הקדמה

שרשרת תעשיית הסיליקון קרביד כוללת אבקת סיליקון קרביד, מטילי סיליקון קרביד, מצע סיליקון קרביד, אפיטקסיה של סיליקון קרביד, פרוסות סיליקון קרביד, שבבי סיליקון קרביד וקישורי אריזת התקנים מסיליקון קרביד. ביניהם, ארבע החוליות הקריטיות ביותר בשרשרת הערך של סיליקון קרביד הן המצע, הפרוסה האפיטקסיאלית, הפרוסה, ואריזת המכשיר ובדיקתו. עלות המצע מהווה 50% מהעלות הכוללת של התקני סיליקון קרביד, ועלויות האפיטקסיה, הפרוסה והאריזה הן 25%, 20% ו-5% בהתאמה. לאמינותם של חומרי סיליקון קרביד יש חשיבות רבה לביצועי ההתקן הסופי. Basic Semiconductor חוקרת את תכונות החומר ואת הגורמים לפגמים מכל היבטי השרשרת התעשייתית, ומשתפת פעולה עם חברות במעלה ובמורד הזרם כדי לשפר את אמינות התקני ההספק מסיליקון קרביד.

01

שיטת גידול והכנת מטילי סיליקון קרביד

ישנם יותר מ-250 איזומרים של סיליקון קרביד, והעיקרי שבהם המשמש לייצור מוליכים למחצה להספק הוא מבנה גבישי יחיד 4H-SiC. במהלך תהליך הגידול של גביש יחיד מסיליקון קרביד, חלון הגידול של גביש 4H קטן, וישנם סטנדרטים מחמירים לתכנון טמפרטורה ולחץ. בקרה לא מדויקת במהלך תהליך הגידול תגרום לגבישי סיליקון קרביד עם מבנים אחרים כגון 2H, 3C, 6H ו-15R.

איור 1 תנאים לייצור איזומרים שונים של סיליקון קרביד

בתעשייה, ישנן שלוש שיטות להכנת מטילי סיליקון קרביד יחיד: סובלימציה PVT, HT-CVD ו-LPE (שיטת גידול בתמיסה). ביניהן, סובלימציה PVT היא כיום שיטת ההכנה הנפוצה ביותר. כ-95% ממטילי סיליקון קרביד המסחריים מגודלים מ-PVT. התהליך הוא להכניס אבקת סיליקון קרביד לציוד מיוחד ולחמם אותה. לאחר שהטמפרטורה עולה ל-2200-2500 מעלות צלזיוס, האבקה מתחילה לעבור סובלימציה. מכיוון שלסיליקון קרביד אין מצב נוזלי, אלא רק מצבים גזי ומוצק, המטיל יתגבש בחלקו העליון לאחר הסובלימציה. קצב הגידול של גביש סיליקון יחיד הוא כ-300 מ"מ/שעה, וקצב הגידול של גביש סיליקון קרביד יחיד הוא כ-400 מיקרומטר/שעה. ההבדל בין השניים הוא כמעט פי 800. לדוגמה, היווצרות של מטיל בגודל חמישה עד שישה סנטימטרים דורשת גידול רציף ויציב במשך 200-300 שעות. ניתן לראות שקצב ההכנה של מטילי סיליקון קרביד איטי מאוד, מה שהופך את המטילים ליקרים.

02

פגמים במטיל סיליקון קרביד יחיד ובפרוסת פרוסת מצע

גם מטילי סיליקון קרביד וגם פרוסות סיליקון קרביד מכילות מגוון פגמי גביש, כגון פגמי ערימה, מיקרוטובולים, נקעים דרך הברגים, נקעים דרך הקצה, נקעים במישור הבסיסי וכו'. פגמים במטילי סיליקון קרביד ישפיעו מאוד על התפוקה של ההתקן הסופי. זהו נושא חשוב מאוד בשרשרת התעשייה. כל יצרני המצעים משקיעים מאמץ רב כדי להפחית את צפיפות הפגמים של מטילי סיליקון קרביד.

03

אמינות מצע סיליקון קרביד

יריעת המצע היא מוצר המתקבל על ידי חיתוך מטיל הגביש לפרוסות דקות, החלקתו וליטוש שלו. פרוסת המצע משיגה איכות פני שטח טובה לאחר תהליך הליטוש, שיכולה לדכא את יצירת הפגמים במהלך הצמיחה האפיטקסיאלית, ובכך להשיג פרוסות אפיטקסיאליות באיכות גבוהה. איכות פני השטח שלה כוללת שטוחות, נקעים קרובים לפני השטח ומאמץ שיורי. על מנת לדכא את יצירת הפגמים בשלבים הראשוניים של הצמיחה האפיטקסיאלית, פני השטח של המצע חייבים להיות נטולי מאמץ ונקיים מנקעים קרובים לפני השטח. אם הנזק השיורי קרוב לפני השטח לא יוסר כראוי, צמיחה אפיטקסיאלית על המצע תוביל ליצירת פגמים מקרוסקופיים. לכן, רמת האיכות של קשר המצע תשפיע קשות על רמת האיכות של קשר הצמיחה האפיטקסיאלי העוקב.

