Dlaczego susceptor grafitowy pokryty SiC zawodzi? - Półprzewodnik VeTek

Analiza czynników awarii susceptora grafitowego powlekanego SiC

Zwykle epitaksjalne grafitowe susceptory pokryte SiC są często poddawane działaniu czynników zewnętrznych, tjuderzenia podczas użytkowania, które mogą wynikać z procesu obsługi, załadunku i rozładunku lub przypadkowej kolizji z człowiekiem. Jednak głównym czynnikiem wpływającym nadal jest zderzenie płytek. Zarówno podłoża szafirowe, jak i SiC są bardzo twarde. Problem uderzenia jest szczególnie powszechny w szybkich urządzeniach MOCVD, a prędkość jego dysku epitaksjalnego może sięgać nawet 1000 obr./min. Podczas rozruchu, postoju i pracy maszyny, na skutek działania bezwładności, twarde podłoże jest często wyrzucane i uderza w boczną ściankę lub krawędź wgłębienia tarczy epitaksjalnej, powodując uszkodzenie powłoki SiC. Zwłaszcza w przypadku nowej generacji dużych urządzeń MOCVD zewnętrzna średnica jego dysku epitaksjalnego jest większa niż 700 mm, a silna siła odśrodkowa powoduje, że siła uderzenia podłoża jest większa, a siła niszcząca silniejsza.

NH3 wytwarza dużą ilość atomowego H po pirolizie w wysokiej temperaturze, a atomowy H ma silną reaktywność z węglem w fazie grafitowej. Kiedy styka się z odsłoniętym podłożem grafitowym w miejscu pęknięcia, silnie trawi grafit, reaguje, wytwarzając gazowe węglowodory (NH3+C → HCN+H2) i tworzy otwory w podłożu grafitowym, w wyniku czego powstaje typowa struktura odwiertu zawierająca wgłębienie obszar i porowaty obszar grafitowy. W każdym procesie epitaksjalnym odwierty będą w sposób ciągły uwalniać dużą ilość gazów węglowodorowych z pęknięć, mieszają się z atmosferą procesową, wpływają na jakość płytek epitaksjalnych wyhodowanych w każdej epitaksji i ostatecznie powodują przedwczesne złomowanie dysku grafitowego.

Ogólnie rzecz biorąc, gaz używany w blasze do pieczenia składa się z niewielkiej ilości H2 i N2. H2 stosuje się do reakcji z osadami na powierzchni dysku, takimi jak AlN i AlGaN, a N2 stosuje się do usuwania produktów reakcji. Jednakże osady takie jak składniki o wysokiej zawartości Al są trudne do usunięcia nawet przy H2/1300℃. W przypadku zwykłych produktów LED do czyszczenia blachy do pieczenia można użyć niewielkiej ilości H2; jednakże w przypadku produktów o wyższych wymaganiach, takich jak urządzenia zasilające GaN i chipy RF, do czyszczenia blachy do pieczenia często używa się gazu Cl2, ale kosztem jest to, że żywotność blachy jest znacznie zmniejszona w porównaniu z tą używaną w przypadku diod LED. Ponieważ Cl2 może powodować korozję powłoki SiC w wysokiej temperaturze (Cl2+SiC → SiCl4+C) i tworzyć wiele dziur korozyjnych oraz resztkowy wolny węgiel na powierzchni, Cl2 najpierw powoduje korozję granic ziaren powłoki SiC, a następnie powoduje korozję ziaren, powodując spadek wytrzymałości powłoki aż do pęknięcia i zniszczenia.

