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某项目第三代半导体材料(SIC)工艺流程简介及施工重难点分析

发布时间:2023-05-15T13:13:47.905Z来源:《建筑模拟》2023年第1期作者:郁亮

[导读]本文结合某项目宽禁带半导体材料产业化项目一期工程,介绍了核心工艺流程,分析了施工重难点,提出了应对措施和设想,希望

通过实践总结,为同类项目施工提供参考。

郁亮

中电系统建设工程有限公司北京100141

摘要:本文结合某项目宽禁带半导体材料产业化项目一期工程,介绍了核心工艺流程,分析了施工重难点,提出了应对措施和设想,

希望通过实践总结,为同类项目施工提供参考。

关键词:第三代半导体材料(SIC)工艺流程长晶工艺外延工艺

第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AIN)为代表的宽禁带(禁带宽度

Eg>2.2eV)的半导体材料。相对于硅,SiC的优点有很多:有高10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍的禁带宽度,高1倍的电子饱和漂

移速度。SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料,可用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、

环境监测及航空、航天、雷达、通讯系统和大功率的电子转换器及汽车马达等领域的极端环境中。特别适用于电动汽车、新能源、柔性电

网等领域。

本次建设为宽禁带半导体材料产业化项目一期,年产5000片Si型SiC片、25000片N型SiC片。

本项目产品生产主要有三大工序。一是原料处理和长晶(目前主流方法是长晶设备与原料提纯/合成设备为同型设备),主要设备为长

晶炉,此外还包括切磨抛加工设备和检测、包装设备等。二是对晶体进行加工,晶体加工后得到SiC衬底片产品,检测合格后进入下一道工

序。三是SiC同质外延、SiC基GaN异质外延。长晶工艺和硅基GaN外延工艺是工艺核心。

1核心工艺流程简介及施工重难点分析

由于长晶工艺及外延工艺是本项目的工艺核心,以下重点围绕上述两个工艺进行分析。

1.1长晶工艺流程简介及施工重难点分析

根据长晶车间工艺流程图(图1)及长晶车间平面布置图(图2)可以看出,长晶工艺对于洁净度有较高要求,集中在生长前准备工

作,即籽晶粘结(包含籽晶固化、籽晶涂层及该工艺流程相关的准备室及洁净通道),上述对洁净度要求为千级,而对于晶体生长车间、

原材料合成车间等,对于洁净度要求并不高,仅为十万级。

导致晶体夭折的硬件问题较多,如中频电源停振、跳闸、供电断电、单晶炉漏气、单晶炉控制系统失灵等、工艺循环冷却水温波动较

大,上述问题都会造成长晶中断、晶体开裂。

图1长晶工艺流程图

图2长晶车间平面布置图

长晶工艺关联的相关系统除涉及氮气、氩气、纯水、KOH,在考虑装炉升温环节及降温出炉环节时,需要工艺循环冷却水系统以中和

高温机台内部产热,保持晶体生长的稳定环境。

结合本项目施工内容,在对导致晶体生长异常的硬件问题进行分析时,属于我方需要应对的风险的主要为供电稳定问题及工艺循环冷

却水水温的稳定性这两个问题。

1.2外延工艺流程简介及施工重难点分析

外延过程发生的化学反应有气相化学反应、表面沉积反应以及高温下甲烷的裂解反应。

1.2.1气相化学反应

Ga(H3)3+NH3→Ga(CH3)3:NH3

Ga(CH3)3:NH3→Ga(H3)3+NH3

Ga(CH3)3:NH3→Ga(CH3)2:NH2+CH4

3Ga(CH3)2:NH2→[Ga(CH3)2:NH2]3

1.2.2表面沉积反应

气相粒子吸附到衬底或外延层表面(以下用字母S代表衬底或外延层表面的空位),形成表面活性粒子,自由移动到表面势垒最低处,

形成化学键与表面原子结合到一起,完成GaN外延膜的生长。

Ga(CH3)3:NH3+3S→GaN+3CH4

Ga(CH3)2:NH2+2S→GaN+2CH4

[Ga(CH3)2:NH2]3+6S-3GaN+6CH4

1.2.3甲烷裂解反应

1)外延生长时温度为1050℃,气相化学反应和表面沉积反应过程中产生的中烷CH4在高温下裂解成炭黑和氢气。方程式为CH4(气

态)=C(固态)+2H2(气态)。

2)在上述反应过程中,有机物三甲基镓、三甲基铝充分裂解,最终生成GaN外延膜、炭黑颗粒和氢气。工艺尾气中主要有氢气

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