Na základe 8-palcovej technológie kremíkového karbidu s jednou kryštálovou pecou

       Karbid kremíka je jedným z ideálnych materiálov na výrobu vysokofrekvenčných, vysokofrekvenčných zariadení s vysokým výkonom a vysokým výkonom. Aby sa zlepšila efektívnosť výroby a zníženie nákladov, je dôležitým smerom vývoja príprava veľkých kremíkových karbidových substrátov. Zamerané na procesné požiadavky8-palcový kremíkový karbid (SIC) Rast, Analyzoval sa rastový mechanizmus metódy prenosu fyzickej pary kremíka (PVT), zahrievací systém (vodiaci kruh TAC, TAC potiahnutý téglikom,TAC potiahnuté krúžky, TAC potiahnutá doska, trojpubný kruh potiahnutý TAC, TAC potiahnutý trojpetovým téglikom, držiak potiahnutý TAC, pórovitý grafit, mäkká plsť, tuhá plsná potiahnutá SIC CRACT RAST SICCTOR a ďalšieSIC jednokryštálové rastové diely náhradné dielysú poskytované spoločnosťou Vetek Semiconductor), študovala sa technológia crucible Rotácie a kontrola parametrov procesu kremíkovej karbidovej rastovej pecy a 8-palcové kryštály boli úspešne pripravené a pestované pomocou analýzy simulácie tepelného poľa a experimenty procesov.

Zavedenie

      Silikónový karbid (SIC) je typickým predstaviteľom polovodičových materiálov tretej generácie. Má výkonnostné výhody, ako je väčšia šírka bandgap, elektrické pole s vyšším rozkladom a vyššia tepelná vodivosť. Vyskytuje dobre pri vysokých teplotách, vysokotlakových a vysokofrekvenčných poliach a stala sa jedným z hlavných vývojových smerov v oblasti technológie polovodičových materiálov.  V súčasnosti priemyselný rast kryštálov karbidov kremíka používa hlavne fyzický transport pary (PVT), ktorý zahŕňa komplexné problémy s viacfyzikálnym spojom viacerých polí viacfázových, viaczložkových, viaczubných prenosu tepla a hmoty a magnetoelektrického interakcie tepla. Návrh rastového systému PVT je preto náročný a meranie a riadenie parametrov procesu počasproces rastu kryštálovje ťažké, čo vedie k ťažkostiam pri regulácii kvalitných defektov kryštálov karbidu kremíka a veľkosti malého kryštálu, takže náklady na zariadenia so kremíkovým karbidom zostávajú vysoké.

      Výrobné vybavenie kremíkových karbidov je základom technológie kremíkových karbidov a priemyselného rozvoja. Technická úroveň, schopnosť procesu a nezávislá záruka kremíkovej karbidovej rastovej pece je kľúčom k vývoju materiálov karbidu kremíka v smere veľkého veľkosti a vysokého výnosu a sú tiež hlavnými faktormi, ktoré vedú k polovodičovému priemyslu tretej generácie, aby sa vyvíjali v smere nízkej ceny a veľkého rozsahu. V polovodičových zariadeniach s jedným kryštálom karbidu kremíka ako substrátu predstavuje hodnota substrátu najväčší podiel, približne 50%. Vývoj vysoko kvalitných vysoko kvalitných zariadení na rast kryštálov kremíkových karbidov, zlepšovanie výnosu a rýchlosti rastu jednotlivých kryštálových substrátov kremíkových karbidov a znižovanie výrobných nákladov je kľúčovým významom pre aplikáciu súvisiacich zariadení. S cieľom zvýšiť dodávku výrobnej kapacity a ďalej znížiť priemerné náklady na karbidové zariadenia kremíka, je jedným z dôležitých spôsobov rozširovanie veľkosti substrátov karbidu kremíka. V súčasnosti je medzinárodná veľkosť substrátu karbidu hlavného prúdu kremíka 6 palcov a rýchlo postupuje na 8 palcov.

