Beth yw Epitacsi Silicon Carbid (SiC)?

Crynodeb:

Fel y deunydd craidd ar gyfer lled-ddargludyddion pŵer y genhedlaeth nesaf, carbid silicon (SiC) yn gyrru gwelliannau sylweddol mewn effeithlonrwydd ynni a pherfformiad system. Yng nghadwyn gweithgynhyrchu dyfeisiau SiC, mae epitacsi silicon carbid yn gam pendant wrth osod y sylfaen ar gyfer perfformiad dyfeisiau. Bydd yr erthygl hon yn archwilio'n fanwl ddiffiniad epitacsi SiC, offer allweddol ar gyfer y broses epitacsi, ei gymwysiadau penodol mewn prosesu lled-ddargludyddion, a'r problemau a'r heriau y mae'n eu hwynebu.

Diffiniad o Epitacsi SiC

Mae epitacsi silicon carbid yn dechneg twf crisial sy'n cynnwys tyfu un neu fwy o haenau o ffilm silicon carbid grisial sengl (h.y., epilayer) gyda chyfeiriadedd crisialograffig penodol (fel arfer yr un fath â chyfeiriadedd y swbstrad) ar swbstrad silicon carbid grisial sengl (Swbstrad SiC) sydd wedi'i dorri a'i sgleinio, trwy ddyddodiad anwedd cemegol (CVD), ac ati. Mae'r epilayer yn ffilm denau o ansawdd uchel iawn gyda chrynodiad a thrwch dopio a reolir yn fanwl gywir. Y broses o dyfu un neu fwy o haenau o silicon carbid grisial sengl (epilayer) ar swbstrad SiC trwy ddyddodiad anwedd cemegol (CVD) neu ddulliau eraill, gyda chyfeiriadedd crisial penodol (fel arfer yr un fath â'r swbstrad), ansawdd uchel iawn a chrynodiad a thrwch dopio a reolir yn fanwl gywir.

Y prif amcanion yw:

● I ddarparu haen swyddogaethol gyda diffygion isel: mae gan yr epihaen ddwysedd is o ddiffygion crisial o'i gymharu â deunydd y swbstrad.

● Rheolaeth fanwl gywir ar briodweddau trydanol: Y gallu i reoli'r math o ddopio (math N neu P), crynodiad y ddopio (yn yr ystod o 1014 i 1019 cm-3), a thrwch (o ychydig ficrometrau i gannoedd o ficrometrau) yr epihaen yn fanwl gywir.

● Adeiladu Strwythur Dyfais: Darparu'r llwyfan sylfaenol ar gyfer cynhyrchu'r rhanbarthau gweithredol (e.e., haen drifft, rhanbarth sianel, rhanbarth corff, ac ati) y ddyfais ar gyfer mewnblannu ïonau, ffotolithograffeg, ysgythru, meteleiddio, a phrosesau eraill wedi hynny.

Offer Epitacsi SiC a'r Cymwysiadau

Yr offer craidd ar gyfer perfformio sic Mae prosesau epitacsi yn adweithyddion dyddodiad anwedd cemegol tymheredd uchel (HTCVD). Mae'r rhain yn systemau cymhleth iawn sydd wedi'u cynllunio ar gyfer rheoli twf crisialau yn fanwl gywir o dan amodau eithafol (tymheredd uchel, atmosfferau penodol).

Mathau a Nodweddion Offer:

Tri math o wahaniaethau rhwng ffwrnais twf epitacsial silicon carbid ac ategolion craidd

1) Technoleg Prif Ffrwd: Defnyddir CVD wal boeth yn helaeth yn y diwydiant heddiw. Mae'r dyluniad hwn yn gwneud y dosbarthiad tymheredd yn y siambr adwaith yn fwy unffurf, sy'n ffafriol i wella trwch yr haen epitacsial ac unffurfiaeth dopio.

2) Dull gwresogi: Defnyddir gwresogi sefydlu neu wresogi gwrthiannol yn gyffredin i gyflawni'r tymereddau uwch-uchel sy'n ofynnol ar gyfer epitacsi SiC (fel arfer >1500°C, hyd yn oed hyd at 1600-1700°C).

