Bazat pe tehnologia cuptorului de creștere cu un singur cristal din carbură de siliciu de 8 inchi

Carbura de siliciu este unul dintre materialele ideale pentru realizarea dispozitivelor de înaltă temperatură, de înaltă frecvență, de mare putere și de înaltă tensiune. Pentru a îmbunătăți eficiența producției și a reduce costurile, pregătirea substraturilor de carbură de siliciu de dimensiuni mari este o direcție importantă de dezvoltare. Vizând cerințele procesului aleCreștere monocristal de carbură de siliciu (SIC) de 8 inci, a fost analizat mecanismul de creștere al metodei de transport fizic al vaporilor cu carbură de siliciu (PVT), sistemul de încălzire (Inel de ghidare TaC, creuzet acoperit cu TaC,Inele acoperite cu TaC, placă acoperită cu TaC, inel cu trei petale acoperit cu TaC, creuzet cu trei petale acoperit cu TaC, suport acoperit cu TaC, grafit poros, pâslă moale, susceptor de creștere a cristalului acoperit cu SiC din pâslă rigidă și altelePiese de schimb pentru procesul de creștere a cristalului unic SiCsunt furnizate de VeTek Semiconductor), au fost studiate rotația creuzetului și tehnologia de control al parametrilor de proces a cuptorului de creștere cu un singur cristal din carbură de siliciu, iar cristalele de 8 inci au fost pregătite și crescute cu succes prin analize de simulare a câmpului termic și experimente de proces.

0 Introducere

Carbura de siliciu (SiC) este un reprezentant tipic al materialelor semiconductoare din a treia generație. Are avantaje de performanță, cum ar fi o lățime de bandă interzisă mai mare, un câmp electric de defalcare mai mare și o conductivitate termică mai mare. Funcționează bine în câmpuri de temperatură ridicată, presiune ridicată și frecvență înaltă și a devenit una dintre principalele direcții de dezvoltare în domeniul tehnologiei materialelor semiconductoare. Are o gamă largă de nevoi de aplicații în vehicule cu energie nouă, generare de energie fotovoltaică, transport feroviar, rețea inteligentă, comunicații 5G, sateliți, radare și alte domenii. În prezent, creșterea industrială a cristalelor de carbură de siliciu folosește în principal transportul fizic al vaporilor (PVT), care implică probleme complexe de cuplare multi-fizică de câmp multifazic, multi-component, transfer multiplu de căldură și masă și interacțiunea fluxului de căldură magneto-electric. Prin urmare, proiectarea sistemului de creștere PVT este dificilă, iar măsurarea și controlul parametrilor procesului în timpulprocesul de creștere a cristaleloreste dificil, rezultând dificultatea de a controla defectele de calitate ale cristalelor de carbură de siliciu crescute și dimensiunea mică a cristalului, astfel încât costul dispozitivelor cu carbură de siliciu ca substrat rămâne ridicat.

Echipamentele de producție cu carbură de siliciu reprezintă fundamentul tehnologiei cu carbură de siliciu și al dezvoltării industriale. Nivelul tehnic, capacitatea de proces și garanția independentă a cuptorului de creștere cu un singur cristal cu carbură de siliciu sunt cheia dezvoltării materialelor cu carbură de siliciu în direcția dimensiunilor mari și a randamentului ridicat și sunt, de asemenea, principalii factori care conduc industria semiconductoare de a treia generație la se dezvoltă în direcția costurilor reduse și la scară largă. În prezent, dezvoltarea dispozitivelor cu carbură de siliciu de înaltă tensiune, putere mare și frecvență înaltă a făcut progrese semnificative, dar eficiența producției și costul de pregătire al dispozitivelor vor deveni un factor important care limitează dezvoltarea acestora. În dispozitivele semiconductoare cu un singur cristal de carbură de siliciu ca substrat, valoarea substratului reprezintă cea mai mare proporție, aproximativ 50%. Dezvoltarea echipamentelor de creștere a cristalelor cu carbură de siliciu de înaltă calitate, îmbunătățirea randamentului și a ratei de creștere a substraturilor cu un singur cristal cu carbură de siliciu și reducerea costurilor de producție sunt de o importanță cheie pentru aplicarea dispozitivelor conexe. Pentru a crește oferta de capacitate de producție și a reduce în continuare costul mediu al dispozitivelor cu carbură de siliciu, extinderea dimensiunii substraturilor cu carbură de siliciu este una dintre modalitățile importante. În prezent, dimensiunea principală internațională a substratului cu carbură de siliciu este de 6 inci și a avansat rapid la 8 inci.

