ما هو ترسيب كربيد السيليكون (SiC)؟

المستخلص:

باعتبارها المادة الأساسية لأشباه الموصلات الكهربائية من الجيل التالي، كربيد السيليكون (SiC) يُحدث تطورًا ملحوظًا في كفاءة الطاقة وأداء النظام. في سلسلة تصنيع أجهزة كربيد السيليكون، يُعدّ ترسيب كربيد السيليكون خطوةً حاسمةً في إرساء أسس أداء الجهاز. ستتناول هذه المقالة تعريف ترسيب كربيد السيليكون، والمعدات الرئيسية لعملية الترسيب، وتطبيقاته المحددة في معالجة أشباه الموصلات، والمشاكل والتحديات التي تواجهه.

تعريف طبقة SiC

ترسيب كربيد السيليكون هو تقنية لنمو البلورات تتضمن نمو طبقة أو أكثر من غشاء كربيد السيليكون أحادي البلورة (الطبقة العليا) باتجاه بلوري محدد (عادةً ما يكون مماثلاً لاتجاه الركيزة) على ركيزة كربيد سيليكون أحادية البلورة (ركيزة كربيد السيليكون) مقطوعة ومصقولة، بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، إلخ. الطبقة العليا هي غشاء رقيق عالي الجودة بتركيز وسمك مُشَوَّب بدقة.

الأهداف الأساسية هي:

● لتوفير طبقة وظيفية ذات عيوب منخفضة: تتمتع الطبقة العلوية بكثافة أقل من عيوب البلورات مقارنة بمادة الركيزة.

● التحكم الدقيق في الخصائص الكهربائية: القدرة على التحكم بدقة في نوع المنشط (نوع N أو P)، وتركيز المنشط (في نطاق 1014 إلى 1019 سم -3)، وسمك (من بضعة ميكرومترات إلى مئات الميكرومترات) الطبقة العليا.

● بناء هيكل الجهاز: توفير المنصة الأساسية لتصنيع المناطق النشطة (على سبيل المثال، طبقة الانجراف، ومنطقة القناة، ومنطقة الجسم، وما إلى ذلك) للجهاز من أجل عملية زرع الأيونات اللاحقة، والطباعة الضوئية، والحفر، والتعدين، وغيرها من العمليات.

معدات ترسيب كربيد السيليكون وتطبيقاتها

المعدات الأساسية للأداء كربيد عمليات الترسيب هي مفاعلات ترسيب بخاري كيميائي عالي الحرارة (HTCVD). وهي أنظمة شديدة التعقيد مصممة للتحكم الدقيق في نمو البلورات في ظل ظروف قاسية (درجات حرارة عالية، أجواء محددة).

أنواع المعدات والميزات:

ثلاثة أنواع من فرن النمو الفوقي من كربيد السيليكون والاختلافات بين الملحقات الأساسية

١) التكنولوجيا السائدة: تُستخدم تقنية الترسيب الكيميائي للبخار الساخن على نطاق واسع في الصناعة اليوم. هذا التصميم يجعل توزيع درجة الحرارة في غرفة التفاعل أكثر انتظامًا، مما يُحسّن سُمك الطبقة الفوقية وتوحيد عملية التشويب.

2) طريقة التسخين: يستخدم التسخين الحثي أو التسخين المقاوم بشكل شائع لتحقيق درجات الحرارة العالية للغاية المطلوبة لتكوين طبقة SiC (عادةً >1500 درجة مئوية، وحتى 1600-1700 درجة مئوية).

3) تكوينات غرفة التفاعل:

المفاعلات الأفقية: يتدفق الغاز أفقيًا عبر رقاقة موضوعة على قاعدة من الجرافيت (مستقبل). هيكلها بسيط نسبيًا، لكن التحكم في تجانس الحجم الكبير يُمثل تحديًا.

