Epitaxy ya Silicon Carbide (SiC) ni nini?

Abstract:

Kama nyenzo za msingi za semiconductors za nguvu za kizazi kijacho, silicon carbudi (SiC) inakuza uboreshaji mkubwa katika ufanisi wa nishati na utendakazi wa mfumo. Katika msururu wa utengenezaji wa vifaa vya SiC, epitaxy ya silicon carbide ni hatua madhubuti katika kuweka msingi wa utendakazi wa kifaa. Makala haya yatachunguza kwa kina ufafanuzi wa SiC epitaxy, vifaa muhimu vya mchakato wa epitaxy, matumizi yake maalum katika usindikaji wa semiconductor, na matatizo na changamoto zinazoikabili.

Ufafanuzi wa SiC Epitaxy

Silicon carbide epitaxy ni mbinu ya ukuaji wa fuwele ambayo inahusisha ukuaji wa tabaka moja au zaidi ya filamu moja ya silikoni ya fuwele (yaani, epilayer) yenye mwelekeo mahususi wa fuwele (kawaida sawa na ile ya substrate) kwenye sehemu ndogo ya silicon ya fuwele (SiC Substrate) ambayo imekatwa kwa njia ya Kemikali Depilar (CVD). ni filamu nyembamba ya ubora wa juu sana na ukolezi unaodhibitiwa kwa usahihi na unene. Mchakato wa kukuza safu moja au zaidi ya carbide ya silicon ya fuwele (epilayer) kwenye substrate ya SiC kwa uwekaji wa mvuke wa kemikali (CVD) au mbinu nyingine, yenye mwelekeo maalum wa kioo (kawaida sawa na substrate), ubora wa juu sana na ukolezi na unene wa doping unaodhibitiwa kwa usahihi.

Malengo makuu ni:

● Ili kutoa safu ya kazi yenye kasoro ndogo: epilayer ina wiani wa chini wa kasoro za kioo ikilinganishwa na nyenzo za substrate.

● Udhibiti kwa usahihi wa sifa za umeme: Uwezo wa kudhibiti kwa usahihi aina ya doping (aina ya N- au P), ukolezi wa doping (katika safu ya 1014 hadi 1019 cm-3), na unene (kutoka mikromita chache hadi mamia ya mikromita) ya epilayer.

● Muundo wa Kifaa cha Kujenga: Toa jukwaa la msingi la kuunda maeneo yanayotumika (km, safu ya kuteremka, eneo la kituo, eneo la mwili, n.k.) ya kifaa kwa ajili ya upandikizaji unaofuata wa ioni, upigaji picha, etching, uunganishaji wa metali na michakato mingineyo.

SiC Epitaxy Vifaa na Maombi

Vifaa vya msingi vya kufanya kazi SiC michakato ya epitaksi ni vinu vya joto vya juu vya uwekaji wa mvuke wa kemikali (HTCVD). Hizi ni mifumo ngumu sana iliyoundwa kwa udhibiti sahihi wa ukuaji wa fuwele chini ya hali mbaya (joto la juu, anga maalum).

Aina na sifa za vifaa:

Aina tatu za tanuru ya ukuaji ya silicon carbide epitaxial na tofauti za msingi za vifaa

1) Teknolojia ya Kawaida: CVD ya ukuta wa moto inatumika sana katika tasnia leo. Muundo huu hufanya usambazaji wa joto katika chumba cha majibu kuwa sawa zaidi, ambayo inafaa kuboresha unene wa safu ya epitaxial na usawa wa doping.

2)Njia ya kuongeza joto: Kupasha joto kwa induction au inapokanzwa sugu hutumiwa kwa kawaida kufikia halijoto ya juu zaidi inayohitajika kwa SiC epitaxy (kawaida>1500°C, hata hadi 1600-1700°C).

3) Mipangilio ya chumba cha majibu:

● Reactor za Mlalo: Gesi hutiririka kwa mlalo kupitia kaki iliyowekwa kwenye msingi wa grafiti (Susceptor). Muundo rahisi, lakini udhibiti wa usawa wa saizi kubwa ni changamoto.

