Επί του παρόντος, η βιομηχανία SiC μεταμορφώνεται από 150 mm (6 ίντσες) σε 200 mm (8 ίντσες). Προκειμένου να καλυφθεί η επείγουσα ζήτηση για μεγάλου μεγέθους, υψηλής ποιότητας ομοεπιταξιακές γκοφρέτες SiC στη βιομηχανία, 150mm και 200mmΟμοεπιταξιακές γκοφρέτες 4H-SiCπαρασκευάστηκαν με επιτυχία σε οικιακά υποστρώματα χρησιμοποιώντας τον ανεξάρτητα αναπτυγμένο εξοπλισμό επιταξιακής ανάπτυξης SiC 200mm. Αναπτύχθηκε μια ομοεπιταξιακή διαδικασία κατάλληλη για 150mm και 200mm, στην οποία ο ρυθμός επιταξιακής ανάπτυξης μπορεί να είναι μεγαλύτερος από 60um/h. Ενώ πληροί την επιταξία υψηλής ταχύτητας, η επιταξιακή ποιότητα γκοφρέτας είναι εξαιρετική. Η ομοιομορφία πάχους 150 mm και 200 mmΕπιταξιακές γκοφρέτες SiCμπορεί να ελεγχθεί εντός 1,5%, η ομοιομορφία συγκέντρωσης είναι μικρότερη από 3%, η πυκνότητα θανατηφόρου ελαττώματος είναι μικρότερη από 0,3 σωματίδια/cm2 και ο μέσος όρος της ρίζας της τραχύτητας της επιφάνειας Ra είναι μικρότερος από 0,15 nm και όλοι οι δείκτες βασικής διεργασίας είναι το προηγμένο επίπεδο του κλάδου.
Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)είναι ένας από τους εκπροσώπους των υλικών ημιαγωγών τρίτης γενιάς. Έχει τα χαρακτηριστικά της υψηλής ισχύος πεδίου διάσπασης, της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας, της μεγάλης ταχύτητας μετατόπισης κορεσμού ηλεκτρονίων και της ισχυρής αντίστασης στην ακτινοβολία. Έχει επεκτείνει σημαντικά την ικανότητα επεξεργασίας ενέργειας των συσκευών ισχύος και μπορεί να καλύψει τις απαιτήσεις σέρβις της επόμενης γενιάς ηλεκτρονικού εξοπλισμού ισχύος για συσκευές με υψηλή ισχύ, μικρό μέγεθος, υψηλή θερμοκρασία, υψηλή ακτινοβολία και άλλες ακραίες συνθήκες. Μπορεί να μειώσει το χώρο, να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας και να μειώσει τις απαιτήσεις ψύξης. Έχει φέρει επαναστατικές αλλαγές στα νέα ενεργειακά οχήματα, τις σιδηροδρομικές μεταφορές, τα έξυπνα δίκτυα και άλλους τομείς. Ως εκ τούτου, οι ημιαγωγοί καρβιδίου του πυριτίου έχουν αναγνωριστεί ως το ιδανικό υλικό που θα οδηγήσει την επόμενη γενιά ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ισχύος. Τα τελευταία χρόνια, χάρη στην υποστήριξη της εθνικής πολιτικής για την ανάπτυξη της βιομηχανίας ημιαγωγών τρίτης γενιάς, η έρευνα και η ανάπτυξη και η κατασκευή του βιομηχανικού συστήματος συσκευών SiC 150 mm έχουν ουσιαστικά ολοκληρωθεί στην Κίνα και η ασφάλεια της βιομηχανικής αλυσίδας έχει ήταν βασικά εγγυημένη. Ως εκ τούτου, η εστίαση του κλάδου έχει σταδιακά μετατοπιστεί στον έλεγχο του κόστους και στη βελτίωση της αποδοτικότητας. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, σε σύγκριση με τα 150 mm, τα 200 mm SiC έχουν υψηλότερο ρυθμό χρήσης άκρων και η απόδοση των τσιπ μεμονωμένων πλακιδίων μπορεί να αυξηθεί κατά περίπου 1,8 φορές. Αφού ωριμάσει η τεχνολογία, το κόστος κατασκευής ενός μόνο τσιπ μπορεί να μειωθεί κατά 30%. Η τεχνολογική ανακάλυψη των 200 mm είναι ένα άμεσο μέσο «μείωσης του κόστους και αύξησης της απόδοσης» και είναι επίσης το κλειδί για τη βιομηχανία ημιαγωγών της χώρας μου να «τρέχει παράλληλα» ή ακόμα και να «ηγείται».
