Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và cơ chế điều chỉnh độ bền cơ học của tấm silicon vùng nổi +
Với nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị bán dẫn công suất thấp, hiệu suất cao trong các lĩnh vực như phương tiện sử dụng năng lượng mới và vận tải đường sắt, các thiết bị điện như bóng bán dẫn lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) đã thu hút được sự chú ý rộng rãi. Phải tránh sự hình thành kết tủa oxy trong sản xuất IGBT; Vì vậy,tấm silicon vùng nổi (FZ)với nồng độ oxy cực thấp thường được sử dụng. Tuy nhiên, do thiếu tác dụng ghim của các nguyên tử oxy kẽ lên chuyển động lệch vị trí trong các tấm silicon FZ, nên một khi các nguồn gây lệch vị trí như vết trầy xước xuất hiện trong quá trình xử lý, các sai lệch trượt có thể dễ dàng lan truyền trong quá trình xử lý nhiệt, dẫn đến các vấn đề như cong vênh tấm bán dẫn, rò rỉ dòng điện và sai lệch quang khắc.
Cấy ion, một kỹ thuật pha tạp lõi trong xử lý chất bán dẫn, gây ra tổn hại do bức xạ vào các tấm silicon. Các khuyết tật thứ cấp hình thành sau khi ủ hư hỏng này có thể làm giảm đáng kể độ bền cơ học của tấm bán dẫn. Đối với các tấm silicon FZ, liệu cường độ ban đầu vốn đã thấp hơn của chúng có làm trầm trọng thêm vấn đề này hay không và sự phân bố nồng độ oxy duy nhất của các tấm wafer FZ ảnh hưởng đến khả năng chống trượt của chúng như thế nào hay không, là những vấn đề khoa học cần được giải quyết khẩn cấp. Bắt đầu từ đặc tính vật liệu của tấm silicon FZ, các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích chuyên sâu về các yếu tố ảnh hưởng và cơ chế độ bền cơ học của tấm wafer FZ, nhằm đưa ra hướng dẫn lý thuyết về việc điều chỉnh độ bền của tấm wafer FZ trong xử lý thiết bị điện.
1. Đặc tính cơ bản về vật liệu và độ bền của tấm silicon FZ
Tấm silicon FZ được điều chế bằng phương pháp nấu chảy vùng nổi và có nồng độ oxy cực thấp. Theo nghiên cứu của Takata và cộng sự, nồng độ oxy trong tấm silicon FZ được sử dụng trong thí nghiệm không cao hơn 0,1×10¹⁷cm⁻³, trong khi nồng độ oxy trong tấm silicon CZ không cao hơn 12,8×10¹⁷cm⁻³. Các nguyên tử oxy kẽ có thể cản trở sự phát triển và mở rộng các sai lệch trong tinh thể silicon; do đó, độ linh động lệch vị trí trong tấm silicon FZ cao hơn nhiều so với tấm wafer CZ, thể hiện độ bền cơ học thấp hơn. Đặc tính này làm cho tấm silicon FZ dễ bị trượt khỏi các khuyết tật như vết trầy xước và bị biến dạng dẻo khi chịu tác dụng của nhiệt hoặc cơ học.
Trong các thử nghiệm uốn cong ba điểm ở nhiệt độ cao, các nhà nghiên cứu áp dụng ứng suất để thu được đường cong ứng suất-biến dạng, sử dụng ứng suất chảy cao hơn làm chỉ số để đánh giá độ bền của tấm bán dẫn. Đối với các tấm silicon FZ, ứng suất giới hạn trên ban đầu thấp hơn đáng kể so với các tấm bán dẫn CZ, điều này liên quan trực tiếp đến nồng độ oxy thấp của chúng.
2. Ảnh hưởng của việc cấy ion đến độ bền của tấm silicon FZ
2.1 Sự hình thành các khuyết tật thứ cấp và cơ chế suy giảm cường độ
Takata và cộng sự. đã nghiên cứu một cách có hệ thống sự phát triển khuyết tật và sự thay đổi độ bền trong tấm silicon sau khi cấy ion phốt pho và ion (BF₂)⁺. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy rằng, bất kể chất nền là CZ hay FZ, hình thái của các khuyết tật thứ cấp hình thành sau khi cấy các ion giống nhau về cơ bản là giống nhau. Đối với việc cấy ion photpho, các vòng trật khớp được gọi là khuyết tật “cuối phạm vi” được hình thành sau khi ủ, với kích thước khoảng 10nm. Đối với việc cấy ion (BF₂)⁺, các vòng lệch vị trí song song với mặt phẳng tinh thể và {111} các vòng lệch vị trí được hình thành, với kích thước khuyết tật đạt tới 20–150nm và vùng phân bố rộng rãi hơn. Các đường cong ứng suất-biến dạng cho thấy một hiện tượng quan trọng: ứng suất chảy cao hơn của các mẫu không được cấy ghép và các mẫu được cấy ghép (không ủ) gần như giống hệt nhau, trong khi cường độ của các mẫu được ủ giảm đáng kể. Điều này chỉ ra rằng hư hỏng cơ bản như lớp vô định hình và khuyết điểm không trực tiếp gây giảm cường độ; đúng hơn, các khuyết tật thứ cấp hình thành sau khi ủ là nguyên nhân cơ bản dẫn đến suy giảm độ bền.
