Почему графитовый токоприемник с покрытием SiC выходит из строя? - ВеТек Полупроводник

Анализ факторов отказа графитового токоприемника с покрытием SiC

Обычно графитовые сенсепторы с эпитаксиальным покрытием SiC часто подвергаются внешним воздействиям.воздействие во время использования, которое может возникнуть в результате погрузочно-разгрузочных работ, погрузки и разгрузки или случайного столкновения с человеком. Но основной ударный фактор по-прежнему исходит от столкновения пластин. Подложки как сапфира, так и SiC очень твердые. Проблема удара особенно распространена в высокоскоростном оборудовании MOCVD, а скорость его эпитаксиального диска может достигать 1000 об/мин. Во время запуска, остановки и работы машины из-за эффекта инерции твердая подложка часто отбрасывается и ударяется о боковую стенку или край эпитаксиальной ямы диска, вызывая повреждение SiC-покрытия. Специально для нового поколения крупного оборудования MOCVD внешний диаметр эпитаксиального диска превышает 700 мм, а сильная центробежная сила увеличивает силу удара подложки и увеличивает разрушительную силу.

NH3 производит большое количество атомарного H после высокотемпературного пиролиза, а атом H обладает сильной реакционной способностью по отношению к углероду в графитовой фазе. Когда он контактирует с обнаженной графитовой подложкой в ​​месте трещины, он сильно травит графит, реагирует с образованием газообразных углеводородов (NH3+C→HCN+H2) и образует отверстия в графитовой подложке, в результате чего образуется типичная структура скважины, включающая пустоты. область и область пористого графита. В каждом эпитаксиальном процессе скважины будут постоянно выделять большое количество углеводородного газа из трещин, смешиваться с технологической атмосферой, влиять на качество эпитаксиальных пластин, выращенных в результате каждой эпитаксии, и, наконец, вызывать преждевременную списание графитового диска.

Вообще говоря, газ, используемый в противне, представляет собой небольшое количество H2 плюс N2. H2 используется для реакции с отложениями на поверхности диска, такими как AlN и AlGaN, а N2 используется для очистки продуктов реакции. Однако отложения, такие как компоненты с высоким содержанием Al, трудно удалить даже при H2/1300 ℃. Для обычных светодиодных изделий можно использовать небольшое количество H2 для очистки противня; однако для продуктов с более высокими требованиями, таких как силовые устройства GaN и радиочастотные чипы, газ Cl2 часто используется для очистки противня, но стоимость заключается в том, что срок службы лотка значительно сокращается по сравнению с тем, который используется для светодиодов. Поскольку Cl2 может разъедать покрытие SiC при высокой температуре (Cl2+SiC→SiCl4+C) и образовывать множество коррозионных дыр и остаточный свободный углерод на поверхности, Cl2 сначала разъедает границы зерен покрытия SiC, а затем разъедает зерна, что приводит к снижение прочности покрытия вплоть до растрескивания и разрушения.

Эпитаксиальный газ SiC и разрушение покрытия SiC

Эпитаксиальный газ SiC в основном включает H2 (в качестве газа-носителя), SiH4 или SiCl4 (источник Si), C3H8 или CCl4 (источник C), N2 (источник N для легирования), ТМА (триметилалюминий, источник Al для легирования). ), HCl+H2 (травление in situ). Химическая реакция эпитаксиального ядра SiC: SiH4+C3H8→SiC+побочный продукт (около 1650℃). Подложки SiC необходимо подвергнуть влажной очистке перед эпитаксией SiC. Влажная очистка позволяет улучшить поверхность основы после механической обработки и удалить лишние загрязнения путем многократного окисления и восстановления. Затем использование HCl+H2 может усилить эффект травления на месте, эффективно препятствовать образованию кластеров Si, повысить эффективность использования источника Si и быстрее и лучше травить поверхность монокристалла, образуя четкую ступеньку роста поверхности, ускоряя рост. Скорость и эффективное уменьшение дефектов эпитаксиального слоя SiC. Однако, хотя HCl+H2 травит подложку SiC на месте, это также вызывает небольшую коррозию SiC-покрытия на деталях (SiC+H2→SiH4+C). Поскольку отложения SiC продолжают увеличиваться в эпитаксиальной печи, эта коррозия оказывает незначительное влияние.

SiC — типичный поликристаллический материал. Наиболее распространенными кристаллическими структурами являются 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC, среди которых 4H-SiC является кристаллическим материалом, используемым в основных устройствах. Одним из основных факторов, влияющих на кристаллическую форму, является температура реакции. Если температура ниже определенной температуры, легко образуются другие кристаллические формы. Температура реакции эпитаксии 4H-SiC, широко используемой в промышленности, составляет 1550 ~ 1650 ℃. Если температура ниже 1550 ℃, легко образуются другие кристаллические формы, такие как 3C-SiC. Однако 3C-SiC представляет собой кристаллическую форму, обычно используемую в покрытиях SiC. Температура реакции около 1600 ℃ достигла предела 3C-SiC. Поэтому срок службы покрытий SiC в основном ограничивается температурой реакции эпитаксии SiC.

Поскольку скорость роста отложений SiC на покрытиях SiC очень высока, необходимо остановить горизонтальное эпитаксиальное оборудование SiC с горячими стенками, а детали покрытия SiC внутри необходимо вынуть после непрерывного производства в течение определенного периода времени. Избыточные отложения, такие как SiC, на деталях с покрытием SiC удаляются путем механического трения → удаление пыли → ультразвуковая очистка → высокотемпературная очистка. Этот метод предполагает множество механических процессов и позволяет легко вызвать механическое повреждение покрытия.

Ввиду многочисленных проблем, с которыми сталкиваетсяSiC-покрытиев эпитаксиальном оборудовании SiC в сочетании с превосходными характеристиками покрытия TaC в оборудовании для выращивания кристаллов SiC, заменяющего покрытие SiC вКарбид кремния эпитаксиальныйоборудование с покрытием TaC постепенно вошло в поле зрения производителей оборудования и пользователей оборудования. С одной стороны, TaC имеет температуру плавления до 3880 ℃, устойчив к химической коррозии, такой как пары NH3, H2, Si и HCl, при высоких температурах, а также обладает чрезвычайно высокой устойчивостью к высоким температурам и коррозионной стойкостью. С другой стороны, скорость роста SiC на покрытии TaC намного медленнее, чем скорость роста SiC на покрытии SiC, что может облегчить проблемы падения большого количества частиц и короткого цикла обслуживания оборудования, а также избыточных отложений, таких как SiC. не может образовать прочный химико-металлургический интерфейс сTaC-покрытие, а лишние осадки удалить легче, чем SiC, однородно выращенный на покрытии SiC.