● Reactors za Sayari/Wima Zinazozunguka: Kaki huwekwa kwenye vigingi vinavyozunguka, kwa kawaida huwa na sehemu nyingi za satelaiti zinazozunguka kwa wakati mmoja kuzunguka kituo. Muundo huu unaboresha kwa kiasi kikubwa usawa wa halijoto na mtiririko wa hewa wa kaki kubwa kupitia mzunguko na mapinduzi na kwa sasa ndio chaguo kuu la vifaa kwa uzalishaji wa sauti ya juu, haswa kwa kaki za 150mm na 200mm. Watengenezaji wa vifaa vya uwakilishi kama vile LPE, Aixtron, nk. hutoa vifaa kama hivyo.

LPE Halfmoon SiC EPI Reactor

4) Mifumo ya Usafirishaji wa Gesi:

Haja ya kudhibiti kwa usahihi mtiririko wa aina mbalimbali za gesi, ikiwa ni pamoja na:

● Vitangulizi: Vyanzo vya silicon (km, silane SiH4), vyanzo vya kaboni (km, propani C3H8 au ethilini C2H4), na vyanzo vya kaboni (km, ethilini C2H4). H4).

● Gesi ya Kibeba: kwa kawaida hidrojeni (H2) yenye ubora wa juu, wakati mwingine huchanganywa na argon (Ar).

● Dopants: Nitrojeni (N2) kwa doping ya aina ya N; trimethylaluminium (TMA) au ethylborane (B2H6) kwa doping ya aina ya P.

● Gesi za kutoa moshi: kwa mfano kloridi hidrojeni (HCl) kwa ajili ya kusafisha chemba au etching ya ndani.

5) Otomatiki na Udhibiti:

Vifaa vinahitaji kuwa na mfumo wa hali ya juu wa kudhibiti ili kufuatilia na kudhibiti vigezo kama vile halijoto, shinikizo, mtiririko wa gesi, kasi ya msingi, n.k. kwa wakati halisi ili kuhakikisha uthabiti wa mchakato na kurudiwa.

Maombi katika Usindikaji wa Semiconductor:

1) Uzalishaji wa SiC Epi-kaki: Pato la haraka la reactor ya CVD ni Kaki za SiC na tabaka za epitaxial za ubora wa juu. Hapa ndipo mahali pa kuanzia kwa utengenezaji wa vifaa vyote vya SiC vilivyofuata.

2) Utengenezaji wa Vifaa vya Nguvu: Epi-kaki hizi hutumwa kwa kituo cha kutengeneza chip (Fab) kwa ajili ya utengenezaji wa:

● SiC MOSFETs: Vifaa vinahitaji kukuza kwa usahihi miundo yenye safu nyingi kama vile N-drifts, P-bodies/visima, n.k., na ubora wa safu ya epitaxial huathiri moja kwa moja Rds(on), Threshold Voltage (Vth), Breakdown Voltage (Vth), na RDS(kuwasha) ya kifaa. ), voltage ya kuvunjika (Vbr) na kuegemea.

● SiC SBDs: Vifaa hutumika hasa kukuza safu ya N-drift, ambayo huamua uwezo wa kuzuia nyuma na kushuka kwa voltage ya mbele ya diode.

3) Kusaidia shughuli za R&D: Vifaa vya Epitaxy pia hutumiwa kukuza michakato mipya ya epitaxial, kuchunguza sifa mpya za nyenzo na kukuza miundo ya kifaa cha riwaya.

Orodha ya sehemu za Reactor ya Sayari ya Aixtron

Matatizo na Changamoto za Vifaa vya SiC Epitaxy na Michakato katika Maombi

Utata wa hali ya juu wa vifaa vya SiC epitaxy na hali mbaya ya mchakato huifanya ikabiliane na changamoto kadhaa katika matumizi ya vitendo:

Changamoto katika ngazi ya vifaa

● Usawa wa halijoto na udhibiti: Katika halijoto ya >1500°C, ni vigumu sana kufikia udhibiti sahihi wa halijoto ndani ya nyuzi joto chache kwenye eneo kubwa (unaobeba kaki 150mm au 200mm). Kupotoka kidogo kwa hali ya joto kunaweza kusababisha unene usio sawa wa safu ya epitaxial na ukolezi wa doping.

