กระบวนการเตรียมเมล็ดคริสตัลในการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)วัสดุมีข้อดีคือมีแถบความถี่กว้าง ค่าการนำความร้อนสูง ความแรงของสนามสลายวิกฤตสูง และความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูง ทำให้มีแนวโน้มสูงในด้านการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยทั่วไปผลึกเดี่ยว SiC จะถูกผลิตขึ้นโดยวิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) ขั้นตอนเฉพาะของวิธีนี้เกี่ยวข้องกับการวางผง SiC ที่ด้านล่างของถ้วยใส่ตัวอย่างกราไฟท์ และวางผลึกเมล็ด SiC ที่ด้านบนของถ้วยใส่ตัวอย่าง กราไฟท์เบ้าหลอมถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิการระเหิดของ SiC ทำให้ผง SiC สลายตัวเป็นสารที่มีสถานะเป็นไอ เช่น ไอ Si, Si2C และ SiC2 ภายใต้อิทธิพลของการไล่ระดับอุณหภูมิตามแนวแกน สารที่ระเหยกลายเป็นไอเหล่านี้จะระเหิดไปที่ด้านบนของถ้วยใส่ตัวอย่างและควบแน่นบนพื้นผิวของผลึกเมล็ด SiC และตกผลึกเป็นผลึกเดี่ยว SiC

ปัจจุบันมีเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเมล็ดที่ใช้การเติบโตของผลึกเดี่ยว SiCต้องตรงกับเส้นผ่านศูนย์กลางคริสตัลเป้าหมาย ในระหว่างการเจริญเติบโต ผลึกเมล็ดจะถูกยึดไว้บนที่ยึดเมล็ดที่ด้านบนของถ้วยใส่ตัวอย่างโดยใช้กาว อย่างไรก็ตาม วิธีการยึดผลึกเมล็ดวิธีนี้อาจทำให้เกิดปัญหา เช่น ช่องว่างในชั้นกาว เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความแม่นยำของพื้นผิวของตัวยึดเมล็ดพืช และความสม่ำเสมอของการเคลือบกาว ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องในช่องว่างหกเหลี่ยมได้ ซึ่งรวมถึงการปรับปรุงความเรียบของแผ่นกราไฟท์ การเพิ่มความสม่ำเสมอของความหนาของชั้นกาว และการเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์ที่ยืดหยุ่น แม้จะมีความพยายามเหล่านี้ แต่ก็ยังมีปัญหาเกี่ยวกับความหนาแน่นของชั้นกาว และมีความเสี่ยงที่ผลึกเมล็ดจะหลุดออก โดยการนำเอาวิธีการยึดติดเวเฟอร์ไปยังกระดาษกราไฟท์และทับซ้อนกันที่ด้านบนของเบ้าหลอม ความหนาแน่นของชั้นกาวสามารถปรับปรุงได้ และสามารถป้องกันการหลุดของเวเฟอร์ได้

1. โครงการทดลอง:
เวเฟอร์ที่ใช้ในการทดลองมีจำหน่ายในท้องตลาดเวเฟอร์ SiC ชนิด N ขนาด 6 นิ้ว- การเคลือบด้วยแสงจะใช้เครื่องเคลือบแบบหมุน การยึดเกาะทำได้โดยใช้เตากดร้อนเมล็ดที่พัฒนาขึ้นเอง

1.1 โครงการตรึงคริสตัลเมล็ดพันธุ์:
ในปัจจุบัน รูปแบบการยึดเกาะคริสตัลเมล็ด SiC สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ประเภทกาวและประเภทแขวนลอย

รูปแบบประเภทกาว (รูปที่ 1): สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการยึดติดเวเฟอร์ SiCไปที่แผ่นกราไฟท์ด้วยชั้นกระดาษกราไฟท์เป็นชั้นบัฟเฟอร์เพื่อขจัดช่องว่างระหว่างเวเฟอร์ SiCและแผ่นกราไฟท์ ในการผลิตจริง ความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างกระดาษกราไฟท์และแผ่นกราไฟท์มีน้อย ส่งผลให้ผลึกเมล็ดหลุดออกบ่อยครั้งในระหว่างกระบวนการเติบโตที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้เกิดความล้มเหลวในการเจริญเติบโต

รูปแบบประเภทระบบกันสะเทือน (รูปที่ 2): โดยทั่วไป ฟิล์มคาร์บอนหนาแน่นจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวพันธะของเวเฟอร์ SiC โดยใช้กาวคาร์บอไนเซชันหรือวิธีการเคลือบ ที่เวเฟอร์ SiCจากนั้นจะถูกยึดไว้ระหว่างแผ่นกราไฟท์สองแผ่นและวางไว้ที่ด้านบนของเบ้าหลอมกราไฟท์ เพื่อให้มั่นใจถึงความมั่นคงในขณะที่ฟิล์มคาร์บอนจะปกป้องแผ่นเวเฟอร์ อย่างไรก็ตาม การสร้างฟิล์มคาร์บอนผ่านการเคลือบมีค่าใช้จ่ายสูงและไม่เหมาะกับการผลิตภาคอุตสาหกรรม วิธีการคาร์บอไนเซชันด้วยกาวทำให้ฟิล์มคาร์บอนมีคุณภาพไม่สอดคล้องกัน ทำให้ยากต่อการได้ฟิล์มคาร์บอนที่มีความหนาแน่นสมบูรณ์พร้อมการยึดเกาะที่แข็งแรง นอกจากนี้ การยึดแผ่นกราไฟท์จะช่วยลดพื้นที่การเจริญเติบโตของแผ่นเวเฟอร์โดยการปิดกั้นพื้นผิวบางส่วน

