เส้นทางทางเทคนิคต่างๆ ของเตาเติบโตแบบ epitaxis ของ SiC

พื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์มีข้อบกพร่องมากมายและไม่สามารถแปรรูปได้โดยตรง ฟิล์มบางผลึกเดี่ยวจำเพาะจะต้องได้รับการปลูกบนฟิล์มเหล่านี้ผ่านกระบวนการเอพิแทกเซียลเพื่อสร้างชิปเวเฟอร์ ฟิล์มบางๆ นี้เป็นชั้น epitaxis อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์เกือบทั้งหมดใช้วัสดุอีพิเทกเซียล วัสดุเยื่อบุผิวที่เป็นเนื้อเดียวกันของซิลิคอนคาร์ไบด์คุณภาพสูงเป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ ประสิทธิภาพของวัสดุอีปิแอกเชียลจะกำหนดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์โดยตรง

อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีกระแสไฟฟ้าสูงและความน่าเชื่อถือสูงได้หยิบยกข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นในด้านสัณฐานวิทยาของพื้นผิว ความหนาแน่นของข้อบกพร่อง การเติม และความสม่ำเสมอของความหนาของวัสดุเอพิแทกเซียล ขนาดใหญ่ ความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำ และความสม่ำเสมอสูงepitaxy ซิลิคอนคาร์ไบด์ได้กลายเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรมซิลิกอนคาร์ไบด์

การเตรียมการที่มีคุณภาพสูงepitaxy ซิลิคอนคาร์ไบด์ต้องใช้กระบวนการและอุปกรณ์ขั้นสูง วิธีการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือการสะสมไอสารเคมี (CVD) ซึ่งมีข้อได้เปรียบในการควบคุมความหนาของฟิล์มเยื่อบุผิวและความเข้มข้นของสารต้องห้ามอย่างแม่นยำ มีข้อบกพร่องน้อยลง อัตราการเติบโตปานกลาง และการควบคุมกระบวนการอัตโนมัติ เป็นเทคโนโลยีที่เชื่อถือได้ซึ่งประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์

โดยทั่วไปแล้ว เอพิแทกซี CVD ของซิลิคอนคาร์ไบด์จะใช้อุปกรณ์ CVD ผนังร้อนหรือผนังวอร์ม ซึ่งรับประกันความต่อเนื่องของคริสตัล SiC ของชั้นอีพิแทกเซียล 4H ภายใต้สภาวะอุณหภูมิการเติบโตที่สูงขึ้น (1500-1700°C) หลังจากหลายปีของการพัฒนา CVD ผนังร้อนหรือผนังอุ่นสามารถแบ่งออกเป็นเครื่องปฏิกรณ์โครงสร้างแนวนอนแนวนอนและเครื่องปฏิกรณ์โครงสร้างแนวตั้งแนวตั้งตามความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางของการไหลของก๊าซทางเข้าและพื้นผิวของพื้นผิว

คุณภาพของเตา epitaxis ของซิลิกอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่มีตัวบ่งชี้สามประการ ประการแรกคือประสิทธิภาพการเติบโตของเยื่อบุผิว รวมถึงความสม่ำเสมอของความหนา ความสม่ำเสมอของสารต้องห้าม อัตราข้อบกพร่อง และอัตราการเติบโต ประการที่สองคือประสิทธิภาพของอุณหภูมิของอุปกรณ์ รวมถึงอัตราการทำความร้อน/ความเย็น อุณหภูมิสูงสุด ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ และสุดท้ายคือประสิทธิภาพด้านต้นทุนของอุปกรณ์เอง รวมถึงราคาต่อหน่วยและกำลังการผลิต

ความแตกต่างระหว่างเตาเผาการเจริญเติบโตแบบ epitaxial ของซิลิคอนคาร์ไบด์สามประเภท

CVD แนวนอนผนังร้อน, CVD ดาวเคราะห์ผนังอุ่น และ CVD แนวตั้งผนังกึ่งร้อน เป็นโซลูชันเทคโนโลยีอุปกรณ์เอพิแทกเซียลกระแสหลักที่มีการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในขั้นตอนนี้ อุปกรณ์ทางเทคนิคทั้ง 3 ชิ้นยังมีลักษณะเฉพาะของตัวเองและสามารถเลือกได้ตามความต้องการ แผนภาพโครงสร้างแสดงในรูปด้านล่าง:

โดยทั่วไประบบ CVD แนวนอนแบบผนังร้อนจะเป็นระบบการเติบโตขนาดใหญ่แบบเวเฟอร์เดี่ยวซึ่งขับเคลื่อนโดยการลอยตัวของอากาศและการหมุน เป็นเรื่องง่ายที่จะบรรลุตัวบ่งชี้ในเวเฟอร์ที่ดี รุ่นตัวแทนคือ Pe1O6 ของบริษัท LPE ในอิตาลี เครื่องนี้สามารถรับรู้ถึงการโหลดและการขนถ่ายเวเฟอร์อัตโนมัติที่อุณหภูมิ 900 ℃ คุณสมบัติหลัก ได้แก่ อัตราการเติบโตสูง วงจร epitaxis สั้น ความสม่ำเสมอที่ดีภายในแผ่นเวเฟอร์และระหว่างเตาเผา เป็นต้น มีส่วนแบ่งการตลาดสูงสุดในจีน

