Založené na 8-palcovej technológii rastovej pece karbidu kremíka monokryštálov

Karbid kremíka je jedným z ideálnych materiálov na výrobu vysokoteplotných, vysokofrekvenčných, vysokovýkonných a vysokonapäťových zariadení. S cieľom zlepšiť efektivitu výroby a znížiť náklady je príprava veľkorozmerných substrátov z karbidu kremíka dôležitým smerom vývoja. Zameranie na procesné požiadavky8-palcový rast monokryštálov karbidu kremíka (SIC).analyzoval sa mechanizmus rastu metódy fyzického transportu pár karbidu kremíka (PVT), vykurovací systém (vodiaci krúžok TaC, téglik potiahnutý TaC,Krúžky potiahnuté TaC, TaC potiahnutá doska, TaC potiahnutý trojlístkový krúžok, TaC potiahnutý trojlístkový téglik, TaC potiahnutý držiak, porézny grafit, mäkká plsť, tuhá plsť SiC potiahnutý kryštálový rastový susceptor a inéNáhradné diely pre proces rastu jedného kryštálu SiCsú poskytované spoločnosťou VeTek Semiconductor), študovala sa technológia rotácie téglika a procesných parametrov rastovej pece monokryštálov karbidu kremíka a 8-palcové kryštály boli úspešne pripravené a pestované prostredníctvom analýzy simulácie tepelného poľa a experimentov s procesmi.

0 Úvod

Karbid kremíka (SiC) je typickým predstaviteľom polovodičových materiálov tretej generácie. Má výkonnostné výhody, ako je väčšia šírka pásma, vyššie prierazné elektrické pole a vyššia tepelná vodivosť. Funguje dobre vo vysokoteplotných, vysokotlakových a vysokofrekvenčných poliach a stal sa jedným z hlavných smerov vývoja v oblasti technológie polovodičových materiálov. Má širokú škálu aplikácií v nových energetických vozidlách, výrobe fotovoltaickej energie, železničnej doprave, inteligentnej sieti, 5G komunikácii, satelitoch, radaroch a ďalších oblastiach. V súčasnosti priemyselný rast kryštálov karbidu kremíka využíva hlavne fyzikálny transport pár (PVT), ktorý zahŕňa komplexné problémy spojené s multifyzikálnym poľom s viacfázovým, viaczložkovým, viacnásobným prenosom tepla a hmoty a interakciou magnetoelektrického tepelného toku. Preto je návrh systému rastu PVT náročný a meranie a kontrola parametrov procesu počas procesuproces rastu kryštálovje ťažké, čo vedie k ťažkostiam pri kontrole kvalitatívnych defektov pestovaných kryštálov karbidu kremíka a malej veľkosti kryštálov, takže náklady na zariadenia s karbidom kremíka ako substrátom zostávajú vysoké.

Zariadenia na výrobu karbidu kremíka sú základom technológie karbidu kremíka a priemyselného rozvoja. Technická úroveň, procesná spôsobilosť a nezávislá záruka rastovej pece s monokryštálmi karbidu kremíka sú kľúčom k vývoju materiálov z karbidu kremíka v smere veľkých rozmerov a vysokého výťažku a sú tiež hlavnými faktormi, ktoré poháňajú polovodičový priemysel tretej generácie k rozvíjať v smere nízkych nákladov a vo veľkom meradle. V súčasnosti vývoj vysokonapäťových, vysokovýkonných a vysokofrekvenčných zariadení z karbidu kremíka výrazne pokročil, ale efektívnosť výroby a náklady na prípravu zariadení sa stanú dôležitým faktorom obmedzujúcim ich vývoj. V polovodičových súčiastkach s monokryštálom karbidu kremíka ako substrátom tvorí najväčší podiel hodnota substrátu, asi 50 %. Vývoj veľkorozmerných vysokokvalitných zariadení na rast kryštálov karbidu kremíka, zlepšenie výťažku a rýchlosti rastu monokryštálových substrátov karbidu kremíka a zníženie výrobných nákladov má kľúčový význam pre aplikáciu súvisiacich zariadení. Aby sa zvýšila ponuka výrobnej kapacity a ďalej sa znížili priemerné náklady na zariadenia z karbidu kremíka, rozšírenie veľkosti substrátov z karbidu kremíka je jedným z dôležitých spôsobov. V súčasnosti je medzinárodná mainstreamová veľkosť substrátu z karbidu kremíka 6 palcov a rýchlo sa posunula na 8 palcov.

