اٹلی کی LPE کی 200mm SiC ایپیٹیکسیل ٹیکنالوجی کی ترقی

تعارف

SiC اپنی اعلیٰ الیکٹرانک خصوصیات جیسے کہ اعلی درجہ حرارت کا استحکام، وسیع بینڈ گیپ، ہائی بریک ڈاؤن الیکٹرک فیلڈ کی طاقت، اور اعلی تھرمل چالکتا کی وجہ سے بہت سی ایپلی کیشنز میں Si سے برتر ہے۔ آج، زیادہ سوئچنگ کی رفتار، زیادہ آپریٹنگ درجہ حرارت، اور SiC میٹل آکسائیڈ سیمی کنڈکٹر فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز (MOSFETs) کی کم تھرمل مزاحمت کی وجہ سے الیکٹرک گاڑیوں کے کرشن سسٹم کی دستیابی کو نمایاں طور پر بہتر کیا جا رہا ہے۔ پچھلے کچھ سالوں میں SiC پر مبنی پاور ڈیوائسز کی مارکیٹ بہت تیزی سے بڑھی ہے۔ لہذا، اعلیٰ معیار، عیب سے پاک، اور یکساں SiC مواد کی مانگ میں اضافہ ہوا ہے۔

پچھلی چند دہائیوں کے دوران، 4H-SiC سبسٹریٹ سپلائرز ویفر کے قطر کو 2 انچ سے 150 ملی میٹر تک بڑھانے میں کامیاب رہے ہیں (اسی کرسٹل کوالٹی کو برقرار رکھتے ہوئے)۔ آج، SiC ڈیوائسز کے لیے مین اسٹریم ویفر کا سائز 150 mm ہے، اور فی یونٹ ڈیوائس کی پیداواری لاگت کو کم کرنے کے لیے، کچھ ڈیوائس مینوفیکچررز 200 mm fabs کے قیام کے ابتدائی مراحل میں ہیں۔ اس مقصد کو حاصل کرنے کے لیے، تجارتی طور پر دستیاب 200 ملی میٹر SiC ویفرز کی ضرورت کے علاوہ، یکساں SiC epitaxy انجام دینے کی صلاحیت بھی انتہائی مطلوب ہے۔ لہذا، اچھے معیار کے 200 ملی میٹر SiC سبسٹریٹس حاصل کرنے کے بعد، اگلا چیلنج ان سبسٹریٹس پر اعلیٰ معیار کی ایپیٹیکسیل نمو کرنا ہوگا۔ LPE نے ایک افقی سنگل کرسٹل ہاٹ وال مکمل طور پر خودکار CVD ری ایکٹر (جس کا نام PE1O8 ہے) ڈیزائن اور بنایا ہے جو ایک ملٹی زون امپلانٹیشن سسٹم سے لیس ہے جو 200mm SiC سبسٹریٹس تک پروسیسنگ کرنے کی صلاحیت رکھتا ہے۔ یہاں، ہم 150mm 4H-SiC epitaxy پر اس کی کارکردگی کے ساتھ ساتھ 200mm epiwafers پر ابتدائی نتائج کی اطلاع دیتے ہیں۔

نتائج اور بحث

PE1O8 ایک مکمل طور پر خودکار کیسٹ ٹو کیسٹ سسٹم ہے جو 200mm SiC ویفرز کو پروسیس کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ فارمیٹ کو 150 اور 200mm کے درمیان تبدیل کیا جا سکتا ہے، ٹول ڈاؤن ٹائم کو کم سے کم کر کے۔ حرارتی مراحل میں کمی سے پیداواری صلاحیت میں اضافہ ہوتا ہے، جبکہ آٹومیشن محنت کو کم کرتا ہے اور معیار اور تکرار کی صلاحیت کو بہتر بناتا ہے۔ ایک موثر اور قیمتی مسابقتی ایپیٹیکسی عمل کو یقینی بنانے کے لیے، تین اہم عوامل کی اطلاع دی جاتی ہے: 1) تیز عمل، 2) موٹائی اور ڈوپنگ کی اعلی یکسانیت، 3) ایپیٹیکسی عمل کے دوران کم سے کم خرابی کی تشکیل۔ PE1O8 میں، چھوٹا گریفائٹ ماس اور خودکار لوڈنگ/ان لوڈنگ سسٹم ایک معیاری رن کو 75 منٹ سے بھی کم وقت میں مکمل کرنے کی اجازت دیتا ہے (ایک معیاری 10μm Schottky diode recipe 30μm/h کی شرح نمو استعمال کرتی ہے)۔ خودکار نظام اعلی درجہ حرارت پر لوڈنگ/ان لوڈنگ کی اجازت دیتا ہے۔ نتیجتاً، حرارتی اور ٹھنڈک دونوں کے اوقات کم ہوتے ہیں، جبکہ بیکنگ کے مرحلے کو پہلے ہی دبا دیتے ہیں۔ اس طرح کے مثالی حالات صحیح معنوں میں ناقابل قبول مواد کی نشوونما کی اجازت دیتے ہیں۔