Awaria gazu epitaksjalnego SiC i powłoki SiC

Gaz epitaksjalny SiC obejmuje głównie H2 (jako gaz nośny), SiH4 lub SiCl4 (dostarczający źródło Si), C3H8 lub CCl4 (dostarczający źródło C), N2 (dostarczający źródło N, do domieszkowania), TMA (trimetyloglin, dostarczający źródło Al, do domieszkowania ), HCl+H2 (trawienie in-situ). Reakcja chemiczna rdzenia epitaksjalnego SiC: SiH4+C3H8 →SiC+produkt uboczny (około 1650℃). Podłoża SiC należy oczyścić na mokro przed epitaksją SiC. Czyszczenie na mokro może poprawić powierzchnię podłoża po obróbce mechanicznej i usunąć nadmiar zanieczyszczeń poprzez wielokrotne utlenianie i redukcję. Następnie użycie HCl + H2 może wzmocnić efekt trawienia in situ, skutecznie hamować tworzenie się klastrów Si, poprawiać efektywność wykorzystania źródła Si i szybciej i lepiej trawić powierzchnię monokryształu, tworząc wyraźny etap wzrostu powierzchni, przyspieszając wzrost szybkości i skutecznie redukując defekty warstwy epitaksjalnej SiC. Jednakże, chociaż HCl+H2 trawi podłoże SiC na miejscu, powoduje to również niewielką korozję powłoki SiC na częściach (SiC+H2 → SiH4+C). Ponieważ w piecu epitaksjalnym w dalszym ciągu zwiększa się ilość osadów SiC, korozja ta ma niewielki wpływ.

SiC jest typowym materiałem polikrystalicznym. Najpopularniejszymi strukturami krystalicznymi są 3C-SiC, 4H-SiC i 6H-SiC, wśród których 4H-SiC jest materiałem krystalicznym używanym w urządzeniach głównego nurtu. Jednym z głównych czynników wpływających na postać krystaliczną jest temperatura reakcji. Jeśli temperatura jest niższa od określonej temperatury, łatwo wygenerują się inne formy kryształów. Temperatura reakcji epitaksji 4H-SiC szeroko stosowanej w przemyśle wynosi 1550 ~ 1650 ℃. Jeśli temperatura jest niższa niż 1550 ℃, łatwo wygenerują się inne formy krystaliczne, takie jak 3C-SiC. Jednakże 3C-SiC jest formą krystaliczną powszechnie stosowaną w powłokach SiC. Temperatura reakcji około 1600 ℃ osiągnęła granicę 3C-SiC. Dlatego też żywotność powłok SiC jest ograniczona głównie przez temperaturę reakcji epitaksji SiC.

Ponieważ tempo wzrostu osadów SiC na powłokach SiC jest bardzo szybkie, po ciągłej produkcji przez pewien czas należy wyłączyć poziome urządzenia epitaksjalne SiC z gorącymi ścianami, a znajdujące się w nich części powłoki SiC należy wyjąć. Nadmiar osadów, takich jak SiC, na częściach z powłoką SiC jest usuwany poprzez tarcie mechaniczne → usuwanie pyłu → czyszczenie ultradźwiękowe → oczyszczanie w wysokiej temperaturze. Metoda ta charakteryzuje się wieloma procesami mechanicznymi i łatwo powoduje mechaniczne uszkodzenia powłoki.

W związku z wieloma problemami, z którymi boryka sięPowłoka SiCw sprzęcie epitaksjalnym SiC, w połączeniu z doskonałą wydajnością powłoki TaC w sprzęcie do wzrostu kryształów SiC, zastępując powłokę SiC wEpitaksjalny SiCsprzęt z powłoką TaC stopniowo wkracza w wizję producentów sprzętu i użytkowników sprzętu. Z jednej strony TaC ma temperaturę topnienia do 3880 ℃ i jest odporny na korozję chemiczną, taką jak NH3, H2, Si i pary HCl w wysokich temperaturach, a także ma wyjątkowo dużą odporność na wysokie temperatury i odporność na korozję. Z drugiej strony tempo wzrostu SiC na powłoce TaC jest znacznie wolniejsze niż tempo wzrostu SiC na powłoce SiC, co może złagodzić problemy związane z opadaniem dużej ilości cząstek i krótkim cyklem konserwacji sprzętu oraz nadmiarem osadów, takich jak SiC nie może tworzyć silnego chemicznego interfejsu metalurgicznego zPowłoka TaC, a nadmiar osadów jest łatwiejszy do usunięcia niż SiC hodowany jednorodnie na powłoce SiC.