Principalele tehnologii care trebuie rezolvate în dezvoltarea cuptoarelor de creștere cu un singur cristal din carbură de siliciu de 8 inchi includ: 1) Proiectarea structurii câmpului termic de dimensiuni mari pentru a obține un gradient radial de temperatură mai mic și un gradient de temperatură longitudinal mai mare, potrivit pentru creștere. din cristale de carbură de siliciu de 8 inci. 2) Mecanism de rotire a creuzetului de dimensiuni mari și de ridicare și coborâre a bobinei, astfel încât creuzetul să se rotească în timpul procesului de creștere a cristalului și să se miște în raport cu bobina conform cerințelor procesului pentru a asigura consistența cristalului de 8 inchi și pentru a facilita creșterea și grosimea . 3) Controlul automat al parametrilor procesului în condiții dinamice care îndeplinesc nevoile procesului de creștere de înaltă calitate a unui singur cristal.

1 mecanism de creștere a cristalelor PVT

Metoda PVT este de a prepara monocristale de carbură de siliciu prin plasarea sursei de SiC în partea de jos a unui creuzet cilindric de grafit dens, iar cristalul de semințe de SiC este plasat lângă capacul creuzetului. Crezetul este încălzit la 2 300~2 400 ℃ prin inducție sau rezistență în frecvență radio și este izolat cu pâslă de grafit saugrafit poros. Principalele substanțe transportate de la sursa de SiC la cristalul sămânță sunt Si, moleculele de Si2C și SiC2. Temperatura de la cristalul de sămânță este controlată pentru a fi ușor mai mică decât cea de la micro-pulberea inferioară și se formează un gradient de temperatură axial în creuzet. După cum se arată în figura 1, micropulberea de carbură de siliciu se sublimează la temperatură ridicată pentru a forma gaze de reacție ale diferitelor componente în fază gazoasă, care ajung la cristalul de însămânțare cu o temperatură mai scăzută sub antrenarea gradientului de temperatură și cristalizează pe acesta pentru a forma un cilindric. lingou de carbură de siliciu.

Principalele reacții chimice ale creșterii PVT sunt:

SiC(s)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(s)⇌SiC(g) (4)

Caracteristicile creșterii PVT a monocristalelor de SiC sunt:

1) Există două interfețe gaz-solid: una este interfața gaz-SiC pulbere, iar cealaltă este interfața gaz-cristal.

2) Faza gazoasă este compusă din două tipuri de substanțe: una sunt moleculele inerte introduse în sistem; celălalt este componenta în fază gazoasă SimCn produsă prin descompunerea și sublimarea luipulbere de SiC. Componentele în fază gazoasă SimCn interacționează între ele, iar o parte din așa-numitele componente în fază gazoasă cristaline SimCn care îndeplinesc cerințele procesului de cristalizare va crește în cristalul de SiC.

3) În pulberea solidă de carbură de siliciu, vor avea loc reacții în fază solidă între particulele care nu s-au sublimat, inclusiv unele particule care formează corpuri ceramice poroase prin sinterizare, unele particule care formează granule cu o anumită dimensiune a particulelor și morfologie cristalografică prin reacții de cristalizare și unele particule de carbură de siliciu care se transformă în particule bogate în carbon sau particule de carbon datorită descompunerii și sublimării nestoichiometrice.

