תהליך הכנת גביש זרעים בגידול גביש יחיד של SiC

סיליקון קרביד (SiC)לחומר יש את היתרונות של מרווח פס רחב, מוליכות תרמית גבוהה, חוזק שדה פירוק קריטי גבוה ומהירות סחיפה גבוהה של אלקטרונים רווי, מה שהופך אותו למבטיח מאוד בתחום ייצור המוליכים למחצה. גבישים בודדים של SiC מיוצרים בדרך כלל בשיטת הובלת אדים פיזית (PVT). השלבים הספציפיים של שיטה זו כוללים הנחת אבקת SiC בתחתית כור היתוך גרפיט והנחת גביש זרעי SiC בחלק העליון של כור היתוך. הגרפיטמַצרֵףמחומם לטמפרטורת הסובלימציה של SiC, מה שגורם לאבקת SiC להתפרק לחומרים בשלב אדים כגון אדי Si, Si2C ו-SiC2. בהשפעת שיפוע הטמפרטורה הצירי, החומרים המאודים הללו עוברים סובלימציה לראש כור ההיתוך ומתעבים על פני השטח של גביש הזרע של SiC, ומתגבשים לגבישים בודדים של SiC.

נכון לעכשיו, הקוטר של גביש הזרע בשימושצמיחת גביש בודד של SiCצריך להתאים לקוטר הגבישי היעד. במהלך הגידול, גביש הזרע מקובע על מחזיק הזרעים בחלק העליון של כור ההיתוך באמצעות דבק. עם זאת, שיטה זו של קיבוע גביש הזרע עלולה להוביל לבעיות כמו חללים בשכבת הדבק עקב גורמים כמו דיוק פני השטח של מחזיק הזרע ואחידות ציפוי הדבק, מה שעלול לגרום לפגמים בריק משושה. אלה כוללים שיפור השטיחות של לוח הגרפיט, הגדלת אחידות עובי שכבת הדבק והוספת שכבת חיץ גמישה. למרות מאמצים אלה, עדיין קיימות בעיות בצפיפות שכבת הדבק, וקיים סיכון של ניתוק גבישי זרעים. על ידי אימוץ שיטת החיבור שלרָקִיקלנייר גרפיט וחפיפה עליו בחלק העליון של כור ההיתוך, ניתן לשפר את צפיפות שכבת ההדבקה ולמנוע את ניתוק הפרוסה.

1. תכנית ניסוי:
פרוסות המשמשות בניסוי זמינות מסחריתפרוסות SiC בגודל 6 אינץ' מסוג N. Photoresist מוחל באמצעות ציפוי ספין. הדבקה מושגת באמצעות תנור זרעים בפיתוח חם.

תוכנית קיבוע גבישי זרעים 1.1:
נכון לעכשיו, ניתן לחלק את סכימות ההדבקה של גבישי זרעי SiC לשתי קטגוריות: סוג דבק וסוג השעיה.

תוכנית סוג דבק (איור 1): זה כרוך בהדבקה שלרקיק SiCלצלחת הגרפיט עם שכבת נייר גרפיט כשכבת חיץ כדי למנוע פערים ביןרקיק SiCואת לוח הגרפיט. בייצור בפועל, חוזק ההדבקה בין נייר הגרפיט ללוח הגרפיט חלש, מה שמוביל להתנתקות תכופה של גבישי זרעים במהלך תהליך הצמיחה בטמפרטורה גבוהה, וכתוצאה מכך כשל בצמיחה.

תוכנית סוג ההשעיה (איור 2): בדרך כלל, סרט פחמן צפוף נוצר על משטח ההדבקה של רקיקת ה-SiC באמצעות שיטות פחם דבק או ציפוי. הרקיק SiCלאחר מכן מהודק בין שתי לוחות גרפיט וממוקם בחלק העליון של כור היתוך הגרפיט, מה שמבטיח יציבות בעוד שסרט הפחמן מגן על הפרוסה. עם זאת, יצירת סרט הפחמן באמצעות ציפוי היא יקרה ואינה מתאימה לייצור תעשייתי. שיטת הפחממה הדבק מניבה איכות סרט פחמן לא עקבית, מה שמקשה על קבלת סרט פחמן צפוף לחלוטין עם הידבקות חזקה. בנוסף, הידוק לוחות הגרפיט מפחית את אזור הצמיחה האפקטיבי של הפרוסה על ידי חסימת חלק משטחו.

בהתבסס על שתי הסכימות לעיל, מוצעת תכנית דבק וחפיפה חדשה (איור 3):

סרט פחמן צפוף יחסית נוצר על משטח ההדבקה של רקיקת SiC בשיטת הפחממה הדבק, מה שמבטיח שאין דליפת אור גדולה תחת תאורה.
רקיקת ה-SiC המכוסה בסרט הפחמן מודבקת לנייר גרפיט, כאשר משטח ההדבקה הוא הצד של סרט הפחמן. שכבת הדבק צריכה להיראות שחורה באופן אחיד תחת אור.
נייר הגרפיט מהודק על ידי לוחות גרפיט ותלוי מעל כור היתוך הגרפיט לצמיחת גבישים.

1.2 דבק:
הצמיגות של הפוטו-רזיסט משפיעה באופן משמעותי על אחידות עובי הסרט. באותה מהירות סיבוב, צמיגות נמוכה יותר גורמת לסרטי דבק דקים ואחידים יותר. לכן, פוטו-רזיסט בעל צמיגות נמוכה נבחר במסגרת דרישות היישום.

במהלך הניסוי, נמצא שצמיגות הדבק המפחם משפיעה על חוזק ההתקשרות בין סרט הפחמן לפרוסה. צמיגות גבוהה מקשה על יישום אחיד באמצעות ציפוי ספין, בעוד שצמיגות נמוכה גורמת לחוזק מליטה חלש, המוביל לסדיקת סרט פחמן במהלך תהליכי ההדבקה הבאים עקב זרימת דבק ולחץ חיצוני. באמצעות מחקר ניסיוני, הצמיגות של הדבק המפחם נקבעה ל-100 mPa·s, וצמיגות הדבק המקשר נקבעה ל-25 mPa·s.

1.3 ואקום עבודה:
תהליך יצירת סרט הפחמן על פרוסת ה- SiC כרוך בפחמימה של שכבת הדבק על משטח פרוסת ה- SiC, אשר חייב להתבצע בסביבה מוגנת בוואקום או בארגון. תוצאות ניסויים מראות שסביבה מוגנת ארגון תורמת יותר ליצירת סרט פחמן מאשר סביבת ואקום גבוה. אם נעשה שימוש בסביבת ואקום, רמת הוואקום צריכה להיות ≤1 Pa.

תהליך החיבור של גביש זרעי ה- SiC כולל הצמדת פרוסת ה- SiC ללוח הגרפיט/נייר הגרפיט. בהתחשב בהשפעה השחיקה של חמצן על חומרי גרפיט בטמפרטורות גבוהות, תהליך זה צריך להתבצע בתנאי ואקום. נחקרה ההשפעה של רמות ואקום שונות על שכבת הדבק. תוצאות הניסוי מוצגות בטבלה 1. ניתן לראות שבתנאי ואקום נמוך, מולקולות חמצן באוויר אינן מוסרות לחלוטין, מה שמוביל לשכבות דבק לא שלמות. כאשר רמת הוואקום היא מתחת ל-10 Pa, ההשפעה השחיקה של מולקולות החמצן על שכבת הדבק פוחתת משמעותית. כאשר רמת הוואקום נמוכה מ-1 Pa, ההשפעה השחיקה מתבטלת לחלוטין.