ตามรายงานอย่างเป็นทางการของ LPE เมื่อรวมกับการใช้งานของผู้ใช้รายใหญ่ ผลิตภัณฑ์เวเฟอร์ epitaxis 4H-SiC ขนาด 100-150 มม. (4-6 นิ้ว) ที่มีความหนาน้อยกว่า 30μm ที่ผลิตโดยเตา epitaxis Pe1O6 สามารถบรรลุตัวชี้วัดต่อไปนี้ได้อย่างเสถียร: ความหนาเยื่อบุผิวภายในเวเฟอร์ไม่สม่ำเสมอ ≤2%, ความเข้มข้นของยาสลบภายในเวเฟอร์ไม่สม่ำเสมอ ≤5%, ความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่พื้นผิว ≤1ซม.-2, พื้นที่ปราศจากข้อบกพร่องของพื้นผิว (เซลล์หน่วย 2 มม. × 2 มม.) ≥90%

บริษัทในประเทศ เช่น JSG, CETC 48, NAURA และ NASO ได้พัฒนาอุปกรณ์เอพิเทแอกเชียลซิลิคอนคาร์ไบด์เสาหินที่มีฟังก์ชันคล้ายกัน และประสบความสำเร็จในการจัดส่งจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น ในเดือนกุมภาพันธ์ 2023 JSG ได้เปิดตัวอุปกรณ์ SiC แบบเวเฟอร์คู่ขนาด 6 นิ้ว อุปกรณ์นี้ใช้ชั้นบนและล่างของชั้นบนและล่างของส่วนกราไฟท์ของห้องปฏิกิริยาเพื่อปลูกเวเฟอร์เอพิแทกเซียลสองตัวในเตาเผาเดียว และก๊าซในกระบวนการชั้นบนและล่างสามารถควบคุมแยกกันได้ โดยมีอุณหภูมิต่างกัน ≤ 5°C ซึ่งชดเชยข้อเสียของกำลังการผลิตที่ไม่เพียงพอของเตาเผา epitaxial แนวนอนแบบเสาหิน อะไหล่ที่สำคัญคือชิ้นส่วนฮาล์ฟมูนเคลือบ SiCเรากำลังจัดหาชิ้นส่วนฮาล์ฟมูนขนาด 6 นิ้วและ 8 นิ้วให้กับผู้ใช้

ระบบ CVD ดาวเคราะห์ผนังอุ่นที่มีการจัดเรียงฐานดาวเคราะห์ มีลักษณะเฉพาะคือการเติบโตของเวเฟอร์หลายตัวในเตาเผาเดียวและมีประสิทธิภาพเอาต์พุตสูง รุ่นตัวแทนคืออุปกรณ์ epitaxial ซีรีส์ AIXG5WWC (8X150 มม.) และ G10-SiC (9×150 มม. หรือ 6×200 มม.) ของ Aixtron จากเยอรมนี

ตามรายงานอย่างเป็นทางการของ Aixtron ผลิตภัณฑ์เวเฟอร์เอพิแทกเซียลขนาด 4H-SiC ขนาด 6 นิ้วที่มีความหนา 10μm ที่ผลิตโดยเตาหลอมอีปิแอกเซียล G10 สามารถบรรลุตัวชี้วัดต่อไปนี้ได้อย่างเสถียร: ความเบี่ยงเบนของความหนาของเอพิแอกเชียลระหว่างเวเฟอร์ที่ ±2.5%, ความหนาเอพิแอกเชียลภายในเวเฟอร์ ความไม่สม่ำเสมอ 2%, ค่าเบี่ยงเบนความเข้มข้นของยาสลบระหว่างเวเฟอร์ ± 5%, ความเข้มข้นของยาสลบในเวเฟอร์ไม่สม่ำเสมอ <2%

จนถึงขณะนี้ โมเดลประเภทนี้ไม่ค่อยได้ใช้โดยผู้ใช้ในประเทศ และข้อมูลการผลิตเป็นชุดไม่เพียงพอ ซึ่งจำกัดการใช้งานทางวิศวกรรมในระดับหนึ่ง นอกจากนี้ เนื่องจากอุปสรรคทางเทคนิคสูงของเตา epitaxle แบบหลายเวเฟอร์ในแง่ของสนามอุณหภูมิและการควบคุมสนามการไหล การพัฒนาอุปกรณ์ภายในประเทศที่คล้ายกันจึงยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนา และไม่มีรูปแบบทางเลือกอื่น ในระหว่างนี้ เราสามารถจัดหาตัวรับดาวเคราะห์ Aixtron เช่น 6 นิ้วและ 8 นิ้วพร้อมการเคลือบ TaC หรือการเคลือบ SiC ได้