4) În timpul procesului de creștere a cristalului, vor avea loc două schimbări de fază: una este că particulele solide de pulbere de carbură de siliciu sunt transformate în componente în fază gazoasă SimCn prin descompunere și sublimare non-stoichiometrică, iar cealaltă este că componentele în fază gazoasă SimCn sunt transformate în particule de rețea prin cristalizare.

2 Proiectarea echipamentului După cum se arată în Figura 2, cuptorul de creștere cu un singur cristal din carbură de siliciu include în principal: ansamblu capac superior, ansamblu cameră, sistem de încălzire, mecanism de rotație a creuzetului, mecanism de ridicare a capacului inferior și sistem de control electric.

2.1 Sistem de încălzire După cum se arată în Figura 3, sistemul de încălzire adoptă încălzire prin inducție și este compus dintr-o bobină de inducție, ocreuzet de grafit, un strat izolator(pâslă rigidă, pâslă moale), etc. Când curentul alternativ de frecvență medie trece prin bobina de inducție cu mai multe ture care înconjoară exteriorul creuzetului de grafit, în creuzetul de grafit se va forma un câmp magnetic indus de aceeași frecvență, generând o forță electromotoare indusă. Deoarece materialul creuzet de grafit de înaltă puritate are o conductivitate bună, pe peretele creuzetului se generează un curent indus, formând un curent turbionar. Sub acțiunea forței Lorentz, curentul indus va converge în cele din urmă spre peretele exterior al creuzetului (adică, efectul pielii) și va slăbi treptat de-a lungul direcției radiale. Datorită existenței curenților turbionari, căldura Joule este generată pe peretele exterior al creuzetului, devenind sursa de încălzire a sistemului de creștere. Mărimea și distribuția căldurii Joule determină direct câmpul de temperatură din creuzet, care la rândul său afectează creșterea cristalului.

După cum se arată în Figura 4, bobina de inducție este o parte cheie a sistemului de încălzire. Adoptă două seturi de structuri de bobine independente și este echipat cu mecanisme de mișcare de precizie superioară și, respectiv, inferioară. Majoritatea pierderilor de căldură electrice ale întregului sistem de încălzire sunt suportate de bobină, iar răcirea forțată trebuie efectuată. Bobina este înfășurată cu un tub de cupru și răcită cu apă în interior. Gama de frecvență a curentului indus este de 8~12 kHz. Frecvența încălzirii prin inducție determină adâncimea de penetrare a câmpului electromagnetic în creuzetul de grafit. Mecanismul de mișcare a bobinei folosește un mecanism de pereche de șuruburi acţionat de motor. Bobina de inducție cooperează cu sursa de alimentare cu inducție pentru a încălzi creuzetul intern de grafit pentru a realiza sublimarea pulberii. În același timp, puterea și poziția relativă a celor două seturi de bobine sunt controlate pentru a face ca temperatura la cristalul sămânță să fie mai mică decât cea a micro-pulberii inferioare, formând un gradient de temperatură axial între cristalul sămânță și pulberea din creuzet și formând un gradient de temperatură radial rezonabil la cristalul de carbură de siliciu.

2.2 Mecanismul de rotație a creuzetului În timpul creșterii de mari dimensiunimonocristale de carbură de siliciu, creuzetul din mediul de vid al cavității este menținut în rotație în funcție de cerințele procesului, iar câmpul termic de gradient și starea de joasă presiune din cavitate trebuie menținute stabile. După cum se arată în Figura 5, o pereche de angrenaje acţionată de motor este utilizată pentru a obţine o rotaţie stabilă a creuzetului. O structură de etanșare cu fluid magnetic este utilizată pentru a realiza etanșarea dinamică a arborelui rotativ. Etanșarea fluidului magnetic folosește un circuit rotativ de câmp magnetic format între magnet, pantoful polului magnetic și manșonul magnetic pentru a absorbi ferm lichidul magnetic între vârful pantofului și manșon pentru a forma un inel de fluid asemănător unui inel O, blocând complet golul pentru a atinge scopul de etanșare. Când mișcarea de rotație este transmisă din atmosferă în camera de vid, dispozitivul de etanșare dinamică cu inel O lichid este utilizat pentru a depăși dezavantajele uzurii ușoare și a duratei de viață scăzute în etanșarea solidă, iar fluidul magnetic lichid poate umple întreg spațiul sigilat, blocând astfel toate canalele care pot scurge aer și obținând scurgeri zero în cele două procese de mișcare și oprire a creuzetului. Suportul fluidului magnetic și al creuzetului adoptă o structură de răcire cu apă pentru a asigura aplicabilitatea la temperatură ridicată a fluidului magnetic și a suportului pentru creuzet și pentru a obține stabilitatea stării câmpului termic.