Hlavné technológie, ktoré je potrebné vyriešiť pri vývoji 8-palcových monokryštálových rastových pecí z karbidu kremíka, zahŕňajú: 1) Návrh veľkorozmernej štruktúry tepelného poľa na získanie menšieho radiálneho teplotného gradientu a väčšieho pozdĺžneho teplotného gradientu vhodného pre rast. 8-palcových kryštálov karbidu kremíka. 2) Veľký mechanizmus otáčania téglika a zdvíhania a spúšťania cievky, takže téglik sa otáča počas procesu rastu kryštálov a pohybuje sa vzhľadom na cievku podľa požiadaviek procesu, aby sa zabezpečila konzistencia 8-palcového kryštálu a uľahčil sa rast a hrúbka . 3) Automatické riadenie parametrov procesu v dynamických podmienkach, ktoré spĺňajú potreby vysokokvalitného procesu rastu monokryštálov.

1 Mechanizmus rastu kryštálov PVT

Metóda PVT spočíva v príprave monokryštálov karbidu kremíka umiestnením zdroja SiC na spodok valcového téglika z hustého grafitu a zárodočný kryštál SiC sa umiestni do blízkosti krytu téglika. Téglik je vyhrievaný na 2 300 ~ 2 400 ℃ rádiofrekvenčnou indukciou alebo odporom a je izolovaný grafitovou plsťou aleboporézny grafit. Hlavnými látkami transportovanými zo zdroja SiC do zárodočného kryštálu sú Si, Si2C molekuly a SiC2. Teplota zárodočného kryštálu sa reguluje tak, aby bola o niečo nižšia ako teplota v dolnom mikroprášku, a v tégliku sa vytvorí axiálny teplotný gradient. Ako je znázornené na obrázku 1, mikroprášok karbidu kremíka sublimuje pri vysokej teplote za vzniku reakčných plynov rôznych zložiek plynnej fázy, ktoré pod vplyvom teplotného gradientu dosahujú zárodočný kryštál s nižšou teplotou a kryštalizujú na ňom za vzniku valcového tvaru. ingot karbidu kremíka.

Hlavné chemické reakcie rastu PVT sú:

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)

Charakteristiky rastu PVT monokryštálov SiC sú:

1) Existujú dve rozhrania plyn-tuhá látka: jedno je rozhranie plyn-SiC prášok a druhé je rozhranie plyn-kryštál.

2) Plynná fáza sa skladá z dvoch typov látok: jednou sú inertné molekuly zavedené do systému; druhá je zložka v plynnej fáze SimCn produkovaná rozkladom a sublimáciouSiC prášok. Zložky v plynnej fáze SimCn navzájom interagujú a časť takzvaných zložiek kryštalickej plynnej fázy SimCn, ktoré spĺňajú požiadavky kryštalizačného procesu, prerastie do kryštálu SiC.

3) V pevnom prášku karbidu kremíka sa vyskytnú reakcie v tuhej fáze medzi časticami, ktoré nesublimovali, vrátane niektorých častíc tvoriacich porézne keramické telesá spekaním, niektoré častice tvoriace zrná s určitou veľkosťou častíc a kryštalografickou morfológiou prostredníctvom kryštalizačných reakcií a niektorými častice karbidu kremíka transformujúce sa na častice bohaté na uhlík alebo častice uhlíka v dôsledku nestechiometrického rozkladu a sublimácie.

4) Počas procesu rastu kryštálov dôjde k dvom fázovým zmenám: jednou je, že tuhé častice prášku karbidu kremíka sa transformujú na zložky v plynnej fáze SimCn prostredníctvom nestechiometrického rozkladu a sublimácie, a druhou je, že sa zložky v plynnej fáze SimCn transformujú na častice mriežky prostredníctvom kryštalizácie.

