摘要

碳化硅(SiC)是制作高溫、高頻、大功率電子器件的理想電子材料,近20年來(lái)隨著外延設(shè)備和工藝技術(shù)水平不斷 提升,外延膜生長(zhǎng)速率和品質(zhì)逐步提高,碳化硅在新能源汽車(chē)、光伏產(chǎn)業(yè)、高壓輸配線和智能電站等領(lǐng)域的應(yīng)用需求 越來(lái)越大。與硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不同,碳化硅器件必須在外延膜上進(jìn)行加工,因此碳化硅外延設(shè)備在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù) 承上啟下的重要位置,而且也是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中最復(fù)雜、最難開(kāi)發(fā)的設(shè)備。本文從碳化硅外延生長(zhǎng)機(jī)理出發(fā),結(jié)合反應(yīng) 室設(shè)計(jì)和材料科學(xué)的發(fā)展,介紹了化學(xué)氣相沉積(CVD)法碳化硅外延設(shè)備反應(yīng)室、加熱系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等的技術(shù)進(jìn) 展,最后分析了CVD法碳化硅外延設(shè)備未來(lái)的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

0 引言

碳化硅(silicon carbide, SiC)作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表,具有高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo) 率、高電子飽和漂移速度、大禁帶寬度、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn),

極大地?cái)U(kuò)展了功率器件的能量處理能力,能夠 滿足下一代電力電子裝備對(duì)功率器件更大功率、更小體積和高溫高輻射等惡劣條件下工作的要求,有縮 小尺寸、減少功率損耗和降低冷卻要求等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在新能源汽車(chē)、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域帶來(lái)了革命性 的變化。世界主要國(guó)家競(jìng)相投入資源發(fā)展SiC產(chǎn)業(yè),例如美國(guó)“國(guó)防與科技計(jì)劃”和日本“國(guó)家硬電子計(jì) 劃”都將SiC作為重點(diǎn)領(lǐng)域,我國(guó)“十四五”規(guī)劃中將寬禁帶半導(dǎo)體作為科技攻關(guān)重點(diǎn)方向之一。

與Si器件不同,SiC器件不能在晶圓上直接制作,而是需要在SiC晶圓上沉積生長(zhǎng)外延膜,利用外延膜生產(chǎn)器件,因此SiC外延設(shè)備在產(chǎn)業(yè)鏈中處于承上啟下的重要位置。SiC 薄膜生長(zhǎng)方法有化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD) 、分子束外延、磁控濺射和脈沖激光淀積等,其中CVD法具有 可以精確控制外延膜厚度和摻雜濃度、缺陷較少、生長(zhǎng)速度適中、過(guò)程可自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn),是目前已經(jīng)成功商 業(yè)化的SiC外延技術(shù)。

本文結(jié)合芯三代半導(dǎo)體科技(蘇州)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)芯三代公司) CVD法碳化硅(SiC-CVD)外延設(shè)備的開(kāi)發(fā)歷程,總結(jié)回顧了SiC-CVD的技術(shù)進(jìn)展,并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。

1 SIC-CVD外延工藝基礎(chǔ)及對(duì)設(shè)備的要求

1. 1 SiC-CVD外延工藝基礎(chǔ)

SiC是典型的多晶型材料,有200多種不同晶體結(jié)構(gòu),最常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)為3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC,而4H-SiC是主流器件所采用的晶型材料。早期SiC外延生長(zhǎng)中非常容易出現(xiàn)晶型夾雜,外延膜質(zhì)量很差,這一問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著SiC外延生長(zhǎng),直到1987年前后日本和美國(guó)科學(xué)家們提出了臺(tái)階控制生長(zhǎng)模式。該模式采用有一定斜切角的襯底晶圓,而不是常規(guī)的正晶向(0001)進(jìn)行外延生長(zhǎng),這樣襯底的原子堆垛次 序很容易被復(fù)制到外延膜中,大幅降低了其他晶型的產(chǎn)生幾率,從而能夠獲得單一晶型的SiC外延膜。這是SiC行業(yè)的一個(gè)重大突破,極大地推動(dòng)了SiC外延生長(zhǎng)和器件制造從純研發(fā)進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段。另 一個(gè)影響晶型的因素是反應(yīng)溫度,低于特定溫度將容易生成其他晶型。如目前行業(yè)廣泛應(yīng)用的4H-SiC外延 選用4°偏角的襯底,反應(yīng)溫度1550 ~ 1 650 ℃ ,低于1550 ℃將生成3C-SiC等其他晶型。對(duì)設(shè)備研發(fā)來(lái)講 很重要的一點(diǎn)是:反應(yīng)室設(shè)計(jì)要避免湍流的形成,否則容易發(fā)生局部預(yù)反應(yīng)生成其他晶型。

