلك، يعد النمو الفوقي رابطًا وسيطًا أساسيًا في أجهزة طاقة SiC. يتم تحديد الحد الأعلى لمستوى العملية الفوقي بواسطة المعدات الفوقي. في الوقت الحاضر، تعد درجة توطين المعدات الفوقي SiC مقاس 150 مم في الصين مرتفعة نسبيًا، لكن التصميم العام البالغ 200 مم متخلف عن المستوى الدولي في نفس الوقت. لذلك، من أجل حل الاحتياجات العاجلة ومشاكل الاختناق الخاصة بتصنيع المواد الفوقية كبيرة الحجم وعالية الجودة لتطوير صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث المحلية، تقدم هذه الورقة معدات الفوقي SiC مقاس 200 مم التي تم تطويرها بنجاح في بلدي، ويدرس العملية الفوقي. من خلال تحسين معلمات العملية مثل درجة حرارة العملية، ومعدل تدفق الغاز الحامل، ونسبة C/Si، وما إلى ذلك، توحيد التركيز <3٪، وعدم انتظام السمك <1.5٪، والخشونة Ra <0.2 نانومتر وكثافة العيوب القاتلة <0.3 حبيبات يتم الحصول على الرقاقات الفوقية من كربيد السيليكون مقاس 150 مم و200 مم مع فرن فوقي من كربيد السيليكون مقاس 200 مم تم تطويره بشكل مستقل. يمكن أن يلبي مستوى معالجة المعدات احتياجات إعداد جهاز طاقة SiC عالي الجودة.

 

1 تجربة

 

1.1 مبدأكربيد الفوقيعملية

تشتمل عملية النمو المتجانس 4H-SiC بشكل أساسي على خطوتين رئيسيتين، وهما النقش في الموقع بدرجة حرارة عالية للركيزة 4H-SiC وعملية ترسيب البخار الكيميائي المتجانس. الغرض الرئيسي من حفر الركيزة في الموقع هو إزالة الضرر تحت السطح للركيزة بعد تلميع الرقاقة وسائل التلميع المتبقي والجسيمات وطبقة الأكسيد، ويمكن تشكيل بنية خطوة ذرية منتظمة على سطح الركيزة عن طريق الحفر. عادةً ما يتم إجراء الحفر في الموقع في جو هيدروجيني. وفقا لمتطلبات العملية الفعلية، يمكن أيضا إضافة كمية صغيرة من الغاز المساعد، مثل كلوريد الهيدروجين، البروبان، الإيثيلين أو السيلان. تكون درجة حرارة النقش بالهيدروجين في الموقع أعلى بشكل عام من 1600 درجة مئوية، ويتم التحكم بشكل عام في ضغط غرفة التفاعل أقل من 2×104 باسكال أثناء عملية النقش.

بعد تنشيط سطح الركيزة عن طريق الحفر في الموقع، فإنه يدخل في عملية ترسيب البخار الكيميائي ذو درجة الحرارة العالية، أي مصدر النمو (مثل الإيثيلين / البروبان، TCS / سيلان)، مصدر المنشطات (مصدر المنشطات من النوع n النيتروجين ، مصدر المنشطات من النوع p TMAl)، والغاز المساعد مثل كلوريد الهيدروجين يتم نقلها إلى غرفة التفاعل من خلال تدفق كبير من الغاز الحامل (عادةً الهيدروجين). بعد تفاعل الغاز في غرفة التفاعل ذات درجة الحرارة العالية، يتفاعل جزء من المادة الأولية كيميائيًا ويتم امتصاصه على سطح الرقاقة، ويتم تشكيل طبقة فوقية متجانسة أحادية البلورة 4H-SiC مع تركيز منشط محدد وسمك محدد وجودة أعلى. على سطح الركيزة باستخدام الركيزة أحادية البلورة 4H-SiC كقالب. بعد سنوات من الاستكشاف الفني، نضجت تقنية 4H-SiC المتجانسة بشكل أساسي وتستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي. تتميز تقنية 4H-SiC الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في العالم بخاصيتين نموذجيتين:
(1) باستخدام خارج المحور (نسبة إلى المستوى البلوري <0001>، باتجاه الاتجاه البلوري <11-20>) الركيزة المقطوعة المائلة كقالب، يتم إنشاء طبقة الفوقي 4H-SiC أحادية البلورة عالية النقاء بدون شوائب. تترسب على الركيزة في شكل وضع النمو خطوة التدفق. استخدم النمو المتجانس 4H-SiC المبكر ركيزة بلورية إيجابية، أي مستوى <0001> Si للنمو. كثافة الخطوات الذرية على سطح الركيزة البلورية الموجبة منخفضة والمدرجات واسعة. من السهل أن يحدث نمو النواة ثنائي الأبعاد أثناء عملية التنقيح لتكوين بلورة 3C SiC (3C-SiC). من خلال القطع خارج المحور، يمكن إدخال خطوات ذرية عالية الكثافة وضيقة العرض على سطح الركيزة 4H-SiC <0001>، ويمكن للسلائف الممتزة أن تصل بشكل فعال إلى موضع الخطوة الذرية مع طاقة سطحية منخفضة نسبيًا من خلال الانتشار السطحي . في الخطوة، يكون موضع رابطة الذرة/المجموعة الجزيئية فريدًا من نوعه، لذلك في وضع نمو التدفق التدريجي، يمكن للطبقة الفوقي أن ترث تمامًا تسلسل تكديس الطبقة الذرية المزدوجة Si-C للركيزة لتشكيل بلورة واحدة بنفس البلورة المرحلة باعتبارها الركيزة.
(2) يتم تحقيق النمو الفوقي عالي السرعة عن طريق إدخال مصدر سيليكون يحتوي على الكلور. في أنظمة ترسيب البخار الكيميائي التقليدية المصنوعة من كربيد السيليكون، يعد السيلان والبروبان (أو الإيثيلين) مصادر النمو الرئيسية. في عملية زيادة معدل النمو عن طريق زيادة معدل تدفق مصدر النمو، مع استمرار زيادة الضغط الجزئي المتوازن لمكون السيليكون، من السهل تشكيل مجموعات السيليكون عن طريق نواة الطور الغازي المتجانس، مما يقلل بشكل كبير من معدل استخدام مصدر السيليكون. إن تكوين مجموعات السيليكون يحد بشكل كبير من تحسين معدل النمو الفوقي. في الوقت نفسه، يمكن لمجموعات السيليكون أن تعيق نمو التدفق التدريجي وتسبب خللًا في النواة. من أجل تجنب نواة الطور الغازي المتجانس وزيادة معدل النمو الفوقي، فإن إدخال مصادر السيليكون المعتمدة على الكلور هو حاليًا الطريقة السائدة لزيادة معدل النمو الفوقي لـ 4H-SiC.

