تقدم تكنولوجيا الفوقي 200 مم SiC من LPE في إيطاليا

مقدمة

يتفوق SiC على Si في العديد من التطبيقات نظرًا لخصائصه الإلكترونية الفائقة مثل ثبات درجة الحرارة العالية، وفجوة النطاق الواسعة، وقوة المجال الكهربائي عالية الانهيار، والتوصيل الحراري العالي. اليوم، يتم تحسين توفر أنظمة الجر في المركبات الكهربائية بشكل كبير بسبب سرعات التبديل الأعلى، وارتفاع درجات حرارة التشغيل، وانخفاض المقاومة الحرارية للترانزستورات ذات التأثير الميداني لأشباه الموصلات المصنوعة من أكسيد معدن SiC (MOSFETs). لقد نما سوق أجهزة الطاقة المعتمدة على SiC بسرعة كبيرة خلال السنوات القليلة الماضية؛ ولذلك، زاد الطلب على مواد SiC عالية الجودة وخالية من العيوب وموحدة.

على مدى العقود القليلة الماضية، تمكن موردو الركيزة 4H-SiC من زيادة أقطار الرقاقة من 2 بوصة إلى 150 ملم (الحفاظ على نفس جودة الكريستال). اليوم، يبلغ حجم الرقاقة السائدة لأجهزة SiC 150 مم، ومن أجل تقليل تكلفة الإنتاج لكل وحدة جهاز، فإن بعض الشركات المصنعة للأجهزة في المراحل الأولى من إنشاء تصنيع 200 مم. ولتحقيق هذا الهدف، بالإضافة إلى الحاجة إلى رقائق SiC مقاس 200 مم المتوفرة تجاريًا، فإن القدرة على أداء تنقيح SiC الموحد مرغوبة للغاية أيضًا. لذلك، بعد الحصول على ركائز SiC ذات نوعية جيدة 200 مم، سيكون التحدي التالي هو تحقيق نمو فوقي عالي الجودة على هذه الركائز. قامت شركة LPE بتصميم وبناء مفاعل CVD أفقي ذو جدار ساخن أحادي البلورة مؤتمت بالكامل (يسمى PE1O8) ومجهز بنظام زرع متعدد المناطق قادر على معالجة ما يصل إلى 200 مم من ركائز SiC. نورد هنا أداءها على طبقة 4H-SiC مقاس 150 مم، بالإضافة إلى النتائج الأولية على رقائق Epiwafer مقاس 200 مم.

النتائج والمناقشة

PE1O8 هو نظام أوتوماتيكي بالكامل من شريط إلى شريط مصمم لمعالجة ما يصل إلى 200 مم من رقائق SiC. يمكن تبديل التنسيق بين 150 و200 مم، مما يقلل من وقت توقف الأداة. يؤدي تقليل مراحل التسخين إلى زيادة الإنتاجية، بينما تعمل الأتمتة على تقليل العمالة وتحسين الجودة والتكرار. لضمان عملية تنقيح فعالة وتنافسية من حيث التكلفة، تم الإبلاغ عن ثلاثة عوامل رئيسية: 1) عملية سريعة، 2) التوحيد العالي للسمك والمنشطات، 3) تقليل تكوين العيوب أثناء عملية التنضير. في PE1O8، تسمح كتلة الجرافيت الصغيرة ونظام التحميل/التفريغ الآلي بإكمال التشغيل القياسي في أقل من 75 دقيقة (تستخدم وصفة صمام ثنائي شوتكي القياسي 10 ميكرومتر معدل نمو يبلغ 30 ميكرومتر/ساعة). يسمح النظام الآلي بالتحميل/التفريغ في درجات حرارة عالية. ونتيجة لذلك، تكون أوقات التسخين والتبريد قصيرة، في حين يتم قمع خطوة الخبز بالفعل. مثل هذه الظروف المثالية تسمح بنمو المواد غير المنشورة حقًا.

يؤدي ضغط المعدات ونظام الحقن ثلاثي القنوات الخاص بها إلى نظام متعدد الاستخدامات ذو أداء عالٍ في كل من التطعيم وتوحيد السماكة. تم إجراء ذلك باستخدام محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) لضمان تدفق الغاز المماثل وتوحيد درجة الحرارة لتنسيقات الركيزة مقاس 150 مم و200 مم. كما هو موضح في الشكل 1، يقوم نظام الحقن الجديد هذا بتوصيل الغاز بشكل موحد في الأجزاء المركزية والجانبية لغرفة الترسيب. يتيح نظام خلط الغاز تنوع كيمياء الغاز الموزعة محليًا، مما يزيد من عدد معلمات العملية القابلة للتعديل لتحسين النمو الفوقي.

الشكل 1: محاكاة حجم سرعة الغاز (أعلى) ودرجة حرارة الغاز (أسفل) في غرفة عملية PE1O8 على مستوى يقع على ارتفاع 10 مم فوق الركيزة.