傳統(tǒng)體系中外延生長(zhǎng)原理是C源(C3H8)與Si源( SiH4)由載氣(H2)稀釋進(jìn)入反應(yīng)室,到達(dá)被加熱的SiC晶圓表面,發(fā)生反應(yīng)生成SiC薄膜和副產(chǎn)物。典型條件下SiC在不同軸面上的生長(zhǎng)速率差異非常小,表 明SiC生長(zhǎng)是擴(kuò)散限制型的,源物質(zhì)向生長(zhǎng)面的供應(yīng)是決定生長(zhǎng)速率的關(guān)鍵步驟,因此SiC-CVD設(shè)備精 確控制反應(yīng)氣體流量，并使氣體均勻到達(dá)生長(zhǎng)面至關(guān)重要。

1. 2 SiC快速外延生長(zhǎng)

用于600 V和1. 2 kV功率器件的外延膜(膜厚< 12 μm,摻雜濃度?~ 8 × 10?15?cm-3?)生長(zhǎng)已經(jīng)比較成熟,?但是用于高電壓和高功率器件的低摻雜濃度的超厚(膜厚?> 50 μm,摻雜濃度< 1 × 10?15?cm-3?)外延層,傳統(tǒng) 的低速外延生長(zhǎng)法已不適用,生長(zhǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本,還會(huì)引起腔體內(nèi)狀態(tài)不穩(wěn)定,掉落物增多,?也很難得到低背景濃度和低摻雜濃度。傳統(tǒng)外延模式可通過(guò)增加?C?源和?Si?源氣體流量提高生長(zhǎng)速度,但隨 著流量不斷增加,Si?源分壓會(huì)不斷升高,而?SiH4在?400 ~ 500 ℃?左右就會(huì)發(fā)生分解,過(guò)飽和后很容易聚集成 核生成?Si?團(tuán)簇(nSi→Si?n?),容易形成液態(tài)?Si?滴,在反應(yīng)室側(cè)壁和頂部凝結(jié)形成顆粒物掉落,造成外延層表面 缺陷增多或粗糙度變差。采用傳統(tǒng)生長(zhǎng)方法能夠達(dá)到的可行生長(zhǎng)速率只有?3 ~ 15 μm / h 。?

快速SiC外延工藝是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵,Leone和Henry等在工藝中加入HCl氣體或采用含Cl化合物如SiHCl3(TCS)、SiCl4等,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)112 μm / h的高質(zhì)量快速外延,證明使用HCl或Cl基氣源可以 有效抑制Si團(tuán)簇的生成,提高Si源利用效率,同時(shí)可以更快更好地刻蝕單晶表面,形成清晰的表面生長(zhǎng)臺(tái)階,加快生長(zhǎng)速率10倍以上的同時(shí)提升成膜質(zhì)量。這是SiC行業(yè)的另一個(gè)重大突破,對(duì)大規(guī)模外延生產(chǎn)非 常有利,LPE、NuFlare和Aixtron在2014年之后分別實(shí)現(xiàn)了這個(gè)技術(shù)的商業(yè)化。