 

1.2 200 مم (8 بوصة) من المعدات الفوقية من SiC وظروف العملية

تم إجراء جميع التجارب الموصوفة في هذه الورقة على معدات الفوقي ذات الجدار الساخن الأفقي المتجانسة SiC مقاس 150/200 مم (6/8 بوصة) والتي تم تطويرها بشكل مستقل بواسطة المعهد الثامن والأربعين لشركة مجموعة تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية. يدعم الفرن الفوقي تحميل وتفريغ الويفر الأوتوماتيكي بالكامل. الشكل 1 عبارة عن رسم تخطيطي للهيكل الداخلي لغرفة التفاعل للمعدات الفوقي. كما هو موضح في الشكل 1، الجدار الخارجي لغرفة التفاعل عبارة عن جرس كوارتز مع طبقة داخلية مبردة بالماء، والجزء الداخلي للجرس عبارة عن غرفة تفاعل ذات درجة حرارة عالية، مكونة من لباد كربون عازل للحرارة، عالي النقاء تجويف جرافيت خاص، قاعدة دوارة عائمة بغاز الجرافيت، إلخ. جرس الكوارتز بأكمله مغطى بملف تحريض أسطواني، ويتم تسخين غرفة التفاعل داخل الجرس كهرومغناطيسيًا بواسطة مصدر طاقة تحريضي متوسط ​​التردد. كما هو مبين في الشكل 1 (ب)، يتدفق كل من الغاز الحامل وغاز التفاعل وغاز المنشطات عبر سطح الرقاقة في تدفق صفحي أفقي من أعلى غرفة التفاعل إلى أسفل غرفة التفاعل ويتم تفريغها من الذيل نهاية الغاز. لضمان الاتساق داخل الرقاقة، يتم دائمًا تدوير الرقاقة التي تحملها القاعدة العائمة بالهواء أثناء العملية.

الركيزة المستخدمة في التجربة عبارة عن ركيزة تجارية مقاس 150 مم، 200 مم (6 بوصات، 8 بوصات) <1120> اتجاه 4 درجات خارج الزاوية موصلة من النوع n 4H-SiC ركيزة SiC مصقولة على الوجهين من إنتاج Shanxi Shuoke Crystal. يتم استخدام ثلاثي كلوروسيلان (SiHCl3، TCS) والإيثيلين (C2H4) كمصادر النمو الرئيسية في تجربة العملية، ومن بينها TCS وC2H4 يتم استخدامهما كمصدر للسيليكون ومصدر للكربون على التوالي، ويستخدم النيتروجين عالي النقاء (N2) كـ n- مصدر المنشطات من النوع، ويستخدم الهيدروجين (H2) كغاز مخفف وغاز حامل. نطاق درجة الحرارة للعملية الفوقي هو 1600 ~ 1660 درجة مئوية، وضغط العملية هو 8 × 103 ~ 12 × 103 باسكال، ومعدل تدفق الغاز الحامل H2 هو 100 ~ 140 لتر / دقيقة.

 

1.3 اختبار وتوصيف الرقاقة الفوقي

تم استخدام مطياف فورييه للأشعة تحت الحمراء (الشركة المصنعة للمعدات Thermalfisher، الطراز iS50) واختبار تركيز مسبار الزئبق (الشركة المصنعة للمعدات Semilab، الطراز 530L) لتوصيف متوسط ​​وتوزيع سماكة الطبقة الفوقي وتركيز المنشطات؛ تم تحديد سمك وتركيز المنشطات لكل نقطة في الطبقة الفوقي عن طريق أخذ نقاط على طول خط القطر الذي يتقاطع مع الخط الطبيعي للحافة المرجعية الرئيسية عند 45 درجة في وسط الرقاقة مع إزالة حافة 5 مم. بالنسبة لرقاقة 150 ملم، تم أخذ 9 نقاط على طول خط قطر واحد (قطران متعامدان مع بعضهما البعض)، وبالنسبة لرقاقة 200 ملم، تم أخذ 21 نقطة، كما هو موضح في الشكل 2. مجهر القوة الذرية (الشركة المصنعة للمعدات) تم استخدام Bruker، نموذج Dimension Icon) لتحديد مناطق 30 ميكرومتر × 30 ميكرومتر في المنطقة الوسطى ومنطقة الحافة (إزالة حافة 5 مم) للرقاقة الفوقي لاختبار خشونة سطح الطبقة الفوقي. تم قياس عيوب الطبقة الفوقي باستخدام جهاز اختبار العيوب السطحية (الشركة المصنعة للمعدات China Electronics. تم تمييز جهاز التصوير ثلاثي الأبعاد بواسطة مستشعر رادار (طراز Mars 4410 pro) من Kefenghua.