Заснован на технологији пећи за раст од монокристалног силицијум карбида од 8 инча

Силицијум карбид је један од идеалних материјала за израду високотемпературних, високофреквентних, јаких и високонапонских уређаја. У циљу побољшања ефикасности производње и смањења трошкова, припрема великих подлога од силицијум карбида је важан правац развоја. У циљу испуњавања захтева процеса одРаст монокристала од 8 инча од силицијум карбида (СИЦ)., анализиран је механизам раста методе физичког транспорта паре силицијум карбида (ПВТ), систем грејања (ТаЦ водични прстен, ТаЦ Цоатед Цруцибле,ТаЦ обложени прстенови, ТаЦ обложена плоча, ТаЦ обложен прстен са три латице, ТаЦ обложен три латице лонац, ТаЦ обложен држач, порозни графит, меки филц, крути филц обложен СиЦ-пресложеним кристалом за раст и другиРезервни делови за процес раста СиЦ монокристалакоје обезбеђује ВеТек Семицондуцтор), проучавана је ротација лончића и технологија контроле параметара процеса пећи за раст монокристала силицијум карбида, а кристали од 8 инча су успешно припремљени и узгајани кроз анализу симулације термичког поља и експерименте процеса.

0 Увод

Силицијум карбид (СиЦ) је типичан представник треће генерације полупроводничких материјала. Има предности у перформансама као што су већа ширина појасног размака, веће електрично поље пробоја и већа топлотна проводљивост. Добро се понаша у пољима високих температура, високог притиска и високих фреквенција, и постао је један од главних развојних праваца у области технологије полупроводничких материјала. Има широк спектар потреба за применом у новим енергетским возилима, фотонапонској производњи енергије, железничком транспорту, паметној мрежи, 5Г комуникацији, сателитима, радарима и другим пољима. Тренутно, индустријски раст кристала силицијум карбида углавном користи физички транспорт паре (ПВТ), који укључује сложене проблеме спајања мулти-физичког поља вишефазног, вишекомпонентног, вишеструког преноса топлоте и масе и интеракције магнетно-електричног топлотног тока. Због тога је дизајн ПВТ система раста тежак, а мерење и контрола параметара процеса токомпроцес раста кристалаје тешко, што доводи до потешкоћа у контроли дефеката квалитета узгојених кристала силицијум карбида и мале величине кристала, тако да цена уређаја са силицијум карбидом као подлогом остаје висока.

Опрема за производњу силицијум карбида је основа технологије силицијум карбида и индустријског развоја. Технички ниво, способност процеса и независна гаранција пећи за узгој монокристалних силицијум карбида су кључ за развој материјала од силицијум карбида у правцу велике величине и високог приноса, а такође су и главни фактори који воде индустрију полупроводника треће генерације да развијати у правцу ниске цене и великих размера. Тренутно је развој уређаја од силицијум карбида високог напона, велике снаге и високе фреквенције направио значајан напредак, али ће ефикасност производње и трошкови припреме уређаја постати важан фактор који ограничава њихов развој. У полупроводничким уређајима са монокристалом силицијум карбида као подлогом, вредност супстрата чини највећи удео, око 50%. Развој висококвалитетне опреме за раст кристала силицијум карбида велике величине, побољшање приноса и стопе раста монокристалних супстрата од силицијум карбида и смањење трошкова производње од кључног су значаја за примену сродних уређаја. У циљу повећања понуде производних капацитета и даљег смањења просечне цене уређаја од силицијум карбида, проширење величине подлога од силицијум карбида је један од важних начина. Тренутно, међународна главна величина супстрата од силицијум карбида је 6 инча и брзо напредује на 8 инча.

Главне технологије које треба решити у развоју пећи за раст од монокристала од силицијум карбида од 8 инча укључују: 1) Дизајн структуре топлотног поља велике величине да би се добио мањи радијални температурни градијент и већи уздужни температурни градијент погодан за раст од 8-инчних кристала силицијум карбида. 2) Ротација лончића велике величине и механизам покрета за подизање и спуштање завојнице, тако да се лончић ротира током процеса раста кристала и помера у односу на калем у складу са захтевима процеса како би се осигурала конзистентност кристала од 8 инча и олакшао раст и дебљина . 3) Аутоматска контрола параметара процеса у динамичким условима који задовољавају потребе висококвалитетног процеса раста монокристала.