       Hlavné technológie, ktoré je potrebné vyriešiť vo vývoji 8-palcových kremíkových karbidových rastových pecí, patria: (1) návrh štruktúry tepelného poľa veľkého veľkosti, aby sa získala menší gradient radiálnej teploty a väčší gradient s pozdĺžnou teplotou vhodný pre rast kryštálov 8-palcových kremíkových karbidov. (2) Mechanizmus rotácie a zdvíhania cievok a znižovacieho pohybu vo veľkom veľkosti, aby sa tégliky otáčali počas procesu rastu kryštálov a pohybuje sa v porovnaní s cievkou podľa požiadaviek na proces, aby sa zabezpečila konzistentnosť 8-palcového kryštálu a uľahčovala rast a hrúbku. (3) Automatické riadenie parametrov procesu za dynamických podmienok, ktoré spĺňajú potreby vysoko kvalitného procesu rastu jednoprsence.

1 mechanizmus rastu kryštálov PVT

       Metóda PVT je príprava jednovrstvových kryštálov karbidu kremíka umiestnením zdroja SIC na spodok valcového hustého grafitového téglika a kryštál semien SIC sa umiestni v blízkosti krytu kritiku. Crucible sa zahrieva na 2 300 ~ 2 400 ℃ pomocou rádio -frekvenčnej indukcie alebo odporu a je izolovaný grafitovým plsťou aleboporézny grafit. Hlavnými látkami transportovanými zo zdroja SIC do kryštálu semien sú molekuly Si, Si2c a sic2. Teplota na semennom kryštáli je regulovaná tak, aby bola mierne nižšia ako teplota pri dolnom mikro-prášku, a v tégliku sa tvorí axiálny teplotný gradient. Ako je znázornené na obrázku 1, kremíkový karbidový mikro-prádlo sublimuje pri vysokej teplote za vzniku reakčných plynov rôznych komponentov plynovej fázy, ktoré dosahujú kryštál semien s nižšou teplotou pod pohonom teplotného gradientu a kryštalizujú na ňom, aby vytvorili valcový ingot karbidu kremíka.

Hlavné chemické reakcie rastu PVT sú:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2sic ⇌ a₂C (g)+c (s)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+SI (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Charakteristiky rastu PVT jednotlivých kryštálov SIC sú:

1) Existujú dve rozhrania plynu-pevný: jedno je rozhranie práškového plynu siky a druhým je rozhranie plynového kryštálu.

2) plynná fáza sa skladá z dvoch typov látok: jedna je inertné molekuly zavedené do systému; Druhým je komponent plynnej fázy Simcn produkovaný rozkladom a sublimáciouPrášok SIC. Komponenty plynnej fázy SIMCN vzájomne interagujú a časť tzv. Kryštalických komponentov plynnej fázy SIMCN, ktoré spĺňajú požiadavky procesu kryštalizácie, sa dostane do kryštálu SIC.

3) V pevnom kremíkovom karbidovom prášku sa vyskytujú reakcie tuhej fázy medzi časticami, ktoré sa sublimovali, vrátane niektorých častíc tvoriacich porézne keramické telesá prostredníctvom spekania, niektoré častice tvoriace zrná s určitými veľkosťami častíc a kryštalografických morfológií v dôsledku nekryštalizačných reakcií a častíc subseda v porovnaní s konektáciou a subseda.

4) Počas procesu rastu kryštálov sa vyskytnú dve fázové zmeny: jednou z nich je, že tuhé častice prášku z karbidu kremíka sa transformujú do komponentov plynnej fázy SIMCN prostredníctvom nestechiometrického rozkladu a sublimácie a druhá je, že komponenty plynnej fázy SIMCN sa transformujú do mriežkových obzamov prostredníctvom kryštalizácie.

2 Dizajn vybavenia 

      Ako je znázornené na obrázku 2, jednostranná rastová pec kremíka karbidu kremíka obsahuje hlavne: zostavu horného krytu, zostava komory, zahrievací systém, mechanizmus rotácie téglika, mechanizmus zdvíhania dolného krytu a systém elektrického riadenia.