ระบบ CVD แนวตั้งผนังกึ่งร้อนจะหมุนด้วยความเร็วสูงเป็นหลักโดยอาศัยความช่วยเหลือทางกลจากภายนอก คุณลักษณะของมันคือความหนาของชั้นความหนืดจะลดลงอย่างมีประสิทธิภาพโดยความดันในห้องปฏิกิริยาที่ลดลง ดังนั้นจึงเป็นการเพิ่มอัตราการเติบโตของเยื่อบุผิว ในเวลาเดียวกัน ห้องปฏิกิริยาของมันไม่มีผนังด้านบนที่สามารถสะสมอนุภาค SiC ได้ และไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะสร้างวัตถุที่ตกลงมา มีข้อได้เปรียบในการควบคุมข้อบกพร่อง โมเดลที่เป็นตัวแทนคือเตาเผาแบบ epitaxial แบบเวเฟอร์เดี่ยว EPIREVOS6 และ EPIREVOS8 ของ Nuflare ของญี่ปุ่น

จากข้อมูลของ Nuflare อัตราการเติบโตของอุปกรณ์ EPIREVOS6 สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 50 μm/h และความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่พื้นผิวของเวเฟอร์อีปิแอกเชียลสามารถควบคุมได้ต่ำกว่า 0.1 ซม.-²; ในแง่ของการควบคุมความสม่ำเสมอ วิศวกรของ Nuflare Yoshiaki Daigo รายงานผลความสม่ำเสมอภายในเวเฟอร์ของเวเฟอร์เอพิเทกเซียลหนา 6 นิ้วที่มีความหนา 10μm ที่ปลูกโดยใช้ EPIREVOS6 และความหนาในเวเฟอร์และความเข้มข้นของสารกระตุ้นไม่สม่ำเสมอถึง 1% และ 2.6% ตามลำดับ เรากำลังจัดหาชิ้นส่วนกราไฟท์ที่มีความบริสุทธิ์สูงเคลือบ SiC เช่นกระบอกกราไฟท์ตอนบน.

ปัจจุบัน ผู้ผลิตอุปกรณ์ในประเทศ เช่น Core Third Generation และ JSG ได้ออกแบบและเปิดตัวอุปกรณ์ epitaxial ที่มีฟังก์ชันคล้ายกัน แต่ไม่ได้ถูกนำมาใช้ในวงกว้าง

โดยทั่วไป อุปกรณ์ทั้งสามประเภทมีลักษณะเฉพาะของตัวเองและมีส่วนแบ่งการตลาดที่แน่นอนตามความต้องการใช้งานที่แตกต่างกัน:

โครงสร้าง CVD แนวนอนแบบผนังร้อนมีอัตราการเติบโตที่รวดเร็วเป็นพิเศษ คุณภาพและความสม่ำเสมอ การใช้งานและบำรุงรักษาอุปกรณ์ที่เรียบง่าย และการใช้งานการผลิตขนาดใหญ่ที่เติบโตเต็มที่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นประเภทเวเฟอร์เดี่ยวและมีการบำรุงรักษาบ่อยครั้ง ประสิทธิภาพการผลิตจึงต่ำ โดยทั่วไป CVD ดาวเคราะห์ผนังอุ่นจะใช้โครงสร้างถาดขนาด 6 (ชิ้น) × 100 มม. (4 นิ้ว) หรือ 8 (ชิ้น) × 150 มม. (6 นิ้ว) ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตของอุปกรณ์อย่างมากในแง่ของกำลังการผลิต แต่ เป็นการยากที่จะควบคุมความสอดคล้องของหลายชิ้น และผลผลิตยังคงเป็นปัญหาที่ใหญ่ที่สุด CVD แนวตั้งผนังกึ่งร้อนมีโครงสร้างที่ซับซ้อน และการควบคุมข้อบกพร่องด้านคุณภาพของการผลิตแผ่นเวเฟอร์อีพิแทกเซียลนั้นยอดเยี่ยมมาก ซึ่งต้องการการบำรุงรักษาอุปกรณ์และประสบการณ์การใช้งานที่เข้มข้นมาก

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของอุตสาหกรรม อุปกรณ์ทั้งสามประเภทนี้จะได้รับการปรับให้เหมาะสมและอัปเกรดซ้ำ ๆ ในแง่ของโครงสร้าง และการกำหนดค่าอุปกรณ์จะสมบูรณ์แบบมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยมีบทบาทสำคัญในการจับคู่ข้อกำหนดของเวเฟอร์ epitaxis ที่มีความหนาและต่างกัน ข้อกำหนดข้อบกพร่อง