Hình 1 Đường cong ứng suất-biến dạng thu được từ thử nghiệm uốn ba điểm ở 750°C đối với các mẫu được cấy phốt pho
2.2 So sánh đặc tính suy giảm độ bền giữa tấm silicon FZ và CZ
Takata và cộng sự. so sánh những thay đổi về ứng suất năng suất cao hơn như là hàm của liều đối với các tấm wafer CZ và FZ sau khi cấy ion phốt pho và (BF₂)⁺. Họ phát hiện ra rằng độ bền tuyệt đối của tấm wafer FZ thấp hơn khoảng 10–15MPa so với độ bền tuyệt đối của tấm wafer CZ, điều này là do thiếu sự ghim oxy kẽ. Tuy nhiên, tốc độ giảm sức mạnh theo liều lượng là hoàn toàn giống nhau đối với cả hai: giảm tuyến tính khi cấy phốt pho và giảm mạnh ở vùng liều thấp (0 đến 1×10¹⁴cm⁻²), sau đó là giai đoạn suy giảm tuyến tính khi cấy ghép (BF₂)⁺.
Hình 2 Mối quan hệ giữa liều lượng ion và giới hạn năng suất cao hơn: (a) cấy ion phốt pho; (b) (BF₂)⁺ cấy ion
Mặc dù nồng độ oxy của chất nền quyết định mức độ bền tuyệt đối của wafer, nhưng tác động làm suy yếu của các khuyết tật thứ cấp đối với độ bền không phụ thuộc vào nồng độ oxy và chỉ phụ thuộc vào loại và liều lượng ion được cấy vào. Các nghiên cứu sâu hơn cho thấy rằng khi liều (BF₂)⁺ tăng lên, số lượng khuyết tật thứ cấp tăng lên trong khi kích thước của chúng thay đổi ít, giải thích giai đoạn cường độ tuyến tính giảm theo liều lượng.
Hình 3 Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua mặt cắt ngang của tấm silicon CZ được cấy với các liều ion (BF₂)⁺ khác nhau và được xử lý nhiệt: (a) 1×10¹⁴cm⁻²; (b) 5×10¹⁴cm⁻²; (c) 1×10¹⁵cm⁻²
3. Điều chỉnh ứng suất cắt tới hạn bằng nồng độ oxy bề mặt trong tấm silicon FZ
3.1 Hành vi trượt do trầy xước và ứng suất tới hạn không phụ thuộc vào nhiệt độ
Trong quá trình sản xuất IGBT, các vết trầy xước chắc chắn sẽ xảy ra ở mặt sau của tấm silicon, đóng vai trò là nguồn gây trật khớp. Fujise và cộng sự. giới thiệu các vết lõm (tải 0,98N) trên bề mặt tấm silicon FZ bằng máy đo độ cứng Vickers để mô phỏng vết xước và nghiên cứu các điều kiện quan trọng để tạo ra trượt bằng thử nghiệm uốn ba điểm ở nhiệt độ cao. Nghiên cứu cho thấy ứng suất cắt tới hạn không phụ thuộc vào thời gian duy trì ứng suất—một khi ứng suất tác dụng vượt quá giá trị tới hạn, độ trượt bắt đầu lan truyền và không tự động dừng lại.
Hình 4 Hình ảnh địa hình tia X sau thử nghiệm uốn ba điểm ở 1023K với thời gian giữ ứng suất khác nhau: (a) 3h; (b) 5h; (c) 7h
Trong phạm vi nhiệt độ 973–1123K, ứng suất cắt tới hạn của tấm silicon FZ là khoảng 1,3MPa, cho thấy sự độc lập rõ ràng về nhiệt độ, cho thấy sự hiện diện của các chướng ngại vật tầm xa không được kích hoạt bằng nhiệt. Hiện tượng này không thể giải thích được bằng lý thuyết ghim oxy cổ điển—khi nồng độ oxy không cao hơn 1×10¹⁷cm⁻³ và nhiệt độ không thấp hơn 1123K, ứng suất ghim oxy không được vượt quá 0,5MPa. Do đó, ứng suất tới hạn được quan sát bằng thực nghiệm là 1,3MPa cho thấy rằng các chướng ngại vật tầm xa khác (chẳng hạn như cụm khuyết điểm nội tại hoặc trường ứng suất dư) tồn tại trong các tấm silicon FZ, tạo ra lực cản không được kích hoạt bằng nhiệt đối với chuyển động lệch vị trí.
