На основі 8-дюймової технології печі з монокристалами карбіду з кремнію

       Карбід кремнію-один із ідеальних матеріалів для виготовлення високотемпературних, високочастотних, високопостійних пристроїв. З метою підвищення ефективності виробництва та зменшення витрат, важливим напрямком розвитку є підготовка субстратів карбіду великого розміру. Націлившись на вимоги до процесу8-дюймовий карбід кремнію (SIC) монокристалічний ріст, був проаналізований механізм росту методу фізичного транспорту карбіду (ПВТ), система нагріву (керування TAC, Crucible з покриттям TAC,Кілець з покриттям, Тарілки з покриттям TAC, триеталеве кільце, покрите TAC, триеталеві тиглі, покриті TAC, тримач з покриттям TAC, пористий графіт, м'який фетровий, жорсткий чутливий для SIC-покриття та ін.SIC монокристалічний процес росту ЗапчастиниЗабезпечуються напівпровідником Vetek), були вивчені тигель обертання та технологію управління параметром процесу кремнію карбіду, а 8-дюймові кристали були успішно підготовлені та вирощені за допомогою аналізу моделювання теплового поля та експериментів з процесом.

Вступ

      Карбід кремнію (SIC) є типовим представником напівпровідникових матеріалів третього покоління. Він має переваги продуктивності, такі як більша ширина пропускної смуги, електричне поле більшого розбиття та більша теплопровідність. Він добре працює в полях високої температури, високого тиску та високої частоти, і став одним з головних напрямків розвитку в галузі технології напівпровідникових матеріалів.  В даний час промисловий ріст кристалів карбіду кремнію в основному використовує фізичний транспорт пари (ПВТ), який включає складні багатофізичні задачі зчеплення поля багатофазної, багатокомпонентної, багаторазової та масової передачі та магніто-електричної взаємодії теплового потоку. Тому конструкція системи росту ПВТ складна, а вимірювання та контроль параметрів процесів під часПроцес росту кристалівВажко, що призводить до труднощів у боротьбі з дефектами якості вирощених кристалів карбіду кремнію та невеликого розміру кристалів, так що вартість пристроїв з карбідом кремнію, оскільки підкладка залишається високою.

      Обладнання для виробництва карбіду кремнію є основою технології карбіду кремнію та промислового розвитку. Технічний рівень, здатність до процесу та незалежна гарантія печі з монокрибідом карбіду кремнію є ключовим фактором розвитку кремнієвих карбідних матеріалів у напрямку великого розміру та високого врожаю, а також є основними факторами, що керують напівпровідниковою промисловістю третього покоління для розвитку в напрямку низької вартості та масштабного. У напівпровідникових пристроях з монокристалом карбіду кремнію в якості субстрату значення субстрату припадає на найбільшу частку, близько 50%. Розробка високоякісного високоякісного обладнання для росту карбіду кремнію, покращення врожайності та темпів росту одноразових субстратів карбіду кремнію, та зменшення виробничих витрат мають ключове значення для застосування суміжних пристроїв. З метою збільшення постачання виробничих потужностей та ще більше зменшення середньої вартості кремнієвих карбідних пристроїв, розширення розміру підкладки карбіду кремнію є одним із важливих способів. В даний час міжнародний розмір карбідного підкладки з кремнію становить 6 дюймів, і він швидко просувається до 8 дюймів.

       Основні технології, які необхідно вирішити при розробці 8-дюймових печей росту карбіду кремнію, включають: (1) конструкцію структури теплового поля великого розміру для отримання меншого радіального градієнта температури та більшого поздовжнього градієнта температури, придатних для росту 8-дюймових кристалів карбіду кремнію. (2) Обертання великого розміру тиглі та механізм підйому котушки та зниження руху, так що тигель обертається під час процесу росту кристалів і рухається відносно котушки відповідно до вимог до процесу для забезпечення узгодженості 8-дюймового кристала та полегшення росту та товщини. (3) Автоматичне управління параметрами процесу в динамічних умовах, що відповідають потребам високоякісного процесу росту в монокристалі.

