چرا گیرنده گرافیت با پوشش SiC از کار می افتد؟ - نیمه هادی VeTek

تجزیه و تحلیل عوامل شکست گیرنده گرافیت پوشش داده شده SiC

معمولاً، گیرنده‌های گرافیت با پوشش SiC همپایه اغلب در معرض i خارجی قرار می‌گیرندضربه در حین استفاده، که ممکن است ناشی از فرآیند جابجایی، بارگیری و تخلیه، یا برخورد تصادفی انسان باشد. اما ضریب تاثیر اصلی همچنان از برخورد ویفرها ناشی می شود. هر دو لایه یاقوت کبود و SiC بسیار سخت هستند. مشکل ضربه به ویژه در تجهیزات MOCVD با سرعت بالا رایج است و سرعت دیسک همپای آن می تواند تا 1000 دور در دقیقه برسد. در هنگام راه اندازی، خاموش شدن و کارکرد دستگاه، به دلیل اثر اینرسی، بستر سخت اغلب پرتاب می شود و به دیواره جانبی یا لبه حفره دیسک اپیتاکسیال برخورد می کند و باعث آسیب به پوشش SiC می شود. به خصوص برای نسل جدید تجهیزات بزرگ MOCVD، قطر بیرونی دیسک اپیتاکسیال آن بیشتر از 700 میلی متر است و نیروی گریز از مرکز قوی باعث می شود نیروی ضربه زیرلایه بیشتر و قدرت تخریب قوی تر شود.

NH3 مقدار زیادی H اتمی را پس از تجزیه حرارتی در دمای بالا تولید می کند و H اتمی واکنش پذیری قوی نسبت به کربن در فاز گرافیت دارد. هنگامی که در محل ترک با بستر گرافیت در معرض تماس قرار می‌گیرد، گرافیت را به شدت حکاکی می‌کند، واکنش نشان می‌دهد تا هیدروکربن‌های گازی (NH3+C→HCN+H2) تولید کند و گمانه‌هایی را در بستر گرافیت تشکیل می‌دهد و در نتیجه ساختار گمانه معمولی شامل یک توخالی ایجاد می‌شود. منطقه و یک ناحیه گرافیت متخلخل. در هر فرآیند اپیتاکسی، گمانه‌ها به طور مداوم مقدار زیادی گاز هیدروکربن را از شکاف‌ها آزاد می‌کنند، در اتمسفر فرآیند مخلوط می‌شوند، بر کیفیت ویفرهای اپیتاکسیال رشد شده توسط هر اپیتاکسی تأثیر می‌گذارند و در نهایت باعث می‌شوند دیسک گرافیتی زودتر از بین برود.

به طور کلی، گاز مورد استفاده در سینی پخت مقدار کمی H2 به علاوه N2 است. H2 برای واکنش با رسوبات روی سطح دیسک مانند AlN و AlGaN و N2 برای پاکسازی محصولات واکنش استفاده می شود. با این حال، رسوبات مانند اجزای Al بالا را به سختی می توان حتی در H2/1300 ℃ حذف کرد. برای محصولات LED معمولی، می توان از مقدار کمی H2 برای تمیز کردن سینی پخت استفاده کرد. با این حال، برای محصولات با نیازهای بالاتر مانند دستگاه های قدرت GaN و تراشه های RF، اغلب از گاز Cl2 برای تمیز کردن سینی پخت استفاده می شود، اما هزینه آن این است که عمر سینی در مقایسه با آنچه برای LED استفاده می شود بسیار کاهش می یابد. از آنجایی که Cl2 می تواند پوشش SiC را در دمای بالا (Cl2+SiC→SiCl4+C) خورده و سوراخ های خوردگی و کربن آزاد باقی مانده را روی سطح ایجاد کند، Cl2 ابتدا مرزهای دانه پوشش SiC را خورده و سپس دانه ها را خورده می کند و در نتیجه کاهش استحکام پوشش تا زمان ترک خوردگی و شکست.

