Mengapa Susceptor Grafit berlapis SiC gagal? - Semikonduktor VeTek

Analisis Faktor Kegagalan Susceptor Grafit Berlapis SiC

Biasanya, Susceptor grafit berlapis SiC epitaksi sering terkena idampak selama penggunaan, yang mungkin timbul dari proses penanganan, bongkar muat, atau tabrakan manusia yang tidak disengaja. Namun faktor dampak utama masih berasal dari benturan wafer. Substrat safir dan SiC sangat keras. Masalah benturan sangat umum terjadi pada peralatan MOCVD berkecepatan tinggi, dan kecepatan disk epitaksinya dapat mencapai 1000 rpm. Selama start-up, shutdown dan pengoperasian mesin, akibat efek inersia, substrat keras sering terlempar dan membentur dinding samping atau tepi lubang disk epitaksi, sehingga menyebabkan kerusakan pada lapisan SiC. Khusus untuk peralatan MOCVD besar generasi baru, diameter luar cakram epitaksinya lebih besar dari 700 mm, dan gaya sentrifugal yang kuat membuat gaya tumbukan substrat lebih besar dan daya rusaknya lebih kuat.

NH3 menghasilkan sejumlah besar atom H setelah pirolisis suhu tinggi, dan atom H memiliki reaktivitas yang kuat terhadap karbon dalam fase grafit. Ketika bersentuhan dengan substrat grafit yang terbuka pada retakan, ia akan menggores grafit dengan kuat, bereaksi menghasilkan gas hidrokarbon (NH3+C→HCN+H2), dan membentuk lubang bor pada substrat grafit, sehingga menghasilkan struktur lubang bor yang khas termasuk berongga. area dan area grafit berpori. Dalam setiap proses epitaksi, lubang bor akan terus menerus melepaskan sejumlah besar gas hidrokarbon dari retakan, bercampur dengan atmosfer proses, mempengaruhi kualitas wafer epitaksi yang ditumbuhkan oleh setiap epitaksi, dan akhirnya menyebabkan cakram grafit terkelupas lebih awal.

Secara umum gas yang digunakan dalam loyang adalah sejumlah kecil H2 ditambah N2. H2 digunakan untuk bereaksi dengan endapan pada permukaan cakram seperti AlN dan AlGaN, dan N2 digunakan untuk membersihkan produk reaksi. Namun, endapan seperti komponen Al tinggi sulit dihilangkan bahkan pada H2/1300℃. Untuk produk LED biasa, sejumlah kecil H2 dapat digunakan untuk membersihkan loyang; namun, untuk produk dengan persyaratan lebih tinggi seperti perangkat daya GaN dan chip RF, gas Cl2 sering digunakan untuk membersihkan loyang, namun biayanya adalah masa pakai baki jauh berkurang dibandingkan dengan yang digunakan untuk LED. Karena Cl2 dapat menimbulkan korosi pada lapisan SiC pada suhu tinggi (Cl2+SiC→SiCl4+C), dan membentuk banyak lubang korosi dan sisa karbon bebas di permukaan, Cl2 pertama-tama merusak batas butir lapisan SiC, dan kemudian menimbulkan korosi pada butir, sehingga mengakibatkan penurunan kekuatan lapisan hingga retak dan rusak.

Gas epitaksi SiC dan kegagalan pelapisan SiC

Gas epitaksi SiC terutama meliputi H2 (sebagai gas pembawa), SiH4 atau SiCl4 (menyediakan sumber Si), C3H8 atau CCl4 (menyediakan sumber C), N2 (menyediakan sumber N, untuk doping), TMA (trimetilaluminium, menyediakan sumber Al, untuk doping ), HCl+H2 (pengetsaan di tempat). Reaksi kimia inti epitaksi SiC: SiH4+C3H8→SiC+produk sampingan (sekitar 1650℃). Substrat SiC harus dibersihkan secara basah sebelum epitaksi SiC. Pembersihan basah dapat memperbaiki permukaan substrat setelah perawatan mekanis dan menghilangkan kotoran berlebih melalui berbagai oksidasi dan reduksi. Kemudian penggunaan HCl+H2 dapat meningkatkan efek etsa in-situ, secara efektif menghambat pembentukan gugus Si, meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber Si, dan mengetsa permukaan kristal tunggal lebih cepat dan lebih baik, membentuk langkah pertumbuhan permukaan yang jelas, mempercepat pertumbuhan tingkat, dan secara efektif mengurangi cacat lapisan epitaksi SiC. Namun, meskipun HCl+H2 mengetsa substrat SiC di tempat, hal ini juga akan menyebabkan sedikit korosi pada lapisan SiC di bagian tersebut (SiC+H2→SiH4+C). Karena endapan SiC terus meningkat dengan tungku epitaksial, efek korosi ini kecil.

SiC adalah bahan polikristalin yang khas. Struktur kristal yang paling umum adalah 3C-SiC, 4H-SiC dan 6H-SiC, di antaranya 4H-SiC adalah bahan kristal yang digunakan oleh perangkat arus utama. Salah satu faktor utama yang mempengaruhi bentuk kristal adalah suhu reaksi. Jika suhu lebih rendah dari suhu tertentu, bentuk kristal lain akan mudah dihasilkan. Suhu reaksi epitaksi 4H-SiC yang banyak digunakan di industri adalah 1550~1650℃. Jika suhu lebih rendah dari 1550℃, bentuk kristal lain seperti 3C-SiC akan mudah terbentuk. Namun, 3C-SiC adalah bentuk kristal yang biasa digunakan dalam pelapis SiC. Suhu reaksi sekitar 1600℃ telah mencapai batas 3C-SiC. Oleh karena itu, masa pakai lapisan SiC terutama dibatasi oleh suhu reaksi epitaksi SiC.

Karena laju pertumbuhan endapan SiC pada pelapis SiC sangat cepat, peralatan epitaksi SiC dinding panas horizontal perlu dimatikan dan bagian pelapis SiC di dalamnya perlu dikeluarkan setelah produksi berkelanjutan selama jangka waktu tertentu. Deposit berlebih seperti SiC pada bagian pelapis SiC dihilangkan dengan gesekan mekanis → penghilangan debu → pembersihan ultrasonik → pemurnian suhu tinggi. Cara ini memiliki banyak proses mekanis dan mudah menyebabkan kerusakan mekanis pada lapisan.

Mengingat banyaknya permasalahan yang dihadapilapisan SiCdalam peralatan epitaksi SiC, dikombinasikan dengan kinerja luar biasa dari lapisan TaC pada peralatan pertumbuhan kristal SiC, menggantikan lapisan SiC padaepitaksi SiCperalatan dengan lapisan TaC secara bertahap memasuki visi produsen peralatan dan pengguna peralatan. Di satu sisi, TaC memiliki titik leleh hingga 3880℃, dan tahan terhadap korosi kimia seperti uap NH3, H2, Si, dan HCl pada suhu tinggi, serta memiliki ketahanan suhu tinggi dan ketahanan korosi yang sangat kuat. Di sisi lain, laju pertumbuhan SiC pada lapisan TaC jauh lebih lambat dibandingkan laju pertumbuhan SiC pada lapisan SiC, yang dapat mengatasi masalah jatuhnya partikel dalam jumlah besar dan siklus pemeliharaan peralatan yang pendek, serta kelebihan sedimen seperti SiC. tidak dapat membentuk antarmuka metalurgi kimia yang kuat denganlapisan TaC, dan kelebihan sedimen lebih mudah dihilangkan dibandingkan SiC yang tumbuh secara homogen pada lapisan SiC.