מחקר על תנור אפיטקסיאלי בגודל 8 אינץ' SiC ותהליך הומו-אפיטקסיאלי-Ⅰ

נכון לעכשיו, תעשיית ה-SiC הופכת מ-150 מ"מ (6 אינץ') ל-200 מ"מ (8 אינץ'). על מנת לענות על הדרישה הדחופה לפרוסות הומיאפיטקסיות SiC בגודל גדול ואיכותי בתעשייה, 150 מ"מ ו-200 מ"מ4H-SiC פרוסות הומואפיטקסיותהוכנו בהצלחה על מצעים ביתיים באמצעות ציוד גידול אפיטקסיאלי 200 מ"מ SiC שפותח באופן עצמאי. פותח תהליך הומיאפיטקסי המתאים ל-150 מ"מ ו-200 מ"מ, שבו קצב הגדילה האפיטקסיאלי יכול להיות גדול מ-60 אום/שעה. תוך עמידה באפיטקסיה המהירה, איכות הפרוסים האפיטקסיאליים מעולה. אחידות העובי של 150 מ"מ ו-200 מ"מפרוסות אפיטקסיאליות של SiCניתן לשלוט בטווח של 1.5%, אחידות הריכוז היא פחות מ-3%, צפיפות הפגם הקטלני היא פחות מ-0.3 חלקיקים/סמ"ר, וממוצע שורש החספוס של פני השטח האפיטקסיאלי הוא פחות מ-0.15 ננומטר, וכל מחווני תהליך הליבה נמצאים ב- הרמה המתקדמת של התעשייה.

סיליקון קרביד (SiC)הוא אחד הנציגים של חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי. יש לו מאפיינים של חוזק שדה פירוק גבוה, מוליכות תרמית מעולה, מהירות סחיפה גדולה של רווית אלקטרונים ועמידות קרינה חזקה. זה הרחיב מאוד את יכולת עיבוד האנרגיה של מכשירי חשמל ויכול לעמוד בדרישות השירות של הדור הבא של ציוד אלקטרוני כוח עבור מכשירים עם הספק גבוה, גודל קטן, טמפרטורה גבוהה, קרינה גבוהה ותנאים קיצוניים אחרים. זה יכול לצמצם מקום, להפחית את צריכת החשמל ולהפחית את דרישות הקירור. היא הביאה שינויים מהפכניים לרכבי אנרגיה חדשים, תחבורה ברכבת, רשתות חכמות ותחומים אחרים. לכן, מוליכים למחצה סיליקון קרביד הפכו להיות מוכרים כחומר האידיאלי שיוביל את הדור הבא של מכשירים אלקטרוניים בעלי הספק גבוה. בשנים האחרונות, הודות לתמיכה במדיניות הלאומית בפיתוח תעשיית המוליכים למחצה מהדור השלישי, המחקר והפיתוח והבנייה של מערכת תעשיית מכשירי ה-SiC 150 מ"מ הושלמו בעצם בסין, ואבטחת הרשת התעשייתית מובטחת בעצם. לכן, מוקד התעשייה עבר בהדרגה לבקרת עלויות ושיפור יעילות. כפי שמוצג בטבלה 1, בהשוואה ל-150 מ"מ, ל-200 מ"מ SiC יש שיעור ניצול קצה גבוה יותר, וניתן להגדיל את התפוקה של שבבי רקיק בודדים בכ-1.8 פעמים. לאחר התבגרות הטכנולוגיה, ניתן להפחית את עלות הייצור של שבב בודד ב-30%. פריצת הדרך הטכנולוגית של 200 מ"מ היא אמצעי ישיר ל"הפחתת עלויות והגדלת היעילות", והיא גם המפתח לתעשיית המוליכים למחצה במדינתי "לרוץ במקביל" או אפילו "להוביל".

