مقدمه

زنجیره صنعت کاربید سیلیکون شامل پودر کاربید سیلیکون، شمش کاربید سیلیکون، زیرلایه کاربید سیلیکون، اپیتاکسی کاربید سیلیکون، ویفر کاربید سیلیکون، تراشه کاربید سیلیکون و حلقه‌های بسته‌بندی دستگاه کاربید سیلیکون است. در میان آنها، زیرلایه، ویفر اپیتاکسیال، ویفر و بسته‌بندی و آزمایش دستگاه، چهار حلقه بسیار مهم در زنجیره ارزش کاربید سیلیکون هستند. هزینه زیرلایه 50٪ از کل هزینه دستگاه‌های کاربید سیلیکون را تشکیل می‌دهد و هزینه‌های اپیتاکسی، ویفر و آزمایش بسته‌بندی به ترتیب 25٪، 20٪ و 5٪ است. قابلیت اطمینان مواد کاربید سیلیکون برای عملکرد دستگاه نهایی از اهمیت بالایی برخوردار است. شرکت Basic Semiconductor خواص مواد و علل نقص‌ها را از تمام جنبه‌های زنجیره صنعتی بررسی می‌کند و با شرکت‌های بالادستی و پایین‌دستی برای بهبود قابلیت اطمینان دستگاه‌های قدرت کاربید سیلیکون همکاری می‌کند.

01

روش رشد و آماده سازی شمش کاربید سیلیکون

بیش از ۲۵۰ ایزومر کاربید سیلیکون وجود دارد و ایزومر اصلی مورد استفاده در ساخت نیمه‌هادی‌های قدرت، ساختار تک بلوری ۴H-SiC است. در طول فرآیند رشد تک بلور کاربید سیلیکون، پنجره رشد بلور ۴H کوچک است و استانداردهای سختگیرانه‌ای برای طراحی دما و فشار وجود دارد. کنترل نادرست در طول فرآیند رشد منجر به بلورهای کاربید سیلیکون با ساختارهای دیگری مانند ۲H، ۳C، ۶H و ۱۵R خواهد شد.

شکل 1 شرایط تولید ایزومرهای مختلف کاربید سیلیکون

در صنعت، سه روش برای تهیه شمش‌های تک کریستال کاربید سیلیکون وجود دارد: تصعید PVT، HT-CVD و LPE (روش رشد محلول). در میان آنها، تصعید PVT در حال حاضر رایج‌ترین روش تهیه است. حدود 95٪ از شمش‌های کاربید سیلیکون تجاری از PVT رشد می‌کنند. این فرآیند شامل قرار دادن پودر کاربید سیلیکون در تجهیزات ویژه و گرم کردن آن است. پس از افزایش دما به 2200-2500 درجه سانتیگراد، پودر شروع به تصعید می‌کند. از آنجایی که کاربید سیلیکون حالت مایع ندارد و فقط حالت‌های گازی و جامد دارد، یک شمش پس از تصعید در بالای آن متبلور می‌شود. سرعت رشد تک کریستال سیلیکون حدود 300 میلی‌متر در ساعت و سرعت رشد تک کریستال کاربید سیلیکون حدود 400 میکرومتر در ساعت است. تفاوت بین این دو تقریباً 800 برابر است. به عنوان مثال، تشکیل یک شمش پنج تا شش سانتی‌متری نیاز به رشد مداوم و پایدار به مدت 200 تا 300 ساعت دارد. مشاهده می‌شود که سرعت آماده‌سازی شمش‌های کاربید سیلیکون بسیار کند است و همین امر باعث گرانی شمش‌ها می‌شود.

02

نقص‌های شمش تک کریستالی کاربید سیلیکون و ویفر زیرلایه

هم شمش‌های کاربید سیلیکون و هم ویفرهای زیرلایه حاوی انواع نقص‌های کریستالی مانند نقص‌های روی هم قرار گرفتن، میکروتوبول‌ها، نابجایی‌های پیچشی، نابجایی‌های لبه‌ای، نابجایی‌های صفحه پایه و غیره هستند. نقص در شمش‌های کاربید سیلیکون تأثیر زیادی بر عملکرد دستگاه نهایی خواهد داشت. این موضوع بسیار مهمی در زنجیره صنعت است. همه تولیدکنندگان زیرلایه از هیچ تلاشی برای کاهش چگالی نقص شمش‌های کاربید سیلیکون دریغ نمی‌کنند.