2.1 vykurovací systém 

     Ako je znázornené na obrázku 3, vykurovací systém prijíma indukčné zahrievanie a zložený z indukčnej cievky, agrafika, izolačná vrstva (rigidný plsť, mäkká plsť), atď. Keď stredná frekvencia striedavá prúd prechádza viacúčelovou indukčnou cievkou obklopujúcou vonkajšiu stranu grafitového téglika, v grafitovom tégliku sa vytvorí indukované magnetické pole rovnakej frekvencie, ktorá vytvára indukovanú elektromotívnu silu. Pretože vysokokvalitný grafitový téglikový materiál má dobrú vodivosť, na téglikovej stene sa generuje indukovaný prúd, čím sa vytvára vírivý prúd. Pri účinku Lorentzovej sily sa indukovaný prúd nakoniec zbiehne na vonkajšiu stenu téglika (t. J. Efekt pokožky) a postupne oslabuje radiálny smer. Kvôli existencii vírivých prúdov sa Joule Heat generuje na vonkajšej stene téglika, čím sa stáva zdrojom vykurovania rastového systému. Veľkosť a distribúcia joulového tepla priamo určujú teplotné pole v tégliku, čo zase ovplyvňuje rast kryštálu.

     Ako je znázornené na obrázku 4, indukčná cievka je kľúčovou súčasťou vykurovacieho systému. Prijíma dve sady nezávislých štruktúr cievok a je vybavené hornými a nižším pohybovým mechanizmom presnosti. Väčšina elektrických tepelných straty celého vykurovacieho systému znáša cievku a musí sa vykonať nútené chladenie. Cievka je zranená medenou trubicou a ochladená vodou vo vnútri. Frekvenčný rozsah indukovaného prúdu je 8 ~ 12 kHz. Frekvencia indukčného zahrievania určuje hĺbku penetrácie elektromagnetického poľa v grafikovom tégliku. Mechanizmus pohybu cievok používa mechanizmus párových skrutiek poháňaných motorom. Indukčná cievka spolupracuje s indukčným zdrojom energie na zahriatie vnútorného grafitového téglika, aby sa dosiahla sublimácia prášku. Súčasne sa reguluje výkon a relatívna poloha dvoch súprav cievok tak, aby sa teplota na semennom kryštáli nižovala ako pri spodnom mikro-prášku, tvorila axiálny teplotný gradient medzi kryštálom semien a práškom v kritiku a tvorí primeraný gradient radiálnej teploty na kryštáli karbidu kremíka.

2.2 Mechanizmus rotácie téglika 

      Počas rastu veľkej veľkostikremíkové karbidové jednotlivé kryštály, téglika vo vákuovom prostredí dutiny sa neustále otáča podľa požiadaviek na proces a tepelné pole gradientu a nízkotlakový stav v dutine musia byť udržiavané stabilné. Ako je znázornené na obrázku 5, na dosiahnutie stabilnej rotácie téglika sa používa dvojica pohonu motora. Na dosiahnutie dynamického tesnenia rotujúceho hriadeľa sa používa magnetická tesniaca štruktúra tekutiny. Tesnenie magnetickej tekutiny používa rotačný obvod magnetického poľa vytvorený medzi magnetom, magnetickou pólovou obuvou a magnetickou rukávou, aby pevne adsorboval magnetickú tekutinu medzi špičkou pólovej topánky a rukávom za vzniku kruhového krúžku podobného O-krúžkom, čo úplne blokuje medzeru na dosiahnutie účelu tesnenia. Ak sa rotačný pohyb prenáša z atmosféry do vákuovej komory, používa sa na prekonanie nevýhodných nevýhody ľahkého opotrebenia a nízkej životnosti v pevnom tesnení kvapalného O-krúžku a kvapalina môže vyplniť celý zapečatený priestor, čím sa blokuje všetky kanály, ktoré môžu unikať vzduchom, a dosiahnuť nulovú netesnosť v dvoch procesoch pohybu a zastavenia. Magnetická tekutina a téglika podporujú štruktúru chladenia vodou, aby sa zabezpečila vysokoteplotná aplikovateľnosť magnetickej tekutiny a téglikovej podpory a dosiahla stabilitu stavu tepelného poľa.