שונה מתהליך מכשיר Si,התקני כוח מוליכים למחצה SiCכולם מעובדים ומוכנים עם שכבות אפיטקסיאליות כאבן הפינה. פרוסות אפיטקסיאליות הן חומרים בסיסיים חיוניים עבור התקני כוח SiC. איכות השכבה האפיטקסיאלית קובעת ישירות את תפוקת המכשיר, ועלותו מהווה 20% מעלות ייצור השבב. לכן, צמיחה אפיטקסיאלית היא חוליית ביניים חיונית בהתקני כוח SiC. הגבול העליון של רמת התהליך האפיטקסיאלי נקבע על ידי ציוד אפיטקסיאלי. נכון לעכשיו, מידת הלוקליזציה של ציוד אפיטקסיאלי 150 מ"מ SiC בסין גבוהה יחסית, אך הפריסה הכוללת של 200 מ"מ מפגרת אחרי הרמה הבינלאומית באותו זמן. לכן, על מנת לפתור את הצרכים הדחופים ובעיות צוואר הבקבוק של ייצור חומר אפיטקסיאלי בגודל גדול ואיכותי לפיתוח תעשיית המוליכים למחצה המקומית מהדור השלישי, מאמר זה מציג את הציוד האפיטקסיאלי 200 מ"מ SiC שפותח בהצלחה בארצי, וחוקר את התהליך האפיטקסיאלי. על ידי אופטימיזציה של פרמטרי התהליך כגון טמפרטורת התהליך, קצב זרימת הגז המוביל, יחס C/Si וכו', אחידות הריכוז <3%, אי אחידות עובי <1.5%, חספוס Ra <0.2 ננומטר וצפיפות פגמים קטלניים <0.3 גרגירים /cm2 של 150 מ"מ ו-200 מ"מ פרוסות אפיטקסיאליות SiC עם 200 מ"מ סיליקון קרביד שפותחו באופן עצמאי מתקבלים תנור epitaxial. רמת תהליך הציוד יכולה לענות על הצרכים של הכנת מכשירי כוח SiC באיכות גבוהה.

 

1 ניסוי

 

1.1 עקרון שלSiC אפיטקסיאליתַהֲלִיך

תהליך הגידול ההומיאפיטקסיאלי של 4H-SiC כולל בעיקר 2 שלבי מפתח, דהיינו, תחריט בטמפרטורה גבוהה באתר של מצע 4H-SiC ותהליך שקיעת אדים כימית הומוגנית. המטרה העיקרית של תחריט מצע במקום היא להסיר את הנזק התת-קרקעי של המצע לאחר ליטוש פרוסות, נוזל ליטוש שיורי, חלקיקים ושכבת תחמוצת, וניתן ליצור מבנה צעד אטומי רגיל על פני המצע על ידי תחריט. תחריט באתר מבוצע בדרך כלל באווירת מימן. בהתאם לדרישות התהליך בפועל, ניתן להוסיף גם כמות קטנה של גז עזר, כגון מימן כלורי, פרופאן, אתילן או סילאן. הטמפרטורה של תחריט מימן באתר היא בדרך כלל מעל 1,600 ℃, והלחץ של תא התגובה נשלט בדרך כלל מתחת ל-2×104 Pa במהלך תהליך התחריט.

