Mengapakah Susceptor Grafit bersalut SiC gagal? - Semikonduktor VeTek

Analisis Faktor Kegagalan Susceptor Grafit Bersalut SiC

Biasanya, Susceptors grafit bersalut SiC epitaxial selalunya tertakluk kepada i luarankesan semasa penggunaan, yang mungkin datang daripada proses pengendalian, pemuatan dan pemunggahan, atau perlanggaran manusia secara tidak sengaja. Tetapi faktor impak utama masih datang dari perlanggaran wafer. Kedua-dua substrat nilam dan SiC adalah sangat keras. Masalah impak adalah perkara biasa dalam peralatan MOCVD berkelajuan tinggi, dan kelajuan cakera epitaxialnya boleh mencapai sehingga 1000 rpm. Semasa permulaan, penutupan dan operasi mesin, disebabkan oleh kesan inersia, substrat keras sering dilemparkan dan mengenai dinding sisi atau tepi lubang cakera epitaxial, menyebabkan kerosakan pada lapisan SiC. Khususnya untuk peralatan MOCVD besar generasi baru, diameter luar cakera epitaxialnya lebih besar daripada 700mm, dan daya emparan yang kuat menjadikan daya hentaman substrat lebih besar dan kuasa pemusnah lebih kuat.

NH3 menghasilkan sejumlah besar atom H selepas pirolisis suhu tinggi, dan atom H mempunyai kereaktifan yang kuat kepada karbon dalam fasa grafit. Apabila ia menyentuh substrat grafit yang terdedah pada retakan, ia akan menggores grafit dengan kuat, bertindak balas untuk menghasilkan hidrokarbon gas (NH3+C→HCN+H2), dan membentuk lubang gerudi dalam substrat grafit, menghasilkan struktur lubang gerudi tipikal termasuk rongga kawasan dan kawasan grafit berliang. Dalam setiap proses epitaxial, lubang gerudi akan terus melepaskan sejumlah besar gas hidrokarbon dari retakan, bercampur ke dalam atmosfera proses, menjejaskan kualiti wafer epitaxial yang ditanam oleh setiap epitaksi, dan akhirnya menyebabkan cakera grafit dibuang lebih awal.

Secara umumnya, gas yang digunakan dalam dulang pembakar adalah sejumlah kecil H2 ditambah N2. H2 digunakan untuk bertindak balas dengan mendapan pada permukaan cakera seperti AlN dan AlGaN, dan N2 digunakan untuk membersihkan produk tindak balas. Walau bagaimanapun, mendapan seperti komponen Al yang tinggi sukar untuk dikeluarkan walaupun pada H2/1300 ℃. Untuk produk LED biasa, sejumlah kecil H2 boleh digunakan untuk membersihkan dulang pembakar; walau bagaimanapun, untuk produk yang mempunyai keperluan yang lebih tinggi seperti peranti kuasa GaN dan cip RF, gas Cl2 sering digunakan untuk membersihkan dulang pembakar, tetapi kosnya ialah hayat dulang dikurangkan dengan banyak berbanding yang digunakan untuk LED. Kerana Cl2 boleh menghakis salutan SiC pada suhu tinggi (Cl2+SiC→SiCl4+C), dan membentuk banyak lubang kakisan dan sisa karbon bebas di permukaan, Cl2 mula-mula menghakis sempadan butiran salutan SiC, dan kemudian menghakis butiran, mengakibatkan penurunan kekuatan salutan sehingga retak dan kegagalan.

