اپیتاکسی سیلیکون کاربید (SiC) چیست؟

چکیده:

به عنوان ماده اصلی نیمه هادی های قدرت نسل بعدی، کاربید سیلیکون (SiC) پیشرفت‌های قابل توجهی در بهره‌وری انرژی و عملکرد سیستم ایجاد می‌کند. در زنجیره تولید دستگاه‌های SiC، اپیتاکسی کاربید سیلیکون گامی تعیین‌کننده در ایجاد پایه و اساس عملکرد دستگاه است. این مقاله به طور عمیق به تعریف اپیتاکسی SiC، تجهیزات کلیدی برای فرآیند اپیتاکسی، کاربردهای خاص آن در پردازش نیمه‌هادی‌ها و مشکلات و چالش‌های پیش روی آن می‌پردازد.

تعریف اپیتاکسی SiC

اپیتاکسی کاربید سیلیکون یک تکنیک رشد کریستال است که شامل رشد یک یا چند لایه از یک فیلم کاربید سیلیکون تک کریستالی (یعنی اپی‌لایه) با جهت‌گیری کریستالوگرافی خاص (معمولاً مشابه با جهت‌گیری زیرلایه) بر روی یک زیرلایه کاربید سیلیکون تک کریستالی (زیرلایه SiC) است که با استفاده از رسوب بخار شیمیایی (CVD) و غیره برش داده شده و صیقل داده شده است. اپی‌لایه یک فیلم نازک با کیفیت بسیار بالا با غلظت و ضخامت آلایش دقیقاً کنترل شده است. فرآیند رشد یک یا چند لایه کاربید سیلیکون تک کریستالی (اپی‌لایه) بر روی یک زیرلایه SiC با رسوب بخار شیمیایی (CVD) یا روش‌های دیگر، با جهت‌گیری کریستالی خاص (معمولاً مشابه زیرلایه)، کیفیت بسیار بالا و غلظت و ضخامت آلایش دقیقاً کنترل شده.

اهداف اصلی عبارتند از:

● برای ارائه یک لایه کاربردی با نقص‌های کم: لایه رویی در مقایسه با ماده زیرلایه، چگالی کمتری از نقص‌های کریستالی دارد.

● کنترل دقیق خواص الکتریکی: توانایی کنترل دقیق نوع آلایش (نوع N یا P)، غلظت آلایش (در محدوده 1014 تا 1019 سانتی‌متر مکعب) و ضخامت (از چند میکرومتر تا صدها میکرومتر) اپی‌لایه.

● ساخت ساختار دستگاه: پلتفرم پایه برای ساخت نواحی فعال (مثلاً لایه رانش، ناحیه کانال، ناحیه بدنه و غیره) دستگاه را برای کاشت یون بعدی، لیتوگرافی نوری، حکاکی، فلزکاری و سایر فرآیندها فراهم می‌کند.

تجهیزات و کاربردهای اپیتاکسی SiC

تجهیزات اصلی برای اجرا SiC فرآیندهای اپیتاکسی، راکتورهای رسوب شیمیایی بخار در دمای بالا (HTCVD) هستند. این‌ها سیستم‌های بسیار پیچیده‌ای هستند که برای کنترل دقیق رشد کریستال در شرایط شدید (دمای بالا، اتمسفرهای خاص) طراحی شده‌اند.

انواع و ویژگی‌های تجهیزات:

سه نوع کوره رشد اپیتکسیال کاربید سیلیکون و تفاوت‌های لوازم جانبی هسته

۱) فناوری رایج: CVD دیواره داغ امروزه به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. این طراحی باعث می‌شود توزیع دما در محفظه واکنش یکنواخت‌تر شود که این امر منجر به بهبود ضخامت لایه اپیتاکسیال و یکنواختی آلایش می‌شود.

۲) روش گرمایش: گرمایش القایی یا گرمایش مقاومتی معمولاً برای دستیابی به دماهای فوق العاده بالای مورد نیاز برای اپیتاکسی SiC (معمولاً >۱۵۰۰ درجه سانتیگراد، حتی تا ۱۶۰۰-۱۷۰۰ درجه سانتیگراد) استفاده می‌شود.

