เหตุใดตัวรับกราไฟท์ที่เคลือบด้วย SiC จึงล้มเหลว - เวเทค เซมิคอนดักเตอร์

การวิเคราะห์ปัจจัยความล้มเหลวของตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC

โดยปกติแล้ว ตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC แบบเอปิเทเชียลมักจะถูกนำไปสัมผัสกับ i ภายนอกขณะใช้งานซึ่งอาจมาจากกระบวนการขนถ่าย การขนถ่าย หรือการชนกันโดยไม่ได้ตั้งใจของมนุษย์ แต่ปัจจัยผลกระทบหลักยังคงมาจากการชนกันของเวเฟอร์ ทั้งซับสเตรตแซฟไฟร์และ SiC มีความแข็งมาก ปัญหาการกระแทกนั้นพบได้ทั่วไปโดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ MOCVD ความเร็วสูง และความเร็วของดิสก์อีปิแอกเซียลนั้นสามารถสูงถึง 1,000 รอบต่อนาที ในระหว่างการเริ่มต้น การปิดเครื่อง และการทำงานของเครื่อง เนื่องจากผลของความเฉื่อย วัสดุพิมพ์ที่แข็งมักจะถูกโยนออกไปชนผนังด้านข้างหรือขอบของหลุมดิสก์อีพิเทแอกเซียล ทำให้เกิดความเสียหายต่อการเคลือบ SiC โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ MOCVD ขนาดใหญ่รุ่นใหม่ เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของดิสก์ epitaxis นั้นมากกว่า 700 มม. และแรงเหวี่ยงที่แข็งแกร่งทำให้แรงกระแทกของซับสเตรตเพิ่มมากขึ้น และพลังทำลายล้างก็แข็งแกร่งขึ้น

NH3 ผลิตอะตอม H จำนวนมากหลังจากไพโรไลซิสที่อุณหภูมิสูง และอะตอม H มีปฏิกิริยารุนแรงต่อคาร์บอนในเฟสกราไฟท์ เมื่อสัมผัสกับซับสเตรตกราไฟท์ที่แตกร้าว มันจะกัดกราไฟท์อย่างแรง ทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรคาร์บอน (NH3+C→HCN+H2) และก่อตัวเป็นหลุมเจาะในซับสเตรตกราไฟท์ ส่งผลให้มีโครงสร้างหลุมเจาะทั่วไปรวมถึงโพรง และพื้นที่กราไฟท์ที่มีรูพรุน ในแต่ละกระบวนการเอปิแทกเซียล หลุมเจาะจะปล่อยก๊าซไฮโดรคาร์บอนจำนวนมากออกจากรอยแตกอย่างต่อเนื่อง ผสมเข้ากับบรรยากาศของกระบวนการ ส่งผลต่อคุณภาพของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลที่เติบโตโดยเอพิแทกซีแต่ละอัน และสุดท้ายทำให้แผ่นกราไฟท์ถูกทิ้งตั้งแต่เนิ่นๆ

โดยทั่วไปแล้ว แก๊สที่ใช้ในถาดอบจะมี H2 บวก N2 จำนวนเล็กน้อย H2 ใช้เพื่อทำปฏิกิริยากับสิ่งสะสมบนพื้นผิวของจาน เช่น AlN และ AlGaN และใช้ N2 เพื่อไล่ล้างผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม คราบสะสม เช่น ส่วนประกอบ Al สูงนั้นยากต่อการขจัดออก แม้ที่อุณหภูมิ H2/1300°C สำหรับผลิตภัณฑ์ LED ทั่วไป สามารถใช้ H2 จำนวนเล็กน้อยเพื่อทำความสะอาดถาดอบได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความต้องการสูงกว่า เช่น อุปกรณ์จ่ายไฟ GaN และชิป RF มักใช้ก๊าซ Cl2 ในการทำความสะอาดถาดอบ แต่ค่าใช้จ่ายคืออายุการใช้งานของถาดลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับที่ใช้สำหรับ LED เนื่องจาก Cl2 สามารถกัดกร่อนการเคลือบ SiC ที่อุณหภูมิสูง (Cl2+SiC→SiCl4+C) และก่อให้เกิดรูการกัดกร่อนจำนวนมากและคาร์บอนไร้สารตกค้างบนพื้นผิว Cl2 จะกัดกร่อนขอบเขตเกรนของการเคลือบ SiC ก่อน จากนั้นจึงกัดกร่อนเกรน ส่งผลให้ ความแข็งแรงของการเคลือบลดลงจนเกิดการแตกร้าวและชำรุด