گاز اپیتاکسیال SiC و خرابی پوشش SiC

گاز همپای SiC عمدتا شامل H2 (به عنوان گاز حامل)، SiH4 یا SiCl4 (ارائه منبع Si)، C3H8 یا CCl4 (ارائه منبع C)، N2 (ارائه منبع N، برای دوپینگ)، TMA (تری متیل آلومینیوم، تامین کننده منبع Al، برای دوپینگ است. )، HCl+H2 (اچ درجا). واکنش شیمیایی هسته اپیتاکسیال SiC: SiH4+C3H8→SiC+محصول جانبی (حدود 1650 درجه سانتیگراد). بسترهای SiC باید قبل از اپیتاکسی SiC به صورت مرطوب تمیز شوند. تمیز کردن مرطوب می تواند سطح بستر را پس از عملیات مکانیکی بهبود بخشد و ناخالصی های اضافی را از طریق اکسیداسیون و کاهش چندگانه حذف کند. سپس استفاده از HCl+H2 می تواند اثر اچینگ درجا را افزایش دهد، به طور موثر از تشکیل خوشه های Si جلوگیری کند، کارایی استفاده از منبع Si را بهبود بخشد، و سطح تک کریستال را سریعتر و بهتر حکاکی کند، یک مرحله رشد سطح شفاف را تشکیل دهد، رشد را تسریع کند. سرعت، و به طور موثر کاهش نقایص لایه اپیتاکسیال SiC. با این حال، در حالی که HCl+H2 زیرلایه SiC را در محل حک می کند، همچنین باعث خوردگی اندکی در پوشش SiC روی قطعات می شود (SiC+H2→SiH4+C). از آنجایی که رسوبات SiC با کوره اپیتاکسیال همچنان افزایش می‌یابد، این خوردگی اثر کمی دارد.

SiC یک ماده پلی کریستالی معمولی است. متداول ترین ساختارهای کریستالی 3C-SiC، 4H-SiC و 6H-SiC هستند که در میان آنها 4H-SiC ماده کریستالی است که توسط دستگاه های اصلی استفاده می شود. یکی از عوامل اصلی موثر بر شکل کریستال، دمای واکنش است. اگر دما کمتر از یک دمای معین باشد، دیگر اشکال کریستالی به راحتی ایجاد می شود. دمای واکنش اپیتاکسی 4H-SiC که به طور گسترده در صنعت استفاده می شود 1550 ~ 1650 درجه سانتیگراد است. اگر دما کمتر از 1550 درجه باشد، اشکال کریستالی دیگری مانند 3C-SiC به راحتی تولید می شود. با این حال، 3C-SiC یک فرم کریستالی است که معمولاً در پوشش‌های SiC استفاده می‌شود. دمای واکنش حدود 1600 درجه سانتیگراد به حد 3C-SiC رسیده است. بنابراین، عمر پوشش‌های SiC عمدتاً توسط دمای واکنش اپیتاکسی SiC محدود می‌شود.

از آنجایی که سرعت رشد رسوبات SiC روی پوشش‌های SiC بسیار سریع است، تجهیزات همپوشانی SiC دیوار داغ افقی باید خاموش شوند و قطعات پوشش SiC در داخل باید پس از تولید مداوم برای مدتی خارج شوند. رسوبات اضافی مانند SiC روی قطعات پوشش SiC با اصطکاک مکانیکی → حذف گرد و غبار → تمیز کردن اولتراسونیک → تصفیه در دمای بالا حذف می شوند. این روش فرآیندهای مکانیکی زیادی دارد و به راحتی باعث آسیب مکانیکی به پوشش می شود.

با توجه به مشکلات فراوانی که با آن مواجه استپوشش SiCدر تجهیزات اپیتاکسیال SiC، همراه با عملکرد عالی پوشش TaC در تجهیزات رشد کریستال SiC، جایگزین پوشش SiC دراپیتاکسیال SiCتجهیزات با پوشش TaC به تدریج وارد چشم انداز سازندگان تجهیزات و کاربران تجهیزات شده است. از یک طرف، TaC دارای نقطه ذوب تا 3880 درجه سانتیگراد است و در برابر خوردگی شیمیایی مانند بخار NH3، H2، Si و HCl در دماهای بالا مقاوم است و دارای مقاومت بسیار قوی در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی است. از سوی دیگر، سرعت رشد SiC روی پوشش TaC بسیار کندتر از سرعت رشد SiC روی پوشش SiC است که می تواند مشکلات ناشی از ریزش ذرات زیاد و چرخه کوتاه نگهداری تجهیزات و رسوبات اضافی مانند SiC را کاهش دهد. نمی تواند یک رابط متالورژیک شیمیایی قوی باپوشش TaCو رسوبات اضافی نسبت به SiC که به طور همگن روی پوشش SiC رشد می کنند راحت تر حذف می شوند.