۳) پیکربندی محفظه واکنش:

● راکتورهای افقی: گاز به صورت افقی از میان ویفری که روی پایه گرافیتی (Susceptor) قرار گرفته است، جریان می‌یابد. ساختار نسبتاً ساده‌ای دارد، اما کنترل یکنواختی در اندازه‌های بزرگ یک چالش است.

● راکتورهای چرخان سیاره‌ای/عمودی: ویفرها روی پایه‌های چرخان قرار می‌گیرند، معمولاً چندین پایه ماهواره‌ای به طور همزمان حول یک مرکز می‌چرخند. این طراحی به طور قابل توجهی یکنواختی دما و جریان هوا را در ویفرهای بزرگ از طریق چرخش و دوران بهبود می‌بخشد و در حال حاضر انتخاب غالب تجهیزات برای تولید با حجم بالا، به ویژه برای ویفرهای ۱۵۰ میلی‌متری و ۲۰۰ میلی‌متری است. تولیدکنندگان تجهیزات نماینده مانند LPE، Aixtron و غیره چنین تجهیزاتی را ارائه می‌دهند.

راکتور LPE Halfmoon SiC EPI

۴) سیستم‌های انتقال گاز:

نیاز به کنترل دقیق جریان انواع گازها، از جمله:

● پیش‌سازها: منابع سیلیکون (مثلاً سیلان SiH4)، منابع کربن (مثلاً پروپان C3H8 یا اتیلن C2H4) و منابع کربن (مثلاً اتیلن C2H4).H4).

● گاز حامل: معمولاً هیدروژن با خلوص بالا (H2)، گاهی اوقات مخلوط با آرگون (Ar).

● ناخالصی‌ها: نیتروژن (N2) برای ناخالصی نوع N؛ تری متیل آلومینیوم (TMA) یا اتیل بوران (B2H6) برای ناخالصی نوع P.

● گازهای حکاکی: به عنوان مثال کلرید هیدروژن (HCl) برای تمیز کردن محفظه یا حکاکی درجا.

۵) اتوماسیون و کنترل:

این تجهیزات باید به یک سیستم کنترل پیشرفته مجهز باشند تا پارامترهایی مانند دما، فشار، جریان گاز، سرعت پایه و غیره را به صورت بلادرنگ رصد و تنظیم کنند تا پایداری و تکرارپذیری فرآیند تضمین شود.

کاربردها در پردازش نیمه‌هادی:

۱) تولید ویفرهای اپی SiC: خروجی فوری یک راکتور CVD عبارت است از: ویفرهای SiC با لایه‌های اپیتاکسیال با کیفیت بالا. این نقطه شروع برای تمام تولید دستگاه‌های SiC بعدی است.

۲) ساخت دستگاه‌های قدرت: این اپی‌ویفرها برای تولید موارد زیر به یک مرکز ساخت تراشه (Fab) ارسال می‌شوند:

● ماسفت‌های SiC: این دستگاه‌ها نیاز به رشد دقیق ساختارهای چندلایه مانند N- رانش‌ها، P-bodies/wells و غیره دارند و کیفیت لایه اپیتاکسیال تأثیر مستقیمی بر Rds(on)، ولتاژ آستانه (Vth)، ولتاژ شکست (Vth) و RDS(on) دستگاه، ولتاژ شکست (Vbr) و قابلیت اطمینان دارد.

● دیودهای نوری SiC: این تجهیزات عمدتاً برای رشد لایه رانش N- استفاده می‌شوند که قابلیت مسدود کردن معکوس و افت ولتاژ مستقیم دیود را تعیین می‌کند.

۳) پشتیبانی از فعالیت‌های تحقیق و توسعه: تجهیزات اپیتاکسی همچنین برای توسعه فرآیندهای اپیتاکسی جدید، بررسی خواص جدید مواد و توسعه ساختارهای جدید دستگاه‌ها استفاده می‌شوند.

فهرست قطعات راکتور سیاره‌ای آیکسترون

مشکلات و چالش‌های تجهیزات و فرآیندهای اپیتاکسی SiC در کاربردها

پیچیدگی بالای تجهیزات اپیتاکسی SiC و شرایط سخت این فرآیند، آن را با چالش‌های جدی در کاربردهای عملی مواجه می‌کند:

چالش‌های سطح تجهیزات

● یکنواختی و کنترل دما: در دماهای بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد، دستیابی به کنترل دقیق دما در محدوده چند درجه سانتیگراد در یک فضای بزرگ (با حمل ویفرهای ۱۵۰ یا ۲۰۰ میلی‌متری) بسیار چالش برانگیز است. انحرافات کوچک در دما می‌تواند منجر به ضخامت ناهموار لایه اپیتاکسیال و غلظت آلایش شود.