לאחר הפעלת משטח המצע על ידי תחריט באתרו, הוא נכנס לתהליך שקיעת אדים כימיים בטמפרטורה גבוהה, כלומר, מקור הצמיחה (כגון אתילן/פרופאן, TCS/סילאן), מקור סימום (חנקן מסוג n). , מקור סימום מסוג p TMAl), וגז עזר כגון מימן כלורי מועברים לתא התגובה דרך זרימה גדולה של גז נשא (בדרך כלל מימן). לאחר שהגז מגיב בתא התגובה בטמפרטורה גבוהה, חלק מהמבשר מגיב כימית ונספג על פני הוופר, ונוצרת שכבה אפיטקסיאלית חד-גבישית הומוגנית 4H-SiC עם ריכוז סימום ספציפי, עובי ספציפי ואיכות גבוהה יותר. על פני המצע באמצעות מצע 4H-SiC חד-גביש כתבנית. לאחר שנים של חקירה טכנית, הטכנולוגיה ההומיאפיטקסיאלית 4H-SiC התבגרה והיא נמצאת בשימוש נרחב בייצור תעשייתי. לטכנולוגיה ההומאפיטקסיאלית 4H-SiC הנפוצה ביותר בעולם יש שני מאפיינים אופייניים:
(1) שימוש במצע מנותק אלכסוני (ביחס למישור הגבישי <0001>, לכיוון הגביש <11-20>) כתבנית, שכבה אפיטקסיאלית חד-גבישית 4H-SiC ללא זיהומים היא בטוהר גבוה. מופקד על המצע בצורה של מצב צמיחה של זרימת מדרגה. צמיחה הומואפיטקסיאלית מוקדמת של 4H-SiC השתמשה במצע גבישי חיובי, כלומר מישור <0001> Si לצמיחה. צפיפות המדרגות האטומיות על פני מצע הגביש החיובי נמוכה והטראסות רחבות. צמיחת גרעין דו מימדית קלה להתרחש במהלך תהליך האפיטקסיה ליצירת 3C קריסטל SiC (3C-SiC). על ידי חיתוך מחוץ לציר, ניתן להכניס מדרגות אטומיות ברוחב טרסה צר בצפיפות גבוהה על פני המצע 4H-SiC <0001>, והמבשר הנספג יכול להגיע ביעילות למיקום הצעד האטומי עם אנרגיית פני השטח נמוכה יחסית באמצעות דיפוזיה פני השטח. . בשלב, מיקומו של חיבור האטום המבשר/הקבוצה המולקולרית הוא ייחודי, כך שבמצב הצמיחה של זרימת מדרגה, השכבה האפיטקסיאלית יכולה לרשת בצורה מושלמת את רצף הערימה של השכבה האטומית הכפולה Si-C של המצע ליצירת גביש יחיד עם אותו גביש שלב כמצע.
(2) צמיחה אפיטקסיאלית במהירות גבוהה מושגת על ידי הכנסת מקור סיליקון המכיל כלור. במערכות קונבנציונליות של שיקוע אדי SiC, סילאן ופרופאן (או אתילן) הם מקורות הצמיחה העיקריים. בתהליך של הגדלת קצב הגדילה על ידי הגדלת קצב זרימת מקור הגידול, ככל שלחץ החלקי בשיווי המשקל של רכיב הסיליקון ממשיך לעלות, קל ליצור אשכולות סיליקון על ידי גרעין שלב גז הומוגני, מה שמפחית באופן משמעותי את קצב הניצול של מקור סיליקון. היווצרותם של אשכולות סיליקון מגבילה מאוד את השיפור בקצב הגדילה האפיטקסיאלי. יחד עם זאת, אשכולות סיליקון יכולים להפריע לצמיחת זרימת המדרגות ולגרום לגרעין פגום. על מנת למנוע גרעין שלב גז הומוגני ולהגביר את קצב הגדילה האפיטקסיאלית, הכנסת מקורות סיליקון מבוססי כלור היא כיום השיטה המרכזית להגברת קצב הגדילה האפיטקסיאלית של 4H-SiC.

