८ इन्च SiC एपिटेक्सियल फर्नेस र होमोएपिटेक्सियल प्रक्रियामा अनुसन्धान-Ⅰ

हाल, SiC उद्योग 150 mm (6 इन्च) बाट 200 mm (8 इन्च) मा परिवर्तन हुँदैछ। उद्योगमा ठूलो आकारको, उच्च गुणस्तरको SiC homoepitaxial wafers को तत्काल माग पूरा गर्न, 150mm र 200mm4H-SiC homoepitaxial वेफर्सस्वतन्त्र रूपमा विकसित 200mm SiC epitaxial वृद्धि उपकरण प्रयोग गरेर घरेलु सब्सट्रेटहरूमा सफलतापूर्वक तयार गरियो। 150mm र 200mm को लागि उपयुक्त homoepitaxial प्रक्रिया विकसित गरिएको थियो, जसमा epitaxial वृद्धि दर 60um/h भन्दा बढी हुन सक्छ। हाई-स्पीड एपिटेक्सी भेट्दा, एपिटेक्सियल वेफर गुणस्तर उत्कृष्ट छ। 150 मिमी र 200 मिमी को मोटाई एकरूपताSiC एपिटेक्सियल वेफर्स1.5% भित्र नियन्त्रण गर्न सकिन्छ, एकाग्रता एकरूपता 3% भन्दा कम छ, घातक दोष घनत्व 0.3 कण/cm2 भन्दा कम छ, र epitaxial सतह खुरदरा मूल मतलब वर्ग Ra 0.15nm भन्दा कम छ, र सबै कोर प्रक्रिया सूचकहरू छन्। उद्योग को उन्नत स्तर।

सिलिकन कार्बाइड (SiC)तेस्रो पुस्ता अर्धचालक सामग्री को प्रतिनिधि मध्ये एक हो। यसमा उच्च ब्रेकडाउन फिल्ड बल, उत्कृष्ट थर्मल चालकता, ठूलो इलेक्ट्रोन संतृप्ति बहाव वेग, र बलियो विकिरण प्रतिरोधको विशेषताहरू छन्। यसले पावर उपकरणहरूको ऊर्जा प्रशोधन क्षमतालाई धेरै विस्तार गरेको छ र उच्च शक्ति, सानो आकार, उच्च तापक्रम, उच्च विकिरण र अन्य चरम अवस्था भएका उपकरणहरूको लागि अर्को पुस्ताको विद्युतीय विद्युतीय उपकरणहरूको सेवा आवश्यकताहरू पूरा गर्न सक्छ। यसले ठाउँ घटाउन, बिजुली खपत कम गर्न र शीतलन आवश्यकताहरू कम गर्न सक्छ। यसले नयाँ ऊर्जा सवारी साधन, रेल यातायात, स्मार्ट ग्रिड र अन्य क्षेत्रमा क्रान्तिकारी परिवर्तन ल्याएको छ। तसर्थ, सिलिकन कार्बाइड अर्धचालकहरू उच्च-शक्ति शक्ति इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको अर्को पुस्ताको नेतृत्व गर्ने आदर्श सामग्रीको रूपमा मान्यता प्राप्त भएको छ। हालैका वर्षहरूमा, तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक उद्योगको विकासको लागि राष्ट्रिय नीति समर्थनको लागि धन्यवाद, अनुसन्धान र विकास र 150 एमएम SiC उपकरण उद्योग प्रणालीको निर्माण र निर्माण मूल रूपमा चीनमा पूरा भएको छ, र औद्योगिक श्रृंखलाको सुरक्षा। मूल रूपमा ग्यारेन्टी गरिएको छ। त्यसैले, उद्योगको ध्यान विस्तारै लागत नियन्त्रण र दक्षता सुधारमा सरेको छ। तालिका 1 मा देखाइए अनुसार, 150 mm को तुलनामा, 200 mm SiC को उच्च किनारा उपयोग दर छ, र एकल वेफर चिप्सको आउटपुट लगभग 1.8 गुणाले बढाउन सकिन्छ। प्रविधि परिपक्व भएपछि, एकल चिपको निर्माण लागत 30% ले घटाउन सकिन्छ। 200 mm को प्राविधिक सफलता "लागत घटाउने र दक्षता बढाउन" को प्रत्यक्ष माध्यम हो, र यो मेरो देशको अर्धचालक उद्योगको लागि "समानान्तर चलाउन" वा "लीड" पनि हो।

