فرآیند تهیه کریستال بذر در رشد تک کریستال SiC

کاربید سیلیکون (SiC)این ماده دارای مزایای فاصله باند گسترده، رسانایی حرارتی بالا، قدرت میدان شکست بحرانی بالا و سرعت رانش الکترون اشباع بالا است که آن را در زمینه تولید نیمه هادی بسیار امیدوارکننده می کند. تک بلورهای SiC عموماً از طریق روش انتقال بخار فیزیکی (PVT) تولید می‌شوند. مراحل خاص این روش شامل قرار دادن پودر SiC در پایین یک بوته گرافیتی و قرار دادن یک کریستال دانه SiC در بالای بوته می باشد. گرافیتبوتهتا دمای تصعید SiC گرم می شود و باعث می شود که پودر SiC به مواد فاز بخار مانند بخار Si، Si2C و SiC2 تجزیه شود. تحت تأثیر گرادیان درجه حرارت محوری، این مواد تبخیر شده به بالای بوته تصعید می‌شوند و روی سطح کریستال بذر SiC متراکم می‌شوند و به تک بلورهای SiC متبلور می‌شوند.

در حال حاضر، قطر کریستال دانه دررشد تک کریستال SiCباید با قطر کریستال هدف مطابقت داشته باشد. در طول رشد، کریستال بذر با استفاده از چسب بر روی نگهدارنده بذر در بالای بوته ثابت می شود. با این حال، این روش تثبیت کریستال بذر به دلیل عواملی مانند دقت سطح نگهدارنده بذر و یکنواختی پوشش چسب می تواند منجر به مشکلاتی مانند ایجاد فضای خالی در لایه چسب شود که می تواند منجر به عیوب فضای خالی شش ضلعی شود. اینها شامل بهبود صافی صفحه گرافیتی، افزایش یکنواختی ضخامت لایه چسب و افزودن یک لایه بافر انعطاف پذیر است. با وجود این تلاش‌ها، هنوز مشکلاتی در مورد چگالی لایه چسب وجود دارد و خطر جدا شدن کریستال بذر وجود دارد. با اتخاذ روش پیوندویفربه کاغذ گرافیتی و همپوشانی آن در بالای بوته، می توان تراکم لایه چسب را بهبود بخشید و از جدا شدن ویفر جلوگیری کرد.

1. طرح آزمایشی:
ویفرهای مورد استفاده در این آزمایش به صورت تجاری در دسترس هستندویفرهای SiC از نوع N 6 اینچی. Photoresist با استفاده از یک پوشش اسپین اعمال می شود. چسبندگی با استفاده از یک کوره پرس گرم بذری به دست می آید.

1.1 طرح تثبیت کریستال بذر:
در حال حاضر، طرح های چسبندگی کریستال بذر SiC را می توان به دو دسته تقسیم کرد: نوع چسب و نوع تعلیق.

طرح نوع چسب (شکل 1): این شامل چسباندنویفر SiCبه صفحه گرافیتی با یک لایه کاغذ گرافیتی به عنوان یک لایه بافر برای از بین بردن شکاف بینویفر SiCو صفحه گرافیتی در تولید واقعی، استحکام پیوند بین کاغذ گرافیتی و صفحه گرافیتی ضعیف است، که منجر به جدا شدن مکرر کریستال دانه در طول فرآیند رشد در دمای بالا و در نتیجه شکست رشد می‌شود.

