Miksi piikarbidilla päällystetty grafiittisuskeptori epäonnistuu? - VeTek Semiconductor

Piikarbidilla päällystetyn grafiittisuskeptorin epäonnistumistekijöiden analyysi

Yleensä epitaksiaaliset SiC-pinnoitetut grafiittisuskeptorit altistetaan usein ulkoisille iiskut käytön aikana, jotka voivat johtua käsittelyprosessista, lastaamisesta ja purkamisesta tai vahingossa tapahtuvasta ihmisen törmäyksestä. Mutta tärkein vaikutustekijä tulee silti kiekkojen törmäyksestä. Sekä safiiri- että piikarbidimateriaalit ovat erittäin kovia. Törmäysongelma on erityisen yleinen nopeissa MOCVD-laitteissa, ja sen epitaksiaalisen levyn nopeus voi olla jopa 1000 rpm. Koneen käynnistyksen, sammutuksen ja käytön aikana inertian vaikutuksesta kova alusta sinkoutuu usein ja osuu epitaksiaalisen levyn kuopan sivuseinään tai reunaan aiheuttaen vaurioita SiC-pinnoitteelle. Erityisesti uuden sukupolven suurille MOCVD-laitteille sen epitaksiaalisen levyn ulkohalkaisija on yli 700 mm, ja vahva keskipakovoima tekee substraatin iskuvoimasta suuremman ja tuhovoiman vahvemman.

NH3 tuottaa suuren määrän atomi-H:ta korkean lämpötilan pyrolyysin jälkeen, ja atomi-H:lla on voimakas reaktiivisuus hiilen kanssa grafiittifaasissa. Kun se koskettaa paljastunutta grafiittialustaa halkeaman kohdalla, se syövyttää grafiitin voimakkaasti, reagoi muodostaen kaasumaisia ​​hiilivetyjä (NH3+C→HCN+H2) ja muodostaa porausreikiä grafiittisubstraattiin, mikä johtaa tyypilliseen porausreiän rakenteeseen, jossa on ontto. alue ja huokoinen grafiittialue. Kussakin epitaksiaalisessa prosessissa porausreiät vapauttavat jatkuvasti suuren määrän hiilivetykaasua halkeamista, sekoittuvat prosessin ilmakehään, vaikuttavat kunkin epitaksian kasvattamien epitaksiaalisten kiekkojen laatuun ja lopulta aiheuttavat grafiittikiekon aikaisen romutuksen.

Yleisesti ottaen uunipellissä käytetty kaasu on pieni määrä H2 plus N2. H2:ta käytetään reagoimaan levyn pinnalla olevien kerrostumien kanssa, kuten AlN ja AlGaN, ja N2:ta käytetään reaktiotuotteiden puhdistamiseen. Kuitenkin saostumat, kuten korkea Al-komponentit, on vaikea poistaa jopa H2/1300 ℃:ssa. Tavallisissa LED-tuotteissa pieni määrä H2:ta voidaan käyttää uunipellin puhdistamiseen; korkeampia vaatimuksia vaativissa tuotteissa, kuten GaN-virtalaitteissa ja RF-siruissa, käytetään kuitenkin usein Cl2-kaasua uunipellin puhdistamiseen, mutta hinta on se, että levyn käyttöikä on huomattavasti lyhentynyt verrattuna LED-valoihin. Koska Cl2 voi syövyttää piikarbidipinnoitetta korkeassa lämpötilassa (Cl2+SiC→SiCl4+C) ja muodostaa pinnalle monia korroosioreikiä ja vapaata jäännöshiiltä, ​​Cl2 syövyttää ensin piikarbidipinnoitteen raerajat ja sitten rakeet, mikä johtaa pinnoitteen lujuuden heikkeneminen halkeilemiseen ja rikkoutumiseen saakka.