تشمل الميزات الأخرى نظامًا محسّنًا لتدوير الغاز يستخدم خوارزمية التحكم في ردود الفعل لتسهيل الأداء وقياس سرعة الدوران بشكل مباشر، وجيل جديد من PID للتحكم في درجة الحرارة. معلمات عملية الفوقية. تم تطوير عملية النمو الفوقي من النوع n 4H-SiC في غرفة النموذج الأولي. تم استخدام ثلاثي كلورو سيلان والإيثيلين كسلائف لذرات السيليكون والكربون؛ تم استخدام H2 كغاز حامل وتم استخدام النيتروجين في المنشطات من النوع n. تم استخدام ركائز SiC التجارية مقاس 150 مم ذات الواجهة Si وركائز SiC مقاس 200 مم من الدرجة البحثية لتنمية طبقات Epilayers 4H-SiC بسمك 6.5 ميكرومتر 1 × 1016 سم -3 ن. تم حفر سطح الركيزة في الموقع باستخدام تدفق H2 عند درجة حرارة مرتفعة. بعد هذه الخطوة النقش، تمت زراعة طبقة عازلة من النوع n باستخدام معدل نمو منخفض ونسبة C/Si منخفضة لإعداد طبقة تنعيم. فوق هذه الطبقة العازلة، تم ترسيب طبقة نشطة ذات معدل نمو مرتفع (30 ميكرومتر/ساعة) باستخدام نسبة C/Si أعلى. تم بعد ذلك نقل العملية المطورة إلى مفاعل PE1O8 الذي تم تركيبه في منشأة ST السويدية. تم استخدام معلمات عملية مماثلة وتوزيع الغاز لعينات 150 مم و200 مم. تم تأجيل الضبط الدقيق لمعلمات النمو إلى الدراسات المستقبلية بسبب العدد المحدود من الركائز المتوفرة مقاس 200 مم.

تم تقييم السُمك الظاهري وأداء المنشطات للعينات بواسطة مسبار الزئبق FTIR وCV، على التوالي. تم فحص مورفولوجيا السطح بواسطة مجهر نومارسكي لتباين التداخل التفاضلي (NDIC)، وتم قياس كثافة الخلل في طبقات الظهارة بواسطة كانديلا. نتائج اولية. يظهر الشكل 2 النتائج الأولية لتوحيد التطعيم والسماكة للعينات المزروعة الفوقي 150 مم و200 مم والمعالجة في غرفة النموذج الأولي. ونمت طبقات الظهارة بشكل موحد على طول سطح الركائز 150 مم و200 مم، مع اختلافات في السُمك (σ / متوسط ) منخفضة تصل إلى 0.4% و1.4% على التوالي، واختلافات المنشطات (متوسط ​​σ) منخفضة تصل إلى 1.1% و5.6%. كانت قيم المنشطات الجوهرية حوالي 1 × 1014 سم -3.

الشكل 2: السماكة وملامح المنشطات لرقائق Epiwafers مقاس 200 مم و 150 مم.

تمت دراسة إمكانية تكرار العملية من خلال مقارنة الاختلافات في التشغيل، مما أدى إلى اختلافات في السُمك تصل إلى 0.7% واختلافات في المنشطات تصل إلى 3.1%. وكما هو موضح في الشكل 3، فإن نتائج العملية الجديدة بحجم 200 مم قابلة للمقارنة بالنتائج الحديثة التي تم الحصول عليها مسبقًا على 150 مم بواسطة مفاعل PE1O6.

الشكل 3: سمك طبقة تلو الأخرى وتوحيد المنشطات لعينة مقاس 200 مم تمت معالجتها بواسطة غرفة النموذج الأولي (أعلى) وعينة حديثة مقاس 150 مم ملفقة بواسطة PE1O6 (أسفل).

فيما يتعلق بالتشكل السطحي للعينات، أكد الفحص المجهري لـ NDIC وجود سطح أملس مع خشونة أقل من النطاق القابل للاكتشاف للمجهر. نتائج PE1O8. تم بعد ذلك نقل العملية إلى مفاعل PE1O8. يظهر في الشكل 4 سمك وتوحيد المنشطات لرقائق Epiwafers مقاس 200 مم. وتنمو طبقات Epilayers بشكل موحد على طول سطح الركيزة مع اختلافات في السماكة والمنشطات (σ/المتوسط) تصل إلى 2.1% و3.3% على التوالي.

الشكل 4: السُمك وشكل المنشطات لرقاقة Epiwafer مقاس 200 مم في مفاعل PE1O8.

للتحقيق في كثافة الخلل في الرقائق المزروعة الفوقي، تم استخدام الكانديلا. كما هو مبين في الشكل. تم تحقيق كثافات عيب إجمالية تبلغ 5 منخفضة تصل إلى 1.43 سم-2 و3.06 سم-2 في العينات مقاس 150 مم و200 مم، على التوالي. وبالتالي تم حساب إجمالي المساحة المتاحة (TUA) بعد النضوج لتكون 97% و92% للعينات 150 مم و200 مم، على التوالي. ومن الجدير بالذكر أن هذه النتائج لم تتحقق إلا بعد بضع عمليات تشغيل ويمكن تحسينها بشكل أكبر من خلال ضبط معلمات العملية.

الشكل 5: خرائط عيوب Candela التي يبلغ سمكها 6 ميكرومتر وسمك 200 مم (يسار) و150 مم (يمين) المزروعة باستخدام PE1O8.

خاتمة

تعرض هذه الورقة مفاعل CVD ذو الجدار الساخن PE1O8 المصمم حديثًا وقدرته على أداء تنضيد موحد 4H-SiC على ركائز 200 مم. تعد النتائج الأولية على 200 ملم واعدة للغاية، مع اختلافات في السُمك تصل إلى 2.1% عبر سطح العينة واختلافات في أداء المنشطات تصل إلى 3.3% عبر سطح العينة. تم حساب TUA بعد النضوج ليكون 97% و92% للعينات 150 مم و200 مم، على التوالي، ومن المتوقع أن تتحسن TUA لـ 200 مم في المستقبل بجودة ركيزة أعلى. بالنظر إلى أن النتائج المتعلقة بالركائز مقاس 200 مم الواردة هنا تستند إلى مجموعات قليلة من الاختبارات، فإننا نعتقد أنه سيكون من الممكن تحسين النتائج بشكل أكبر، والتي أصبحت بالفعل قريبة من أحدث النتائج على عينات مقاس 150 مم، من خلال ضبط معايير النمو.