● المفاعلات الكوكبية/الرأسية الدوارة: تُوضع الرقاقات على قواعد دوارة، وعادةً ما تدور قواعد ساتلية متعددة في وقت واحد حول مركزها. يُحسّن هذا التصميم بشكل كبير درجة الحرارة وتجانس تدفق الهواء للرقاقات الكبيرة من خلال الدوران والدوران، وهو حاليًا الخيار الأمثل للمعدات لإنتاج كميات كبيرة، وخاصةً للرقاقات بقياس 150 مم و200 مم. تُوفر هذه المعدات شركات تصنيع معدات تمثيلية مثل LPE وAixtron وغيرها.

مفاعل LPE Halfmoon SiC EPI

4) أنظمة نقل الغاز:

يجب التحكم بدقة في تدفق مجموعة متنوعة من الغازات، بما في ذلك:

● المواد الأولية: مصادر السيليكون (مثل السيلان SiH4)، ومصادر الكربون (مثل البروبان C3H8 أو الإيثيلين C2H4)، ومصادر الكربون (مثل الإيثيلين C2H4). H4).

● الغاز الناقل: عادة ما يكون عبارة عن هيدروجين عالي النقاء (H2)، وأحيانًا يكون مخلوطًا بالأرجون (Ar).

● المواد المحفزة: النيتروجين (N2) للتنشيط من النوع N؛ وثلاثي ميثيل الألومنيوم (TMA) أو إيثيل بوران (B2H6) للتنشيط من النوع P.

● غازات النقش: مثل كلوريد الهيدروجين (HCl) لتنظيف الغرفة أو النقش في الموقع.

5) الأتمتة والتحكم:

يجب أن تكون المعدات مجهزة بنظام تحكم متطور لمراقبة وتنظيم المعلمات مثل درجة الحرارة والضغط وتدفق الغاز والسرعة الأساسية وما إلى ذلك في الوقت الفعلي لضمان استقرار العملية وإمكانية تكرارها.

التطبيقات في معالجة أشباه الموصلات:

1) إنتاج رقائق SiC Epi: الناتج الفوري لمفاعل الترسيب الكيميائي البخاري هو رقائق كربيد السيليكون مع طبقات فوقية عالية الجودة. هذه هي نقطة البداية لجميع تصنيعات أجهزة SiC اللاحقة.

2) تصنيع أجهزة الطاقة: يتم إرسال هذه الرقائق الإلكترونية إلى منشأة تصنيع الرقائق (Fab) لإنتاج:

● SiC MOSFETs: تحتاج الأجهزة إلى تنمية هياكل متعددة الطبقات بدقة مثل الانجرافات N، وأجسام/آبار P، وما إلى ذلك، كما أن جودة الطبقة الظهارية لها تأثير مباشر على Rds(on)، وجهد العتبة (Vth)، وجهد الانهيار (Vth)، وRDS(on) للجهاز. )، وجهد الانهيار (Vbr) والموثوقية.

● SiC SBDs: يتم استخدام المعدات بشكل أساسي لتنمية طبقة الانجراف N، والتي تحدد قدرة الحجب العكسي وانخفاض الجهد الأمامي للثنائي.

3) دعم أنشطة البحث والتطوير: تُستخدم معدات التراكب أيضًا لتطوير عمليات تراكب جديدة، واستكشاف خصائص مواد جديدة، وتطوير هياكل أجهزة جديدة.

قائمة أجزاء مفاعل Aixtron الكوكبي

مشاكل وتحديات معدات وعمليات ترسيب كربيد السيليكون في التطبيقات

إن التعقيد العالي لمعدات ترسيب SiC والظروف القاسية للعملية تجعلها تواجه عددًا من التحديات الخطيرة في التطبيقات العملية:

التحديات على مستوى المعدات

● تجانس درجة الحرارة والتحكم فيها: عند درجات حرارة تزيد عن 1500 درجة مئوية، يصعب للغاية تحقيق تحكم دقيق في درجة الحرارة ضمن بضع درجات مئوية عبر مساحة كبيرة (تحمل رقائق بسمك 150 مم أو 200 مم). قد تؤدي الانحرافات الطفيفة في درجة الحرارة إلى تفاوت في سمك الطبقة الفوقية وتركيز المنشطات.