Si उपकरण प्रक्रिया भन्दा फरक,SiC अर्धचालक पावर उपकरणहरूसबै प्रशोधन गरिन्छ र आधारशिलाको रूपमा एपिटेक्सियल तहहरूसँग तयार हुन्छ। एपिटेक्सियल वेफरहरू SiC पावर उपकरणहरूको लागि आवश्यक आधारभूत सामग्री हुन्। एपिटेक्सियल लेयरको गुणस्तरले यन्त्रको उत्पादन सीधै निर्धारण गर्दछ, र यसको लागत चिप निर्माण लागतको 20% को लागी खाता हो। तसर्थ, एपिटेक्सियल वृद्धि SiC पावर उपकरणहरूमा एक आवश्यक मध्यवर्ती लिङ्क हो। epitaxial प्रक्रिया स्तर को माथिल्लो सीमा epitaxial उपकरण द्वारा निर्धारित गरिन्छ। हाल, चीन मा 150mm SiC epitaxial उपकरण को स्थानीयकरण डिग्री अपेक्षाकृत उच्च छ, तर 200mm को समग्र लेआउट एकै समयमा अन्तर्राष्ट्रिय स्तर पछि पछि छ। तसर्थ, घरेलु तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक उद्योगको विकासको लागि ठूलो आकारको उच्च-गुणस्तरको एपिटेक्सियल सामग्री निर्माणको अत्यावश्यक आवश्यकताहरू र बाधा समस्याहरू समाधान गर्न, यो पेपरले मेरो देशमा सफलतापूर्वक विकसित 200 मिमी SiC एपिटेक्सियल उपकरणहरू प्रस्तुत गर्दछ, र एपिटेक्सियल प्रक्रियाको अध्ययन गर्दछ। प्रक्रिया तापमान, वाहक ग्यास प्रवाह दर, C/Si अनुपात, आदि जस्ता प्रक्रिया प्यारामिटरहरू अनुकूलन गरेर, एकाग्रता एकरूपता <3%, मोटाई गैर-एकरूपता <1.5%, नरमपन Ra <0.2 nm र घातक दोष घनत्व <0.3 अनाज। /cm2 को 150 mm र 200 mm SiC epitaxial wafers संग स्वतन्त्र रूपमा विकसित 200 मिमी सिलिकन कार्बाइड एपिटेक्सियल फर्नेस प्राप्त गरिन्छ। उपकरण प्रक्रिया स्तर उच्च-गुणस्तर SiC पावर उपकरण तयारी आवश्यकताहरू पूरा गर्न सक्छ।

 

1 प्रयोग

 

1.1 को सिद्धान्तSiC epitaxialप्रक्रिया

4H-SiC homoepitaxial वृद्धि प्रक्रियामा मुख्यतया 2 प्रमुख चरणहरू समावेश छन्, अर्थात्, 4H-SiC सब्सट्रेटको उच्च-तापमान इन-सीटु नक्काशी र एकरूप रासायनिक वाष्प निक्षेप प्रक्रिया। सब्सट्रेट इन-सिटु इचिङको मुख्य उद्देश्य वेफर पालिसिङ, अवशिष्ट पालिश गर्ने तरल पदार्थ, कण र अक्साइड तह पछि सब्सट्रेटको उपसतहको क्षतिलाई हटाउनु हो र नक्कली गरेर सब्सट्रेट सतहमा नियमित परमाणु चरण संरचना बनाउन सकिन्छ। इन-सिटू नक्काशी सामान्यतया हाइड्रोजन वातावरणमा गरिन्छ। वास्तविक प्रक्रिया आवश्यकताहरू अनुसार, हाइड्रोजन क्लोराइड, प्रोपेन, इथिलीन वा सिलेन जस्ता सहायक ग्यासको सानो मात्रा पनि थप्न सकिन्छ। इन-सिटू हाइड्रोजन नक्काशीको तापक्रम सामान्यतया १ 600 ℃ भन्दा माथि हुन्छ, र प्रतिक्रिया कक्षको दबाब सामान्यतया 2 × 104 Pa भन्दा तल नियन्त्रित हुन्छ एचिंग प्रक्रियाको क्रममा।