● Muundo na uboreshaji wa mtiririko wa gesi: Mchoro wa mtiririko wa gesi katika chumba cha athari ni muhimu kwa kasi ya ukuaji na usawa. Muundo wa kifaa unahitaji uigaji na majaribio changamano ya hidrodynamic ili kuboresha sehemu ya kuoga, jiometri ya chemba, na vigezo vya mtiririko wa hewa ili kuepuka mizunguko, maeneo yaliyokufa na uigaji wa awamu ya gesi (uzalishaji wa chembe).

● Uthabiti na Matengenezo ya Kifaa: Joto la juu na gesi babuzi (km, HCl) husababisha uchakavu mkali kwenye vyumba vya ndani (kwa mfano, grafiti, quartz). Nyenzo zenye joto la juu na zinazostahimili kutu na matengenezo ya kawaida na uingizwaji wa sehemu zinahitajika ili kuhakikisha uthabiti wa dirisha la mchakato na uchafuzi wa chembe ndogo. Hii huongeza gharama za uendeshaji na kupungua kwa muda.

● Udhibiti wa Chembe: Chembe ndogo zinazozalishwa ndani ya kifaa ni mojawapo ya sababu kuu za kasoro za uso wa epitaxial na kushindwa kwa kifaa. Vyanzo vya hewa safi sana, vichujio vya usahihi, na taratibu bora za kusafisha chumba zinahitajika.

● Gharama na uwezo wa kifaa: Vifaa vya SiC epitaxy ni ghali asili. Wakati huo huo, viwango vya ukuaji mara nyingi hupunguzwa ili kuhakikisha ubora wa juu, haswa kwa tabaka nene za epitaxial, na uwezo (Kaki kwa Saa (WPH)) wa kitengo kimoja ni mdogo, ambayo huathiri moja kwa moja gharama ya Kaki za epitaxial za SiC. Reactors za sayari zina uwezo wa juu, lakini ni ngumu zaidi na za gharama kubwa.

● Kubadilisha hadi kaki za mm 200: Kuongeza mchakato uliopo wa 150mm na miundo ya vifaa hadi kaki 200mm huleta changamoto kubwa, hasa katika kudumisha au hata kuboresha usawa na udhibiti wa kasoro.

Changamoto za Kiwango cha Mchakato (zinazohusiana kwa karibu na vifaa)

● Udhibiti wa kasoro: Jinsi ya kukandamiza au kuondoa mitengano (TSD, TED) inayoenea kutoka kwa substrate, pamoja na kasoro za uso (kreta, mikwaruzo, miunganisho ya hatua) na kasoro za ndani (hitilafu za kutundika) zinazozalishwa wakati wa epitaksi ni changamoto ya mara kwa mara. Uboreshaji wa vigezo vya vifaa (joto, shinikizo, uwiano wa C / Si, kiwango cha ukuaji) ni muhimu.

● Epitaksia ya filamu nene: Vifaa vya volteji ya juu vinahitaji tabaka za chini za epitaxial makumi au hata mamia ya mikroni nene. Kudumisha msongamano mdogo wa kasoro, usawa wa juu, na viwango vya ukuaji thabiti katika nyakati hizo ndefu za ukuaji ni ngumu.

● Udhibiti wa dawa za kuongeza nguvu mwilini: Kufikia viwango vya juu vya doping (hasa doping ya chini katika safu ya 1014-1015cm-3) katika saizi kubwa ya kaki na kutoka kundi hadi bechi, pamoja na miingiliano yenye kasi ya juu, inahitaji vifaa vyenye uthabiti wa juu sana na udhibiti sahihi wa mtiririko wa gesi. ufanisi mdogo wa kuwezesha na athari za kumbukumbu za doping ya aina ya P (Al) pia ni changamoto. athari za kumbukumbu pia ni changamoto.