Διαφορετικά από τη διαδικασία της συσκευής Si,Συσκευές ισχύος ημιαγωγών SiCείναι όλα επεξεργασμένα και παρασκευασμένα με ακρογωνιαίο λίθο τα επιταξιακά στρώματα. Οι επιταξιακές γκοφρέτες είναι απαραίτητα βασικά υλικά για συσκευές ισχύος SiC. Η ποιότητα του επιταξιακού στρώματος καθορίζει άμεσα την απόδοση της συσκευής και το κόστος της αντιστοιχεί στο 20% του κόστους κατασκευής του τσιπ. Επομένως, η επιταξιακή ανάπτυξη είναι ένας ουσιαστικός ενδιάμεσος κρίκος στις συσκευές ισχύος SiC. Το ανώτερο όριο του επιπέδου επιταξιακής διεργασίας καθορίζεται από τον επιταξιακό εξοπλισμό. Προς το παρόν, ο βαθμός εντοπισμού του επιταξιακού εξοπλισμού SiC 150 mm στην Κίνα είναι σχετικά υψηλός, αλλά η συνολική διάταξη των 200 mm υστερεί σε σχέση με το διεθνές επίπεδο ταυτόχρονα. Ως εκ τούτου, προκειμένου να λυθούν οι επείγουσες ανάγκες και τα προβλήματα συμφόρησης της κατασκευής επιταξιακού υλικού μεγάλου μεγέθους, υψηλής ποιότητας για την ανάπτυξη της εγχώριας βιομηχανίας ημιαγωγών τρίτης γενιάς, αυτή η εργασία παρουσιάζει τον επιταξιακό εξοπλισμό 200 mm SiC που αναπτύχθηκε με επιτυχία στη χώρα μου. και μελετά την επιταξιακή διαδικασία. Με τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων διεργασίας όπως η θερμοκρασία διεργασίας, ο ρυθμός ροής του φέροντος αερίου, ο λόγος C/Si κ.λπ., η ομοιομορφία συγκέντρωσης <3%, η ανομοιομορφία πάχους <1,5%, η τραχύτητα Ra <0,2 nm και η πυκνότητα θανατηφόρου ελαττώματος <0,3 κόκκοι /cm2 επιταξιακές γκοφρέτες SiC 150 mm και 200 mm με ανεξάρτητο καρβίδιο πυριτίου 200 mm επιτυγχάνεται επιταξιακός κλίβανος. Το επίπεδο διεργασίας εξοπλισμού μπορεί να καλύψει τις ανάγκες της υψηλής ποιότητας προετοιμασίας συσκευών ισχύος SiC.
1 Πείραμα
1.1 Αρχή τηςSiC επιταξιακόδιαδικασία
Η διαδικασία ομοεπιταξιακής ανάπτυξης 4H-SiC περιλαμβάνει κυρίως 2 βασικά βήματα, συγκεκριμένα, επιτόπια χάραξη υψηλής θερμοκρασίας του υποστρώματος 4H-SiC και διαδικασία ομοιογενούς χημικής εναπόθεσης ατμών. Ο κύριος σκοπός της επιτόπιας χάραξης του υποστρώματος είναι η αφαίρεση της υποεπιφανειακής ζημιάς του υποστρώματος μετά από γυάλισμα με γκοφρέτα, υπολειμματικό γυαλιστικό υγρό, σωματίδια και στρώμα οξειδίου και μπορεί να σχηματιστεί μια κανονική δομή ατομικού βήματος στην επιφάνεια του υποστρώματος με χάραξη. Η επιτόπια χάραξη πραγματοποιείται συνήθως σε ατμόσφαιρα υδρογόνου. Σύμφωνα με τις πραγματικές απαιτήσεις της διαδικασίας, μπορεί επίσης να προστεθεί μια μικρή ποσότητα βοηθητικού αερίου, όπως υδροχλώριο, προπάνιο, αιθυλένιο ή σιλάνιο. Η θερμοκρασία της επιτόπιας χάραξης υδρογόνου είναι γενικά πάνω από 1 600 ℃ και η πίεση του θαλάμου αντίδρασης γενικά ελέγχεται κάτω από 2×104 Pa κατά τη διαδικασία χάραξης.