सब्सट्रेट सतह इन-सिटू नक्काशी द्वारा सक्रिय भएपछि, यो उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प निक्षेप प्रक्रियामा प्रवेश गर्दछ, अर्थात्, वृद्धि स्रोत (जस्तै इथिलीन/प्रोपेन, TCS/सिलेन), डोपिङ स्रोत (n-प्रकार डोपिङ स्रोत नाइट्रोजन। , p-प्रकार डोपिङ स्रोत TMAL), र हाइड्रोजन क्लोराइड जस्ता सहायक ग्यासहरू प्रतिक्रियामा सारिन्छन्। वाहक ग्याँस (सामान्यतया हाइड्रोजन) को एक ठूलो प्रवाह मार्फत च्याम्बर। उच्च-तापमान प्रतिक्रिया कक्षमा ग्यासले प्रतिक्रिया गरेपछि, अग्रसरको अंशले रासायनिक प्रतिक्रिया गर्दछ र वेफर सतहमा सोख्छ, र एकल-क्रिस्टल समरूप 4H-SiC epitaxial तह एक विशिष्ट डोपिङ एकाग्रता, विशिष्ट मोटाई, र उच्च गुणस्तरको साथ गठन हुन्छ। टेम्प्लेटको रूपमा एकल-क्रिस्टल 4H-SiC सब्सट्रेट प्रयोग गरी सब्सट्रेट सतहमा। वर्षौंको प्राविधिक अन्वेषण पछि, 4H-SiC homoepitaxial प्रविधि मूल रूपमा परिपक्व भएको छ र व्यापक रूपमा औद्योगिक उत्पादनमा प्रयोग गरिन्छ। संसारमा सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको 4H-SiC homoepitaxial प्रविधिमा दुई विशिष्ट विशेषताहरू छन्:
(१) टेम्प्लेटको रूपमा ओब्लिक कट सब्सट्रेट (<0001> क्रिस्टल प्लेनसँग सापेक्ष, <11-20> क्रिस्टल दिशा) प्रयोग गरेर, अशुद्धता बिना उच्च-शुद्धता एकल-क्रिस्टल 4H-SiC एपिटेक्सियल तह हो। चरण-प्रवाह वृद्धि मोड को रूप मा सब्सट्रेट मा जम्मा। प्रारम्भिक 4H-SiC homoepitaxial वृद्धिले सकारात्मक क्रिस्टल सब्सट्रेट प्रयोग गर्‍यो, त्यो हो, विकासको लागि <0001> Si प्लेन। सकारात्मक क्रिस्टल सब्सट्रेटको सतहमा परमाणु चरणहरूको घनत्व कम छ र टेरेसहरू चौडा छन्। 3C क्रिस्टल SiC (3C-SiC) गठन गर्न एपिटेक्सी प्रक्रियाको क्रममा दुई-आयामी न्यूक्लिएशन वृद्धि हुन सजिलो छ। अफ-अक्ष काटेर, उच्च-घनत्व, साँघुरो टेरेस चौडाइ आणविक चरणहरू 4H-SiC <0001> सब्सट्रेटको सतहमा प्रस्तुत गर्न सकिन्छ, र adsorbed अग्रदूत प्रभावकारी रूपमा सतह प्रसार मार्फत अपेक्षाकृत कम सतह ऊर्जा संग परमाणु चरण स्थितिमा पुग्न सक्छ। । चरणमा, पूर्ववर्ती परमाणु/आणविक समूह बन्डिङ स्थिति अद्वितीय छ, त्यसैले चरण प्रवाह वृद्धि मोडमा, एपिटेक्सियल तहले समान क्रिस्टलको साथ एकल क्रिस्टल बनाउन सब्सट्रेटको Si-C डबल परमाणु तह स्ट्याकिङ अनुक्रमलाई पूर्ण रूपमा इनहेरिट गर्न सक्छ। सब्सट्रेटको रूपमा चरण।
(2) उच्च-गति epitaxial वृद्धि एक क्लोरीन युक्त सिलिकन स्रोत परिचय गरेर हासिल गरिन्छ। परम्परागत SiC रासायनिक वाष्प निक्षेप प्रणालीमा, सिलेन र प्रोपेन (वा इथिलीन) मुख्य वृद्धि स्रोतहरू हुन्। वृद्धि स्रोत प्रवाह दर बढाएर विकास दर बढाउने प्रक्रियामा, सिलिकन घटकको सन्तुलन आंशिक दबाव बढ्दै जाँदा, समरूप ग्यास चरण न्यूक्लिएशन द्वारा सिलिकन क्लस्टरहरू बनाउन सजिलो छ, जसले महत्त्वपूर्ण रूपमा उपयोग दर घटाउँछ। सिलिकन स्रोत। सिलिकन क्लस्टरहरूको गठनले एपिटेक्सियल वृद्धि दरको सुधारलाई धेरै सीमित गर्दछ। एकै समयमा, सिलिकन क्लस्टरहरूले चरण प्रवाहको वृद्धिलाई बाधा पुर्‍याउन सक्छ र दोष न्यूक्लिएशनको कारण बनाउँदछ। समरूप ग्यास चरण न्यूक्लिएशनबाट बच्न र एपिटेक्सियल वृद्धि दर बढाउनको लागि, क्लोरीन-आधारित सिलिकन स्रोतहरूको परिचय हाल 4H-SiC को एपिटेक्सियल वृद्धि दर बढाउनको लागि मुख्यधारा विधि हो।