1 Механізм росту кристалів ПВТ

       Метод PVT полягає в підготовці монокристалів карбіду кремнію, розміщуючи джерело SIC на дні циліндричного щільного графітового тигель, а кристал насіння SIC розміщується біля кришки тигель. Тигель нагрівається до 2 300 ~ 2 400 ℃ шляхом індукції радіочастот або опору, і ізолюється графітовим фетром абоПористий графіт. Основними речовинами, що транспортуються з джерела SIC до кристала насіння, є Si, молекули Si2c та SIC2. Температура на кристалі насіння контролюється трохи нижчою, ніж на нижній мікро-породі, і в тиглі утворюється осьовий градієнт температури. Як показано на малюнку 1, кремнієві карбідні мікро-порошки сублімують при високій температурі, утворюючи реакційні гази різних компонентів газової фази, які досягають кристала насіння з нижчою температурою під приводом градієнта температури та кристалізуються на ньому, утворюючи циліндричний строк карбіду кремнію.

Основними хімічними реакціями росту ПВТ є:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2sic ⇌ і₂C (g)+c (s)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+SI (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Характеристики росту PVT монокристалів SIC:

1) Існують два газо-тверді інтерфейси: один-це газовий порошок-інтерфейс, а другий-інтерфейс газо-кристалу.

2) газова фаза складається з двох типів речовин: одна - інертні молекули, введені в систему; Інший - компонент газової фази SIMCN, що виробляється розкладанням та сублімацієюSIC порошок. Компоненти газової фази SIMCN взаємодіють між собою, а частина так званих компонентів кристалічної газової фази SIMCN, що відповідають вимогам процесу кристалізації, виростуть у кристалі SIC.

3) У твердому кремнієвому карбідному порошку реакції твердофази відбуватимуться між частинками, які не сублімізувались, включаючи деякі частинки, що утворюють пористі керамічні тіла через спікання, деякі частинки, що утворюють зерна, з певним розміром частинок та кристалографічною морфологією через реакції кристалізації та деякі частинки карбіду та частинок вуглецю або частинки вуглецю, що не належать до вуглецю.

4) Під час процесу росту кристалів відбудеться дві фазові зміни: одна полягає в тому, що частинки порошку карбіду твердого кремнію перетворюються на компоненти газової фази SIMCN за допомогою нестихіометричного розкладання та сублімації, а інша полягає в тому, що компоненти газової фази перетворюються на частинки ґратки через кристалізацію.

2 дизайн обладнання 

      Як показано на малюнку 2, монокристалічна печера для росту карбіду кремнію в основному включає: верхню частину кришки, складання камери, система нагріву, механізм обертання тигель, механізм підйому нижнього покриття та система електричного управління.

2.1 Система опалення 

     Як показано на малюнку 3, система нагріву приймає індукційне нагрівання і складається з індукційної котушки, aГрафітовий тигель, ізоляційний шар (жорсткий фетер, м'який фетровий) та ін. Коли змінний струм середньої частоти проходить через мультиплинову індукційну котушку, що оточує зовнішню частину графітного тигля, індуковане магнітне поле однакової частоти буде сформовано в графітному тиглі, генеруючи індуковану електротивну силу. Оскільки матеріал з високою чистотою Графітового тиску має хорошу провідність, на стінці тиглі генерується індукований струм, утворюючи вихровий струм. Під дією сили Лоренца індукований струм врешті -решт сходити на зовнішню стінку тиглі (тобто ефект шкіри) і поступово слабшає уздовж радіального напрямку. Завдяки існуванню вихрових струмів, тепло джоула генерується на зовнішній стінці тигель, стаючи джерелом нагріву системи росту. Розмір та розподіл тепла джоула безпосередньо визначають температурне поле в тиглі, що, в свою чергу, впливає на ріст кристала.

     Як показано на малюнку 4, індукційна котушка є ключовою частиною системи нагріву. Він приймає два набори незалежних структур котушки і оснащений механізмами верхньої та нижньої точності руху відповідно. Більшість електричних втрат тепла всієї системи опалення несе котушку, і необхідно виконувати примусове охолодження. Котушка намірується мідною трубкою і охолоджується водою всередині. Діапазон частот індукованого струму становить 8 ~ 12 кГц. Частота індукційного нагрівання визначає глибину проникнення електромагнітного поля в графітному тиглі. Механізм руху котушки використовує механізм гвинтової пари, керовану двигуном. Індукційна котушка співпрацює з індукційним живленням для нагрівання внутрішнього графітового тигля для досягнення сублімації порошку. У той же час потужність та відносне положення двох наборів котушок контролюються, щоб зробити температуру на кристалі насіння нижчим, ніж на нижньому мікро-породі, утворюючи градієнт осьової температури між кристалом насіння та порошком у тиглі і утворюючи розумний променевий градієнт температури в кристалі карбіду.