對(duì)設(shè)備而言實(shí)現(xiàn)這兩種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn),傳統(tǒng)工藝中C源和Si源都是氣體,因此反應(yīng)速度和用量容易 精確控制,缺點(diǎn)是SiH4易分解形成Si團(tuán)簇,因此必須對(duì)氣體入口處進(jìn)行冷卻,確保溫度低于SiH4分解溫度,才能避免其分解產(chǎn)生Si團(tuán)簇。而TCS分解溫度達(dá)到800 ℃左右,本身不容易分解形成Si滴,對(duì)氣體入口處 的冷卻要求不高,缺點(diǎn)是常溫下TCS是液體,需要另外配備鼓泡器系統(tǒng)對(duì)TCS進(jìn)行汽化,因此實(shí)現(xiàn)精確控制 相對(duì)困難,應(yīng)用于超過(guò)10 kV的厚膜SiC的厚度均勻性和摻雜均勻性均相對(duì)較差。目前設(shè)備的優(yōu)化參數(shù)是 溫度1 600 ~ 1 650 ℃ ,壓力3 ~ 20 kPa。

1. 3設(shè)備指標(biāo)

SiC-CVD設(shè)備用戶通常關(guān)注3個(gè)方面的指標(biāo):首先是外延生長(zhǎng)性能,包括厚度均勻性、摻雜均勻性、缺陷 率和生長(zhǎng)速率;其次是設(shè)備本身溫度性能,包括升溫/降溫速率、最高溫度、溫度均勻性;最后是設(shè)備本身的性 價(jià)比,包括單臺(tái)價(jià)格和產(chǎn)能。

參考NuFlare和Axitron的產(chǎn)品手冊(cè),目前SiC-CVD設(shè)備的厚度均勻性和摻雜均勻性可以達(dá)到2% ~ 5% ,缺陷率達(dá)到0. 02 ~ 0. 5 cm-2,生長(zhǎng)速率可以達(dá)到> 50 μm / h,最高溫度達(dá)到1 700 ℃ ,升溫/降溫速 率達(dá)到3 ~ 10 ℃ / s。

SiC外延膜缺陷可以分為擴(kuò)展缺陷和點(diǎn)缺陷兩大類(lèi),其中多種缺陷是從晶圓復(fù)制過(guò)來(lái)的或者和晶圓有 很大程度的關(guān)聯(lián),因此對(duì)設(shè)備的缺陷率評(píng)價(jià)必須基于相同規(guī)格的晶圓基礎(chǔ)上。主要依靠降低晶圓本底缺陷 率和優(yōu)化工藝來(lái)降低外延膜缺陷,擴(kuò)展缺陷中的掉落物缺陷率與設(shè)備本身設(shè)計(jì)密切相關(guān),行業(yè)內(nèi)通常將掉落 物缺陷率作為評(píng)價(jià)設(shè)備缺陷率性能的實(shí)際指標(biāo)。從設(shè)備設(shè)計(jì)角度,旋轉(zhuǎn)性能和反應(yīng)室內(nèi)部件尤其是石墨件 的選材和設(shè)計(jì)對(duì)掉落物缺陷率影響巨大。

2 SIC-CVD反應(yīng)室系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展

CVD需要滿足以下三個(gè)基本需求:控制傳輸氣體和晶圓進(jìn)出反應(yīng)室并處理氣體副產(chǎn)物,提供激發(fā)化學(xué) 反應(yīng)的能量,精確控制反應(yīng)溫度、壓力和氣體流量。其中反應(yīng)室是最重要的核心部件,反應(yīng)室的作用是為外 延生長(zhǎng)提供一個(gè)可靠的高溫真空生長(zhǎng)環(huán)境,滿足需要的溫度、壓強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)速度等生長(zhǎng)條件。

2. 1腔體設(shè)計(jì)