ก๊าซอีพิเทเชียล SiC และความล้มเหลวในการเคลือบ SiC

ก๊าซอีปิแอกเชียล SiC ส่วนใหญ่ประกอบด้วย H2 (เป็นก๊าซตัวพา), SiH4 หรือ SiCl4 (ให้แหล่ง Si), C3H8 หรือ CCl4 (ให้แหล่ง C), N2 (ให้แหล่ง N สำหรับการเติม), TMA (ไตรเมทิลอะลูมิเนียม, จัดหาแหล่ง Al, สำหรับการเติม ), HCl+H2 (การกัดกรดในแหล่งกำเนิด) ปฏิกิริยาเคมีหลัก epitaxial SiC: SiH4+C3H8→SiC+ผลพลอยได้ (ประมาณ 1,650°C) ต้องทำความสะอาดซับสเตรต SiC แบบเปียกก่อนทำเอพิแทกซี SiC การทำความสะอาดแบบเปียกสามารถปรับปรุงพื้นผิวของซับสเตรตได้หลังการบำบัดเชิงกล และขจัดสิ่งสกปรกส่วนเกินผ่านออกซิเดชันและรีดิวซ์หลายครั้ง จากนั้น การใช้ HCl+H2 จะช่วยเพิ่มผลการกัดในแหล่งกำเนิด ยับยั้งการก่อตัวของกระจุก Si ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้แหล่งกำเนิด Si และกัดผิวผลึกเดี่ยวได้เร็วและดีขึ้น ทำให้เกิดขั้นตอนการเติบโตของพื้นผิวที่ชัดเจน เร่งการเติบโต อัตราและลดข้อบกพร่องของชั้น epitaxis ของ SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม แม้ว่า HCl+H2 จะกัดซับซับสเตรต SiC ในแหล่งกำเนิด แต่ก็จะทำให้การเคลือบ SiC บนชิ้นส่วนสึกกร่อนเล็กน้อยด้วย (SiC+H2→SiH4+C) เนื่องจากการสะสมของ SiC ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อใช้เตาปิดผิว การกัดกร่อนนี้จึงมีผลเพียงเล็กน้อย

SiC เป็นวัสดุโพลีคริสตัลไลน์ทั่วไป โครงสร้างผลึกที่พบบ่อยที่สุดคือ 3C-SiC, 4H-SiC และ 6H-SiC ซึ่งในจำนวนนี้ 4H-SiC เป็นวัสดุคริสตัลที่ใช้ในอุปกรณ์กระแสหลัก ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่ส่งผลต่อรูปแบบของผลึกคืออุณหภูมิของปฏิกิริยา หากอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่กำหนด ผลึกรูปแบบอื่นจะถูกสร้างขึ้นได้ง่าย อุณหภูมิปฏิกิริยาของ epitaxy 4H-SiC ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมคือ 1550~1650℃ หากอุณหภูมิต่ำกว่า 1,550°C ผลึกรูปแบบอื่นๆ เช่น 3C-SiC จะถูกสร้างขึ้นได้อย่างง่ายดาย อย่างไรก็ตาม 3C-SiC เป็นรูปแบบคริสตัลที่ใช้กันทั่วไปในการเคลือบ SiC อุณหภูมิปฏิกิริยาประมาณ 1,600°C ถึงขีดจำกัดของ 3C-SiC ดังนั้นอายุการใช้งานของการเคลือบ SiC จึงถูกจำกัดโดยอุณหภูมิปฏิกิริยาของ SiC epitaxy เป็นหลัก

เนื่องจากอัตราการเติบโตของการสะสมของ SiC บนการเคลือบ SiC นั้นรวดเร็วมาก อุปกรณ์ SiC epitaxis ของผนังร้อนในแนวนอนจึงจำเป็นต้องปิดตัวลง และชิ้นส่วนที่เคลือบ SiC ภายในจะต้องถูกถอดออกหลังจากการผลิตอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลาหนึ่ง การสะสมส่วนเกิน เช่น SiC บนชิ้นส่วนที่เคลือบ SiC จะถูกกำจัดออกโดยการเสียดสีทางกล → การกำจัดฝุ่น → การทำความสะอาดอัลตราโซนิก → การทำให้บริสุทธิ์ที่อุณหภูมิสูง วิธีนี้มีกระบวนการทางกลมากมายและทำให้เกิดความเสียหายทางกลกับสารเคลือบได้ง่าย

โดยคำนึงถึงปัญหาต่างๆ มากมายที่เผชิญอยู่การเคลือบ SiCในอุปกรณ์ epitaxial SiC รวมกับประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของการเคลือบ TaC ในอุปกรณ์การเจริญเติบโตของผลึก SiC แทนที่การเคลือบ SiC ในSiC เอพิแทกเซียลอุปกรณ์ที่มีการเคลือบ TaC ได้ค่อยๆ เข้าสู่วิสัยทัศน์ของผู้ผลิตอุปกรณ์และผู้ใช้อุปกรณ์ ในด้านหนึ่ง TaC มีจุดหลอมเหลวสูงถึง 3880°C และทนทานต่อการกัดกร่อนของสารเคมี เช่น ไอของ NH3, H2, Si และ HCl ที่อุณหภูมิสูง และทนทานต่ออุณหภูมิและการกัดกร่อนที่สูงมาก ในทางกลับกัน อัตราการเติบโตของ SiC บนการเคลือบ TaC จะช้ากว่าอัตราการเติบโตของ SiC บนการเคลือบ SiC มาก ซึ่งสามารถบรรเทาปัญหาการตกของอนุภาคจำนวนมาก และรอบการบำรุงรักษาอุปกรณ์สั้นลง และตะกอนส่วนเกิน เช่น SiC ไม่สามารถสร้างส่วนต่อประสานทางโลหะวิทยาเคมีที่แข็งแกร่งได้การเคลือบแทซีและตะกอนส่วนเกินจะถูกกำจัดออกได้ง่ายกว่า SiC ที่ปลูกแบบเนื้อเดียวกันบนการเคลือบ SiC