2.2 Механізм обертання тиглі 

      Під час зростання великого розміруСиліконові карбідні монокристали, тигель у вакуумному середовищі порожнини зберігається згідно з вимогами до процесу, а градієнтне теплове поле та стан низького тиску в порожнині повинні бути стабільними. Як показано на малюнку 5, для досягнення стабільного обертання тиглі використовується пара передач, керована моторною, використовується. Для досягнення динамічної герметизації обертового валу використовується конструкція герметизації магнітної рідини. Ущільнювача магнітна рідина використовує обертову ланцюг магнітного поля, утвореного між магнітом, магнітним полюсним взуттям та магнітним втулкою, щоб міцно адсорбувати магнітну рідину між кінчиком взуття для полюсів і втулкою, щоб утворити область, що нагадує кільце, що нагадує, повністю блокуючи зазор для досягнення цілі ущільнення. Коли обертальний рух передається з атмосфери до вакуумної камери, рідкий динамічний пристрій ущільнювача ущільнювача використовується для подолання недоліків легкого зносу та низького життя в твердій герметизації, а рідка магнітна рідина може заповнити весь герметичний простір, тим самим блокуючи всі канали, які можуть просочити повітря та досягаючи нульового злему у двох процесах розпущених руху та припинення. Магнітна рідина та тигельна підтримка приймають структуру водяного охолодження, щоб забезпечити високотемпературну застосовність магнітної рідини та тигельної підтримки та досягнення стабільності стану теплового поля.

2.3 Механізм підйому нижнього покриття

     Механізм підйому нижньої кришки складається з приводного двигуна, кульового гвинта, лінійного направляючого, підйомного кронштейна, кришки печі та кронштейна печі. Двигун керує кронштейном кришки печі, підключеною до пари гвинтових направляючих через редуктор, щоб реалізувати рух вгору та вниз нижньої кришки.

     Механізм підйому нижнього покриву сприяє розміщенню та усуненню великих розмірів, і, що ще важливіше, забезпечує надійність ущільнення нижньої кришки печі. Протягом усього процесу камера має етапи зміни тиску, такі як вакуум, високий тиск та низький тиск. Стан стиснення та ущільнення нижнього покриття безпосередньо впливає на надійність процесу. Після того, як ущільнювача не виходить під високою температурою, весь процес буде знятий. Через керування сервоприводу та обмеження моторного моторного пристрою, герметичність нижньої кришки та камери контролюється для досягнення найкращого стану стиснення та ущільнення герметизації печейної камери, щоб забезпечити стабільність тиску процесу, як показано на малюнку 6.

2.4 Система електричного управління 

      Під час зростання кристалів карбіду кремнію електро управління електричним керуванням необхідно точно контролювати різні параметри процесу, в основному, включаючи висоту положення котушки, швидкість обертання тиглі, потужність нагріву та температуру, різний спеціальний потік газу та відкриття пропорційного клапана.

      Як показано на малюнку 7, система управління використовує програмований контролер як сервер, який підключений до драйвера сервоприводу через шину, щоб реалізувати контроль руху котушки та тиглі; Він підключений до контролера температури та контролера потоку через стандартний MobusRTU, щоб реалізувати контроль в режимі реального часу температури, тиск та спеціальний процес потоку газу. Він встановлює спілкування з програмним забезпеченням конфігурації через Ethernet, обмінюється інформацією про систему в режимі реального часу та відображає різну інформацію про параметри процесу на хост -комп'ютері. Оператори, обробка персоналу та менеджери обмінюються інформацією з системою управління через інтерфейс людини-машини.

     Система управління здійснює весь збір даних поля, аналіз робочого стану всіх приводів та логічна залежність між механізмами. Програмований контролер отримує інструкції хост -комп'ютера та завершує управління кожним приводом системи. Стратегія виконання та безпеки меню автоматичних процесів виконується програмованим контролером. Стабільність програмованого контролера забезпечує стабільність та надійність безпеки операції меню процесу.