1 ПВТ механизам раста кристала

ПВТ метода је припрема монокристала силицијум карбида постављањем извора СиЦ на дно цилиндричног густог графитног лончића, а силицијум-карбид се поставља близу поклопца лончића. Лончић се загрева на 2 300~2 400 ℃ радиофреквентном индукцијом или отпором и изолује се графитним филцом илипорозни графит. Главне супстанце које се транспортују од извора СиЦ до кристала су Си, Си2Ц молекули и СиЦ2. Температура на кристалу семена се контролише да буде нешто нижа од оне на доњем микро-праху, а аксијални температурни градијент се формира у лончићу. Као што је приказано на слици 1, микро-прах силицијум карбида сублимира на високој температури да би формирао реакционе гасове различитих компоненти гасне фазе, који под утицајем температурног градијента доспевају до кристала семена са нижом температуром и кристалишу на њему да би формирали цилиндрични кристал. силицијум карбид ингот.

Главне хемијске реакције раста ПВТ су:

СиЦ(с)⇌Си(г)+Ц(с) (1)

2СиЦ⇌Си2Ц(г)+Ц(с) (2)

2СиЦ⇌СиЦ2(г)+Си(л,г) (3)

СиЦ(с)⇌СиЦ(г) (4)

Карактеристике ПВТ раста монокристала СиЦ су:

1) Постоје два интерфејса гас-чврста материја: један је интерфејс гас-СиЦ прах, а други је интерфејс гас-кристал.

2) Гасну фазу чине две врсте супстанци: једна су инертни молекули унети у систем; друга је компонента гасне фазе СимЦн настала разградњом и сублимацијомСиЦ прах. Компоненте гасне фазе СимЦн међусобно делују, а део такозваних компоненти такозване кристалне гасне фазе СимЦн који испуњавају захтеве процеса кристализације ће прерасти у кристал СиЦ.

3) У чврстом праху силицијум карбида, реакције у чврстој фази ће се десити између честица које нису сублимиране, укључујући неке честице које формирају порозна керамичка тела синтеровањем, неке честице које формирају зрна одређене величине честица и кристалографске морфологије кроз реакције кристализације, а неке честице силицијум карбида које се трансформишу у честице богате угљеником или честице угљеника услед нестехиометријског разлагања и сублимације.

4) Током процеса раста кристала, догодиће се две промене фазе: једна је да се чврсте честице праха силицијум карбида трансформишу у компоненте гасне фазе СимЦн нестехиометријском разградњом и сублимацијом, а друга је да се компоненте гасне фазе СимЦн трансформишу. у честице решетке кроз кристализацију.

2 Дизајн опреме Као што је приказано на слици 2, пећ за раст монокристала од силицијум карбида углавном укључује: горњи поклопац, склоп коморе, систем грејања, механизам за ротацију лончића, механизам за подизање доњег поклопца и електрични контролни систем.

2.1 Систем грејања Као што је приказано на слици 3, систем грејања прихвата индукционо грејање и састоји се од индукционог намотаја,графитни лончић, изолациони слој (крут филц, меки филц), итд. Када наизменична струја средње фреквенције прође кроз вишеокретни индукциони калем који окружује спољну страну графитног лончића, у графитном лончићу ће се формирати индуковано магнетно поље исте фреквенције, генеришући индуковану електромоторну силу. Пошто графитни материјал високе чистоће има добру проводљивост, индукована струја се генерише на зиду лончића, формирајући вртложна струја. Под дејством Лоренцове силе, индукована струја ће се на крају конвергирати на спољни зид лончића (тј. скин ефекат) и постепено слабити у радијалном правцу. Због постојања вртложних струја, џулова топлота се генерише на спољашњем зиду лончића, постајући извор грејања система раста. Величина и дистрибуција џулове топлоте директно одређују температурно поље у лончићу, што заузврат утиче на раст кристала.