對(duì)SiC-CVD反應(yīng)室設(shè)計(jì)的基本要求:無(wú)返混,能實(shí)現(xiàn)氣體瞬時(shí)切換,晶圓上方處于層流區(qū),溫場(chǎng)和流場(chǎng) 分布均勻。SiC-CVD 反應(yīng)溫度高達(dá)1 500 ~ 1 700 ℃ ,在此溫度范圍內(nèi),輻射是決定熱損耗的主要機(jī)制,而 且浮力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)流在溫場(chǎng)中很重要,設(shè)計(jì)要考慮如何降低熱輻射,低生長(zhǎng)壓力、高載氣流量是減少熱 對(duì)流的有效途徑。圖1展示了5種典型SiC-CVD反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意圖。傳統(tǒng)的水平和垂直冷壁CVD反應(yīng)室(見(jiàn)圖1( a) 、( b) )結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,托盤(pán)上的SiC晶圓被放置在氣流通道中,加熱到反應(yīng)溫度 即可進(jìn)行外延生長(zhǎng),但有以下缺點(diǎn):大量熱輻射損失導(dǎo)致加熱效率很低,在高的生長(zhǎng)溫度下晶片表面法線 方向非常大的溫度梯度( > 100 K/ mm)導(dǎo)致SiC晶片容易嚴(yán)重翹曲,很難獲得高溫下大范圍的均勻溫場(chǎng)和流場(chǎng)。

Kordina和Henry等提出的熱壁CVD概念很好地克服了這些缺點(diǎn)(見(jiàn)圖1(c) ~ (e)所示),在熱壁CVD反應(yīng)室中增加了絕熱材料如多孔石墨,SiC晶片被正面的熱輻射以及背面的熱傳導(dǎo)雙面加熱,從而大幅 提升加熱效率(所需加熱功率遠(yuǎn)小于冷壁),法向溫度梯度( < 10 K/ mm)顯著降低,晶圓反應(yīng)面溫度均勻性 得到很大提升,對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量外延片非常有利,結(jié)合目前廣泛使用的旋轉(zhuǎn)支架配置進(jìn)一步提升溫場(chǎng) 和流場(chǎng)均勻性,使得?SiC?外延膜產(chǎn)業(yè)化成為可能,量產(chǎn)?SiC-CVD?都采用熱壁模式?。三者各有優(yōu)缺點(diǎn),圖?1 (c)和圖?1(e)中氣體在遷移路徑上的消耗使得反應(yīng)/?摻雜氣體濃度變化從而導(dǎo)致膜厚和摻雜濃度不穩(wěn)定,氣 體入口與晶圓的間距短使得頂部產(chǎn)生的顆粒物容易造成掉落物缺陷等;圖?1(d)中氣體入口與外延片之間間 距較長(zhǎng)使得流場(chǎng)和溫場(chǎng)更均勻,頂部?Si?滴生成少,即便產(chǎn)生了?Si?滴也會(huì)被高速旋轉(zhuǎn)的氣流帶走,大幅減少掉 落物缺陷,但是該設(shè)備昂貴、耗材損耗大因而總體成本高。目前沒(méi)有國(guó)產(chǎn)?SiC-CVD?設(shè)備進(jìn)入量產(chǎn)市場(chǎng),但是 以芯三代公司為代表的國(guó)內(nèi)?SiC-CVD?設(shè)備廠商,已經(jīng)分別完成了設(shè)備研發(fā)而且其設(shè)備各有特色,如深圳市 納設(shè)智能裝備有限公司的水平熱壁雙反應(yīng)室可以提升生產(chǎn)率?,芯三代公司對(duì)加熱器進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 加熱精確控制?,噴淋頭進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)和冷卻水道優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了均勻、成比例、分區(qū)進(jìn)氣等。

氣體流場(chǎng)分布是影響生長(zhǎng)速率和外延膜厚均勻性的主要因素,直接決定了氣態(tài)物質(zhì)在晶圓表面的沉積行為。氣體高速經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入反應(yīng)室的迅速擴(kuò)張會(huì)產(chǎn)生渦流和回流等,導(dǎo)致氣體流場(chǎng)不均勻,從而對(duì)薄膜 均勻度和微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。初期的冷壁SiC-CVD進(jìn)氣口通常設(shè)計(jì)有氣體分散器,對(duì)氣流進(jìn)行緩沖 和分散,垂直熱壁反應(yīng)器一般配備噴淋頭以在反應(yīng)室中得到更均勻的進(jìn)氣。