تصميم تدفق الغاز وتحسينه: يُعد نمط تدفق الغاز في حجرة التفاعل بالغ الأهمية لمعدل النمو وانتظامه. يتطلب تصميم المعدات محاكاة هيدروديناميكية معقدة وتجارب لتحسين رأس الدش، وهندسة الحجرة، ومعايير تدفق الهواء لتجنب الدوامات، والمناطق الميتة، وتكوين الجسيمات في الطور الغازي.

● استقرار المعدات وصيانتها: تُسبب درجات الحرارة العالية والغازات المسببة للتآكل (مثل حمض الهيدروكلوريك) تآكلًا شديدًا في الأجزاء الداخلية للحجرات (مثل الجرافيت والكوارتز). لذا، يلزم استخدام مواد مقاومة للحرارة العالية والتآكل، مع إجراء صيانة دورية واستبدال الأجزاء، لضمان استقرار عملية الإنتاج وتقليل تلوث الجسيمات. وهذا يزيد من تكاليف التشغيل ووقت التوقف.

التحكم في الجسيمات: تُعدّ الجسيمات الدقيقة المتولدة داخل الجهاز أحد الأسباب الرئيسية لعيوب سطح الطبقة الفوقية وتعطل الجهاز. لذا، يلزم توفر مصادر هواء فائقة النظافة، ومرشحات دقيقة، وإجراءات تنظيف مُحسّنة للغرفة.

تكلفة المعدات وسعتها: معدات ترسيب كربيد السيليكون مكلفة بطبيعتها. في الوقت نفسه، غالبًا ما تكون معدلات النمو محدودة لضمان الجودة العالية، وخاصةً للطبقات الترسيبية السميكة، كما أن سعة وحدة واحدة (عدد الرقائق في الساعة (WPH)) محدودة نسبيًا، مما يؤثر بشكل مباشر على التكلفة. رقائق كربيد الفوقي. تتمتع المفاعلات الكوكبية بقدرة أعلى، ولكنها أكثر تعقيدًا وتكلفة.

● الانتقال إلى رقائق 200 مم: يمثل توسيع نطاق تصميمات العمليات والمعدات الحالية الناضجة مقاس 150 مم إلى رقائق 200 مم تحديات كبيرة، خاصة في الحفاظ على التوحيد والتحكم في العيوب أو حتى تحسينهما.

تحديات مستوى العملية (المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالمعدات)

● التحكم في العيوب: تُعدّ كيفية قمع أو إزالة الخلع (TSD، TED) الناتج عن الركيزة بفعالية، بالإضافة إلى عيوب السطح (الحفر، الخدوش، التكتلات المتدرجة) والعيوب الداخلية (أخطاء التكديس) الناتجة أثناء عملية التكديس، تحديًا مستمرًا. يُعدّ تحسين معلمات المعدات (درجة الحرارة، الضغط، نسبة الكربون إلى السيليكون، معدل النمو) أمرًا بالغ الأهمية.

● طبقة رقيقة سميكة: تتطلب أجهزة الجهد العالي طبقات رقيقة منخفضة التشويب، بسمك عشرات أو حتى مئات الميكرونات. يُصعّب الحفاظ على كثافة عيوب منخفضة، وتجانس عالٍ، ومعدلات نمو مستقرة على مدى فترات نمو طويلة كهذه.

● التحكم في المنشطات: يتطلب تحقيق تركيزات منشطات متسقة للغاية (خاصة المنشطات المنخفضة في نطاق 1014-1015 سم -3) عبر أحجام الرقاقات الكبيرة ومن دفعة إلى أخرى، بالإضافة إلى الواجهات شديدة التشويب، معدات ذات استقرار عالٍ للغاية وتحكم دقيق في تدفق الغاز. كما أن انخفاض كفاءة التنشيط وتأثيرات الذاكرة للمنشطات من النوع P (Al) تشكل أيضًا تحديات. كما أن تأثيرات الذاكرة تشكل أيضًا تحديات.