Pourquoi le suscepteur en graphite recouvert de SiC échoue-t-il ? - Semi-conducteur VeTek

Analyse des facteurs de défaillance du suscepteur en graphite revêtu de SiC

Habituellement, les suscepteurs en graphite à revêtement épitaxial SiC sont souvent soumis à des contraintes externes.impact pendant l'utilisation, qui peut provenir du processus de manutention, du chargement et du déchargement, ou d'une collision humaine accidentelle. Mais le principal facteur d’impact reste la collision des tranches. Les substrats saphir et SiC sont très durs. Le problème d'impact est particulièrement courant dans les équipements MOCVD à grande vitesse, et la vitesse de son disque épitaxial peut atteindre jusqu'à 1 000 tr/min. Lors du démarrage, de l'arrêt et du fonctionnement de la machine, en raison de l'effet d'inertie, le substrat dur est souvent projeté et heurte la paroi latérale ou le bord de la fosse du disque épitaxial, provoquant des dommages au revêtement SiC. Surtout pour la nouvelle génération de grands équipements MOCVD, le diamètre extérieur de son disque épitaxial est supérieur à 700 mm, et la forte force centrifuge rend la force d'impact du substrat plus grande et le pouvoir destructeur plus fort.

NH3 produit une grande quantité de H atomique après pyrolyse à haute température, et le H atomique a une forte réactivité au carbone dans la phase graphite. Lorsqu'il entre en contact avec le substrat de graphite exposé au niveau de la fissure, il gravera fortement le graphite, réagira pour générer des hydrocarbures gazeux (NH3+C→HCN+H2) et formera des trous de forage dans le substrat de graphite, ce qui donnera une structure de trou de forage typique comprenant un trou creux. zone et une zone de graphite poreux. Dans chaque processus d'épitaxie, les trous de forage libéreront continuellement une grande quantité d'hydrocarbures gazeux des fissures, se mélangeront à l'atmosphère du processus, affecteront la qualité des tranches épitaxiales cultivées par chaque épitaxie et provoqueront finalement la mise au rebut précoce du disque de graphite.

D'une manière générale, le gaz utilisé dans la plaque à pâtisserie est une petite quantité de H2 plus N2. H2 est utilisé pour réagir avec les dépôts à la surface du disque tels que AlN et AlGaN, et N2 est utilisé pour purger les produits de réaction. Cependant, les dépôts tels que les composants à haute teneur en Al sont difficiles à éliminer même à H2/1 300 ℃. Pour les produits LED ordinaires, une petite quantité de H2 peut être utilisée pour nettoyer la plaque de cuisson ; cependant, pour les produits ayant des exigences plus élevées, tels que les dispositifs d'alimentation GaN et les puces RF, le gaz Cl2 est souvent utilisé pour nettoyer la plaque de cuisson, mais le coût est que la durée de vie de la plaque est considérablement réduite par rapport à celle utilisée pour les LED. Étant donné que le Cl2 peut corroder le revêtement SiC à haute température (Cl2+SiC→SiCl4+C) et former de nombreux trous de corrosion et du carbone libre résiduel sur la surface, le Cl2 corrode d'abord les joints de grains du revêtement SiC, puis corrode les grains, ce qui entraîne une diminution de la résistance du revêtement jusqu'à la fissuration et la rupture.

Défaillance du gaz épitaxial SiC et du revêtement SiC

Le gaz épitaxial SiC comprend principalement H2 (comme gaz porteur), SiH4 ou SiCl4 (fournissant une source de Si), C3H8 ou CCl4 (fournissant une source de C), N2 (fournissant une source de N, pour le dopage), TMA (triméthylaluminium, fournissant une source d'Al, pour le dopage). ), HCl+H2 (gravure in situ). Réaction chimique du noyau épitaxial SiC : SiH4+C3H8→SiC+sous-produit (environ 1650℃). Les substrats SiC doivent être nettoyés à l’eau avant l’épitaxie SiC. Le nettoyage humide peut améliorer la surface du substrat après un traitement mécanique et éliminer les excès d'impuretés grâce à de multiples oxydations et réductions. Ensuite, l'utilisation de HCl + H2 peut améliorer l'effet de gravure in situ, inhiber efficacement la formation d'amas de Si, améliorer l'efficacité d'utilisation de la source de Si et graver la surface du monocristal plus rapidement et mieux, formant une étape de croissance de surface claire, accélérant la croissance. taux et réduisant efficacement les défauts de la couche épitaxiale SiC. Cependant, même si HCl+H2 attaque le substrat SiC in situ, il provoque également une légère corrosion du revêtement SiC des pièces (SiC+H2→SiH4+C). Les dépôts de SiC continuant d'augmenter avec le four d'épitaxie, cette corrosion a peu d'effet.

Le SiC est un matériau polycristallin typique. Les structures cristallines les plus courantes sont le 3C-SiC, le 4H-SiC et le 6H-SiC, parmi lesquels le 4H-SiC est le matériau cristallin utilisé par les appareils grand public. L’un des principaux facteurs affectant la forme cristalline est la température de réaction. Si la température est inférieure à une certaine température, d’autres formes cristallines seront facilement générées. La température de réaction de l'épitaxie 4H-SiC largement utilisée dans l'industrie est de 1 550 ~ 1 650 ℃. Si la température est inférieure à 1 550 ℃, d’autres formes cristallines telles que le 3C-SiC seront facilement générées. Cependant, le 3C-SiC est une forme cristalline couramment utilisée dans les revêtements SiC. La température de réaction d'environ 1 600 ℃ a atteint la limite du 3C-SiC. Par conséquent, la durée de vie des revêtements SiC est principalement limitée par la température de réaction de l’épitaxie SiC.

Étant donné que le taux de croissance des dépôts de SiC sur les revêtements SiC est très rapide, l'équipement épitaxial SiC à paroi chaude horizontale doit être arrêté et les pièces de revêtement SiC à l'intérieur doivent être retirées après une production continue pendant un certain temps. Les dépôts en excès tels que le SiC sur les pièces recouvertes de SiC sont éliminés par friction mécanique → dépoussiérage → nettoyage par ultrasons → purification à haute température. Cette méthode comporte de nombreux processus mécaniques et peut facilement causer des dommages mécaniques au revêtement.

Compte tenu des nombreux problèmes rencontrés parRevêtement SiCdans les équipements épitaxiaux SiC, combinés aux excellentes performances du revêtement TaC dans les équipements de croissance cristalline SiC, remplaçant le revêtement SiC dansEpitaxie SiCles équipements avec revêtement TaC sont progressivement entrés dans la vision des fabricants d'équipements et des utilisateurs d'équipements. D'une part, le TaC a un point de fusion allant jusqu'à 3 880 ℃ et résiste à la corrosion chimique telle que les vapeurs de NH3, H2, Si et HCl à haute température, et présente une résistance extrêmement forte aux températures élevées et à la corrosion. D'autre part, le taux de croissance du SiC sur le revêtement TaC est beaucoup plus lent que le taux de croissance du SiC sur le revêtement SiC, ce qui peut atténuer les problèmes liés à la chute d'une grande quantité de particules et au cycle de maintenance court des équipements, ainsi qu'à l'excès de sédiments tels que le SiC. ne peut pas former une interface métallurgique chimique forte avecrevêtement TaC, et les sédiments en excès sont plus faciles à éliminer que le SiC cultivé de manière homogène sur un revêtement SiC.