2. 2反應(yīng)室模擬

對(duì)SiC-CVD反應(yīng)室的模擬研究較少,但是對(duì)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積( metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)反應(yīng)室模擬研究較多,有一定借鑒意義。左然等對(duì)行星式熱壁MOCVD反應(yīng)室的徑 向三重流、溫場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究,得出過(guò)程優(yōu)化條件為:反應(yīng)室上下壁靠近并盡量減小溫差,導(dǎo)流管水平 延長(zhǎng),中管進(jìn)口流量盡量大于內(nèi)、外管流量。而馮蘭勝等對(duì)垂直進(jìn)氣熱壁MOCVD反應(yīng)器的模擬發(fā)現(xiàn)(見(jiàn) 圖2),反應(yīng)室高度在30 mm和225 mm時(shí),生長(zhǎng)速率高于高度為60 mm和120 mm的情況,較好地吻合了Aixtron和NuFlare的反應(yīng)室情況,同時(shí)模擬結(jié)果表明,隨著反應(yīng)室高度的升高和旋轉(zhuǎn)速度的增加,流場(chǎng)均勻 性得到改善,但是到一定程度后改善將不明顯甚至降低。

Mitrovic等對(duì)垂直熱壁旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器的流型研究發(fā)現(xiàn),在不同的壓力和轉(zhuǎn)速下,反應(yīng)室內(nèi)分別呈現(xiàn)浮力 流、活塞流和旋轉(zhuǎn)流三種流型(見(jiàn)圖3),浮力流下晶圓生長(zhǎng)面的溫度明顯不均勻,旋轉(zhuǎn)流下熱量被大量帶走 加熱效率大幅降低,晶圓生長(zhǎng)面溫度不易控制,活塞流是對(duì)外延生長(zhǎng)最有利的理想流型。在160 ~ 460 torr (1 torr = 133. 32 Pa)的壓力下,隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加,反應(yīng)室中的流型從浮力流變?yōu)榛钊髟僮優(yōu)樾D(zhuǎn)流: 300 ~ 600 r/ min轉(zhuǎn)速下可以得到理想的活塞流; < 160 torr?容易得到活塞流,但是相對(duì)較高的真空度下,反應(yīng) 速率不容易提升; > 460 torr的壓力下無(wú)法得到活塞流, < 400 r/ min?下得到浮力流, > 400 r/ min下得到旋轉(zhuǎn) 流。SiC-CVD 設(shè)備必須能夠?yàn)楣に囘x擇提供活塞流的理想窗口條件。

3 SiC-CVD加熱器和溫控系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展

3. 1加熱器

真空反應(yīng)器加熱常用感應(yīng)加熱和電阻加熱兩種方式。感應(yīng)式加熱器優(yōu)點(diǎn)是能量密度大、加熱速率快,缺 點(diǎn)是溫度均勻性不易控制,而電阻式加熱器的溫度可以非常方便地校正,其溫度均勻性即使在超過(guò)1 000 ℃的情況下也可以控制在± 1 ℃以內(nèi),因此在加熱面積允許的情況下,電阻加熱對(duì)SiC-CVD是一種優(yōu)選的加熱方式。電阻式加熱器的核心部件發(fā)熱體材料必須具有急熱、急冷、耐高溫等特性,包括石墨和鉬、鎢和鉭等金 屬都可以滿足這些基本要求,但是金屬在高溫下易升華導(dǎo)致金屬污染,常溫和高溫下的電阻率相差很大導(dǎo)致 升溫控制比較困難,而且使用成本高昂,所以不適合選擇金屬作為加熱絲。而石墨有高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、良 好的加工性能、極小的熱膨脹系數(shù)、較高的電阻等優(yōu)點(diǎn),而且相對(duì)金屬價(jià)格便宜很多,因此石墨作為真空電阻 加熱器的加熱元件得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

