¿Por qué falla el susceptor de grafito recubierto de SiC? - VeTek Semiconductor

Análisis de factores de falla del susceptor de grafito recubierto de SiC

Por lo general, los susceptores de grafito recubiertos de SiC epitaxiales suelen estar sujetos a i externos.Impacto durante el uso, que puede provenir del proceso de manipulación, carga y descarga o colisión humana accidental. Pero el principal factor de impacto sigue siendo la colisión de las obleas. Tanto los sustratos de zafiro como los de SiC son muy duros. El problema del impacto es especialmente común en equipos MOCVD de alta velocidad, y la velocidad de su disco epitaxial puede alcanzar hasta 1000 rpm. Durante el arranque, parada y operación de la máquina, debido al efecto de la inercia, el sustrato duro a menudo sale disparado y golpea la pared lateral o el borde de la fosa del disco epitaxial, causando daños al recubrimiento de SiC. Especialmente para la nueva generación de equipos MOCVD grandes, el diámetro exterior de su disco epitaxial es superior a 700 mm y la fuerte fuerza centrífuga hace que la fuerza de impacto del sustrato sea mayor y el poder destructivo.

El NH3 produce una gran cantidad de H atómico después de la pirólisis a alta temperatura, y el H atómico tiene una fuerte reactividad con el carbono en la fase de grafito. Cuando entra en contacto con el sustrato de grafito expuesto en la grieta, grabará fuertemente el grafito, reaccionará para generar hidrocarburos gaseosos (NH3+C→HCN+H2) y formará perforaciones en el sustrato de grafito, lo que dará como resultado una estructura de perforación típica que incluye un hueco. área y un área de grafito poroso. En cada proceso epitaxial, los pozos liberarán continuamente una gran cantidad de gas hidrocarburo de las grietas, se mezclarán con la atmósfera del proceso, afectarán la calidad de las obleas epitaxiales cultivadas por cada epitaxia y, finalmente, provocarán que el disco de grafito se deseche antes de tiempo.

En términos generales, el gas utilizado en la bandeja para hornear es una pequeña cantidad de H2 más N2. Se utiliza H2 para reaccionar con depósitos en la superficie del disco, como AlN y AlGaN, y se utiliza N2 para purgar los productos de reacción. Sin embargo, los depósitos como los componentes con alto contenido de Al son difíciles de eliminar incluso a H2/1300 ℃. Para productos LED normales, se puede utilizar una pequeña cantidad de H2 para limpiar la bandeja para hornear; sin embargo, para productos con requisitos más altos, como dispositivos de potencia GaN y chips RF, a menudo se usa gas Cl2 para limpiar la bandeja para hornear, pero el costo es que la vida útil de la bandeja se reduce considerablemente en comparación con la que se usa para LED. Debido a que el Cl2 puede corroer el recubrimiento de SiC a alta temperatura (Cl2+SiC→SiCl4+C) y formar muchos agujeros de corrosión y carbono libre residual en la superficie, el Cl2 primero corroe los límites de los granos del recubrimiento de SiC y luego corroe los granos, lo que resulta en una disminución en la resistencia del recubrimiento hasta el agrietamiento y falla.

Falla del gas epitaxial de SiC y del recubrimiento de SiC

El gas epitaxial de SiC incluye principalmente H2 (como gas portador), SiH4 o SiCl4 (que proporciona una fuente de Si), C3H8 o CCl4 (que proporciona una fuente de C), N2 (que proporciona una fuente de N, para dopaje), TMA (trimetilaluminio, que proporciona una fuente de Al, para dopaje). ), HCl+H2 (grabado in situ). Reacción química del núcleo epitaxial de SiC: SiH4+C3H8→SiC+subproducto (aproximadamente 1650 ℃). Los sustratos de SiC deben limpiarse en húmedo antes de la epitaxia de SiC. La limpieza húmeda puede mejorar la superficie del sustrato después del tratamiento mecánico y eliminar el exceso de impurezas mediante oxidación y reducción múltiples. Luego, el uso de HCl+H2 puede mejorar el efecto de grabado in situ, inhibir eficazmente la formación de grupos de Si, mejorar la eficiencia de utilización de la fuente de Si y grabar la superficie del monocristal más rápido y mejor, formando un claro paso de crecimiento de la superficie, acelerando el crecimiento. Tasa y reducción efectiva de los defectos de la capa epitaxial de SiC. Sin embargo, aunque HCl+H2 graba el sustrato de SiC in situ, también provocará una pequeña cantidad de corrosión en el revestimiento de SiC de las piezas (SiC+H2→SiH4+C). Dado que los depósitos de SiC continúan aumentando con el horno epitaxial, esta corrosión tiene poco efecto.

El SiC es un material policristalino típico. Las estructuras cristalinas más comunes son 3C-SiC, 4H-SiC y 6H-SiC, entre las cuales 4H-SiC es el material cristalino utilizado por los dispositivos convencionales. Uno de los principales factores que afectan la forma cristalina es la temperatura de reacción. Si la temperatura es inferior a cierta temperatura, se generarán fácilmente otras formas cristalinas. La temperatura de reacción de la epitaxia 4H-SiC ampliamente utilizada en la industria es de 1550 ~ 1650 ℃. Si la temperatura es inferior a 1550 ℃, se generarán fácilmente otras formas cristalinas como el 3C-SiC. Sin embargo, el 3C-SiC es una forma cristalina comúnmente utilizada en recubrimientos de SiC. La temperatura de reacción de aproximadamente 1600 ℃ ha alcanzado el límite de 3C-SiC. Por lo tanto, la vida útil de los recubrimientos de SiC está limitada principalmente por la temperatura de reacción de la epitaxia de SiC.

Dado que la tasa de crecimiento de los depósitos de SiC en los recubrimientos de SiC es muy rápida, el equipo epitaxial de SiC de pared caliente horizontal debe apagarse y las piezas internas del recubrimiento de SiC deben retirarse después de una producción continua durante un período de tiempo. El exceso de depósitos, como SiC, en las piezas de revestimiento de SiC se eliminan mediante fricción mecánica → eliminación de polvo → limpieza ultrasónica → purificación a alta temperatura. Este método tiene muchos procesos mecánicos y es fácil causar daños mecánicos al recubrimiento.

En vista de los numerosos problemas que enfrentaRecubrimiento de SiCen equipos epitaxiales de SiC, combinado con el excelente rendimiento del recubrimiento de TaC en equipos de crecimiento de cristales de SiC, reemplazando el recubrimiento de SiC enepitaxial de SiCLos equipos con revestimiento de TaC han entrado gradualmente en la visión de los fabricantes y usuarios de equipos. Por un lado, el TaC tiene un punto de fusión de hasta 3880 ℃ y es resistente a la corrosión química como vapores de NH3, H2, Si y HCl a altas temperaturas, y tiene una resistencia a altas temperaturas y a la corrosión extremadamente fuertes. Por otro lado, la tasa de crecimiento de SiC sobre el recubrimiento de TaC es mucho más lenta que la tasa de crecimiento de SiC sobre el recubrimiento de SiC, lo que puede aliviar los problemas de la caída de grandes cantidades de partículas y el ciclo corto de mantenimiento del equipo, y el exceso de sedimentos como el SiC. no puede formar una interfaz metalúrgica química fuerte conrevestimiento de TaC, y el exceso de sedimentos es más fácil de eliminar que el SiC cultivado homogéneamente sobre un recubrimiento de SiC.