 

1.2 200 mm (8-inch) SiC epitaxial उपकरण र प्रक्रिया अवस्था

यस पेपरमा वर्णन गरिएका प्रयोगहरू सबै 150/200 mm (6/8-inch) संगत मोनोलिथिक तेर्सो तातो पर्खाल SiC epitaxial उपकरणमा 48 औं इन्स्टिच्युट अफ चाइना इलेक्ट्रोनिक्स टेक्नोलोजी ग्रुप कर्पोरेशनद्वारा स्वतन्त्र रूपमा विकसित गरिएको थियो। एपिटेक्सियल फर्नेसले पूर्ण रूपमा स्वचालित वेफर लोडिङ र अनलोडिङलाई समर्थन गर्दछ। चित्र 1 एपिटेक्सियल उपकरणको प्रतिक्रिया कक्षको आन्तरिक संरचनाको योजनाबद्ध रेखाचित्र हो। चित्र १ मा देखाइए अनुसार, प्रतिक्रिया कक्षको बाहिरी पर्खाल क्वार्ट्ज घण्टी हो जसमा वाटर-कूल्ड इन्टरलेयर हुन्छ, र घण्टीको भित्री भाग एक उच्च-तापमान प्रतिक्रिया कक्ष हो, जुन थर्मल इन्सुलेशन कार्बन फेल्ट, उच्च-शुद्धताबाट बनेको हुन्छ। विशेष ग्रेफाइट गुहा, ग्रेफाइट ग्यास-फ्लोटिंग घुम्ने आधार, आदि। सम्पूर्ण क्वार्ट्ज घण्टीले ढाकिएको छ। बेलनाकार इन्डक्शन कुण्डल, र घण्टी भित्रको प्रतिक्रिया कक्षलाई विद्युत चुम्बकीय रूपमा मध्यम-फ्रिक्वेन्सी इन्डक्सन पावर सप्लाईद्वारा तताइएको छ। चित्र 1 (b) मा देखाइए अनुसार, वाहक ग्यास, प्रतिक्रिया ग्यास, र डोपिङ ग्यास सबै प्रतिक्रिया कक्षको माथिबाट प्रतिक्रिया कक्षको डाउनस्ट्रीममा तेर्सो लामिनार प्रवाहमा वेफर सतहबाट प्रवाहित हुन्छन् र पुच्छरबाट डिस्चार्ज हुन्छन्। ग्यास अन्त्य। वेफर भित्र स्थिरता सुनिश्चित गर्न, हावा फ्लोटिंग आधार द्वारा बोकिएको वेफर सधैं प्रक्रियाको समयमा घुमाइन्छ।