● طراحی و بهینه‌سازی جریان گاز: الگوی جریان گاز در محفظه واکنش برای سرعت رشد و یکنواختی بسیار مهم است. طراحی تجهیزات نیازمند شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های پیچیده هیدرودینامیکی برای بهینه‌سازی سردوش، هندسه محفظه و پارامترهای جریان هوا است تا از گردابه‌ها، مناطق مرده و هسته‌زایی فاز گازی (تولید ذرات) جلوگیری شود.

● پایداری و نگهداری تجهیزات: دمای بالا و گازهای خورنده (مثلاً HCl) باعث سایش و پارگی شدید در قسمت‌های داخلی محفظه (مثلاً گرافیت، کوارتز) می‌شوند. مواد مقاوم در برابر دمای بالا و خوردگی با نگهداری منظم و تعویض قطعات برای اطمینان از پایداری پنجره فرآیند و آلودگی کم ذرات مورد نیاز است. این امر هزینه‌های عملیاتی و زمان از کارافتادگی را افزایش می‌دهد.

● کنترل ذرات: ذرات ریز تولید شده در داخل دستگاه یکی از دلایل اصلی نقص سطح لایه اپیتاکسیال و خرابی دستگاه هستند. منابع هوای بسیار تمیز، فیلترهای دقیق و رویه‌های بهینه تمیز کردن محفظه مورد نیاز است.

● هزینه و ظرفیت تجهیزات: تجهیزات اپیتاکسی SiC ذاتاً گران هستند. در عین حال، نرخ رشد اغلب برای تضمین کیفیت بالا، به ویژه برای لایه‌های اپیتاکسی ضخیم، محدود است و ظرفیت (ویفر در ساعت (WPH)) یک واحد نسبتاً محدود است که مستقیماً بر هزینه تأثیر می‌گذارد. ویفرهای اپیتاکسیال SiCراکتورهای سیاره‌ای ظرفیت بالاتری دارند، اما پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر هستند.

● گذار به ویفرهای ۲۰۰ میلی‌متری: مقیاس‌بندی طرح‌های فرآیند و تجهیزات بالغ ۱۵۰ میلی‌متری موجود به ویفرهای ۲۰۰ میلی‌متری، چالش‌های قابل توجهی را به ویژه در حفظ یا حتی بهبود یکنواختی و کنترل نقص ایجاد می‌کند.

چالش‌های سطح فرآیند (ارتباط نزدیک با تجهیزات)

● کنترل نقص: چگونگی سرکوب یا حذف مؤثر نابجایی‌ها (TSD، TED) که از زیرلایه امتداد می‌یابند، و همچنین نقص‌های سطحی (دهانه‌ها، خراش‌ها، تجمع‌های پله‌ای) و نقص‌های داخلی (خطاهای روی هم قرار گرفتن) که در طول اپیتاکسی ایجاد می‌شوند، یک چالش دائمی است. بهینه‌سازی پارامترهای تجهیزات (دما، فشار، نسبت C/Si، نرخ رشد) بسیار مهم است.

● اپیتاکسی لایه ضخیم: دستگاه‌های ولتاژ بالا به لایه‌های اپیتاکسی با آلاییدگی کم به ضخامت ده‌ها یا حتی صدها میکرون نیاز دارند. حفظ چگالی نقص کم، یکنواختی بالا و نرخ رشد پایدار در چنین زمان‌های رشد طولانی دشوار است.

● کنترل آلایش: دستیابی به غلظت‌های آلایش بسیار پایدار (به‌ویژه آلایش کم در محدوده 1014-1015cm-3) در اندازه‌های بزرگ ویفر و از دسته‌ای به دسته دیگر، و همچنین رابط‌های آلایش‌شده با شیب تند، نیازمند تجهیزاتی با پایداری بسیار بالا و کنترل دقیق جریان گاز است. راندمان فعال‌سازی پایین و اثرات حافظه آلایش نوع P (Al) نیز از چالش‌های این فرآیند هستند. اثرات حافظه نیز از چالش‌های این فرآیند هستند.