2.3 Mecanismul de ridicare a capacului inferior

Mecanismul de ridicare a capacului inferior constă dintr-un motor de antrenare, un șurub cu bile, un ghidaj liniar, un suport de ridicare, un capac al cuptorului și un suport pentru capacul cuptorului. Motorul antrenează suportul capacului cuptorului conectat la perechea de ghidare cu șuruburi printr-un reductor pentru a realiza mișcarea în sus și în jos a capacului inferior.

Mecanismul de ridicare a capacului inferior facilitează amplasarea și îndepărtarea creuzetelor de dimensiuni mari și, mai important, asigură fiabilitatea de etanșare a capacului inferior al cuptorului. Pe parcursul întregului proces, camera are etape de schimbare a presiunii, cum ar fi vid, presiune înaltă și presiune joasă. Starea de compresie și etanșare a capacului inferior afectează în mod direct fiabilitatea procesului. Odată ce sigiliul eșuează la temperaturi ridicate, întregul proces va fi casat. Prin intermediul servomotorului și dispozitivului de limitare, etanșeitatea ansamblului capac inferior și a camerei este controlată pentru a obține cea mai bună stare de compresie și etanșare a inelului de etanșare a camerei cuptorului pentru a asigura stabilitatea presiunii procesului, așa cum se arată în Figura 6. .

2.4 Sistemul de control electric În timpul creșterii cristalelor de carbură de siliciu, sistemul de control electric trebuie să controleze cu precizie diferiți parametri de proces, inclusiv în principal înălțimea poziției bobinei, rata de rotație a creuzetului, puterea și temperatura de încălzire, debitul de gaz special diferit și deschiderea supapa proporțională.

După cum se arată în Figura 7, sistemul de control folosește un controler programabil ca server, care este conectat la servodriver prin magistrală pentru a realiza controlul mișcării bobinei și creuzetului; este conectat la controlerul de temperatură și la controlerul de debit prin intermediul standardului MobusRTU pentru a realiza controlul în timp real al temperaturii, presiunii și debitului special de gaz de proces. Stabilește comunicarea cu software-ul de configurare prin Ethernet, schimbă informații despre sistem în timp real și afișează pe computerul gazdă diverse informații despre parametrii de proces. Operatorii, personalul de proces și managerii fac schimb de informații cu sistemul de control prin interfața om-mașină.

Sistemul de control realizează toate colectarea datelor de teren, analiza stării de funcționare a tuturor actuatoarelor și relația logică dintre mecanisme. Controlerul programabil primește instrucțiunile computerului gazdă și completează controlul fiecărui actuator al sistemului. Strategia de execuție și siguranță a meniului de proces automat sunt toate executate de controlerul programabil. Stabilitatea controlerului programabil asigură stabilitatea și siguranța funcționării meniului de proces.

Configurația superioară menține schimbul de date cu controlerul programabil în timp real și afișează datele de câmp. Este echipat cu interfețe de operare precum controlul încălzirii, controlul presiunii, controlul circuitului de gaz și controlul motorului, iar valorile de setare ale diferiților parametri pot fi modificate pe interfață. Monitorizarea în timp real a parametrilor alarmei, oferind afișare a alarmei pe ecran, înregistrarea orei și a datelor detaliate despre apariția și recuperarea alarmei. Înregistrarea în timp real a tuturor datelor de proces, conținutul de funcționare a ecranului și timpul de funcționare. Controlul fuziunii diferiților parametri de proces este realizat prin codul de bază din interiorul controlerului programabil și pot fi realizate maximum 100 de pași de proces. Fiecare pas include mai mult de o duzină de parametri ai procesului, cum ar fi timpul de funcționare a procesului, puterea țintă, presiunea țintă, debitul de argon, debitul de azot, debitul de hidrogen, poziția creuzetului și viteza creuzetului.