Αφού η επιφάνεια του υποστρώματος ενεργοποιηθεί με επιτόπια χάραξη, εισέρχεται στη διαδικασία εναπόθεσης χημικών ατμών σε υψηλή θερμοκρασία, δηλαδή στην πηγή ανάπτυξης (όπως αιθυλένιο/προπάνιο, TCS/σιλάνιο), πηγή ντόπινγκ (πηγή ντόπινγκ τύπου άζωτο). , πηγή ντόπινγκ τύπου p TMAl) και βοηθητικό αέριο όπως υδροχλώριο μεταφέρονται στον θάλαμο αντίδρασης μέσω μεγάλης ροής φορέα αέριο (συνήθως υδρογόνο). Αφού το αέριο αντιδράσει στον θάλαμο αντίδρασης υψηλής θερμοκρασίας, μέρος του προδρόμου αντιδρά χημικά και προσροφάται στην επιφάνεια του πλακιδίου και σχηματίζεται ένα μονοκρυσταλλικό ομοιογενές επιταξιακό στρώμα 4H-SiC με συγκεκριμένη συγκέντρωση ντόπινγκ, ειδικό πάχος και υψηλότερη ποιότητα. στην επιφάνεια του υποστρώματος χρησιμοποιώντας το μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα 4H-SiC ως πρότυπο. Μετά από χρόνια τεχνικής εξερεύνησης, η ομοεπιταξιακή τεχνολογία 4H-SiC έχει βασικά ωριμάσει και χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανική παραγωγή. Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη ομοεπιταξιακή τεχνολογία 4H-SiC στον κόσμο έχει δύο τυπικά χαρακτηριστικά:
(1) Χρησιμοποιώντας ένα λοξό υπόστρωμα κοπής εκτός άξονα (σε σχέση με το επίπεδο <0001> κρυστάλλου, προς την κατεύθυνση του κρυστάλλου <11-20>) ως πρότυπο, ένα υψηλής καθαρότητας μονοκρυσταλλικό επιταξιακό στρώμα 4H-SiC χωρίς ακαθαρσίες είναι εναποτίθεται στο υπόστρωμα με τη μορφή τρόπου ανάπτυξης σταδιακής ροής. Η πρώιμη ομοεπιταξιακή ανάπτυξη 4H-SiC χρησιμοποίησε ένα θετικό κρυσταλλικό υπόστρωμα, δηλαδή το επίπεδο Si <0001> για ανάπτυξη. Η πυκνότητα των ατομικών βημάτων στην επιφάνεια του θετικού κρυσταλλικού υποστρώματος είναι χαμηλή και οι βεράντες είναι φαρδιές. Η δισδιάστατη ανάπτυξη πυρήνων είναι εύκολο να συμβεί κατά τη διαδικασία της επιταξίας για να σχηματιστεί 3C κρυστάλλινο SiC (3C-SiC). Με κοπή εκτός άξονα, μπορούν να εισαχθούν ατομικά βήματα υψηλής πυκνότητας, στενού πλάτους βεράντας στην επιφάνεια του υποστρώματος 4H-SiC <0001> και ο προσροφημένος πρόδρομος μπορεί να φτάσει αποτελεσματικά στη θέση ατομικού βήματος με σχετικά χαμηλή επιφανειακή ενέργεια μέσω της διάχυσης της επιφάνειας . Στο στάδιο, η θέση σύνδεσης ατόμου προδρόμου/μοριακής ομάδας είναι μοναδική, έτσι στη λειτουργία ανάπτυξης βηματικής ροής, το επιταξιακό στρώμα μπορεί τέλεια να κληρονομήσει την αλληλουχία στοίβαξης διπλού ατομικού στρώματος Si-C του υποστρώματος για να σχηματίσει έναν μονό κρύσταλλο με τον ίδιο κρύσταλλο φάση ως υπόστρωμα.