प्रयोगमा प्रयोग गरिएको सब्सट्रेट एक व्यावसायिक 150 मिमी, 200 मिमी (6 इन्च, 8 इन्च) <1120> दिशा 4° अफ-कोण प्रवाहकीय n-प्रकार 4H-SiC डबल-साइड पालिश SiC सब्सट्रेट हो जुन शान्क्सी शुओके क्रिस्टल द्वारा उत्पादित हुन्छ। Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) र ethylene (C2H4) प्रक्रिया प्रयोगमा मुख्य वृद्धि स्रोतको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, जसमध्ये TCS र C2H4 क्रमशः सिलिकन स्रोत र कार्बन स्रोतको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, उच्च शुद्धता नाइट्रोजन (N2) को रूपमा प्रयोग गरिन्छ। प्रकार डोपिङ स्रोत, र हाइड्रोजन (H2) पातलो ग्यास र वाहक ग्यास रूपमा प्रयोग गरिन्छ। एपिटेक्सियल प्रक्रियाको तापमान दायरा 1 600 ~ 1 660 ℃ हो, प्रक्रिया दबाब 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa हो, र H2 क्यारियर ग्याँस प्रवाह दर 100～140 L/min हो।

 

1.3 एपिटेक्सियल वेफर परीक्षण र विशेषता

फोरियर इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमिटर (उपकरण निर्माता थर्मलफिशर, मोडेल iS50) र पारा प्रोब एकाग्रता परीक्षक (उपकरण निर्माता सेमिलाब, मोडेल 530L) एपिटेक्सियल तह मोटाई र डोपिङ एकाग्रताको औसत र वितरणको विशेषता गर्न प्रयोग गरियो; एपिटेक्सियल तहमा प्रत्येक बिन्दुको मोटाई र डोपिङ एकाग्रता व्यास रेखाको साथमा बिन्दुहरू लिएर 5 मिमी किनारा हटाउने वेफरको केन्द्रमा 45° मा मुख्य सन्दर्भ किनाराको सामान्य रेखालाई काटेर निर्धारण गरिएको थियो। 150 मिमी वेफरको लागि, 9 बिन्दुहरू एउटै व्यास रेखासँग लिइयो (दुई व्यासहरू एकअर्कामा लम्बवत थिए), र 200 मिमी वेफरको लागि, चित्र 2 मा देखाइए अनुसार, 21 बिन्दुहरू लिइयो। एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (उपकरण निर्माता Bruker, मोडेल आयाम आइकन) केन्द्र क्षेत्रमा 30 μm × 30 μm क्षेत्रहरू चयन गर्न प्रयोग गरिएको थियो। र एपिटेक्सियल लेयरको सतहको खुरपना परीक्षण गर्न एपिटेक्सियल वेफरको किनारा क्षेत्र (5 मिमी किनारा हटाउने); एपिटेक्सियल लेयरका दोषहरू सतह दोष परीक्षक (उपकरण निर्माता चीन इलेक्ट्रोनिक्स द थ्रीडी इमेजरलाई केफेन्गुआको राडार सेन्सर (मोडेल मार्स 4410 प्रो) द्वारा विशेषता गरिएको थियो।