طرح نوع تعلیق (شکل 2): به طور معمول، یک لایه کربنی متراکم بر روی سطح پیوند ویفر SiC با استفاده از کربنیزاسیون چسب یا روش های پوشش ایجاد می شود. اینویفر SiCسپس بین دو صفحه گرافیتی بسته می شود و در بالای بوته گرافیتی قرار می گیرد و ثبات را تضمین می کند در حالی که لایه کربنی از ویفر محافظت می کند. با این حال، ایجاد فیلم کربن از طریق پوشش پرهزینه است و برای تولید صنعتی مناسب نیست. روش کربنیزاسیون چسب کیفیت فیلم کربن متناقضی را ایجاد می کند و به دست آوردن یک فیلم کربنی کاملاً متراکم با چسبندگی قوی را دشوار می کند. علاوه بر این، بستن صفحات گرافیتی با مسدود کردن بخشی از سطح ویفر، سطح رشد موثر ویفر را کاهش می دهد.

بر اساس دو طرح فوق، یک طرح چسب و همپوشانی جدید پیشنهاد شده است (شکل 3):

یک فیلم کربن نسبتا متراکم بر روی سطح پیوند ویفر SiC با استفاده از روش کربن‌سازی چسب ایجاد می‌شود و از عدم نشت نور زیاد در زیر نور اطمینان حاصل می‌کند.
ویفر SiC که با لایه کربنی پوشانده شده است به کاغذ گرافیتی چسبانده می شود و سطح پیوند سمت فیلم کربنی است. لایه چسب باید در زیر نور به طور یکنواخت سیاه به نظر برسد.
کاغذ گرافیتی توسط صفحات گرافیتی بسته شده و برای رشد کریستال در بالای بوته گرافیتی معلق می شود.

1.2 چسب:
ویسکوزیته فترزیست به طور قابل توجهی بر یکنواختی ضخامت فیلم تأثیر می گذارد. در همان سرعت چرخش، ویسکوزیته کمتر باعث ایجاد لایه‌های چسب نازک‌تر و یکنواخت‌تر می‌شود. بنابراین، یک فترزیست با ویسکوزیته کم در شرایط کاربرد انتخاب می شود.

در طول آزمایش، مشخص شد که ویسکوزیته چسب کربن ساز بر استحکام پیوند بین فیلم کربن و ویفر تأثیر می گذارد. ویسکوزیته بالا، اعمال یکنواخت با استفاده از پوشش اسپین را دشوار می کند، در حالی که ویسکوزیته کم منجر به استحکام پیوند ضعیف می شود که منجر به ترک خوردگی لایه کربنی در طی فرآیندهای پیوند بعدی به دلیل جریان چسب و فشار خارجی می شود. از طریق تحقیقات تجربی، ویسکوزیته چسب کربن ساز 100 mPa·s و ویسکوزیته چسب باندینگ 25 mPa·s تعیین شد.

1.3 خلاء کاری:
فرآیند ایجاد لایه کربنی روی ویفر SiC شامل کربن کردن لایه چسب روی سطح ویفر SiC است که باید در محیط خلاء یا محافظت شده با آرگون انجام شود. نتایج تجربی نشان می دهد که یک محیط محافظت شده با آرگون نسبت به محیط خلاء بالا برای ایجاد فیلم کربن مساعدتر است. اگر از محیط خلاء استفاده می شود، سطح خلاء باید ≤1 Pa باشد.

فرآیند پیوند کریستال بذر SiC شامل چسباندن ویفر SiC به صفحه گرافیتی/کاغذ گرافیت است. با توجه به اثر فرسایشی اکسیژن بر روی مواد گرافیت در دماهای بالا، این فرآیند باید در شرایط خلاء انجام شود. تاثیر سطوح مختلف خلاء بر روی لایه چسب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تجربی در جدول 1 نشان داده شده است. می توان مشاهده کرد که در شرایط خلاء کم، مولکول های اکسیژن هوا به طور کامل حذف نمی شوند و منجر به ایجاد لایه های چسب ناقص می شود. هنگامی که سطح خلاء زیر 10 Pa است، اثر فرسایشی مولکول های اکسیژن بر روی لایه چسب به طور قابل توجهی کاهش می یابد. هنگامی که سطح خلاء کمتر از 1 Pa است، اثر فرسایشی کاملاً از بین می رود.