03

قابلیت اطمینان زیرلایه سیلیکون کاربید

ورق زیرلایه محصولی است که با برش شمش کریستال به برش‌های نازک، صاف کردن و صیقل دادن آن به دست می‌آید. ویفر زیرلایه پس از فرآیند صیقل دادن، کیفیت سطح خوبی به دست می‌آورد که می‌تواند از ایجاد نقص در طول رشد اپیتاکسیال جلوگیری کند و در نتیجه ویفرهای اپیتاکسیال با کیفیت بالا به دست آید. کیفیت سطح آن شامل صافی، جابجایی‌های نزدیک به سطح و تنش پسماند است. به منظور جلوگیری از ایجاد نقص در مراحل اولیه رشد اپیتاکسیال، سطح زیرلایه باید بدون تنش و عاری از جابجایی‌های نزدیک به سطح باشد. اگر آسیب‌های باقیمانده در نزدیکی سطح به اندازه کافی برطرف نشوند، رشد اپیتاکسیال روی زیرلایه منجر به ایجاد نقص‌های ماکروسکوپی خواهد شد. بنابراین، سطح کیفیت پیوند زیرلایه به طور جدی بر سطح کیفیت پیوند رشد اپیتاکسیال بعدی تأثیر خواهد گذاشت.

04

رشد اپیتکسیال سیلیکون کاربید و قابلیت اطمینان

اپیتاکسی به رشد لایه‌ای از ماده تک کریستالی 4H-SiC که با زیرلایه همگن است، روی سطح بالایی زیرلایه اشاره دارد. کاربید سیلیکون ایزومرهای زیادی دارد. برای اطمینان از تهیه مواد اپیتاکسیال با کیفیت بالا، فناوری خاصی برای جلوگیری از ورود سایر اشکال کریستالی مورد نیاز است. فرآیند استاندارد فعلی استفاده از زیرلایه‌های تک کریستالی 4H-SiC با برش مورب 4 درجه و اتخاذ فناوری رشد کنترل‌شده مرحله‌ای است. فرآیند رایج مورد استفاده در حال حاضر روش CVD است: تجهیزات رایج مورد استفاده یک کوره اپیتاکسیال افقی دیواره داغ است و گاز پیش‌ساز واکنش رایج، سیلان (SiH) است.₄) ، متان (CH₄)، اتیلن (C₂H₄) و غیره، و از نیتروژن (N) استفاده کنید₂) و تری متیل آلومینیوم (TMA) به عنوان منابع ناخالصی. محدوده دمای رشد معمول ۱۵۰۰ تا ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد و سرعت رشد ۵ تا ۳۰ میکرومتر بر ساعت است.

رشد لایه اپیتاکسیال می‌تواند بسیاری از نقص‌های سطحی یا نزدیک به سطح ایجاد شده در طول رشد کریستال و پردازش ویفر را از بین ببرد، به طوری که شبکه کریستالی به طور مرتب چیده شده و مورفولوژی سطح در مقایسه با زیرلایه تا حد زیادی بهبود می‌یابد. لایه اپیتاکسیال ضخیم، مورفولوژی سطح خوب و غلظت آلایش کمتر برای بهبود ولتاژ شکست مهم هستند. چنین ویفرهای اپیتاکسیال برای ساخت دستگاه‌های قدرت استفاده می‌شوند که می‌توانند پایداری پارامتر و بازده را تا حد زیادی بهبود بخشند.

