文章來源：晶格半導(dǎo)體???

原文作者：晶格半導(dǎo)體???

SiC外延設(shè)備的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在反應(yīng)室設(shè)計(jì)、加熱系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的精確控制上。在SiC外延生長過程中，晶型夾雜和缺陷問題頻發(fā)，嚴(yán)重影響外延膜的質(zhì)量。如何在提高外延生長速率和品質(zhì)的同時(shí)，有效避免這些問題的產(chǎn)生，可以從以下幾個(gè)方面入手。?

反應(yīng)室設(shè)計(jì)優(yōu)化?????????

1、氣體分布優(yōu)化

設(shè)計(jì)更合理的氣體入口結(jié)構(gòu)，采用氣體分布器或特殊的進(jìn)氣管道布局，使反應(yīng)氣體（如硅源、碳源等）能均勻地進(jìn)入反應(yīng)室，避免局部氣體濃度過高或過低。例如，采用多孔板氣體分布器，讓氣體通過小孔均勻擴(kuò)散到反應(yīng)區(qū)域，這樣能保證外延生長過程中各處反應(yīng)條件一致，減少因氣體分布不均導(dǎo)致的晶型夾雜和缺陷。

優(yōu)化反應(yīng)室的形狀和內(nèi)部流場(chǎng)，通過計(jì)算機(jī)模擬流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，分析氣體在反應(yīng)室內(nèi)的流動(dòng)特性，調(diào)整反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，使氣體流動(dòng)更加平穩(wěn)，減少氣體的渦流和滯流區(qū)域，從而提高外延生長的均勻性，降低缺陷產(chǎn)生幾率。

2、反應(yīng)室材料選擇與處理

選擇合適的反應(yīng)室材料，確保其在高溫、腐蝕性氣體環(huán)境下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。例如，選用經(jīng)過特殊涂層處理的石英或碳化硅材質(zhì)反應(yīng)室，這些材料不僅能耐受高溫和反應(yīng)氣體的侵蝕，還能減少雜質(zhì)的釋放，避免因反應(yīng)室材料引入雜質(zhì)而導(dǎo)致外延膜缺陷。

對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和預(yù)處理，在每次使用前，采用高溫烘烤、化學(xué)清洗等方法去除反應(yīng)室內(nèi)殘留的雜質(zhì)和污染物，保證反應(yīng)環(huán)境的純凈，為高質(zhì)量的外延生長創(chuàng)造條件。

加熱系統(tǒng)改進(jìn)????

1、溫度均勻性控制

采用多區(qū)加熱技術(shù)，在反應(yīng)室周圍設(shè)置多個(gè)獨(dú)立控制的加熱區(qū)，通過精確調(diào)節(jié)每個(gè)加熱區(qū)的功率，使反應(yīng)室內(nèi)不同位置的溫度分布更加均勻。例如，在水平式反應(yīng)室中，可在反應(yīng)室的前端、中端和后端分別設(shè)置加熱區(qū)，根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整各加熱區(qū)的功率，確保整個(gè)反應(yīng)區(qū)域的溫度偏差控制在極小范圍內(nèi)，避免因溫度梯度導(dǎo)致的晶型轉(zhuǎn)變異常和缺陷形成。

優(yōu)化加熱元件的布局和結(jié)構(gòu)，采用更合理的加熱絲纏繞方式或使用新型的加熱材料，如石墨加熱體等，提高加熱效率和溫度均勻性。同時(shí)，在加熱元件與反應(yīng)室之間設(shè)置隔熱層，減少熱量散失和熱傳導(dǎo)不均的影響，進(jìn)一步提升溫度控制的精度。

2、溫度精確控制與穩(wěn)定性

配備高精度的溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)室內(nèi)的溫度變化，并將溫度信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。采用先進(jìn)的溫度控制算法，如比例 - 積分 - 微分（PID）控制算法及其改進(jìn)算法，根據(jù)溫度偏差精確調(diào)節(jié)加熱功率，使反應(yīng)溫度能夠快速、穩(wěn)定地達(dá)到設(shè)定值，并保持在極小的波動(dòng)范圍內(nèi)。例如，將溫度波動(dòng)控制在 ±1℃以內(nèi)，為外延生長提供穩(wěn)定的熱環(huán)境，減少因溫度波動(dòng)導(dǎo)致的晶型夾雜和缺陷。

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)優(yōu)化????

1、旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性提升

選用高精度的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和軸承，確保旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和低振動(dòng)特性。例如，采用空氣軸承或磁懸浮軸承，這些軸承能夠有效減少機(jī)械摩擦和振動(dòng)，保證晶圓在旋轉(zhuǎn)過程中的平穩(wěn)性，避免因旋轉(zhuǎn)抖動(dòng)導(dǎo)致外延膜生長不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生缺陷。

對(duì)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試和校正，在安裝前對(duì)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行精確的動(dòng)平衡檢測(cè)，通過添加或去除配重塊等方式，使旋轉(zhuǎn)部件的重心與旋轉(zhuǎn)軸重合，減少因不平衡旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，保證晶圓在旋轉(zhuǎn)過程中各點(diǎn)受到的力均勻，提高外延生長的一致性。

2、旋轉(zhuǎn)速度精確控制

采用先進(jìn)的速度控制系統(tǒng)，能夠精確調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)外延生長的不同階段和工藝要求，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速。例如，在生長初期采用較低的轉(zhuǎn)速，使反應(yīng)氣體能夠充分吸附在晶圓表面，形成均勻的初始層；隨著生長過程的進(jìn)行，逐漸提高轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)氣體的擴(kuò)散和混合效果，提高外延生長速率和質(zhì)量。通過精確控制旋轉(zhuǎn)速度，優(yōu)化外延生長過程中的傳質(zhì)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，減少晶型夾雜和缺陷的產(chǎn)生。

工藝參數(shù)優(yōu)化????