سازوسامان کی کمپیکٹینس اور اس کے تین چینل انجیکشن سسٹم کے نتیجے میں ڈوپنگ اور موٹائی یکسانیت دونوں میں اعلی کارکردگی کے ساتھ ایک ورسٹائل سسٹم ہوتا ہے۔ 150 ملی میٹر اور 200 ملی میٹر سبسٹریٹ فارمیٹس کے لیے موازنہ گیس کے بہاؤ اور درجہ حرارت کی یکسانیت کو یقینی بنانے کے لیے کمپیوٹیشنل فلوڈ ڈائنامکس (CFD) سمولیشن کا استعمال کرتے ہوئے یہ انجام دیا گیا۔ جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے، یہ نیا انجیکشن سسٹم ڈیپوزیشن چیمبر کے مرکزی اور پس منظر کے حصوں میں یکساں طور پر گیس فراہم کرتا ہے۔ گیس کے اختلاط کا نظام مقامی طور پر تقسیم شدہ گیس کیمسٹری کے تغیر کو قابل بناتا ہے، جس سے ایپیٹیکسیل نمو کو بہتر بنانے کے لیے ایڈجسٹ عمل کے پیرامیٹرز کی تعداد میں مزید توسیع ہوتی ہے۔

تصویر 1 سبسٹریٹ سے 10 ملی میٹر اوپر واقع ہوائی جہاز میں PE1O8 پروسیس چیمبر میں نقلی گیس کی رفتار کی شدت (اوپر) اور گیس کا درجہ حرارت (نیچے)۔

دیگر خصوصیات میں گیس کی گردش کا ایک بہتر نظام شامل ہے جو کارکردگی کو ہموار کرنے اور گردش کی رفتار کو براہ راست پیمائش کرنے کے لیے فیڈ بیک کنٹرول الگورتھم کا استعمال کرتا ہے، اور درجہ حرارت کنٹرول کے لیے PID کی ایک نئی نسل شامل ہے۔ ایپیٹیکسی عمل کے پیرامیٹرز۔ ایک پروٹو ٹائپ چیمبر میں ایک n-type 4H-SiC epitaxial ترقی کا عمل تیار کیا گیا تھا۔ Trichlorosilane اور ethylene کو سلکان اور کاربن ایٹموں کے پیش خیمہ کے طور پر استعمال کیا جاتا تھا۔ H2 کو کیریئر گیس کے طور پر استعمال کیا گیا تھا اور نائٹروجن کو این ٹائپ ڈوپنگ کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔ Si-fased کمرشل 150mm SiC سبسٹریٹس اور ریسرچ گریڈ 200mm SiC سبسٹریٹس 6.5μm موٹی 1×1016cm-3 n-doped 4H-SiC ایپلیئرز کو اگانے کے لیے استعمال کیے گئے تھے۔ سبسٹریٹ کی سطح کو بلند درجہ حرارت پر H2 بہاؤ کا استعمال کرتے ہوئے سیٹو میں بنایا گیا تھا۔ اس اینچنگ قدم کے بعد، ایک ہموار پرت تیار کرنے کے لیے کم شرح نمو اور کم C/Si تناسب کا استعمال کرتے ہوئے ایک n-قسم کی بفر پرت اگائی گئی۔ اس بفر پرت کے اوپر، اعلی شرح نمو (30μm/h) والی ایک فعال پرت اعلی C/Si تناسب کا استعمال کرتے ہوئے جمع کی گئی تھی۔ اس کے بعد تیار شدہ عمل کو ST کی سویڈش سہولت میں نصب PE1O8 ری ایکٹر میں منتقل کر دیا گیا۔ اسی طرح کے عمل کے پیرامیٹرز اور گیس کی تقسیم 150 ملی میٹر اور 200 ملی میٹر کے نمونوں کے لیے استعمال کی گئی تھی۔ دستیاب 200 ملی میٹر سبسٹریٹس کی محدود تعداد کی وجہ سے ترقی کے پیرامیٹرز کی ٹھیک ٹیوننگ مستقبل کے مطالعے کے لیے ملتوی کر دی گئی۔

نمونوں کی ظاہری موٹائی اور ڈوپنگ کارکردگی کا بالترتیب FTIR اور CV مرکری پروب کے ذریعے جائزہ لیا گیا۔ سطحی مورفولوجی کی جانچ نومارسکی ڈیفرینشل انٹرفینس کنٹراسٹ (NDIC) مائیکروسکوپی کے ذریعہ کی گئی تھی، اور ایپلیئرز کی خرابی کی کثافت کینڈیلا کے ذریعہ ماپا گیا تھا۔ ابتدائی نتائج۔ پروٹو ٹائپ چیمبر میں پروسیس کیے گئے 150 ملی میٹر اور 200 ملی میٹر ایپیٹیکسی طور پر بڑھے ہوئے نمونوں کی ڈوپنگ اور موٹائی کی یکسانیت کے ابتدائی نتائج شکل 2 میں دکھائے گئے ہیں۔ ایپلیئرز 150 ملی میٹر اور 200 ملی میٹر سبسٹریٹس کی سطح کے ساتھ یکساں طور پر بڑھے ہیں، موٹائی میں مختلف حالتوں کے ساتھ ) بالترتیب 0.4% اور 1.4% تک کم، اور ڈوپنگ کی مختلف حالتیں (σ-mean) 1.1% اور 5.6% تک کم ہیں۔ اندرونی ڈوپنگ قدریں تقریباً 1×1014 cm-3 تھیں۔

