Prečo grafitový susceptor potiahnutý SiC zlyhá? - VeTek Semiconductor

Analýza faktorov zlyhania grafitového susceptora potiahnutého SiC

Zvyčajne sú epitaxné grafitové susceptory potiahnuté SiC často vystavené vonkajším ivplyv počas používania, ktorý môže pochádzať z procesu manipulácie, nakladania a vykladania alebo náhodnej zrážky s ľuďmi. Ale hlavný vplyvový faktor stále pochádza z kolízie plátkov. Zafírové aj SiC substráty sú veľmi tvrdé. Problém nárazu je bežný najmä pri vysokorýchlostnom zariadení MOCVD a rýchlosť jeho epitaxného disku môže dosiahnuť až 1 000 otáčok za minútu. Počas spúšťania, vypínania a prevádzky stroja je v dôsledku účinku zotrvačnosti tvrdý substrát často vymrštený a naráža na bočnú stenu alebo okraj jamky epitaxného disku, čo spôsobuje poškodenie povlaku SiC. Najmä pre novú generáciu veľkého zariadenia MOCVD je vonkajší priemer jeho epitaxného disku väčší ako 700 mm a silná odstredivá sila zvyšuje nárazovú silu substrátu a silnejšiu deštruktívnu silu.

NH3 produkuje veľké množstvo atómového H po vysokoteplotnej pyrolýze a atómový H má silnú reaktivitu na uhlík v grafitovej fáze. Keď sa dostane do kontaktu s odkrytým grafitovým substrátom v trhline, silne naleptá grafit, reaguje za vzniku plynných uhľovodíkov (NH3+C→HCN+H2) a vytvára vrty v grafitovom substráte, čo vedie k typickej štruktúre vrtu vrátane dutiny. oblasť a oblasť porézneho grafitu. V každom epitaxnom procese budú vrty kontinuálne uvoľňovať veľké množstvo uhľovodíkového plynu z trhlín, premiešať sa s procesnou atmosférou, ovplyvňovať kvalitu epitaxných plátkov pestovaných pri každej epitaxii a nakoniec spôsobia skoré zošrotovanie grafitového disku.

Všeobecne povedané, plyn použitý v pekáči je malé množstvo H2 plus N2. H2 sa používa na reakciu s usadeninami na povrchu disku, ako je AlN a AlGaN, a N2 sa používa na čistenie reakčných produktov. Nánosy, ako sú zložky s vysokým obsahom Al, sa však ťažko odstraňujú aj pri H2/1300 °C. Pre bežné LED produkty je možné použiť malé množstvo H2 na čistenie plechu na pečenie; avšak pri produktoch s vyššími požiadavkami, ako sú napájacie zariadenia GaN a RF čipy, sa plyn Cl2 často používa na čistenie plechu na pečenie, ale náklady sú také, že životnosť plechu je výrazne znížená v porovnaní s životnosťou používanou pre LED. Pretože Cl2 môže korodovať povlak SiC pri vysokej teplote (Cl2+SiC→SiCl4+C) a vytvárať množstvo koróznych otvorov a zvyškového voľného uhlíka na povrchu, Cl2 najskôr koroduje hranice zŕn povlaku SiC a potom koroduje zrná, čo vedie k zníženie pevnosti povlaku až po prasknutie a porušenie.

Porucha epitaxného plynu SiC a povlaku SiC

Epitaxný plyn SiC zahŕňa hlavne H2 (ako nosný plyn), SiH4 alebo SiCl4 (poskytujúci zdroj Si), C3H8 alebo CCl4 (poskytujúci zdroj C), N2 (poskytujúci zdroj N, na doping), TMA (trimetylhliník, poskytujúci zdroj Al, na doping ), HCl+H2 (in-situ leptanie). Chemická reakcia epitaxného jadra SiC: SiH4+C3H8→SiC+vedľajší produkt (asi 1650 ℃). SiC substráty musia byť pred epitaxiou SiC očistené za mokra. Mokré čistenie môže zlepšiť povrch podkladu po mechanickom ošetrení a odstrániť prebytočné nečistoty prostredníctvom viacnásobnej oxidácie a redukcie. Potom použitie HCl + H2 môže zvýšiť efekt leptania in-situ, účinne inhibovať tvorbu zhlukov Si, zlepšiť účinnosť využitia zdroja Si a leptať povrch monokryštálu rýchlejšie a lepšie, čím sa vytvorí jasný krok rastu povrchu, ktorý urýchľuje rast. rýchlosť a účinne znižuje defekty epitaxnej vrstvy SiC. Zatiaľ čo HCl+H2 leptá SiC substrát in-situ, spôsobí tiež malé množstvo korózie na SiC povlaku na častiach (SiC+H2→SiH4+C). Pretože nánosy SiC s epitaxnou pecou stále narastajú, táto korózia má malý vplyv.

SiC je typický polykryštalický materiál. Najbežnejšie kryštálové štruktúry sú 3C-SiC, 4H-SiC a 6H-SiC, medzi ktorými je 4H-SiC kryštálový materiál používaný v bežných zariadeniach. Jedným z hlavných faktorov ovplyvňujúcich kryštalickú formu je reakčná teplota. Ak je teplota nižšia ako určitá teplota, ľahko sa vytvoria iné kryštálové formy. Reakčná teplota 4H-SiC epitaxie široko používanej v priemysle je 1550 ~ 1650 ℃. Ak je teplota nižšia ako 1550 ℃, ľahko sa vytvoria iné kryštálové formy, ako napríklad 3C-SiC. Avšak 3C-SiC je kryštalická forma bežne používaná v povlakoch SiC. Reakčná teplota asi 1600 ℃ dosiahla hranicu 3C-SiC. Preto je životnosť povlakov SiC obmedzená hlavne reakčnou teplotou epitaxie SiC.

Pretože rýchlosť rastu usadenín SiC na povlakoch SiC je veľmi rýchla, je potrebné po kontinuálnej výrobe na určitý čas vypnúť horizontálne horúce steny SiC epitaxiálne zariadenie a časti povlaku SiC vo vnútri je potrebné vybrať. Prebytočné usadeniny ako SiC na SiC povlakových častiach sa odstránia mechanickým trením → odstránenie prachu → ultrazvukové čistenie → vysokoteplotné čistenie. Táto metóda má mnoho mechanických procesov a je ľahké spôsobiť mechanické poškodenie povlaku.

Vzhľadom na množstvo problémov, ktorým čeliaSiC povlakv epitaxiálnom zariadení SiC v kombinácii s vynikajúcim výkonom povlaku TaC v zariadení na rast kryštálov SiC, ktorý nahrádza povlak SiC vSiC epitaxnézariadenia s povlakom TaC postupne vstúpili do vízie výrobcov zariadení a používateľov zariadení. Na jednej strane má TaC bod topenia až 3880 ℃ a je odolný voči chemickej korózii, ako je NH3, H2, Si a výpary HCl pri vysokých teplotách, a má extrémne silnú odolnosť voči vysokým teplotám a odolnosť proti korózii. Na druhej strane, rýchlosť rastu SiC na povlaku TaC je oveľa pomalšia ako rýchlosť rastu SiC na povlaku SiC, čo môže zmierniť problémy s veľkým množstvom padajúcich častíc a krátkym cyklom údržby zariadenia a nadbytočnými sedimentmi, ako je SiC nemôže tvoriť silné chemicko-metalurgické rozhranie sTaC povlaka nadbytočné sedimenty sa ľahšie odstraňujú ako SiC homogénne pestované na povlaku SiC.