فرن كربيد الفوقي مقاس 8 بوصات وأبحاث عملية الفوقي المتجانس

حاليًا، تتحول صناعة SiC من 150 ملم (6 بوصات) إلى 200 ملم (8 بوصات). من أجل تلبية الطلب العاجل على الرقاقات المتجانسة الفوقية كبيرة الحجم وعالية الجودة من SiC في الصناعة، تم إعداد الرقائق المتجانسة الفوقية 150 مم و200 مم 4H-SiC بنجاح على ركائز محلية باستخدام معدات النمو الفوقي 200 مم SiC المطورة بشكل مستقل. تم تطوير عملية متجانسة الفوقي مناسبة 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. يمكن التحكم في تجانس السمك للرقائق الفوقية من كربيد السيليكون 150 مم و200 مم في حدود 1.5%، وتوحيد التركيز أقل من 3%، وكثافة الخلل المميت أقل من 0.3 جسيمات/سم2، ومتوسط ​​جذر خشونة السطح الفوقي مربع Ra هو أقل من 0.15 نانومتر، وجميع مؤشرات العملية الأساسية في المستوى المتقدم للصناعة.

يعد كربيد السيليكون (SiC) 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 الاختراق 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".

تختلف عن عملية جهاز Si، تتم معالجة جميع أجهزة الطاقة لأشباه الموصلات من SiC وإعدادها بطبقات فوق محورية 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 المحلية مقاس 150 مم من SiC مرتفعة نسبيًا، ولكن 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 الجسيمات /cm2 من 150 مم و 200 مم من رقاقات SiC الفوقي مع فرن فوقي من كربيد السيليكون 200 مم تم تطويره ذاتيًا. يمكن أن يلبي مستوى معالجة المعدات احتياجات إعداد جهاز طاقة SiC عالي الجودة.

1 التجارب

1.1 مبدأ العملية الفوقي SiC

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 الفوق المحوري 4H-SiC بشكل أساسي وتستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي. تتميز تقنية 4H-SiC الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في العالم بخاصيتين نموذجيتين: (1) استخدام ركيزة مقطوعة مائلة خارج المحور (بالنسبة إلى المستوى البلوري <0001>، باتجاه الاتجاه البلوري <11-20>) كركيزة مقطوعة مائلة القالب، يتم ترسيب طبقة الفوقي 4H-SiC أحادية البلورة عالية النقاء بدون شوائب على الركيزة في شكل وضع نمو التدفق التدريجي. 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 النفوق 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 أن يصل السلائف الممتز 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 موصلة خارج الزاوية 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 حرارة العملية 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 المركزية ومنطقة الحافة (إزالة الحافة بمقدار 5 مم) من الرقاقة الفوقي لاختبار خشونة سطح الطبقة الفوقي؛ تم قياس عيوب الطبقة الفوقي باستخدام جهاز اختبار العيوب السطحية (الشركة المصنعة للمعدات China Electronics Kefenghua، طراز Mars 4410 pro) للتوصيف.

2 النتائج التجريبية ومناقشتها

2.1 سماكة الطبقة الفوقية وتجانسها

تعد سماكة الطبقة الفوقي وتركيز المنشطات والتوحيد أحد المؤشرات الأساسية للحكم على جودة الرقائق الفوقي. تعد السماكة التي يمكن التحكم فيها بدقة وتركيز المنشطات والتوحيد داخل الرقاقة هي المفتاح لضمان أداء واتساق أجهزة الطاقة من SiC، كما أن سمك الطبقة الفوقي وتوحيد تركيز المنشطات هي أيضًا قواعد مهمة لقياس قدرة العملية للمعدات الفوقي.