2 Konštrukcia zariadenia Ako je znázornené na obrázku 2, pestovacia pec na rast monokryštálov karbidu kremíka obsahuje hlavne: zostavu horného krytu, zostavu komory, vykurovací systém, mechanizmus otáčania téglika, mechanizmus zdvíhania spodného krytu a elektrický riadiaci systém.

2.1 Vykurovací systém Ako je znázornené na obrázku 3, vykurovací systém využíva indukčný ohrev a skladá sa z indukčnej cievky,grafitový téglik, izolačná vrstva (tuhá plsť, mäkká plsť) atď. Keď striedavý prúd strednej frekvencie prechádza cez viacotáčkovú indukčnú cievku obklopujúcu vonkajšok grafitového téglika, v grafitovom tégliku sa vytvorí indukované magnetické pole rovnakej frekvencie, ktoré generuje indukovanú elektromotorickú silu. Pretože vysoko čistý grafitový materiál téglika má dobrú vodivosť, na stene téglika sa vytvára indukovaný prúd, ktorý vytvára vírivý prúd. Pôsobením Lorentzovej sily sa indukovaný prúd nakoniec zbieha na vonkajšiu stenu téglika (t. j. kožný efekt) a postupne zoslabne v radiálnom smere. V dôsledku existencie vírivých prúdov sa na vonkajšej stene téglika vytvára Jouleovo teplo, ktoré sa stáva zdrojom ohrevu rastového systému. Veľkosť a rozloženie Jouleovho tepla priamo určuje teplotné pole v tégliku, čo následne ovplyvňuje rast kryštálu.

Ako je znázornené na obrázku 4, indukčná cievka je kľúčovou súčasťou vykurovacieho systému. Prijíma dve sady nezávislých štruktúr cievok a je vybavený horným a dolným presným pohybovým mechanizmom. Väčšinu elektrických tepelných strát celého vykurovacieho systému znáša špirála a je potrebné vykonať nútené chladenie. Cievka je navinutá medenou rúrkou a vo vnútri chladená vodou. Frekvenčný rozsah indukovaného prúdu je 8~12 kHz. Frekvencia indukčného ohrevu určuje hĺbku prieniku elektromagnetického poľa do grafitového téglika. Pohybový mechanizmus cievky využíva motorom poháňaný mechanizmus páru skrutiek. Indukčná cievka spolupracuje s indukčným zdrojom energie na ohrievanie vnútorného grafitového téglika, aby sa dosiahla sublimácia prášku. Súčasne je výkon a relatívna poloha dvoch sád cievok riadená tak, aby bola teplota zárodočného kryštálu nižšia ako teplota spodného mikroprášku, čím sa vytvorí axiálny teplotný gradient medzi zárodočným kryštálom a práškom v téglika a vytvorenie primeraného radiálneho teplotného gradientu na kryštáli karbidu kremíka.

2.2 Mechanizmus otáčania téglika Počas rastu veľkýchmonokryštály karbidu kremíka, téglik vo vákuovom prostredí dutiny sa udržiava v rotácii podľa požiadaviek procesu a gradientové tepelné pole a nízkotlakový stav v dutine musia byť udržiavané stabilné. Ako je znázornené na obrázku 5, na dosiahnutie stabilnej rotácie téglika sa používa motorom poháňaný pár ozubených kolies. Na dosiahnutie dynamického utesnenia rotujúceho hriadeľa sa používa magnetická kvapalinová tesniaca štruktúra. Tesnenie s magnetickou tekutinou využíva obvod rotujúceho magnetického poľa vytvorený medzi magnetom, magnetickým pólovým nástavcom a magnetickou objímkou ​​na pevnú adsorbovanie magnetickej kvapaliny medzi hrot pólového nástavca a objímku na vytvorenie tekutého krúžku podobného O-krúžku, ktorý úplne blokuje medzeru na dosiahnutie účelu tesnenia. Keď sa rotačný pohyb prenáša z atmosféry do vákuovej komory, dynamické tesniace zariadenie s tekutým O-krúžkom sa používa na prekonanie nevýhod ľahkého opotrebovania a nízkej životnosti pri pevnom tesnení a tekutá magnetická kvapalina môže vyplniť celý utesnený priestor, čím sa zablokujú všetky kanály, ktoré môžu unikať vzduch, a dosiahne sa nulový únik v dvoch procesoch pohybu téglika a zastavenia. Magnetická tekutina a podpera téglika majú štruktúru chladenia vodou, aby sa zabezpečila vysokoteplotná použiteľnosť magnetickej tekutiny a podpery téglika a dosiahla sa stabilita stavu tepelného poľa.