Као што је приказано на слици 4, индукциони калем је кључни део система грејања. Он усваја два сета независних структура завојнице и опремљен је горњим и доњим прецизним механизмима кретања. Највећи део електричног топлотног губитка целог система грејања сноси калем, а принудно хлађење се мора извршити. Завојница је намотана бакарном цеви и унутра се хлади водом. Фреквенцијски опсег индуковане струје је 8~12 кХз. Фреквенција индукционог загревања одређује дубину продирања електромагнетног поља у графитну лончићу. Механизам за кретање калема користи механизам за вијчани пар на моторни погон. Индукциони калем сарађује са индукционим напајањем за загревање унутрашњег графитног лончића како би се постигла сублимација праха. У исто време, снага и релативна позиција два сета завојница се контролишу како би температура на кристалу семена била нижа од оне на доњем микро-праху, формирајући аксијални температурни градијент између кристала за семе и праха у лончић, и формира разуман радијални температурни градијент на кристалу силицијум карбида.

2.2 Механизам ротације лончића Током раста великихмонокристали силицијум карбида, лончић у вакуумском окружењу шупљине се одржава у ротацији у складу са захтевима процеса, а градијентно топлотно поље и стање ниског притиска у шупљини треба да буду стабилни. Као што је приказано на слици 5, пар зупчаника на моторни погон се користи за постизање стабилне ротације лончића. Заптивна структура магнетног флуида се користи за постизање динамичког заптивања ротирајућег вратила. Заптивач магнетног флуида користи ротирајући круг магнетног поља формиран између магнета, папучице магнетног пола и магнетне чахуре како би чврсто адсорбовао магнетну течност између врха папуче и рукава како би се формирао течни прстен сличан О-прстену, потпуно блокирајући јаз за постизање сврхе заптивања. Када се ротационо кретање преноси из атмосфере у вакуумску комору, течни О-прстен уређај за динамичко заптивање се користи за превазилажење недостатака лаког хабања и малог века трајања у чврстом заптивачу, а течни магнетни флуид може попунити цео запечаћени простор, чиме се блокирају сви канали који могу да пропуштају ваздух и постиже се нула цурења у два процеса кретања и заустављања лончића. Магнетни флуид и носач лончића имају структуру за хлађење водом како би се осигурала применљивост магнетне течности и носача лончића на високим температурама и постигла стабилност стања топлотног поља.

2.3 Механизам за подизање доњег поклопца

Механизам за подизање доњег поклопца састоји се од погонског мотора, кугличног вијка, линеарне вођице, носача за подизање, поклопца пећи и носача поклопца пећи. Мотор покреће држач поклопца пећи повезан са паром вођица вијака кроз редуктор да би се остварило кретање доњег поклопца нагоре и надоле.

Механизам за подизање доњег поклопца олакшава постављање и уклањање великих лонаца, и што је још важније, обезбеђује поузданост заптивања доњег поклопца пећи. Током читавог процеса, комора има фазе промене притиска као што су вакуум, високи притисак и низак притисак. Стање компресије и заптивања доњег поклопца директно утиче на поузданост процеса. Када заптивање поквари под високом температуром, цео процес ће бити уклоњен. Преко серво контроле мотора и уређаја за ограничавање, непропусност склопа доњег поклопца и коморе се контролише како би се постигло најбоље стање компресије и заптивања заптивног прстена коморе пећи како би се осигурала стабилност процесног притиска, као што је приказано на слици 6. .

2.4 Електрични контролни систем Током раста кристала силицијум карбида, електрични контролни систем треба да прецизно контролише различите процесне параметре, углавном укључујући висину намотаја, брзину ротације лонца, снагу грејања и температуру, различит проток специјалног усисног гаса и отвор пропорционални вентил.

Као што је приказано на слици 7, контролни систем користи програмабилни контролер као сервер, који је повезан са серво драјвером преко магистрале да би се реализовала контрола кретања калема и лонца; повезан је са регулатором температуре и контролером протока преко стандардног МобусРТУ-а да би се реализовала контрола температуре, притиска и специјалног протока процесног гаса у реалном времену. Он успоставља комуникацију са софтвером за конфигурацију преко Етхернета, размењује системске информације у реалном времену и приказује различите информације о параметрима процеса на рачунару домаћину. Оператери, процесно особље и менаџери размењују информације са контролним системом преко интерфејса човек-машина.