3 Analiza de simulare a câmpului termic

Este stabilit modelul de analiză de simulare a câmpului termic. Figura 8 este harta norilor de temperatură din camera de creștere a creuzetului. Pentru a asigura intervalul de temperatură de creștere al monocristalului 4H-SiC, temperatura centrală a cristalului sămânță este calculată a fi 2200 ℃, iar temperatura marginii este de 2205,4 ℃. În acest moment, temperatura centrală a blatului creuzetului este de 2167,5 ℃, iar cea mai mare temperatură a zonei de pulbere (cu partea în jos) este de 2274,4 ℃, formând un gradient de temperatură axial.

Distribuția gradientului radial al cristalului este prezentată în Figura 9. Gradientul de temperatură lateral inferior al suprafeței cristalului sămânță poate îmbunătăți în mod eficient forma de creștere a cristalului. Diferența de temperatură inițială calculată curent este de 5,4 ℃, iar forma generală este aproape plată și ușor convexă, ceea ce poate îndeplini cerințele de precizie și uniformitate a controlului radial al temperaturii ale suprafeței cristalului de semințe.

Curba diferenței de temperatură dintre suprafața materiei prime și suprafața cristalului de semințe este prezentată în Figura 10. Temperatura centrală a suprafeței materialului este de 2210℃, iar între suprafața materialului și sămânță se formează un gradient de temperatură longitudinal de 1℃/cm. suprafața de cristal, care se află într-un interval rezonabil.

Rata de creștere estimată este prezentată în Figura 11. Rata de creștere prea rapidă poate crește probabilitatea apariției unor defecte precum polimorfismul și dislocarea. Rata actuală de creștere estimată este aproape de 0,1 mm/h, ceea ce se află într-un interval rezonabil.

Prin analiza și calculul de simulare a câmpului termic, se constată că temperatura centrală și temperatura marginii cristalului sămânță îndeplinesc gradientul radial de temperatură al cristalului de 8 inci. În același timp, partea superioară și inferioară a creuzetului formează un gradient de temperatură axial potrivit pentru lungimea și grosimea cristalului. Metoda actuală de încălzire a sistemului de creștere poate satisface creșterea monocristalelor de 8 inci.

4 Test experimental

Folosind astacuptor de creștere cu un singur cristal din carbură de siliciu, pe baza gradientului de temperatură al simulării câmpului termic, prin ajustarea parametrilor cum ar fi temperatura superioară a creuzetului, presiunea cavității, viteza de rotație a creuzetului și poziția relativă a bobinelor superioare și inferioare, a fost efectuat un test de creștere a cristalelor de carbură de siliciu. , și s-a obținut un cristal de carbură de siliciu de 8 inchi (așa cum se arată în Figura 12).

5. Concluzie

Au fost studiate tehnologiile cheie pentru creșterea monocristalelor de carbură de siliciu de 8 inci, cum ar fi câmpul termic în gradient, mecanismul de mișcare a creuzetului și controlul automat al parametrilor procesului. Câmpul termic din camera de creștere a creuzetului a fost simulat și analizat pentru a obține gradientul de temperatură ideal. După testare, metoda de încălzire prin inducție cu bobine duble poate satisface creșterea de dimensiuni maricristale de carbură de siliciu. Cercetarea și dezvoltarea acestei tehnologii oferă tehnologia echipamentelor pentru obținerea de cristale de carbură de 8 inchi și oferă fundația echipamentelor pentru tranziția industrializării carbură de siliciu de la 6 inci la 8 inci, îmbunătățind eficiența de creștere a materialelor cu carbură de siliciu și reducând costurile.