Hình 5 Sự thay đổi ứng suất cắt tới hạn theo nhiệt độ thử nghiệm
3.2 Tăng cường tác dụng khuếch tán oxy bề mặt vào bên trong
Mặc dù nồng độ oxy tổng thể của tấm silicon FZ là cực kỳ thấp, nhưng quá trình ủ trước ở nhiệt độ cao có thể khiến các nguyên tử oxy khuếch tán vào trong từ bề mặt, tạo thành gradient nồng độ oxy ở vùng gần bề mặt. Fujise và cộng sự. tấm silicon FZ được ủ trước ở nhiệt độ 1373K và 1423K trong khoảng thời gian từ 30 phút đến 5 giờ, sau đó thực hiện các thử nghiệm uốn ba điểm. Kết quả cho thấy quá trình ủ trước ở nhiệt độ cao, thời gian dài đã cải thiện đáng kể khả năng chống trượt của tấm silicon FZ.
Hình 6. Những thay đổi về ứng suất cắt tới hạn trong các điều kiện ủ trước khác nhau
Bằng cách đo sự phân bố độ sâu của nồng độ oxy bên dưới bề mặt bằng phương pháp quang phổ khối ion thứ cấp và kết hợp nó với mối quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất ghim và nồng độ oxy, phạm vi độ sâu để tạo ra trượt được suy ra là 3,3–7,3μm. Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua trường tối cho thấy ở vùng gần bề mặt trong phạm vi 3,3μm, mật độ trật khớp cao và các trật khớp vướng víu với nhau; trong khi ở phạm vi 3,3–7,3μm, mật độ trật khớp giảm khi độ sâu ngày càng tăng và khả năng trượt xảy ra ở vùng này cao hơn. Hơn nữa, nghiên cứu đã xác nhận rằng ở cùng độ sâu (5,6μm), ứng suất cắt tới hạn tỷ lệ thuận với nồng độ oxy.
Hình 7. Sự phân bố độ sâu của nồng độ oxy trong diện tích bề mặt của wafer Si sau các điều kiện ủ trước
Hình 8 Hình ảnh trường tối của kính hiển vi điện tử truyền qua
Do đó, đối với các tấm silicon FZ có nồng độ oxy thấp được sử dụng trong sản xuất IGBT, quá trình ủ trước ở nhiệt độ cao thích hợp để khuếch tán oxy vào bên trong có thể làm tăng đáng kể ứng suất ghim ở khu vực gần bề mặt, nhờ đó ngăn chặn hiệu quả sự trượt tạo ra từ các vết xước mặt sau trong quá trình xử lý nhiệt tiếp theo và giảm nguy cơ cong vênh tấm bán dẫn và rò rỉ dòng điện.
Độ bền tuyệt đối của tấm silicon FZ thấp hơn so với tấm wafer CZ, nhưng tốc độ giảm độ bền theo liều cấy ion chỉ phụ thuộc vào loại ion được cấy và không phụ thuộc vào nồng độ oxy. Bằng cách khuếch tán oxy bề mặt vào bên trong thông qua quá trình ủ trước ở nhiệt độ cao, ứng suất cắt tới hạn có thể tăng từ 2,5MPa lên 5,9MPa, đây là một phương pháp hiệu quả để ngăn chặn sự trượt do trầy xước và cải thiện độ tin cậy cơ học của tấm bán dẫn silicon FZ.
Cho dù bạn cần tấm silicon để nghiên cứu hay cho các ứng dụng công nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email tại[email protected] và [email protected].
Tài liệu tham khảo:
- Takata, K., Fujise, J., Ko, B., Ono, T., & Tanaka, M. (2022). Ảnh hưởng của việc cấy ion đến độ bền cơ học của tấm silicon. Tạp chí vật lý ứng dụng Nhật Bản, 61(4), 045503.
- Fujise, J., Ko, B., Ono, T., & Tanaka, M. (2020). Ảnh hưởng của nồng độ oxy bề mặt đến độ bền của tấm wafer trong tấm wafer Si vùng nổi. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Chất rắn ECS, 9(10), 104002.