3) Cyfluniadau siambr adwaith:

● Adweithyddion Llorweddol: Mae nwy yn llifo'n llorweddol drwy wafer wedi'i osod ar sylfaen graffit (Susceptor). Strwythur cymharol syml, ond mae rheoli unffurfiaeth maint mawr yn her.

● Adweithyddion Cylchdroi Planedol/Fertigol: Mae wafferi yn cael eu gosod ar bedestalau cylchdroi, fel arfer gyda nifer o bedestalau lloeren yn cylchdroi ar yr un pryd o amgylch canol. Mae'r dyluniad hwn yn gwella unffurfiaeth tymheredd a llif aer wafferi mawr yn sylweddol trwy gylchdroi a chwyldroi ac ar hyn o bryd dyma'r dewis offer mwyaf cyffredin ar gyfer cynhyrchu cyfaint uchel, yn enwedig ar gyfer wafferi 150mm a 200mm. Mae gweithgynhyrchwyr offer cynrychioliadol fel LPE, Aixtron, ac ati yn darparu offer o'r fath.

Adweithydd EPI SiC Hanner Lleuad LPE

4) Systemau Cludo Nwy:

Angen rheoli llif amrywiaeth o nwyon yn fanwl gywir, gan gynnwys:

● Rhagflaenwyr: Ffynonellau silicon (e.e., silan SiH4), ffynonellau carbon (e.e., propan C3H8 neu ethylen C2H4), a ffynonellau carbon (e.e., ethylen C2H4). H4).

● Nwy Cludwr: fel arfer hydrogen purdeb uchel (H2), weithiau wedi'i gymysgu ag argon (Ar).

● Dopants: Nitrogen (N2) ar gyfer dopio math-N; trimethylalwminiwm (TMA) neu ethylboran (B2H6) ar gyfer dopio math-P.

● Nwyon ysgythru: e.e. hydrogen clorid (HCl) ar gyfer glanhau siambr neu ysgythru in-situ.

5) Awtomeiddio a Rheoli:

Mae angen i'r offer fod â system reoli uwch i fonitro a rheoleiddio paramedrau fel tymheredd, pwysedd, llif nwy, cyflymder sylfaenol, ac ati mewn amser real er mwyn sicrhau sefydlogrwydd a gallu ailadrodd y broses.

Cymwysiadau mewn Prosesu Lled-ddargludyddion:

1) Cynhyrchu Epi-wafers SiC: Allbwn uniongyrchol adweithydd CVD yw Wafferi SiC gyda haenau epitacsial o ansawdd uchel. Dyma'r man cychwyn ar gyfer pob gweithgynhyrchu dyfeisiau SiC dilynol.

2) Cynhyrchu Dyfeisiau Pŵer: Anfonir yr epi-wafers hyn i gyfleuster cynhyrchu sglodion (Fab) i gynhyrchu:

● MOSFETau SiC: Mae angen i'r dyfeisiau dyfu strwythurau amlhaenog yn gywir fel drifftiau N, cyrff/ffynhonnau P, ac ati, ac mae ansawdd yr haen epitacsial yn cael effaith uniongyrchol ar yr Rds(ymlaen), y Foltedd Trothwy (Vth), y Foltedd Dadansoddiad (Vth), ac RDS(ymlaen) y ddyfais. ), y foltedd dadansoddiad (Vbr) a'r dibynadwyedd.

● SBDau SiC: Defnyddir yr offer yn bennaf i dyfu'r haen drifft N, sy'n pennu'r gallu blocio gwrthdro a'r gostyngiad foltedd ymlaen yn y deuod.

3) Cefnogi gweithgareddau Ymchwil a Datblygu: Defnyddir offer epitacsi hefyd i ddatblygu prosesau epitacsial newydd, archwilio priodweddau deunyddiau newydd a datblygu strwythurau dyfeisiau newydd.

Rhestr o rannau Adweithydd Planedau Aixtron

Problemau a Heriau Offer a Phrosesau Epitacsi SiC mewn Cymwysiadau

Mae cymhlethdod uchel offer epitacsi SiC ac amodau eithafol y broses yn ei gwneud yn wynebu nifer o heriau difrifol mewn cymwysiadau ymarferol:

Heriau ar lefel yr offer

● Unffurfiaeth a rheolaeth tymheredd: Ar dymheredd >1500°C, mae'n hynod heriol cyflawni rheolaeth tymheredd gywir o fewn ychydig raddau Celsius ar draws ôl troed mawr (sy'n cario wafferi 150mm neu 200mm). Gall gwyriadau bach mewn tymheredd arwain at drwch haen epitacsial anwastad a chrynodiad dopio.