     Верхня конфігурація підтримує обмін даними за допомогою програмованого контролера в режимі реального часу та відображає дані поля. Він оснащений інтерфейсами експлуатації, такими як контроль нагрівання, управління тиском, управління схемою газу та управління двигуном та значення встановлення різних параметрів можуть бути змінені на інтерфейсі. Моніторинг параметрів тривоги в режимі реального часу, забезпечення дисплея тривоги екрана, запису часу та детальних даних про виникнення та відновлення тривоги. Запис у режимі реального часу всіх даних процесів, вміст експлуатації екрана та час роботи. Контроль синтезу різних параметрів процесу реалізується за допомогою базового коду всередині програмованого контролера, і максимум 100 кроків процесу можна реалізувати. Кожен крок включає більше десятка параметрів процесу, таких як час роботи процесу, цільова потужність, цільовий тиск, потік аргону, потік азоту, потік водню, тигельне положення та швидкість тиглі.

3 Аналіз моделювання теплового поля

    Встановлена ​​модель аналізу моделювання теплового поля. Малюнок 8 - це хмарна карта температури в камері зростання тигель. Для того, щоб забезпечити діапазон температури росту монокристалів 4H-SIC, центральна температура кристала насіння обчислюється як 2200 ℃, а температура краю-2205,4 ℃. У цей час центральна температура тигельної верху становить 2167,5 ℃, а найвища температура площі порошку (сторона вниз) становить 2274,4 ℃, утворюючи градієнт осьової температури.

       Радіальний градієнтний розподіл кристала показаний на малюнку 9. Нижній градієнт бічної температури поверхні кристала насіння може ефективно покращити форму росту кристала. Поточний розрахований початкова різниця температури становить 5,4 ℃, а загальна форма майже рівна і злегка опукла, що може відповідати радіальній точності контролю температури та рівномірністю поверхні кристала насіння.

       Крива різниці температур між поверхнею сировини та поверхнею кристала насіння показана на малюнку 10. Центральна температура поверхні матеріалу становить 2210 ℃, а поздовжній градієнт температури 1 ℃/см утворюється між поверхнею матеріалу та поверхнею кристала насіння, що знаходиться в розумному діапазоні.

      Орієнтовний темп зростання показаний на рисунку 11. Занадто швидкий темп росту може збільшити ймовірність дефектів, таких як поліморфізм та дислокація. Поточний розрахунковий темп зростання близький до 0,1 мм/год, що знаходиться в розумному діапазоні.

     За допомогою аналізу та розрахунку теплового поля встановлено, що центральна температура та температура краю кристала насіння відповідають променевим градієнтом температури кристала 8 дюймів. У той же час, верх і дно тиглі утворюють градієнт осьової температури, придатний для довжини і товщини кристала. Поточний метод нагрівання системи росту може відповідати зростанню 8-дюймових монокристалів.

4 Експериментальний тест

     Використовуючи цеСиліконова карбіду монокристалі, виходячи з градієнта температури моделювання теплового поля, регулюючи такі параметри, як тигельна верхня температура, тиск порожнини, швидкість обертання тиглі та відносне положення верхніх і нижніх котушок, проводили тест на кристал карбіду кремнію, і було отримано 8-дюймовий кристал карбіду кремнію (як показано на малюнку 12).

5 Висновок

     Були вивчені ключові технології для зростання 8-дюймового кремнієвого карбіду, таких як градієнтне теплове поле, механізм тиглого руху та автоматичне управління параметрами процесу. Теплове поле в камері росту тигель було моделювали та проаналізували для отримання ідеального градієнта температури. Після тестування метод нагрівання індукції з двома котушками може відповідати зростанню великого розміруКРИСТАЛЬНІ КРАБІДИ КІЛІКОНА. Дослідження та розробка цієї технології забезпечують технологію обладнання для отримання 8-дюймових кристалів карбіду та забезпечує обладнання для переходу індустріалізації карбіду кремнію з 6 дюймів до 8 дюймів, що підвищує ефективність росту матеріалів карбіду кремнію та зменшуючи витрати.