2.3 Mechanizmus zdvíhania spodného krytu

Mechanizmus zdvíhania spodného krytu pozostáva z hnacieho motora, guľôčkovej skrutky, lineárneho vedenia, zdvíhacej konzoly, krytu pece a konzoly krytu pece. Motor poháňa konzolu krytu pece pripojenú k páru vodiacich skrutiek cez redukciu, aby sa realizoval pohyb spodného krytu nahor a nadol.

Mechanizmus zdvíhania spodného krytu uľahčuje umiestňovanie a vyberanie veľkých téglikov a čo je dôležitejšie, zaisťuje spoľahlivosť utesnenia spodného krytu pece. Počas celého procesu má komora stupne zmeny tlaku, ako je vákuum, vysoký tlak a nízky tlak. Stav stlačenia a tesnenia spodného krytu priamo ovplyvňuje spoľahlivosť procesu. Akonáhle tesnenie zlyhá pri vysokej teplote, celý proces bude zošrotovaný. Prostredníctvom servopohonu motora a limitného zariadenia je tesnosť zostavy spodného krytu a komory riadená tak, aby sa dosiahol najlepší stav stlačenia a utesnenia tesniaceho krúžku komory pece, aby sa zabezpečila stabilita procesného tlaku, ako je znázornené na obrázku 6. .

2.4 Elektrický riadiaci systém Počas rastu kryštálov karbidu kremíka musí elektrický riadiaci systém presne riadiť rôzne parametre procesu, najmä vrátane výšky polohy cievky, rýchlosti otáčania téglika, vykurovacieho výkonu a teploty, rôzneho prietoku špeciálneho plynu a otvorenia proporcionálny ventil.

Ako je znázornené na obr. 7, riadiaci systém používa programovateľný ovládač ako server, ktorý je pripojený k servopohonu cez zbernicu na realizáciu riadenia pohybu cievky a téglika; je pripojený k regulátoru teploty a regulátoru prietoku cez štandardný MobusRTU, aby sa v reálnom čase realizovala kontrola teploty, tlaku a špeciálneho prietoku procesného plynu. Vytvára komunikáciu s konfiguračným softvérom cez Ethernet, vymieňa si systémové informácie v reálnom čase a zobrazuje rôzne informácie o parametroch procesu na hostiteľskom počítači. Operátori, pracovníci procesov a manažéri si vymieňajú informácie s riadiacim systémom prostredníctvom rozhrania človek-stroj.

Riadiaci systém vykonáva zber všetkých terénnych údajov, analýzu prevádzkového stavu všetkých akčných členov a logické vzťahy medzi mechanizmami. Programovateľný ovládač prijíma pokyny hostiteľského počítača a dokončuje riadenie každého ovládača systému. Vykonávanie a bezpečnostná stratégia ponuky automatického procesu sú všetky vykonávané programovateľným regulátorom. Stabilita programovateľného regulátora zaisťuje stabilitu a bezpečnosť prevádzky procesného menu.

Horná konfigurácia udržiava výmenu údajov s programovateľným kontrolérom v reálnom čase a zobrazuje údaje z poľa. Je vybavený prevádzkovými rozhraniami, ako je ovládanie kúrenia, tlak, ovládanie plynového okruhu a ovládanie motora a na rozhraní je možné upravovať hodnoty nastavenia rôznych parametrov. Monitorovanie parametrov alarmu v reálnom čase, poskytovanie zobrazenia alarmu na obrazovke, zaznamenávanie času a detailných údajov o výskyte a obnove alarmu. Zaznamenávanie všetkých procesných údajov v reálnom čase, obsahu prevádzky obrazovky a prevádzkového času. Riadenie fúzie rôznych parametrov procesu sa realizuje prostredníctvom základného kódu vo vnútri programovateľného regulátora a možno realizovať maximálne 100 krokov procesu. Každý krok zahŕňa viac ako tucet procesných parametrov, ako je prevádzkový čas procesu, cieľový výkon, cieľový tlak, prietok argónu, prietok dusíka, prietok vodíka, poloha téglika a rýchlosť téglika.