04

צמיחה אפיטקסיאלית ואמינות של סיליקון קרביד

אפיטקסיה מתייחסת לגידול שכבה של חומר גבישי יחיד 4H-SiC שהיא הומוגנית עם המצע על פני השטח העליונים של המצע. לסיליקון קרביד יש איזומרים רבים. על מנת להבטיח הכנת חומרים אפיטקסיאליים באיכות גבוהה, נדרשת טכנולוגיה מיוחדת כדי למנוע הכנסת צורות גביש אחרות. התהליך הסטנדרטי הנוכחי הוא שימוש במצעי גביש יחיד 4H-SiC בחיתוך משופע ב-4° ואימוץ טכנולוגיית גידול מבוקרת שלבים. התהליך הנפוץ כיום הוא שיטת CVD: הציוד הנפוץ הוא תנור אפיטקסיאלי אופקי בעל דופן חמה, וגז התגובה הנפוץ הוא סילאן (SiH₄), מתאן (CH₄), אתילן (C₂H₄), וכו', ולהשתמש בחנקן (N₂) וטרימתילאלומיניום (TMA) כמקורות טומאה. טווח טמפרטורות הגידול האופייני הוא 1500~1650 ℃, וקצב הגידול הוא 5~30 מיקרומטר/שעה.

צמיחת השכבה האפיטקסיאלית יכולה לחסל פגמים רבים על פני השטח או בסמוך לפני השטח שנוצרו במהלך צמיחת גבישים ועיבוד פרוסות, כך שסריג הגביש מסודר בצורה מסודרת ומורפולוגיית פני השטח משתפרת מאוד בהשוואה למצע. שכבה אפיטקסיאלית עבה, מורפולוגיית פני שטח טובה וריכוז סימום נמוך יותר חשובים לשיפור מתח הפריצה. פרוסות אפיטקסיאליות כאלה משמשות לייצור התקני הספק, אשר יכולים לשפר מאוד את יציבות הפרמטרים ואת התפוקה.

איור 2 מבנה שכבת המצע והשכבה האפיטקסיאלית

05

הקשר בין פגמים בפרוסות אפיטקסיאליות של סיליקון קרביד ופרוסות מצע

כפי שצוין לעיל, פגמים בשכבה האפיטקסיאלית של סיליקון קרביד קשורים למצע ולתהליך הצמיחה. פגמים בשכבה האפיטקסיאלית כוללים פגמי טופוגרפיה על פני השטח, פגמי מיקרוצינור, נקעים וסוגים אחרים. פגמי מורפולוגיה על פני השטח כוללים פגמי גזר (במקרים מסוימים מסוג שביט), בורות רדודים, פגמים משולשים וחפצים שנפלו; פגמי מיקרוטובולים במצע יועתקו לשכבה האפיטקסיאלית. צפיפות הזרם של המיקרוטובולים במצע נמוכה בהרבה מ-0.1/סמ"ר.², כמעט לחלוטין בוטלו. רוב הפריקה בשכבת האפיטקסיה של סיליקון קרביד מקורה בפריקה של המצע, הכוללת בעיקר TSD, TED ו-BPD. פגמים שנגרמים על ידי אפיטקסיה כגון פריקה רגילה ופגמי גזר הם גורמים חשובים המשפיעים על איכות האפיטקסיה של סיליקון קרביד.

06

ההשפעה של פגמי פרוסת סיליקון קרביד אפיטקסיאלית על ההתקן הסופי

במהלך תהליך הגדילה האפיטקסיאלית, כ-98% מה-TSD במצע מומר ל-TSD, והשאר מומר ל-Frank SFs; TED מומר ב-100% ל-TED; כ-95% מה-BPD מומר ל-TED, וכמות קטנה נשמרת כ-BPD.

איור 3 מתאם בין פגמי פרוסת סיליקון קרביד אפיטקסיאלית ופגמי פרוסת מצע

TSD ו-TED למעשה אינם משפיעים על ביצועי התקן הסיליקון קרביד הסופי, בעוד ש-BPD יכול לגרום לירידה בביצועי המכשיר, ולכן אנשים מקדישים תשומת לב רבה יותר ל-BPD. תקלות ערימה, פגמי גזר, פגמי משולש, חפצים שנפלו ופגמים אחרים הם פגמים קטלניים. ברגע שהם מופיעים על התקן, המכשיר ייכשל בבדיקה, וכתוצאה מכך יפחית את התפוקה. התקנים דו-קוטביים, כגון טריודות ו-IGBT, רגישים יותר ל-BPD.

טבלה 1 ההשפעה של פגמי פרוסת ופלים אפיטקסיאליים על ההתקן הסופי

07

שני אתגרים העומדים בפני חומרי סיליקון קרביד

אחד האתגרים החשובים העומדים בפני קידום חומרי סיליקון קרביד הוא מחירם הגבוה מדי, ומחיר המצע גבוה בהרבה מזה של מצעי סיליקון וספיר. כיום, הקוטר המרכזי של מצע סיליקון קרביד הוא רק 4 עד 6 אינץ', ונדרשת טכנולוגיית גידול בוגרת יותר כדי להגדיל את הגודל ולהפחית את המחיר. 

מצד שני, צפיפות הנקע של סיליקון קרביד היא בסדר גודל של 102-104, שהיא גבוהה בהרבה מזו של סיליקון, גליום ארסניד וחומרים אחרים. בנוסף, לסיליקון קרביד יש גם מאמץ גדול, שיכול לגרום לבעיות בפרמטרים של פני השטח. שיפור איכות מצעי סיליקון קרביד הוא דרך חשובה לשיפור איכות החומרים האפיטקסיאליים, תפוקת הכנת המכשיר, אמינות המכשיר ותוחלת החיים.

הצהרת אחריות: מאמר זה הודפס מחדש מתוך "Basic Semiconductor", התומך בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציין את המקור המקורי ואת מחבר ההדפסה המחודשת. אם ישנה הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.

מספר טלפון של החברה: 86-0755-83044319+
פקס/פקס: 86-0755-83975897+
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי

QQ: 332496225 מנהל Qiu

כתובת: חדר 809, בניין C, בניין הטכנולוגיה ז'אנטאו, שדרת מינגז'י מס' 1079, רובע לונגהואה החדש, שנזן