يوضح الشكل 3 تجانس السمك ومنحنى التوزيع للرقائق الفوقي 150 مم و200 مم من SiC. يمكن أن نرى من الشكل أن منحنى توزيع سماكة الطبقة الفوقية متماثل حول النقطة المركزية للرقاقة. وقت العملية الفوقي هو 600 ثانية، ومتوسط ​​سمك الطبقة الفوقي للرقاقة الفوقي 150 مم هو 10.89 ميكرومتر، وتوحيد السماكة 1.05٪. من خلال الحساب، يبلغ معدل النمو الفوقي 65.3 ميكرومتر/ساعة، وهو مستوى عملية الفوقي السريع النموذجي. في نفس وقت العملية الفوقي، يبلغ سمك الطبقة الفوقي للرقاقة الفوقي 200 مم 10.10 ميكرومتر، ويكون تجانس السماكة في حدود 1.36%، ويبلغ معدل النمو الإجمالي 60.60 ميكرومتر / ساعة، وهو أقل قليلاً من النمو الفوقي 150 مم معدل. وذلك لأن هناك خسارة واضحة على طول الطريق عندما يتدفق مصدر السيليكون ومصدر الكربون من المنبع لغرفة التفاعل عبر سطح الرقاقة إلى المصب لغرفة التفاعل، وتكون مساحة الرقاقة 200 مم أكبر من 150 مم. يتدفق الغاز عبر سطح الرقاقة مقاس 200 مم لمسافة أطول، ويكون الغاز المصدر المستهلك على طول الطريق أكثر. في حالة استمرار الرقاقة في الدوران، يكون السمك الإجمالي للطبقة الفوقي أرق، وبالتالي يكون معدل النمو أبطأ. بشكل عام، يعد تجانس السماكة للرقائق الفوقية 150 مم و200 مم ممتازًا، وقدرة المعالجة للمعدات يمكن أن تلبي متطلبات الأجهزة عالية الجودة.

2.2 تركيز المنشطات في الطبقة الفوقية وتجانسها

يوضح الشكل 4 انتظام تركيز المنشطات وتوزيع المنحنى للرقائق الفوقي من SiC مقاس 150 مم و200 مم. كما يتبين من الشكل، فإن منحنى توزيع التركيز على الرقاقة الفوقية له تناظر واضح بالنسبة إلى مركز الرقاقة. إن انتظام تركيز المنشطات للطبقات الفوقية 150 مم و200 مم هو 2.80% و2.66% على التوالي، والتي يمكن التحكم فيها خلال 3%، وهو مستوى ممتاز بين المعدات المماثلة الدولية. يتم توزيع منحنى تركيز المنشطات للطبقة الفوقي في شكل "W" على طول اتجاه القطر، والذي يتم تحديده بشكل أساسي من خلال مجال التدفق للفرن الفوقي ذو الجدار الساخن الأفقي، لأن اتجاه تدفق الهواء لفرن النمو الفوقي لتدفق الهواء الأفقي هو من نهاية مدخل الهواء (المنبع) ويتدفق من نهاية المصب في تدفق الصفحي من خلال سطح الرقاقة؛ نظرًا لأن معدل "الاستنفاد على طول الطريق" لمصدر الكربون (C2H4) أعلى من معدل مصدر السيليكون (TCS)، فعندما تدور الرقاقة، يتناقص C/Si الفعلي على سطح الرقاقة تدريجيًا من الحافة إلى المركز (مصدر الكربون في المركز أقل)، وفقًا لـ "نظرية الوضع التنافسي" لـ C وN، فإن تركيز المنشطات في وسط الرقاقة يتناقص تدريجيًا باتجاه الحافة. من أجل الحصول على توحيد تركيز ممتاز، تتم إضافة الحافة N2 كتعويض أثناء العملية الفوقي لإبطاء الانخفاض في تركيز المنشطات من المركز إلى الحافة، بحيث يظهر منحنى تركيز المنشطات النهائي على شكل "W".