作為用于高溫加熱環(huán)境的石墨加熱器,最高溫度能夠達(dá)到2200 ℃左右,石墨加熱器本身材質(zhì)的均勻性 和過(guò)渡連接部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理,直接影響到其功率分布、使用壽命及熱區(qū)均勻性,進(jìn)而對(duì)加熱效率及外延 膜品質(zhì)造成影響。石墨在高溫時(shí)導(dǎo)熱性下降明顯,加熱體中心與外表面間造成溫度差,引起內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力容 易開(kāi)裂,故石墨加熱體的壁厚通常為8 ~ 16 mm,加厚部分壁厚為16 ~ 30 mm 。

針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)垂直反應(yīng)器,Daigo等對(duì)加熱盤(pán)下的底部加熱器的精準(zhǔn)溫控進(jìn)行了研究(見(jiàn)圖4),相對(duì) 于單一加熱器,底部?jī)?nèi)圈和外圈兩個(gè)加熱器精準(zhǔn)獨(dú)立控溫可以克服邊緣效應(yīng),得到更均勻的晶圓表面溫度分 布,厚度均勻性和摻雜均勻性可以分別從5. 3%和8. 8%提升到3. 4%和5. 6% ,成膜性能大幅提升。

3. 2溫控系統(tǒng)

SiC-CVD希望盡可能地快速和平穩(wěn)升溫,最終達(dá)到生長(zhǎng)溫度并穩(wěn)定保持,需要對(duì)加熱過(guò)程進(jìn)行精確的分 階段控制。在初始階段采用恒電壓并限制電流的方法進(jìn)行預(yù)熱,從而延長(zhǎng)加熱器的壽命,之后階段采用 功率控制快速加熱,接近生長(zhǎng)溫度時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟瓤刂颇Ｊ?確保平穩(wěn)達(dá)到并穩(wěn)定在生長(zhǎng)溫度。在SiC-CVD研發(fā)中,對(duì)加熱器的性能如功率和合適的電勢(shì)誘導(dǎo)衰退經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行良好的選擇非常重要,可以確保得到完美的加熱曲線。SiC-CVD 控溫的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確測(cè)溫,1 300 ℃以下通常采用熱電偶測(cè)溫,1 300 ℃以上采用紅外測(cè) 溫。楊超普等對(duì)比了MOCVD原位紅外測(cè)溫的兩種具體方法發(fā)現(xiàn),雙波長(zhǎng)比色測(cè)溫法優(yōu)于單色輻射測(cè)溫 法,前者相對(duì)測(cè)量誤差小而且不受測(cè)溫孔中累積生長(zhǎng)的SiC影響,因而不需要進(jìn)行定期修正探測(cè)孔徑。

4 其他系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展

4. 1旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

反應(yīng)器壁上的副產(chǎn)物3C-SiC晶體容易產(chǎn)生掉落物缺陷和三角形缺陷,一個(gè)降低缺陷的方法是高速旋轉(zhuǎn),高速旋轉(zhuǎn)將直接把掉落物甩出反應(yīng)區(qū),從而大幅降低掉落物缺陷率。如圖5中Daigo等對(duì)比50 r/ min和300 r/ min掉落物缺陷率,高速旋轉(zhuǎn)可以顯著降低缺陷和延長(zhǎng)維護(hù)間隔時(shí)間,300 r/ min累計(jì)生長(zhǎng)3 000 μm,掉落物缺陷率仍然低于0. 2 cm- 2。研究發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)結(jié)合優(yōu)化生長(zhǎng)條件可以大幅減少掉落物缺 陷率、生長(zhǎng)速率波動(dòng)和摻雜濃度波動(dòng)。

現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)技術(shù)主要有行星式反應(yīng)器中單片晶圓的氣浮旋轉(zhuǎn)和中心軸支撐旋轉(zhuǎn),二者結(jié)合使用可以有效 地平均氣流方向的反應(yīng)物消耗、溫度和氣流不對(duì)稱(chēng)性,得到非常好的均勻性,比如片內(nèi)厚度均勻性和摻雜均 勻性可以分別達(dá)到4. 2晶圓傳送系統(tǒng)0. 5%和9. 8% 。

4. 2晶圓傳送系統(tǒng)