(2) Η επιταξιακή ανάπτυξη υψηλής ταχύτητας επιτυγχάνεται με την εισαγωγή μιας πηγής πυριτίου που περιέχει χλώριο. Στα συμβατικά συστήματα εναπόθεσης χημικών ατμών SiC, το σιλάνιο και το προπάνιο (ή το αιθυλένιο) είναι οι κύριες πηγές ανάπτυξης. Στη διαδικασία αύξησης του ρυθμού ανάπτυξης αυξάνοντας τον ρυθμό ροής της πηγής ανάπτυξης, καθώς η μερική πίεση ισορροπίας του συστατικού πυριτίου συνεχίζει να αυξάνεται, είναι εύκολο να σχηματιστούν συστάδες πυριτίου με ομοιογενή πυρήνωση αέριας φάσης, γεγονός που μειώνει σημαντικά τον ρυθμό χρήσης του πηγή πυριτίου. Ο σχηματισμός συστάδων πυριτίου περιορίζει σημαντικά τη βελτίωση του επιταξιακού ρυθμού ανάπτυξης. Ταυτόχρονα, οι συστάδες πυριτίου μπορούν να διαταράξουν την ανάπτυξη της βηματικής ροής και να προκαλέσουν πυρήνωση ελαττώματος. Προκειμένου να αποφευχθεί ο σχηματισμός πυρήνων ομογενούς αέριας φάσης και να αυξηθεί ο επιταξιακός ρυθμός ανάπτυξης, η εισαγωγή πηγών πυριτίου με βάση το χλώριο είναι επί του παρόντος η κύρια μέθοδος για την αύξηση του επιταξιακού ρυθμού ανάπτυξης του 4H-SiC.
Επιταξιακός εξοπλισμός και συνθήκες διεργασίας SiC 1,2 200 mm (8 ιντσών).
Τα πειράματα που περιγράφονται σε αυτό το έγγραφο διεξήχθησαν όλα σε ένα συμβατό μονολιθικό οριζόντιο θερμό τοίχο SiC επιταξιακό εξοπλισμό 150/200 mm (6/8 ιντσών) που αναπτύχθηκε ανεξάρτητα από το 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Ο επιταξιακός κλίβανος υποστηρίζει πλήρως αυτόματη φόρτωση και εκφόρτωση πλακιδίων. Το σχήμα 1 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα της εσωτερικής δομής του θαλάμου αντίδρασης του επιταξιακού εξοπλισμού. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1, το εξωτερικό τοίχωμα του θαλάμου αντίδρασης είναι ένα κουδούνι χαλαζία με ένα υδρόψυκτο ενδιάμεσο στρώμα και το εσωτερικό του κουδουνιού είναι ένας θάλαμος αντίδρασης υψηλής θερμοκρασίας, ο οποίος αποτελείται από θερμομονωτική τσόχα άνθρακα, υψηλής καθαρότητας ειδική κοιλότητα γραφίτη, περιστρεφόμενη βάση με αέριο γραφίτη κ.λπ. Ολόκληρη η καμπάνα χαλαζία καλύπτεται με κυλινδρικό επαγωγικό πηνίο, και ο θάλαμος αντίδρασης μέσα στο κουδούνι θερμαίνεται ηλεκτρομαγνητικά από επαγωγικό τροφοδοτικό μέσης συχνότητας. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (β), το φέρον αέριο, το αέριο αντίδρασης και το αέριο ντόπινγκ ρέουν όλα διαμέσου της επιφάνειας του πλακιδίου σε μια οριζόντια στρωτή ροή από το ανάντη του θαλάμου αντίδρασης προς τα κατάντη του θαλάμου αντίδρασης και απορρίπτονται από την ουρά τέλος αερίου. Για να εξασφαλιστεί η συνοχή μέσα στη γκοφρέτα, η γκοφρέτα που μεταφέρεται από την πλωτή βάση αέρα περιστρέφεται πάντα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.