 

ציוד אפיטקסיאלי 1.2 200 מ"מ (8 אינץ') ותנאי תהליך

הניסויים המתוארים במאמר זה נערכו כולם על ציוד אפיטקסיאלי אופקי מונוליטי תואם 150/200 מ"מ (6/8 אינץ') SiC אפיטקסיאלי שפותח באופן עצמאי על ידי ה-48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. התנור האפיטקסיאלי תומך בטעינה ופריקה אוטומטית של פרוסות. איור 1 הוא תרשים סכמטי של המבנה הפנימי של תא התגובה של הציוד האפיטקסיאלי. כפי שמוצג באיור 1, הקיר החיצוני של תא התגובה הוא פעמון קוורץ עם שכבת ביניים מקוררת במים, והחלק הפנימי של הפעמון הוא תא תגובה בטמפרטורה גבוהה, המורכב מבדיד פחמן בידוד תרמי, בטוהר גבוה. חלל גרפיט מיוחד, בסיס מסתובב צף בגז גרפיט וכו'. פעמון הקוורץ כולו מכוסה בסליל אינדוקציה גלילי, והתגובה החדר בתוך הפעמון מחומם אלקטרומגנטית על ידי ספק כוח אינדוקציה בתדר בינוני. כפי שמוצג באיור 1 (ב), הגז המוביל, גז התגובה וגז הסימום כולם זורמים דרך משטח הפרוסות בזרימה למינרית אופקית ממעלה הזרם של תא התגובה למורד הזרם של תא התגובה ונפלטים מהזנב. סוף גז. כדי להבטיח את העקביות בתוך הפרוסה, הפרוסה הנישאת על ידי בסיס האוויר הצף מסובב תמיד במהלך התהליך.

המצע המשמש בניסוי הוא מצע SiC מלוטש דו-צדדי מלוטש דו-צדדי של 150 מ"מ, 200 מ"מ (6 אינץ', 8 אינץ') <1120> כיוון 4°-off-זווית. טריכלורוסילאן (SiHCl3, TCS) ואתילן (C2H4) משמשים כמקורות הגידול העיקריים בניסוי התהליך, ביניהם TCS ו-C2H4 משמשים כמקור סיליקון ומקור פחמן בהתאמה, חנקן בטוהר גבוה (N2) משמש כ-n- מקור סימום מסוג, ומימן (H2) משמש כגז דילול וגז נשא. טווח הטמפרטורות של התהליך האפיטקסיאלי הוא 1,600 ~ 1,660 ℃, לחץ התהליך הוא 8×103 ~12×103 Pa, וקצב זרימת הגז H2 הוא 100 ~ 140 ליטר לדקה.

 

1.3 בדיקה ואפיון של פרוסות אפיטקסיאליות

ספקטרומטר פורייה אינפרא אדום (יצרן הציוד Thermalfisher, דגם iS50) ובוחן ריכוז בדיקה כספית (יצרנית הציוד Semilab, דגם 530L) שימשו לאפיון הממוצע והתפלגות של עובי השכבה האפיטקסיאלית וריכוז הסימום; העובי וריכוז הסימום של כל נקודה בשכבה האפיטקסיאלית נקבעו על ידי לקיחת נקודות לאורך קו הקוטר החותך את הקו הנורמלי של קצה הייחוס הראשי ב-45° במרכז הפרוסה עם הסרת קצה של 5 מ"מ. עבור רקיקת 150 מ"מ, נלקחו 9 נקודות לאורך קו קוטר יחיד (שני קטרים ​​היו מאונכים זה לזה), ועבור רקיקת 200 מ"מ נלקחו 21 נקודות, כפי שמוצג באיור 2. מיקרוסקופ כוח אטומי (יצרן ציוד Bruker, דגם Dimension Icon) שימש לבחירת אזורים של 30 מיקרומטר×30 מיקרומטר באזור המרכז ובאזור הקצה (קצה 5 מ"מ הסרה) של רקיק האפיטקסיאלי כדי לבדוק את חספוס פני השטח של השכבה האפיטקסיאלית; הפגמים של השכבה האפיטקסיאלית נמדדו באמצעות בודק פגמים על פני השטח (יצרנית הציוד China Electronics מצלמת התלת מימד אופיינה באמצעות חיישן מכ"ם (דגם Mars 4410 pro) מבית Kefenghua.