Gas epitaxial SiC dan kegagalan salutan SiC

Gas epitaxial SiC terutamanya termasuk H2 (sebagai gas pembawa), SiH4 atau SiCl4 (menyediakan sumber Si), C3H8 atau CCl4 (menyediakan sumber C), N2 (menyediakan sumber N, untuk doping), TMA (trimethylaluminum, menyediakan sumber Al, untuk doping ), HCl+H2 (etsa in-situ). Tindak balas kimia teras epitaxial SiC: SiH4+C3H8→SiC+hasil sampingan (kira-kira 1650℃). Substrat SiC mesti dibersihkan basah sebelum epitaksi SiC. Pembersihan basah boleh memperbaiki permukaan substrat selepas rawatan mekanikal dan menghilangkan kekotoran berlebihan melalui pengoksidaan dan pengurangan berganda. Kemudian menggunakan HCl+H2 boleh meningkatkan kesan etsa in-situ, menghalang pembentukan gugusan Si dengan berkesan, meningkatkan kecekapan penggunaan sumber Si, dan menggores permukaan kristal tunggal dengan lebih cepat dan lebih baik, membentuk langkah pertumbuhan permukaan yang jelas, mempercepatkan pertumbuhan kadar, dan mengurangkan kecacatan lapisan epitaxial SiC dengan berkesan. Walau bagaimanapun, semasa HCl+H2 mengetsa substrat SiC in-situ, ia juga akan menyebabkan sedikit pengaratan pada salutan SiC pada bahagian (SiC+H2→SiH4+C). Oleh kerana deposit SiC terus meningkat dengan relau epitaxial, kakisan ini mempunyai sedikit kesan.

SiC ialah bahan polihablur biasa. Struktur kristal yang paling biasa ialah 3C-SiC, 4H-SiC dan 6H-SiC, antaranya 4H-SiC ialah bahan kristal yang digunakan oleh peranti arus perdana. Salah satu faktor utama yang mempengaruhi bentuk kristal ialah suhu tindak balas. Jika suhu lebih rendah daripada suhu tertentu, bentuk kristal lain akan mudah dihasilkan. Suhu tindak balas epitaksi 4H-SiC yang digunakan secara meluas dalam industri ialah 1550 ~ 1650 ℃. Jika suhu lebih rendah daripada 1550 ℃, bentuk kristal lain seperti 3C-SiC akan mudah dihasilkan. Walau bagaimanapun, 3C-SiC ialah bentuk kristal yang biasa digunakan dalam salutan SiC. Suhu tindak balas kira-kira 1600 ℃ telah mencapai had 3C-SiC. Oleh itu, hayat salutan SiC dihadkan terutamanya oleh suhu tindak balas epitaksi SiC.

Memandangkan kadar pertumbuhan mendapan SiC pada salutan SiC adalah sangat pantas, peralatan epitaxial SiC dinding panas mendatar perlu ditutup dan bahagian salutan SiC di dalamnya perlu dikeluarkan selepas pengeluaran berterusan untuk tempoh masa. Mendapan berlebihan seperti SiC pada bahagian salutan SiC dikeluarkan oleh geseran mekanikal → penyingkiran habuk → pembersihan ultrasonik → penulenan suhu tinggi. Kaedah ini mempunyai banyak proses mekanikal dan mudah menyebabkan kerosakan mekanikal pada salutan.

Memandangkan banyak masalah yang dihadapi olehSalutan SiCdalam peralatan epitaxial SiC, digabungkan dengan prestasi cemerlang salutan TaC dalam peralatan pertumbuhan kristal SiC, menggantikan salutan SiC dalamSiC epitaxialperalatan dengan salutan TaC telah beransur-ansur memasuki visi pengeluar peralatan dan pengguna peralatan. Di satu pihak, TaC mempunyai takat lebur sehingga 3880 ℃, dan tahan terhadap kakisan kimia seperti wap NH3, H2, Si, dan HCl pada suhu tinggi, dan mempunyai rintangan suhu tinggi yang sangat kuat dan rintangan kakisan. Sebaliknya, kadar pertumbuhan SiC pada salutan TaC jauh lebih perlahan daripada kadar pertumbuhan SiC pada salutan SiC, yang boleh mengurangkan masalah kejatuhan zarah yang banyak dan kitaran penyelenggaraan peralatan yang pendek, dan lebihan sedimen seperti SiC tidak boleh membentuk antara muka metalurgi kimia yang kuat denganSalutan TaC, dan lebihan sedimen lebih mudah dikeluarkan daripada SiC yang ditanam secara homogen pada salutan SiC.