Το υπόστρωμα που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα είναι ένα εμπορικό υπόστρωμα 150 mm, 200 mm (6 ίντσες, 8 ίντσες) <1120> αγώγιμο n-τύπου 4H-SiC διπλής όψης γυαλισμένο υπόστρωμα SiC κατεύθυνσης 4° εκτός γωνίας που παράγεται από την Shanxi Shuoke Crystal. Το τριχλωροσιλάνιο (SiHCl3, TCS) και το αιθυλένιο (C2H4) χρησιμοποιούνται ως οι κύριες πηγές ανάπτυξης στο πείραμα της διαδικασίας, μεταξύ των οποίων τα TCS και C2H4 χρησιμοποιούνται ως πηγή πυριτίου και πηγή άνθρακα αντίστοιχα, άζωτο υψηλής καθαρότητας (N2) χρησιμοποιείται ως n- τύπου ντόπινγκ, και το υδρογόνο (Η2) χρησιμοποιείται ως αέριο αραίωσης και φέρον αέριο. Το εύρος θερμοκρασίας της επιταξιακής διαδικασίας είναι 1 600 ~ 1 660 ℃, η πίεση διεργασίας είναι 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa και ο ρυθμός ροής αερίου φέροντος H2 είναι 100 ~ 140 L/min.
1.3 Δοκιμή επιταξιακής γκοφρέτας και χαρακτηρισμός
Φασματόμετρο υπερύθρου Fourier (κατασκευαστής εξοπλισμού Thermalfisher, μοντέλο iS50) και ελεγκτής συγκέντρωσης ανιχνευτή υδραργύρου (κατασκευαστής εξοπλισμού Semilab, μοντέλο 530L) χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό του μέσου όρου και της κατανομής του πάχους της επιταξιακής στιβάδας και της συγκέντρωσης ντόπινγκ. Το πάχος και η συγκέντρωση ντόπινγκ κάθε σημείου στην επιταξιακή στιβάδα προσδιορίστηκαν λαμβάνοντας σημεία κατά μήκος της γραμμής διαμέτρου που τέμνει την κανονική γραμμή της κύριας ακμής αναφοράς στις 45° στο κέντρο του πλακιδίου με αφαίρεση άκρου 5 mm. Για μια γκοφρέτα 150 mm, λήφθηκαν 9 σημεία κατά μήκος μιας γραμμής μονής διαμέτρου (δύο διάμετροι ήταν κάθετες μεταξύ τους) και για μια γκοφρέτα 200 mm, ελήφθησαν 21 σημεία, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (κατασκευαστής εξοπλισμού Το Bruker, μοντέλο Dimension Icon) χρησιμοποιήθηκε για την επιλογή περιοχών 30 μm×30 μm στην κεντρική περιοχή και την περιοχή ακμής (αφαίρεση άκρου 5 mm) του επιταξιακή γκοφρέτα για να δοκιμάσετε την τραχύτητα της επιφάνειας του επιταξιακού στρώματος. τα ελαττώματα του επιταξιακού στρώματος μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν ελεγκτή ελαττωμάτων επιφάνειας (κατασκευαστής εξοπλισμού China Electronics Ο τρισδιάστατος απεικονιστής χαρακτηρίστηκε από έναν αισθητήρα ραντάρ (μοντέλο Mars 4410 pro) από την Kefenghua.
Ώρα δημοσίευσης: Σεπ-04-2024