شکل 2 ساختار لایه زیرلایه و لایه اپیتاکسیال

05

رابطه بین نقص‌ها در ویفرهای اپیتاکسیال کاربید سیلیکون و ویفرهای زیرلایه

همانطور که در بالا ذکر شد، نقص‌های موجود در لایه اپیتاکسیال کاربید سیلیکون به زیرلایه و فرآیند رشد مربوط می‌شوند. نقص‌های لایه اپیتاکسیال شامل نقص‌های توپوگرافی سطح، نقص‌های میکروپایپ، نابجایی‌ها و انواع دیگر است. نقص‌های مورفولوژی سطح شامل نقص‌های هویج (در برخی موارد از نوع دنباله‌دار)، حفره‌های کم‌عمق، نقص‌های مثلثی و اشیاء افتاده است. نقص‌های میکروتوبول در زیرلایه به لایه اپیتاکسیال کپی می‌شوند. چگالی جریان میکروتوبول‌ها در زیرلایه بسیار کمتر از 0.1 بر سانتی‌متر مربع است.²، اساساً حذف شده است. بیشتر نابجایی‌ها در لایه اپیتاکسیال کاربید سیلیکون از نابجایی‌های زیرلایه سرچشمه می‌گیرند که عمدتاً شامل TSD، TED و BPD هستند. عیوب ایجاد شده توسط اپیتاکسی مانند نابجایی‌های معمولی و عیوب هویجی، مسائل مهمی هستند که بر کیفیت اپیتاکسی کاربید سیلیکون تأثیر می‌گذارند.

06

تأثیر نقص‌های ویفر اپیتاکسیال کاربید سیلیکون بر روی دستگاه نهایی

در طول فرآیند رشد اپیتاکسیال، حدود ۹۸٪ از TSD موجود در زیرلایه به TSD و بقیه به Frank SF تبدیل می‌شود؛ TED صد در صد به TED تبدیل می‌شود؛ حدود ۹۵٪ از BPD به TED تبدیل می‌شود و مقدار کمی به عنوان BPD باقی می‌ماند.

شکل 3 همبستگی بین نقص‌های اپیتاکسیال ویفر سیلیکون کاربید و نقص‌های ویفر زیرلایه

TSD و TED اساساً بر عملکرد دستگاه نهایی کاربید سیلیکون تأثیری ندارند، در حالی که BPD می‌تواند باعث تخریب عملکرد دستگاه شود، بنابراین مردم بیشتر به BPD توجه می‌کنند. خطاهای روی هم قرار گرفتن، نقص هویج، نقص مثلثی، اشیاء افتاده و سایر نقص‌ها، نقص‌های کشنده هستند. هنگامی که این نقص‌ها در دستگاه ظاهر می‌شوند، دستگاه در آزمایش رد می‌شود و در نتیجه بازده کاهش می‌یابد. دستگاه‌های دوقطبی، مانند تریودها و IGBTها، نسبت به BPD حساس‌تر هستند.

جدول 1 تأثیر نقص‌های ویفر اپیتاکسیال بر دستگاه نهایی

07

دو چالش پیش روی مواد کاربید سیلیکون

یکی از چالش‌های مهم پیش روی ارتقای مواد کاربید سیلیکون، قیمت بسیار بالای آنهاست و قیمت زیرلایه بسیار بالاتر از زیرلایه‌های سیلیکونی و یاقوت کبود است. در حال حاضر، قطر اصلی زیرلایه کاربید سیلیکون تنها 4 تا 6 اینچ است و برای افزایش اندازه و کاهش قیمت، به فناوری رشد بالغ‌تری نیاز است. 

از سوی دیگر، چگالی نابجایی کاربید سیلیکون در حدود 102-104 است که بسیار بیشتر از سیلیکون، گالیوم آرسنید و سایر مواد است. علاوه بر این، کاربید سیلیکون همچنین تنش زیادی دارد که می‌تواند باعث ایجاد مشکلاتی در پارامترهای سطح شود. بهبود کیفیت زیرلایه‌های کاربید سیلیکون راهی مهم برای بهبود کیفیت مواد اپیتاکسیال، بازده آماده‌سازی دستگاه، قابلیت اطمینان دستگاه و طول عمر آن است.

سلب مسئولیت: این مقاله از "Basic Semiconductor" بازنشر شده است، که از حمایت از حقوق مالکیت معنوی پشتیبانی می‌کند. لطفاً منبع اصلی و نویسنده بازنشر را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن