Kajian tentang Faktor-faktor yang Mempengaruhi dan Mekanisme Peraturan Kekuatan Mekanikal Wafer Silikon Zon Terapung +
Dengan permintaan yang semakin meningkat untuk peranti semikonduktor kuasa rendah dan berkecekapan tinggi dalam bidang seperti kenderaan tenaga baharu dan pengangkutan rel, peranti kuasa seperti transistor bipolar pintu terlindung (IGBT) telah menarik perhatian meluas. Pembentukan mendakan oksigen mesti dielakkan dalam pembuatan IGBT; oleh itu,wafer silikon zon terapung (FZ).dengan kepekatan oksigen yang sangat rendah biasanya digunakan. Walau bagaimanapun, disebabkan kekurangan kesan penyematan atom oksigen interstisial pada gerakan terkehel dalam wafer silikon FZ, sebaik sahaja sumber kehelan seperti calar diperkenalkan semasa pemprosesan, kehelan gelincir boleh dengan mudah merambat semasa rawatan haba, yang membawa kepada isu seperti lengkungan wafer, kebocoran semasa dan salah jajaran fotolitografi.
Implantasi ion, teknik doping teras dalam pemprosesan semikonduktor, memperkenalkan kerosakan penyinaran ke dalam wafer silikon. Kecacatan sekunder yang terbentuk selepas penyepuhlindapan kerosakan ini boleh mengurangkan kekuatan mekanikal wafer dengan ketara. Bagi wafer silikon FZ, sama ada kekuatan awalnya yang lebih rendah memburukkan lagi masalah ini, dan bagaimana taburan kepekatan oksigen unik wafer FZ mempengaruhi rintangan gelinciran mereka, adalah isu saintifik yang perlu ditangani segera. Bermula daripada ciri-ciri bahan wafer silikon FZ, penyelidik telah menjalankan analisis mendalam tentang faktor-faktor yang mempengaruhi dan mekanisme kekuatan mekanikal wafer FZ, bertujuan untuk memberikan panduan teoritis untuk peraturan kekuatan wafer FZ dalam pemprosesan peranti kuasa.
1. Ciri-ciri Bahan dan Asas Kekuatan Wafer Silikon FZ
Wafer silikon FZ disediakan dengan kaedah lebur zon apungan dan mempunyai kepekatan oksigen yang sangat rendah. Menurut kajian oleh Takata et al., kepekatan oksigen dalam wafer silikon FZ yang digunakan dalam eksperimen adalah tidak lebih tinggi daripada 0.1×10¹⁷cm⁻³, manakala dalam wafer silikon CZ tidak lebih tinggi daripada 12.8×10¹⁷cm⁻³. Atom oksigen interstisial boleh menghalang pertumbuhan dan lanjutan kehelan dalam kristal silikon; oleh itu, mobiliti kehelan dalam wafer silikon FZ jauh lebih tinggi daripada wafer CZ, menunjukkan kekuatan mekanikal yang lebih rendah. Ciri ini menjadikan wafer silikon FZ lebih mudah tergelincir daripada kecacatan seperti calar dan mengalami ubah bentuk plastik apabila tertakluk kepada tekanan terma atau mekanikal.
Dalam ujian lenturan tiga titik suhu tinggi, penyelidik menggunakan tegasan untuk mendapatkan lengkung tegasan-terikan, menggunakan tegasan hasil atas sebagai penunjuk untuk menilai kekuatan wafer. Untuk wafer silikon FZ, tegasan hasil atas awal adalah jauh lebih rendah daripada wafer CZ, yang berkaitan secara langsung dengan kepekatan oksigennya yang rendah.
2. Kesan Implantasi Ion terhadap Kekuatan Wafer Silikon FZ
2.1 Pembentukan Kecacatan Sekunder dan Mekanisme Degradasi Kekuatan
Takata et al. menyiasat secara sistematik evolusi kecacatan dan perubahan kekuatan dalam wafer silikon selepas implantasi ion fosforus dan (BF₂)⁺. Pemerhatian mikroskop elektron penghantaran menunjukkan bahawa, tidak kira sama ada substrat adalah CZ atau FZ, morfologi kecacatan sekunder yang terbentuk selepas implantasi ion yang sama pada dasarnya adalah sama. Untuk implantasi ion fosforus, gelung kehelan yang dipanggil kecacatan "hujung-julat" terbentuk selepas penyepuhlindapan, dengan saiz kira-kira 10nm. Untuk implantasi ion (BF₂)⁺, gelung terkehel selari dengan satah kristal dan {111} gelung terkehel terbentuk, dengan saiz kecacatan mencecah 20–150nm dan rantau yang lebih meluas. Keluk tegasan-terikan mendedahkan satu fenomena utama: tegasan hasil atas bagi sampel yang tidak ditanam dan sampel yang ditanam (tanpa penyepuhlindapan) adalah hampir sama, manakala kekuatan sampel yang disepuhlindap berkurangan dengan ketara. Ini menunjukkan bahawa kerosakan primer seperti lapisan amorf dan kecacatan titik tidak secara langsung menyebabkan pengurangan kekuatan; sebaliknya, kecacatan sekunder yang terbentuk selepas penyepuhlindapan adalah punca asas kemerosotan kekuatan.
Rajah 1 Lengkung terikan tegasan diperoleh daripada ujian lenturan tiga titik pada 750°C untuk sampel yang diimplan fosforus
2.2 Perbandingan Gelagat Degradasi Kekuatan antara Wafer Silikon FZ dan CZ
Takata et al. membandingkan perubahan dalam tegasan hasil atas sebagai fungsi dos untuk wafer CZ dan FZ selepas implantasi ion fosforus dan (BF₂)⁺. Mereka mendapati bahawa kekuatan mutlak wafer FZ adalah kira-kira 10–15MPa lebih rendah daripada wafer CZ, yang dikaitkan dengan kekurangan penyematan oksigen interstisial. Walau bagaimanapun, kadar penurunan kekuatan dengan dos adalah sama untuk kedua-duanya: penurunan linear di bawah implantasi fosforus, dan penurunan mendadak dalam kawasan dos rendah (0 hingga 1×10¹⁴cm⁻²) diikuti dengan peringkat pengecilan linear di bawah (BF₂)⁺ implantasi.
Rajah 2 Hubungan antara dos ion dan tegasan hasil atas: (a) implantasi ion fosforus; (b) (BF₂)⁺ implantasi ion
Walaupun kepekatan oksigen substrat menentukan tahap kekuatan mutlak wafer, kesan kelemahan kecacatan sekunder pada kekuatan adalah bebas daripada kepekatan oksigen dan hanya bergantung pada jenis dan dos ion yang diimplan. Kajian lanjut menunjukkan bahawa apabila dos (BF₂)⁺ meningkat, bilangan kecacatan sekunder meningkat manakala saiznya berubah sedikit, menjelaskan tahap penurunan kekuatan linear dengan dos.
Rajah 3 Imej mikroskop elektron penghantaran keratan rentas wafer silikon CZ yang diimplan dengan dos berbeza bagi ion (BF₂)⁺ dan dirawat haba: (a) 1×10¹⁴cm⁻²; (b) 5×10¹⁴cm⁻²; (c) 1×10¹⁵cm⁻²
3. Peraturan Tegasan Ricih Kritikal oleh Kepekatan Oksigen Permukaan dalam Wafer Silikon FZ
3.1 Gelagat Gelinciran Tercetus Calar dan Tekanan Kritikal Bebas Suhu
Semasa pembuatan IGBT, calar tidak dapat dielakkan berlaku pada bahagian belakang wafer silikon, bertindak sebagai sumber kehelan. Fujise et al. memperkenalkan lekukan (beban 0.98N) pada permukaan wafer silikon FZ menggunakan penguji kekerasan Vickers untuk mensimulasikan calar, dan mengkaji keadaan kritikal untuk penjanaan gelinciran oleh ujian lenturan tiga titik suhu tinggi. Kajian mendapati tegasan ricih kritikal adalah bebas daripada masa penahanan tegasan—apabila tegasan yang dikenakan melebihi nilai kritikal, gelinciran mula merambat dan tidak berhenti secara automatik.
Rajah 4 imej topografi sinar-X selepas ujian lenturan tiga mata pada 1023K dengan masa penahanan tegasan yang berbeza: (a) 3j; (b) 5j; (c) 7j
Dalam julat suhu 973–1123K, tegasan ricih kritikal wafer silikon FZ adalah kira-kira 1.3MPa, menunjukkan kebebasan suhu yang jelas, menunjukkan kehadiran halangan jarak jauh yang tidak diaktifkan secara haba. Fenomena ini tidak dapat dijelaskan oleh teori penyematan oksigen klasik—apabila kepekatan oksigen tidak lebih tinggi daripada 1×10¹⁷cm⁻³ dan suhu tidak lebih rendah daripada 1123K, tegasan penyematan oksigen tidak boleh melebihi 0.5MPa. Oleh itu, tegasan kritikal 1.3MPa yang diperhatikan secara eksperimen menunjukkan bahawa halangan jarak jauh lain (seperti gugusan kecacatan titik intrinsik atau medan tegasan sisa) wujud dalam wafer silikon FZ, memberikan halangan yang tidak diaktifkan secara haba kepada gerakan kehelan.
Rajah 5 Variasi tegasan ricih kritikal dengan suhu ujian
3.2 Pengukuhan Kesan Resapan Dalam Oksigen Permukaan
Walaupun kepekatan oksigen keseluruhan wafer silikon FZ adalah sangat rendah, pra-penyepuhlindapan suhu tinggi boleh menyebabkan atom oksigen meresap ke dalam dari permukaan, membentuk kecerunan kepekatan oksigen di kawasan berhampiran permukaan. Fujise et al. wafer silikon FZ pra-anil pada 1373K dan 1423K untuk tempoh antara 30 minit hingga 5 jam, dan kemudian melakukan ujian lenturan tiga mata. Keputusan menunjukkan bahawa suhu tinggi, pra-penyepuhlindapan jangka panjang dengan ketara meningkatkan rintangan gelinciran wafer silikon FZ.
Rajah 6 Perubahan dalam tegasan ricih kritikal di bawah keadaan pra-penyepuhlindapan yang berbeza
Dengan mengukur taburan kedalaman kepekatan oksigen di bawah permukaan menggunakan spektrometri jisim ion sekunder, dan menggabungkannya dengan hubungan empirik antara tegasan penyematan dan kepekatan oksigen, julat kedalaman untuk penjanaan gelinciran disimpulkan sebagai 3.3-7.3μm. Imej mikroskop elektron penghantaran medan gelap menunjukkan bahawa di kawasan berhampiran permukaan dalam lingkungan 3.3μm, ketumpatan terkehel adalah tinggi dan kehelan terjerat antara satu sama lain; manakala dalam julat 3.3–7.3μm, ketumpatan terkehel berkurangan dengan peningkatan kedalaman, dan gelinciran lebih berkemungkinan berlaku di rantau ini. Tambahan pula, kajian mengesahkan bahawa pada kedalaman yang sama (5.6μm), tegasan ricih kritikal adalah berkadar dengan kepekatan oksigen.
Rajah 7 Taburan kedalaman kepekatan oksigen di kawasan permukaan wafer Si selepas keadaan pra penyepuhlindapan
Rajah 8 Transmisi imej medan gelap mikroskop elektron
Oleh itu, untuk wafer silikon FZ berkepekatan rendah oksigen yang digunakan dalam pembuatan IGBT, pra-penyepuhlindapan suhu tinggi yang sesuai untuk meresap oksigen ke dalam dengan ketara boleh meningkatkan tegasan penyepitan di kawasan berhampiran permukaan, dengan itu berkesan menekan gelinciran yang dihasilkan daripada calar bahagian belakang semasa rawatan haba berikutnya, dan mengurangkan risiko lengkokan wafer dan arus kebocoran.
Kekuatan mutlak wafer silikon FZ adalah lebih rendah daripada wafer CZ, tetapi kadar kekuatan berkurangan dengan dos implantasi ion bergantung hanya pada jenis ion yang diimplan dan tidak bergantung pada kepekatan oksigen. Dengan meresap oksigen permukaan ke dalam melalui pra-penyepuhlindapan suhu tinggi, tegasan ricih kritikal boleh ditingkatkan daripada 2.5MPa kepada 5.9MPa, yang merupakan pendekatan berkesan untuk menyekat gelinciran akibat calar dan meningkatkan kebolehpercayaan mekanikal wafer silikon FZ.
Sama ada anda memerlukan wafer silikon untuk penyelidikan atau untuk aplikasi industri, sila hubungi kami e-mel di[email protected] dan [email protected].
Rujukan:
- Takata, K., Fujise, J., Ko, B., Ono, T., & Tanaka, M. (2022). Kesan implantasi ion pada kekuatan mekanikal wafer silikon. Jurnal fizik gunaan Jepun, 61(4), 045503.
- Fujise, J., Ko, B., Ono, T., & Tanaka, M. (2020). Kesan Kepekatan Oksigen Permukaan terhadap Kekuatan Wafer dalam Wafer Si Zon Terapung. Jurnal Sains dan Teknologi Keadaan Pepejal ECS, 9(10), 104002.