3 Analýza simulácie tepelného poľa

Vytvorí sa model analýzy simulácie tepelného poľa. Obrázok 8 je mapa teplotného oblaku v rastovej komore téglika. Aby sa zabezpečil rozsah teplôt rastu 4H-SiC monokryštálu, stredná teplota zárodočného kryštálu je vypočítaná na 2200 ℃ a teplota okraja je 2205,4 ℃. V tomto čase je stredná teplota vrchnej časti téglika 2167,5 °C a najvyššia teplota oblasti prášku (stranou nadol) je 2274,4 °C, čo tvorí axiálny teplotný gradient.

Distribúcia radiálneho gradientu kryštálu je znázornená na obrázku 9. Nižší laterálny teplotný gradient povrchu zárodočného kryštálu môže účinne zlepšiť tvar rastu kryštálu. Aktuálny vypočítaný počiatočný teplotný rozdiel je 5,4 ℃ a celkový tvar je takmer plochý a mierne konvexný, čo môže spĺňať požiadavky na presnosť a rovnomernosť radiálnej regulácie teploty povrchu zárodočného kryštálu.

Krivka teplotného rozdielu medzi povrchom suroviny a povrchom zárodočného kryštálu je znázornená na obrázku 10. Stredová teplota povrchu materiálu je 2210 ℃ a medzi povrchom materiálu a zárodkom sa vytvára pozdĺžny teplotný gradient 1 ℃/cm kryštálový povrch, ktorý je v rozumnom rozsahu.

Odhadovaná rýchlosť rastu je znázornená na obrázku 11. Príliš rýchla rýchlosť rastu môže zvýšiť pravdepodobnosť defektov, ako je polymorfizmus a dislokácia. Súčasná odhadovaná rýchlosť rastu sa blíži k 0,1 mm/h, čo je v rozumnom rozsahu.

Prostredníctvom analýzy a výpočtu simulácie tepelného poľa sa zistilo, že stredná teplota a teplota okraja zárodočného kryštálu spĺňa radiálny teplotný gradient kryštálu 8 palcov. Zároveň horná a spodná časť téglika tvorí axiálny teplotný gradient vhodný pre dĺžku a hrúbku kryštálu. Súčasný spôsob zahrievania rastového systému môže spĺňať rast 8-palcových monokryštálov.

4 Experimentálny test

Pomocou tohtomonokryštálová rastová pec z karbidu kremíka, na základe teplotného gradientu simulácie tepelného poľa, úpravou parametrov, ako je horná teplota téglika, tlak v dutine, rýchlosť otáčania téglika a vzájomná poloha hornej a dolnej cievky, sa vykonal test rastu kryštálov karbidu kremíka a získal sa 8-palcový kryštál karbidu kremíka (ako je znázornené na obrázku 12).

5. Záver

Boli študované kľúčové technológie pre rast 8-palcových monokryštálov karbidu kremíka, ako je gradientné tepelné pole, mechanizmus pohybu téglika a automatické riadenie parametrov procesu. Tepelné pole v rastovej komore téglika sa simulovalo a analyzovalo, aby sa získal ideálny teplotný gradient. Po testovaní môže metóda indukčného ohrevu s dvojitou cievkou splniť rast veľkých rozmerovkryštály karbidu kremíka. Výskum a vývoj tejto technológie poskytuje technológiu zariadení na získanie 8-palcových karbidových kryštálov a poskytuje základ pre vybavenie na prechod industrializácie karbidu kremíka zo 6 palcov na 8 palcov, čím sa zlepšuje účinnosť rastu materiálov karbidu kremíka a znižujú sa náklady.