SiC MOSFET氧化工艺中臭氧如何使用？发生器如何选型？

SiC MOSFET氧化工艺中臭氧如何使用？臭氧浓度如何设置？发生器如何选型？

     随着新能源汽车、光伏储能、轨道交通等产业快速发展，第三代半导体碳化硅（SiC）MOSFET正在进入大规模应用阶段。相比传统硅器件，SiC MOSFET具有耐高压、耐高温、低导通损耗、高开关频率等优势，而栅氧化层（Gate Oxide）及SiC/SiO₂界面质量则直接决定器件的可靠性和电学性能。

近年来，越来越多的研究将臭氧（O₃）引入SiC栅氧化及氧化后处理（Post Oxidation Treatment）过程中，以提高氧化质量、降低界面缺陷密度（Dit），改善器件性能。那么，在SiC MOSFET工艺中，臭氧应该如何使用？臭氧浓度如何设置？又该如何选择合适的臭氧发生器？

一、为什么SiC MOSFET越来越多采用臭氧工艺？

SiC在热氧化过程中，与传统硅材料存在明显区别。

由于SiC中含有大量碳元素，在热氧化形成SiO₂过程中，界面附近容易形成碳相关缺陷、悬挂键以及较高的界面态密度（Dit），这些缺陷会降低沟道电子迁移率，并影响MOSFET的阈值电压稳定性和长期可靠性。

传统工艺通常采用NO或N₂O进行氧化后退火（POA）改善界面质量，但近年来越来越多研究发现，臭氧具有更强的氧化能力，可在较低温度下提供活性氧，有助于促进界面碳相关缺陷的氧化和去除，从而改善SiC/SiO₂界面质量。

因此，臭氧更多用于以下几类工艺：

SiC栅氧化过程中的氧化气源；

臭氧辅助氧化（Ozone-assisted Oxidation）；

氧化后的臭氧处理工艺；

与后续NO、N₂O退火工艺配合使用，提高界面品质。

需要说明的是，不同研究机构和设备厂商采用的工艺路线并不完全相同，臭氧通常作为氧化工艺的重要组成部分，而不是简单意义上的"臭氧退火"。

二、臭氧浓度如何设置？

对于实验室及科研开发而言，臭氧浓度并不存在统一标准，而是需要根据设备结构、氧化目标、处理温度以及氧气流量进行优化。

这里所说的臭氧浓度，一般是指臭氧发生器出口浓度，并非反应腔内实际臭氧分压。

目前，高浓度臭氧发生器通常能够输出2%～10 wt%的臭氧浓度，可满足绝大多数SiC氧化实验需求。

对于初次开展实验的用户，可参考如下建议：

建议首次实验可选择约3 wt%左右作为初始条件，再结合氧化层厚度、界面态密度（Dit）、CV测试及器件电性能逐步优化臭氧浓度、处理时间和氧气流量，而不是一次设定到很高浓度。

值得注意的是，随着处理温度升高，臭氧热分解速率会明显增加。因此，高温条件下应综合优化臭氧浓度、气体流量、输送距离以及气路设计，而不是单纯提高臭氧发生器输出浓度。

三、臭氧发生器应该如何选型？

对于SiC MOSFET氧化工艺而言，臭氧发生器不仅要能够产生臭氧，更重要的是能够长期稳定输出高纯度、高浓度臭氧。

1. 优先选择氧气源臭氧发生器

空气源臭氧发生器臭氧浓度通常较低，并且容易受到湿度影响。

对于半导体工艺，建议采用高纯氧作为气源，既能够获得更高臭氧浓度，也有利于保证长期稳定性。

建议氧气纯度不低于99.5%。

 2. 具有连续调节能力

工艺开发阶段需要不断寻找合适工艺窗口，因此发生器应支持臭氧浓度连续调节。

目前主流方式包括：

调节放电功率；

调节氧气流量；

放电功率与流量联合调节。

连续可调比简单的开关控制更适合科研实验。

 3. 输出浓度稳定

对于半导体工艺来说，稳定性往往比高浓度更重要。

如果臭氧输出持续波动，即使平均浓度满足要求，也可能导致氧化重复性下降，从而影响器件一致性。

因此，建议重点关注：

长时间运行浓度稳定性；

重复启动一致性；

输出浓度重复性；

厂家是否能够提供连续运行测试数据。

 4. 与实验设备匹配

实验室常见设备包括：

石英管式炉；

RTP快速热处理设备；

小型氧化炉；

ALD反应器；

MOCVD前处理平台。

臭氧发生器应根据设备气路阻力、流量需求及接口形式进行匹配，避免因流量不足或压力不匹配影响工艺效果。

四、在线臭氧浓度监测同样重要

很多实验室在开展臭氧氧化实验时，只关注臭氧发生器，而忽略了浓度监测。

实际上，即使臭氧发生器设定值一致，不同时间、不同氧气纯度以及不同环境条件下，实际输出浓度仍可能存在差异。

因此建议配置紫外臭氧分析仪，对臭氧发生器输出浓度进行实时监测，实现：

臭氧浓度实时显示；

输出稳定性验证；

工艺参数记录；

实验结果可追溯。

对于需要长期开展工艺开发和论文研究的高校及科研院所，这一点尤为重要。

五、气路设计也决定实验效果

高浓度臭氧具有较强氧化性，如果气路设计不合理，也会影响实际到达反应器的臭氧浓度。

建议采用以下配置：

全程使用316L不锈钢或PTFE管路；

尽量缩短发生器至反应器之间的距离；

减少死体积和弯头数量；

避免使用橡胶、PVC等不耐臭氧材料；

配置尾气臭氧分解装置，确保实验安全。

合理的气路设计不仅能够降低臭氧损失，还能提高实验重复性。

六、北京同林臭氧SiC氧化实验解决方案

针对高校、科研院所及半导体设备研发企业，北京同林臭氧可提供完整的SiC氧化实验臭氧系统，包括：

高浓度氧气源臭氧发生器；（Atlas P30,802N，3S-T10,M1000等高浓度臭氧发生器）

高精度质量流量控制系统（MFC）；

在线紫外臭氧分析仪；（3S-J5000臭氧在线检测仪）

臭氧尾气分解装置；（F800臭氧尾气破坏器）

PTFE及316L耐臭氧气路；

与石英管式炉、氧化炉、ALD等设备的联机方案。

对于SiC MOSFET工艺开发而言，臭氧发生器不仅要具备足够的输出浓度，更应关注浓度稳定性、连续可调能力、长期重复性以及系统集成能力。只有建立稳定可靠的臭氧供气系统，才能为SiC氧化工艺优化提供可靠的实验基础。

如果您正在开展SiC MOSFET氧化、氧化后处理或其他半导体臭氧工艺研究，欢迎与北京同林臭氧交流，我们可根据您的工艺平台和实验需求，提供针对性的臭氧系统配置建议。