Управљачки систем врши прикупљање свих теренских података, анализу радног статуса свих актуатора и логичког односа између механизама. Програмабилни контролер прима упутства главног рачунара и довршава контролу сваког актуатора система. Извршење и безбедносна стратегија менија аутоматског процеса се извршавају од стране програмабилног контролера. Стабилност програмабилног контролера обезбеђује стабилност и сигурносну поузданост рада процесног менија.

Горња конфигурација одржава размену података са програмабилним контролером у реалном времену и приказује податке са терена. Опремљен је радним интерфејсима као што су контрола грејања, контрола притиска, контрола гасног кола и контрола мотора, а вредности подешавања различитих параметара се могу мењати на интерфејсу. Праћење параметара аларма у реалном времену, обезбеђивање приказа аларма на екрану, снимање времена и детаљних података о појави аларма и опоравку. Снимање у реалном времену свих процесних података, садржаја рада екрана и времена рада. Контрола фузије различитих параметара процеса се реализује кроз основни код унутар програмабилног контролера, а може се реализовати максимално 100 корака процеса. Сваки корак укључује више од десетак параметара процеса као што су време рада процеса, циљна снага, циљни притисак, проток аргона, проток азота, проток водоника, положај лончића и брзина лончића.

3 Анализа симулације топлотног поља

Успостављен је модел анализе симулације топлотног поља. Слика 8 је мапа температурног облака у комори за раст у лончићу. Да би се обезбедио распон температуре раста монокристала 4Х-СиЦ, израчуната је да је централна температура кристала семена 2200 ℃, а температура ивице 2205,4 ℃. У овом тренутку, централна температура врха лончића је 2167,5 ℃, а највиша температура подручја праха (страном надоле) је 2274,4 ℃, формирајући аксијални температурни градијент.

Расподела радијалног градијента кристала је приказана на слици 9. Нижи бочни температурни градијент површине кристала семена може ефикасно да побољша облик раста кристала. Тренутна израчуната почетна температурна разлика је 5,4 ℃, а укупан облик је скоро раван и благо конвексан, што може задовољити захтеве радијалне контроле температуре и уједначености површине кристала семена.

Крива температурне разлике између површине сировог материјала и површине кристала семена је приказана на слици 10. Централна температура површине материјала је 2210℃, а уздужни температурни градијент од 1℃/цм формира се између површине материјала и семена. површине кристала, што је у разумном опсегу.

Процењена стопа раста приказана је на слици 11. Пребрза стопа раста може повећати вероватноћу дефеката као што су полиморфизам и дислокација. Тренутна процењена стопа раста је близу 0,1 мм/х, што је у разумном опсегу.

Кроз анализу и прорачун симулације термичког поља, утврђено је да централна температура и температура ивице кристала за семе одговарају радијалном температурном градијенту кристала од 8 инча. Истовремено, врх и дно лончића формирају аксијални температурни градијент погодан за дужину и дебљину кристала. Тренутни начин загревања система раста може задовољити раст монокристала од 8 инча.

4 Експериментални тест

Користећи овопећ за раст монокристала од силицијум карбида, на основу температурног градијента симулације топлотног поља, подешавањем параметара као што су температура врха лончића, притисак у шупљини, брзина ротације лончића и релативна позиција горњег и доњег намотаја, спроведен је тест раста кристала силицијум карбида , и добијен је кристал силицијум карбида од 8 инча (као што је приказано на слици 12).

5. Закључак

Проучаване су кључне технологије за раст монокристала силицијум карбида од 8 инча, као што су градијентно топлотно поље, механизам кретања лончића и аутоматска контрола параметара процеса. Топлотно поље у комори за раст у лончићу је симулирано и анализирано да би се добио идеалан температурни градијент. Након тестирања, метода индукционог грејања са двоструким намотајем може задовољити раст великих димензијакристали силицијум карбида. Истраживање и развој ове технологије обезбеђује технологију опреме за добијање 8-инчних карбидних кристала и обезбеђује основу опреме за прелазак индустријализације силицијум карбида са 6 инча на 8 инча, побољшавајући ефикасност раста материјала од силицијум карбида и смањујући трошкове.