晶圓傳送系統(tǒng)由載片盒、傳送腔和機(jī)械手組成,完成送進(jìn)和取出托盤(pán)和SiC晶圓的任務(wù),產(chǎn)業(yè)化的CVD設(shè)備往往增加緩沖腔、預(yù)熱腔來(lái)縮減平均工藝周期提升生產(chǎn)率,再進(jìn)一步可以加裝半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊實(shí)現(xiàn) 晶圓的自動(dòng)上下料,大幅提升效率。晶圓傳送系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)是取放晶圓的溫度,將對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)效率 產(chǎn)生重大影響。從圖6中可以看出,高溫傳盤(pán)將大幅縮短反應(yīng)周期,提升生產(chǎn)率。如Axitron的AIX G5 WW C取放晶圓溫度從室溫提升到600 ℃,減少加熱和冷卻的時(shí)間可以將生產(chǎn)效率大幅提升50% 。高溫傳盤(pán)將 對(duì)晶圓傳送系統(tǒng)相關(guān)部件耐高溫性能提出挑戰(zhàn),尤其是機(jī)械手的手臂和手指,目前多采用陶瓷、石英和不銹鋼。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

國(guó)際上已經(jīng)商業(yè)化量產(chǎn)的SiC-CVD設(shè)備有意大利LPE、德國(guó)Axitron和日本NuFlare產(chǎn)品,這三家公司也占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。由于起步晚和產(chǎn)業(yè)化水平低,國(guó)產(chǎn)設(shè)備在使用方便性、可調(diào)性、穩(wěn)定性以及運(yùn)行維護(hù)性方 面與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備相比存在較大的差距,重點(diǎn)需要提升溫場(chǎng)和流場(chǎng)的均勻性方面的技術(shù)。過(guò)去20多年國(guó)內(nèi) 泛半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)打下了很好的基礎(chǔ),尤其是等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積和MOCVD設(shè)備方 面,國(guó)內(nèi)公司已經(jīng)逐步趕超進(jìn)入了行業(yè)第一陣營(yíng),以芯三代公司為代表的國(guó)內(nèi)SiC-CVD設(shè)備廠家,產(chǎn)品各項(xiàng) 指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到甚至領(lǐng)先國(guó)際先進(jìn)水平,完全可滿足當(dāng)前SiC外延產(chǎn)業(yè)的要求。結(jié)合大環(huán)境下對(duì)國(guó)產(chǎn)替代的 強(qiáng)勁需求,目前是SiC-CVD國(guó)產(chǎn)設(shè)備發(fā)展的極好時(shí)機(jī)。國(guó)產(chǎn)SiC-CVD設(shè)備目前的重點(diǎn)是進(jìn)入生產(chǎn)線接受大 批量生產(chǎn)考驗(yàn),在成膜質(zhì)量、生產(chǎn)率、穩(wěn)定性、重復(fù)性和運(yùn)行維護(hù)性等指標(biāo)上證明自己并獲取客戶信心。在國(guó) 家出臺(tái)的一系列專(zhuān)項(xiàng)政策的支持下,相信中國(guó)SiC-CVD設(shè)備公司完全可以趕超國(guó)外先進(jìn)水平,為我國(guó)SiC產(chǎn) 業(yè)發(fā)展注入強(qiáng)大的推動(dòng)力。

SiC-CVD設(shè)備是為外延生產(chǎn)服務(wù)的,生長(zhǎng)速度、均勻性和摻雜均勻性一直是碳化硅外延生長(zhǎng)的研究重 點(diǎn),以此為目標(biāo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化是SiC-CVD設(shè)備技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),以下為需要重點(diǎn)研究的領(lǐng)域:

(1)反應(yīng)室模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;

(2)結(jié)合工藝創(chuàng)新得到更高生長(zhǎng)速率;

(3)應(yīng)對(duì)小尺寸到大尺寸的演變,解決更大尺寸下溫場(chǎng)和流場(chǎng)的均勻性和旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性問(wèn)題;

(4)通過(guò)一機(jī)多腔和一腔多片來(lái)提升生產(chǎn)效率。

審核編輯：湯梓紅