SiC epitaksiaalikaasun ja piikarbidin pinnoitteen vika

SiC-epitaksiaalikaasu sisältää pääasiassa H2:n (kantokaasuna), SiH4:n tai SiCl4:n (tarjoaa Si-lähteen), C3H8:n tai CCl4:n (tarjoaa C-lähteen), N2:n (tarjoaa typen lähteen, seostukseen), TMA:n (trimetyylialumiini, tarjoaa Al-lähteen, seostukseen). ), HCl+H2 (in situ -etsaus). SiC epitaksiaalinen ydinkemiallinen reaktio: SiH4+C3H8→SiC+sivutuote (noin 1650 ℃). SiC-substraatit on märkäpuhdistettava ennen piikarbidin epitaksia. Märkäpuhdistus voi parantaa alustan pintaa mekaanisen käsittelyn jälkeen ja poistaa ylimääräiset epäpuhtaudet moninkertaisen hapettumisen ja pelkistyksen avulla. Sitten HCl+H2:n käyttö voi parantaa in situ -etsausvaikutusta, estää tehokkaasti Si-klustereiden muodostumista, parantaa Si-lähteen käyttötehokkuutta ja syövyttää yksikidepinnan nopeammin ja paremmin, muodostaen selkeän pinnan kasvuvaiheen, nopeuttaen kasvua. nopeutta ja vähentää tehokkaasti piikarbidin epitaksiaalikerroksen vikoja. Vaikka HCl+H2 syövyttää SiC-substraatin in situ, se aiheuttaa myös pienen määrän korroosiota osien SiC-pinnoitteeseen (SiC+H2→SiH4+C). Koska piikarbidikertymät kasvavat edelleen epitaksiaalisen uunin mukana, tällä korroosiolla on vain vähän vaikutusta.

SiC on tyypillinen monikiteinen materiaali. Yleisimmät kiderakenteet ovat 3C-SiC, 4H-SiC ja 6H-SiC, joista 4H-SiC on valtavirran laitteiden käyttämä kidemateriaali. Yksi tärkeimmistä kidemuotoon vaikuttavista tekijöistä on reaktiolämpötila. Jos lämpötila on alempi kuin tietty lämpötila, muita kidemuotoja syntyy helposti. Teollisuudessa laajasti käytetyn 4H-SiC-epitaksin reaktiolämpötila on 1550-1650 ℃. Jos lämpötila on alle 1550 ℃, muita kidemuotoja, kuten 3C-SiC, muodostuu helposti. 3C-SiC on kuitenkin piikarbidipinnoitteissa yleisesti käytetty kidemuoto. Reaktiolämpötila noin 1600 ℃ on saavuttanut rajan 3C-SiC. Siksi SiC-pinnoitteiden käyttöikää rajoittaa pääasiassa SiC-epitaksian reaktiolämpötila.

Koska piikarbidikerrostumien kasvunopeus piikarbidipinnoitteilla on erittäin nopea, vaakasuora kuumaseinämän SiC-epitaksiaalilaitteisto on sammutettava ja sisällä olevat piikarbidipinnoiteosat on poistettava jatkuvan tuotannon jälkeen. Ylimääräiset kerrostumat, kuten piikarbidi, SiC-pinnoiteosissa poistetaan mekaanisella kitkalla → pölynpoisto → ultraäänipuhdistus → korkealämpötilapuhdistus. Tällä menetelmällä on monia mekaanisia prosesseja ja se on helppo aiheuttaa mekaanisia vaurioita pinnoitteelle.

Ottaen huomioon monet kohtaamat ongelmatSiC pinnoiteSiC-epitaksaalisissa laitteissa yhdistettynä erinomaiseen TaC-pinnoitteen suorituskykyyn piikarbidikiteiden kasvatuslaitteessa, joka korvaa piikarbidipinnoitteenSiC epitaksiaalinenTaC-pinnoitetut laitteet ovat vähitellen tulleet laitevalmistajien ja laitekäyttäjien visioon. Toisaalta TaC:n sulamispiste on jopa 3880 ℃, ja se kestää kemiallista korroosiota, kuten NH3-, H2-, Si- ja HCl-höyryä korkeissa lämpötiloissa, ja sillä on erittäin vahva korkeiden lämpötilojen kestävyys ja korroosionkestävyys. Toisaalta piikarbidin kasvunopeus TaC-pinnoitteella on paljon hitaampi kuin piikarbidin kasvunopeus SiC-pinnoitteella, mikä voi lievittää suuren hiukkasmäärän ja lyhyen laitteiston huoltosyklin sekä ylimääräisten sedimenttien, kuten piikarbidin, aiheuttamia ongelmia. ei voi muodostaa vahvaa kemiallista metallurgista rajapintaaTaC pinnoite, ja ylimääräiset sedimentit on helpompi poistaa kuin piikarbidipäällysteellä homogeenisesti kasvatettu piikarbidi.