2.3 عيوب الطبقة الفوقية

بالإضافة إلى السُمك وتركيز المنشطات، يعد مستوى التحكم في عيوب الطبقة الفوقي أيضًا معلمة أساسية لقياس جودة الرقائق الفوقي ومؤشرًا مهمًا لقدرة المعالجة للمعدات الفوقي. على الرغم من أن SBD وMOSFET لهما متطلبات مختلفة للعيوب، إلا أن العيوب المورفولوجية السطحية الأكثر وضوحًا مثل عيوب السقوط وعيوب المثلث وعيوب الجزرة وعيوب المذنب يتم تعريفها على أنها عيوب قاتلة لأجهزة SBD وMOSFET. إن احتمال فشل الرقائق التي تحتوي على هذه العيوب مرتفع، لذا فإن التحكم في عدد العيوب القاتلة يعد أمرًا في غاية الأهمية لتحسين إنتاجية الرقائق وخفض التكاليف. يوضح الشكل 5 توزيع العيوب القاتلة للرقائق الفوقي 150 مم و200 مم من SiC. في حالة عدم وجود خلل واضح في نسبة C/Si، يمكن إزالة عيوب الجزرة وعيوب المذنب بشكل أساسي، في حين ترتبط عيوب السقوط وعيوب المثلث بالتحكم في النظافة أثناء تشغيل المعدات الفوقي، ومستوى شوائب الجرافيت الأجزاء الموجودة في غرفة التفاعل، ونوعية الركيزة. من الجدول 2، يمكننا أن نرى أنه يمكن التحكم في كثافة العيب القاتل البالغة 150 مم و200 مم من الرقائق الفوقي ضمن 0.3 جسيمات/سم2، وهو مستوى ممتاز لنفس النوع من المعدات. يعد مستوى التحكم في كثافة العيب القاتل للرقاقة الفوقي مقاس 150 مم أفضل من مستوى الرقاقة الفوقي مقاس 200 مم. وذلك لأن عملية تحضير الركيزة 150 مم أكثر نضجًا من 200 مم، وجودة الركيزة أفضل، ومستوى التحكم في الشوائب في غرفة تفاعل الجرافيت 150 مم أفضل.

2.4 خشونة سطح الرقاقة الفوقي

يوضح الشكل 6 صور AFM لسطح الرقائق الفوقي SiC مقاس 150 مم و200 مم. كما يتبين من الشكل، فإن الجذر السطحي يعني خشونة مربعة Ra البالغة 150 مم و200 مم من الرقائق الفوقية هي 0.129 نانومتر و0.113 نانومتر على التوالي، وسطح الطبقة الفوقي أملس، بدون ظاهرة تجميع واضحة للخطوات الكلية، والتي يشير إلى أن نمو الطبقة الفوقي يحافظ دائمًا على وضع نمو التدفق التدريجي أثناء العملية الفوقي بأكملها، ولا يحدث أي تجميع للخطوات. يمكن ملاحظة أنه يمكن الحصول على الطبقة الفوقي ذات السطح الأملس على ركائز منخفضة الزاوية مقاس 150 مم و 200 مم باستخدام عملية النمو الفوقي المُحسّنة.

3. الاستنتاجات

تم إعداد الرقاقات المتجانسة الفوقية 150 مم و200 مم 4H-SiC بنجاح على ركائز محلية باستخدام معدات النمو الفوقي 200 مم SiC المطورة ذاتيًا، وتم تطوير عملية متجانسة الفوقي مناسبة لـ 150 مم و200 مم. يمكن أن يكون معدل النمو الفوقي أكبر من 60 ميكرومتر / ساعة. مع تلبية متطلبات السرعة العالية، فإن جودة الرقاقة الفوقية ممتازة. يمكن التحكم في تجانس السمك للرقائق الفوقية من كربيد السيليكون 150 مم و200 مم في حدود 1.5%، وتوحيد التركيز أقل من 3%، وكثافة العيب المميت أقل من 0.3 جسيمات/سم2، ومتوسط ​​جذر خشونة السطح الفوقي مربع Ra هو أقل من 0.15 نانومتر. مؤشرات العملية الأساسية للرقائق الفوقي هي على المستوى المتقدم في الصناعة.

-------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- --------------------------------

VeTek Semiconductor هي شركة صينية محترفة لتصنيعالسقف المطلي بـ CVD SiC, فوهة طلاء CVD SiC، وحلقة مدخل طلاء SiC.  تلتزم VeTek Semiconductor بتوفير حلول متقدمة لمختلف منتجات SiC Wafer لصناعة أشباه الموصلات.

إذا كنت مهتمافرن الفوقي SiC مقاس 8 بوصة وعملية الفوقي المتجانس، فلا تتردد في الاتصال بنا مباشرة.

الجوال: +86-180 6922 0752

واتساب: +86 180 6922 0752

البريد الإلكتروني: anny@veteksemi.com