1、生長溫度和時(shí)間優(yōu)化

通過實(shí)驗(yàn)和理論模擬相結(jié)合的方法，確定最佳的外延生長溫度窗口。不同的晶型對(duì)生長溫度有嚴(yán)格要求，例如，4H - SiC 的外延生長通常在 1500 - 1600℃之間，在此溫度范圍內(nèi)精確調(diào)整溫度，找到既能保證較高生長速率又能減少晶型夾雜和缺陷的最佳溫度點(diǎn)。同時(shí)，合理控制生長時(shí)間，避免過長或過短的生長時(shí)間導(dǎo)致的外延膜質(zhì)量問題。例如，過長的生長時(shí)間可能會(huì)使雜質(zhì)積累增多，產(chǎn)生更多缺陷；過短的生長時(shí)間則可能導(dǎo)致外延膜厚度不均勻或生長不完全。

2、氣體流量和比例調(diào)整

精確控制反應(yīng)氣體的流量，根據(jù)外延生長的速率和質(zhì)量要求，實(shí)時(shí)調(diào)整硅源、碳源等氣體的流量。例如，在生長初期，適當(dāng)增加硅源氣體的流量，促進(jìn)硅原子在晶圓表面的吸附和沉積，形成良好的初始層；在生長后期，根據(jù)外延膜的生長情況，合理調(diào)整碳源氣體的流量，以保證碳硅比符合目標(biāo)晶型的要求，避免因碳硅比失調(diào)導(dǎo)致晶型夾雜。同時(shí)，精確控制載氣（如氫氣）的流量，通過載氣的流動(dòng)帶動(dòng)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散和混合，優(yōu)化反應(yīng)環(huán)境，提高外延生長的質(zhì)量。

3、壓力控制

優(yōu)化反應(yīng)室內(nèi)的壓力條件，根據(jù)不同的外延生長工藝，選擇合適的生長壓力。例如，在常壓或低壓條件下進(jìn)行外延生長，通過精確控制壓力，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散和反應(yīng)速率。較低的壓力可以促進(jìn)氣體分子的擴(kuò)散，減少氣相中的雜質(zhì)碰撞和沉積，有利于提高外延膜的質(zhì)量；而在某些情況下，適當(dāng)提高壓力可以增加反應(yīng)氣體的濃度，提高外延生長速率。通過精確控制壓力參數(shù)，找到生長速率和質(zhì)量的最佳平衡點(diǎn)，減少晶型夾雜和缺陷的產(chǎn)生。

原材料質(zhì)量控制????

1、氣體純度

保證使用高純度的反應(yīng)氣體，確保硅源（如硅烷等）、碳源（如丙烷等）和載氣（如氫氣）的純度達(dá)到 99.999% 以上，甚至更高。采用氣體純化設(shè)備，進(jìn)一步去除氣體中的雜質(zhì)，如水分、氧氣、金屬雜質(zhì)等，避免這些雜質(zhì)在反應(yīng)過程中進(jìn)入外延膜，導(dǎo)致晶型夾雜和缺陷。例如，通過低溫冷凝、吸附等方法去除氣體中的水分和氧氣，通過特殊的金屬吸附劑去除氣體中的金屬雜質(zhì)，保證反應(yīng)氣體的純凈度。

2、晶圓質(zhì)量

篩選對(duì)用于外延生長的 SiC 晶圓進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量篩選，選擇晶體質(zhì)量高、缺陷密度低的晶圓。在晶圓的采購過程中，要求供應(yīng)商提供詳細(xì)的晶體質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，包括位錯(cuò)密度、微管密度等指標(biāo)。在使用前，對(duì)晶圓進(jìn)行再次檢測(cè)，如采用化學(xué)腐蝕法觀察晶圓表面的缺陷情況，采用 X 射線衍射等技術(shù)檢測(cè)晶圓的晶體結(jié)構(gòu)完整性。通過選擇高質(zhì)量的晶圓作為生長襯底，為獲得高質(zhì)量的外延膜奠定基礎(chǔ)，減少因襯底缺陷導(dǎo)致的外延膜晶型夾雜和缺陷問題。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋控制?????

1、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

采用原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，如反射高能電子衍射（RHEED）、光發(fā)射光譜（OES）等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外延生長過程中的晶體結(jié)構(gòu)和反應(yīng)氣體的狀態(tài)。RHEED 可以實(shí)時(shí)觀察外延層的生長模式、晶型轉(zhuǎn)變等情況，通過監(jiān)測(cè)衍射圖案的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)晶型夾雜等問題；OES 則可以在線分析反應(yīng)氣體的成分和濃度變化，根據(jù)光譜信號(hào)調(diào)整氣體流量和比例，保證反應(yīng)過程的穩(wěn)定性。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生長過程中的異常情況，為及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)提供依據(jù)。

2、反饋控制系統(tǒng)建立

基于在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，建立反饋控制系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)到的晶體結(jié)構(gòu)、溫度、氣體流量等信息實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)和模型，自動(dòng)調(diào)整反應(yīng)室設(shè)計(jì)、加熱系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外延生長過程的閉環(huán)控制。例如，當(dāng) RHEED 監(jiān)測(cè)到晶型出現(xiàn)異常時(shí)，反饋控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整加熱溫度、氣體流量等參數(shù)，嘗試糾正晶型生長方向，避免晶型夾雜和缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大，從而提高外延生長的穩(wěn)定性和外延膜的質(zhì)量。