● Dylunio ac optimeiddio llif nwy: Mae patrwm llif y nwy yn y siambr adwaith yn hanfodol i gyfradd twf ac unffurfiaeth. Mae dylunio offer yn gofyn am efelychiadau ac arbrofion hydrodynamig cymhleth i optimeiddio'r pen cawod, geometreg y siambr, a pharamedrau llif aer er mwyn osgoi corwyntoedd, parthau marw, a niwcleiad cyfnod nwy (cynhyrchu gronynnau).

● Sefydlogrwydd a Chynnal a Chadw Offer: Mae tymereddau uchel a nwyon cyrydol (e.e. HCl) yn achosi traul a rhwyg difrifol ar fewnolion y siambr (e.e. graffit, cwarts). Mae angen deunyddiau tymheredd uchel a gwrthsefyll cyrydiad gyda chynnal a chadw rheolaidd ac ailosod rhannau i sicrhau sefydlogrwydd ffenestr y broses a halogiad gronynnau isel. Mae hyn yn cynyddu costau gweithredu ac amser segur.

● Rheoli Gronynnau: Mae gronynnau bach a gynhyrchir y tu mewn i'r ddyfais yn un o brif achosion diffygion arwyneb yr haen epitacsial a methiant y ddyfais. Mae angen ffynonellau aer hynod o lân, hidlwyr manwl gywir, a gweithdrefnau glanhau siambr wedi'u optimeiddio.

● Cost a chynhwysedd offer: Mae offer epitacsi SiC yn ddrud o ran ei natur. Ar yr un pryd, mae cyfraddau twf yn aml yn gyfyngedig i sicrhau ansawdd uchel, yn enwedig ar gyfer haenau epitacsiaidd trwchus, ac mae cynhwysedd (Wafers Per Hour (WPH)) un uned yn gymharol gyfyngedig, sy'n effeithio'n uniongyrchol ar gost wafferi epitaxial SiCMae gan adweithyddion planedol gapasiti uwch, ond maent yn fwy cymhleth a chostus.

● Pontio i wafferi 200mm: Mae graddio dyluniadau prosesau ac offer 150mm aeddfed presennol i wafferi 200mm yn cyflwyno heriau sylweddol, yn enwedig wrth gynnal neu hyd yn oed wella unffurfiaeth a rheoli diffygion.

Heriau Lefel Proses (sy'n gysylltiedig yn agos ag offer)

● Rheoli diffygion: Mae sut i atal neu ddileu dadleoliadau (TSD, TED) sy'n ymestyn o'r swbstrad yn effeithiol, yn ogystal â diffygion arwyneb (craterau, crafiadau, agregau grisiau) a diffygion mewnol (gwallau pentyrru) a gynhyrchir yn ystod epitacsi yn her gyson. Mae optimeiddio paramedrau offer (tymheredd, pwysau, cymhareb C/Si, cyfradd twf) yn hanfodol.

● Epitacsi ffilm drwchus: Mae angen haenau epitacsiaidd â dop isel ar ddyfeisiau foltedd uchel sydd â degau neu hyd yn oed gannoedd o ficron o drwch. Mae cynnal dwysedd diffyg isel, unffurfiaeth uchel, a chyfraddau twf sefydlog dros amseroedd twf mor hir yn anodd.

● Rheoli dopio: Mae cyflawni crynodiadau dopio cyson iawn (yn enwedig dopio isel yn yr ystod 1014-1015cm-3) ar draws meintiau waffer mawr ac o swp i swp, yn ogystal â rhyngwynebau sydd wedi'u dopio'n serth, yn gofyn am offer sydd â sefydlogrwydd uchel iawn a rheolaeth llif nwy fanwl gywir. Mae effeithlonrwydd actifadu isel ac effeithiau cof dopio math-P (Al) hefyd yn heriau. Mae effeithiau cof hefyd yn heriau.