จากสองรูปแบบข้างต้น มีการเสนอรูปแบบกาวและการทับซ้อนกันใหม่ (รูปที่ 3):

ฟิล์มคาร์บอนที่ค่อนข้างหนาแน่นจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวพันธะของแผ่นเวเฟอร์ SiC โดยใช้วิธีกาวคาร์บอไนเซชัน เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีแสงรั่วไหลขนาดใหญ่ภายใต้แสงสว่าง
เวเฟอร์ SiC ที่หุ้มด้วยฟิล์มคาร์บอนจะติดเข้ากับกระดาษกราไฟท์ โดยพื้นผิวที่ติดจะเป็นด้านของฟิล์มคาร์บอน ชั้นกาวควรปรากฏเป็นสีดำสม่ำเสมอภายใต้แสง
กระดาษกราไฟท์ถูกยึดด้วยแผ่นกราไฟท์และแขวนไว้เหนือเบ้าหลอมกราไฟท์เพื่อการเจริญเติบโตของผลึก

1.2 กาว:
ความหนืดของโฟโตรีซิสต์มีผลอย่างมากต่อความสม่ำเสมอของความหนาของฟิล์ม ที่ความเร็วการหมุนเท่ากัน ความหนืดที่ลดลงส่งผลให้ฟิล์มกาวบางลงและสม่ำเสมอมากขึ้น ดังนั้นจึงเลือกใช้โฟโตรีซิสต์ที่มีความหนืดต่ำภายในข้อกำหนดการใช้งาน

ในระหว่างการทดลองพบว่าความหนืดของกาวคาร์บอไนซ์ส่งผลต่อความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างฟิล์มคาร์บอนกับแผ่นเวเฟอร์ ความหนืดสูงทำให้ยากต่อการทาอย่างสม่ำเสมอโดยใช้เครื่องเคลือบแบบหมุน ในขณะที่ความหนืดต่ำส่งผลให้มีความแข็งแรงในการยึดเกาะต่ำ ส่งผลให้ฟิล์มคาร์บอนแตกร้าวในระหว่างกระบวนการติดติดที่ตามมา เนื่องมาจากการไหลของกาวและแรงดันภายนอก จากการวิจัยเชิงทดลอง ความหนืดของกาวคาร์บอไนซ์ถูกกำหนดไว้ที่ 100 mPa·s และความหนืดของกาวยึดติดถูกกำหนดไว้ที่ 25 mPa·s

1.3 สูญญากาศในการทำงาน:
กระบวนการสร้างฟิล์มคาร์บอนบนเวเฟอร์ SiC เกี่ยวข้องกับการทำให้ชั้นกาวเป็นคาร์บอนบนพื้นผิวเวเฟอร์ SiC ซึ่งจะต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่มีสุญญากาศหรือมีการป้องกันอาร์กอน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าสภาพแวดล้อมที่มีการป้องกันอาร์กอนเอื้อต่อการสร้างฟิล์มคาร์บอนมากกว่าสภาพแวดล้อมที่มีสุญญากาศสูง หากใช้สภาพแวดล้อมสุญญากาศ ระดับสุญญากาศควรอยู่ที่ ≤1 Pa

กระบวนการยึดเหนี่ยวผลึกเมล็ด SiC เกี่ยวข้องกับการยึดเวเฟอร์ SiC กับแผ่นกราไฟท์/กระดาษกราไฟท์ เมื่อพิจารณาถึงผลกระทบจากการกัดกร่อนของออกซิเจนต่อวัสดุกราไฟท์ที่อุณหภูมิสูง กระบวนการนี้จำเป็นต้องดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศ ศึกษาผลกระทบของระดับสุญญากาศต่างๆ บนชั้นกาว ผลการทดลองแสดงไว้ในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าภายใต้สภาวะสุญญากาศต่ำ โมเลกุลของออกซิเจนในอากาศจะไม่ถูกกำจัดออกไปจนหมด ทำให้เกิดชั้นกาวที่ไม่สมบูรณ์ เมื่อระดับสุญญากาศต่ำกว่า 10 Pa ผลการกัดกร่อนของโมเลกุลออกซิเจนบนชั้นกาวจะลดลงอย่างมาก เมื่อระดับสุญญากาศต่ำกว่า 1 Pa ผลการกัดกร่อนจะถูกกำจัดออกไปโดยสิ้นเชิง