Por que o susceptor de grafite revestido com SiC falha? - Semicondutor VeTek

Análise de Fatores de Falha do Susceptor de Grafite Revestido com SiC

Normalmente, os susceptores de grafite revestidos com SiC epitaxiais são frequentemente submetidos a influências externas.impacto durante o uso, que pode ser proveniente do processo de manuseio, carga e descarga ou colisão humana acidental. Mas o principal fator de impacto ainda vem da colisão de wafers. Os substratos de safira e SiC são muito duros. O problema de impacto é especialmente comum em equipamentos MOCVD de alta velocidade, e a velocidade de seu disco epitaxial pode atingir até 1000 rpm. Durante a partida, desligamento e operação da máquina, devido ao efeito da inércia, o substrato duro é frequentemente arremessado e atinge a parede lateral ou borda da cavidade do disco epitaxial, causando danos ao revestimento de SiC. Especialmente para a nova geração de equipamentos MOCVD de grande porte, o diâmetro externo de seu disco epitaxial é superior a 700 mm, e a forte força centrífuga torna a força de impacto do substrato maior e o poder destrutivo mais forte.

NH3 produz uma grande quantidade de H atômico após pirólise em alta temperatura, e o H atômico tem uma forte reatividade ao carbono na fase de grafite. Quando entra em contato com o substrato de grafite exposto na fissura, ele irá atacar fortemente a grafite, reagir para gerar hidrocarbonetos gasosos (NH3+C→HCN+H2) e formar furos no substrato de grafite, resultando em uma estrutura típica de furo, incluindo uma cavidade oca. área e uma área porosa de grafite. Em cada processo epitaxial, os furos liberarão continuamente uma grande quantidade de gás hidrocarboneto das rachaduras, misturando-se à atmosfera do processo, afetando a qualidade dos wafers epitaxiais cultivados por cada epitaxia e, finalmente, fazendo com que o disco de grafite seja descartado precocemente.

De modo geral, o gás utilizado na assadeira é uma pequena quantidade de H2 mais N2. H2 é usado para reagir com depósitos na superfície do disco, como AlN e AlGaN, e N2 é usado para purgar os produtos da reação. No entanto, depósitos como componentes com alto teor de Al são difíceis de serem removidos mesmo a H2/1300°C. Para produtos LED comuns, uma pequena quantidade de H2 pode ser usada para limpar a assadeira; no entanto, para produtos com requisitos mais elevados, como dispositivos de energia GaN e chips de RF, o gás Cl2 é frequentemente usado para limpar a assadeira, mas o custo é que a vida útil da bandeja é bastante reduzida em comparação com a usada para LED. Como o Cl2 pode corroer o revestimento de SiC em alta temperatura (Cl2+SiC→SiCl4+C) e formar muitos buracos de corrosão e carbono residual livre na superfície, o Cl2 primeiro corrói os limites dos grãos do revestimento de SiC e depois corrói os grãos, resultando em uma diminuição na resistência do revestimento até rachaduras e falhas.

Gás epitaxial de SiC e falha no revestimento de SiC

O gás epitaxial SiC inclui principalmente H2 (como gás de arraste), SiH4 ou SiCl4 (fornecendo fonte de Si), C3H8 ou CCl4 (fornecendo fonte de C), N2 (fornecendo fonte de N, para dopagem), TMA (trimetilalumínio, fornecendo fonte de Al, para dopagem). ), HCl+H2 (ataque in situ). Reação química do núcleo epitaxial de SiC: SiH4+C3H8→SiC+subproduto (cerca de 1650℃). Os substratos de SiC devem ser limpos com água antes da epitaxia de SiC. A limpeza úmida pode melhorar a superfície do substrato após o tratamento mecânico e remover o excesso de impurezas por meio de oxidação e redução múltipla. Então, usar HCl + H2 pode aumentar o efeito de gravação in-situ, inibir efetivamente a formação de aglomerados de Si, melhorar a eficiência de utilização da fonte de Si e gravar a superfície do cristal único de maneira mais rápida e melhor, formando uma etapa de crescimento de superfície clara, acelerando o crescimento taxa e reduzindo efetivamente os defeitos da camada epitaxial de SiC. No entanto, embora o HCl+H2 ataque o substrato de SiC in-situ, ele também causará uma pequena quantidade de corrosão no revestimento de SiC nas peças (SiC+H2→SiH4+C). Como os depósitos de SiC continuam a aumentar com o forno epitaxial, esta corrosão tem pouco efeito.

SiC é um material policristalino típico. As estruturas cristalinas mais comuns são 3C-SiC, 4H-SiC e 6H-SiC, entre as quais 4H-SiC é o material cristalino usado pelos dispositivos convencionais. Um dos principais fatores que afetam a forma do cristal é a temperatura de reação. Se a temperatura for inferior a uma determinada temperatura, outras formas cristalinas serão facilmente geradas. A temperatura de reação da epitaxia 4H-SiC amplamente utilizada na indústria é de 1550 ~ 1650 ℃. Se a temperatura for inferior a 1550 ℃, outras formas cristalinas, como 3C-SiC, serão facilmente geradas. No entanto, 3C-SiC é uma forma cristalina comumente usada em revestimentos de SiC. A temperatura de reação de cerca de 1600°C atingiu o limite de 3C-SiC. Portanto, a vida útil dos revestimentos de SiC é limitada principalmente pela temperatura de reação da epitaxia de SiC.

Como a taxa de crescimento dos depósitos de SiC nos revestimentos de SiC é muito rápida, o equipamento epitaxial de SiC de parede quente horizontal precisa ser desligado e as peças de revestimento de SiC internas precisam ser retiradas após produção contínua por um período de tempo. Os depósitos excessivos, como SiC, nas peças de revestimento de SiC são removidos por fricção mecânica → remoção de poeira → limpeza ultrassônica → purificação em alta temperatura. Este método possui muitos processos mecânicos e é fácil de causar danos mecânicos ao revestimento.

Tendo em conta os muitos problemas enfrentadosRevestimento de SiCem equipamentos epitaxiais de SiC, combinado com o excelente desempenho do revestimento TaC em equipamentos de crescimento de cristais de SiC, substituindo o revestimento de SiC emSiC epitaxialequipamentos com revestimento TaC gradualmente entraram na visão dos fabricantes e usuários de equipamentos. Por um lado, o TaC tem um ponto de fusão de até 3880 ℃ e é resistente à corrosão química, como vapor de NH3, H2, Si e HCl em altas temperaturas, e tem resistência extremamente forte a altas temperaturas e resistência à corrosão. Por outro lado, a taxa de crescimento do SiC no revestimento de TaC é muito mais lenta do que a taxa de crescimento do SiC no revestimento de SiC, o que pode aliviar os problemas de queda de grande quantidade de partículas e curto ciclo de manutenção do equipamento, e o excesso de sedimentos como SiC não pode formar uma interface químico-metalúrgica forte comRevestimento TaC, e o excesso de sedimentos é mais fácil de remover do que o SiC cultivado homogeneamente no revestimento de SiC.