شکل 2 200 ملی میٹر اور 150 ملی میٹر ایپی وافرز کی موٹائی اور ڈوپنگ پروفائلز۔

رن ٹو رن مختلف حالتوں کا موازنہ کرکے عمل کی تکرار کی جانچ کی گئی، جس کے نتیجے میں موٹائی کی مختلف حالتیں 0.7٪ تک اور ڈوپنگ کی مختلف حالتیں 3.1٪ تک کم ہیں۔ جیسا کہ شکل 3 میں دکھایا گیا ہے، نئے 200mm کے عمل کے نتائج کا موازنہ ان جدید ترین نتائج سے کیا جا سکتا ہے جو پہلے PE1O6 ری ایکٹر کے ذریعے 150mm پر حاصل کیے گئے تھے۔

شکل 3 پرت بہ پرت موٹائی اور 200 ملی میٹر کے نمونے کی ڈوپنگ یکسانیت جس پر پروٹو ٹائپ چیمبر (اوپر) اور جدید ترین 150 ملی میٹر نمونہ PE1O6 (نیچے) کے ذریعے تیار کیا گیا ہے۔

نمونوں کی سطحی شکل کے بارے میں، NDIC مائکروسکوپی نے مائکروسکوپ کی قابل شناخت حد سے نیچے کھردری کے ساتھ ایک ہموار سطح کی تصدیق کی۔ PE1O8 کے نتائج۔ اس کے بعد اس عمل کو PE1O8 ری ایکٹر میں منتقل کر دیا گیا۔ 200 ملی میٹر ایپی وافرز کی موٹائی اور ڈوپنگ یکسانیت کو شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔ ایپلیئرز سبسٹریٹ کی سطح کے ساتھ یکساں طور پر بڑھتے ہیں جس میں موٹائی اور ڈوپنگ تغیرات (σ/mean) بالترتیب 2.1% اور 3.3% تک کم ہوتے ہیں۔

شکل 4 PE1O8 ری ایکٹر میں 200mm epiwafer کی موٹائی اور ڈوپنگ پروفائل۔

epitaxially اگائے ہوئے wafers کی خرابی کی کثافت کی تحقیقات کے لیے، candela کا استعمال کیا گیا تھا۔ جیسا کہ شکل میں دکھایا گیا ہے۔ بالترتیب 150 ملی میٹر اور 200 ملی میٹر کے نمونوں پر 1.43 سینٹی میٹر-2 اور 3.06 سینٹی میٹر-2 کے طور پر کم سے کم 5 کی خرابی کی کثافت حاصل کی گئی۔ epitaxy کے بعد کل دستیاب رقبہ (TUA) اس لیے 150mm اور 200mm کے نمونوں کے لیے بالترتیب 97% اور 92% شمار کیا گیا۔ یہ بات قابل ذکر ہے کہ یہ نتائج صرف چند رنز کے بعد حاصل کیے گئے تھے اور عمل کے پیرامیٹرز کو ٹھیک کرکے مزید بہتر کیا جا سکتا ہے۔

شکل 5 PE1O8 کے ساتھ اگائے گئے 6μm موٹے 200mm (بائیں) اور 150mm (دائیں) ایپی وافرز کے Candela ڈیفیکٹ نقشے۔

نتیجہ

یہ کاغذ نئے ڈیزائن کردہ PE1O8 ہاٹ وال CVD ری ایکٹر اور 200mm سبسٹریٹس پر یکساں 4H-SiC ایپیٹیکسی انجام دینے کی صلاحیت کو پیش کرتا ہے۔ 200mm پر ابتدائی نتائج بہت امید افزا ہیں، جس میں نمونے کی سطح پر موٹائی میں 2.1% تک اور ڈوپنگ کی کارکردگی کی مختلف حالتیں نمونے کی سطح پر 3.3% تک کم ہیں۔ ایپیٹیکسی کے بعد TUA کو 150mm اور 200mm کے نمونوں کے لیے بالترتیب 97% اور 92% شمار کیا گیا، اور 200mm کے لیے TUA کے مستقبل میں اعلی سبسٹریٹ کوالٹی کے ساتھ بہتر ہونے کی پیش گوئی کی گئی ہے۔ اس بات پر غور کرتے ہوئے کہ یہاں رپورٹ کردہ 200 ملی میٹر سبسٹریٹس کے نتائج ٹیسٹوں کے چند سیٹوں پر مبنی ہیں، ہم سمجھتے ہیں کہ نتائج کو مزید بہتر بنانا ممکن ہو گا، جو پہلے ہی 150 ملی میٹر کے نمونوں پر جدید ترین نتائج کے قریب ہیں۔ نمو کے پیرامیٹرز کو ٹھیک کرنا۔