2.3 Mechanizmus zdvíhania dolného krytu

     Mechanizmus zdvíhania dolného krytu pozostáva z hnacieho motora, guľôčkovej skrutky, lineárneho vodiaceho vodiaceho, zdvíhacieho držiaka, krytu pece a držiaka na kryciu pece. Motor poháňa konzolu krytu pece pripojené k páru vodiacej skrutky cez reduktor, aby sa dosiahol pohyb dolného krytu nahor a nadol.

     Mechanizmus zdvíhania dolného krytu uľahčuje umiestňovanie a odstránenie veľkých krotík a čo je dôležitejšie, zaisťuje tesniacu spoľahlivosť krytu dolného pecí. Počas celého procesu má komora stupne zmeny tlaku, ako je vákuum, vysoký tlak a nízky tlak. Stav kompresie a tesnenia nižšieho krytu priamo ovplyvňuje spoľahlivosť procesu. Akonáhle tesnenie zlyhá pri vysokej teplote, celý proces sa vyradí. Prostredníctvom riadiaceho a limitného zariadenia na reguláciu motora je tesnosť zostavy dolného krytu a komora riadená, aby sa dosiahol najlepší stav kompresie a utesnenia tesniaceho krúžku v peci, aby sa zabezpečila stabilita procesného tlaku, ako je znázornené na obrázku 6.

2.4 Elektrický riadiaci systém 

      Počas rastu kryštálov karbidu kremíka potrebuje elektrický riadiaci systém na presné riadenie rôznych parametrov procesu, hlavne vrátane výšky polohy cievky, rýchlosti rotácie téglika, vykurovacieho výkonu a teploty, rôznych špeciálnych toku príjmu plynu a otvorenia proporcionálneho ventilu.

      Ako je znázornené na obrázku 7, riadiaci systém používa programovateľný ovládač ako server, ktorý je pripojený k ovládači servo cez zbernicu, aby sa dosiahol riadenie pohybu cievky a téglika; Je pripojený k regulátora teploty a regulátorom prietoku cez štandardný MobusRTU, aby sa realizovala regulácia teploty, tlaku a špeciálneho prietoku plynu v reálnom čase. Vytvára komunikáciu s konfiguračným softvérom prostredníctvom Ethernet, výmeny informácií o systéme v reálnom čase a na hostiteľskom počítači zobrazuje rôzne informácie o parametroch procesu. Operátori, personál procesu a manažéri vymieňajú informácie s riadiacim systémom prostredníctvom rozhrania človeka-stroj.

     Riadiaci systém vykonáva všetky zberné údaje v teréne, analýzu prevádzkového stavu všetkých ovládačov a logický vzťah medzi mechanizmami. Programovateľný radič prijíma pokyny hostiteľského počítača a dokončí kontrolu každého ovládača systému. Stratégia vykonávania a bezpečnosti ponuky automatického procesu vykonáva programovateľný radič. Stabilita programovateľného ovládača zaisťuje stabilitu a spoľahlivosť bezpečnosti prevádzky ponuky procesu.

     Horná konfigurácia udržiava výmenu údajov s programovateľným radičom v reálnom čase a zobrazuje údaje v teréne. Je vybavený prevádzkovými rozhraniami, ako je regulácia zahrievania, regulácia tlaku, riadenie obvodu plynu a riadenie motora a nastavovacie hodnoty rôznych parametrov je možné upraviť na rozhraní. Monitorovanie alarmových parametrov v reálnom čase, poskytovanie zobrazenia alarmu obrazovky, zaznamenávanie času a podrobných údajov o výskyte a obnove alarmov. Zaznamenávanie všetkých procesných údajov v reálnom čase, obsah operácie obrazovky a čas prevádzky. Kontrola fúzie rôznych parametrov procesu sa realizuje prostredníctvom základného kódu vo vnútri programovateľného radiča a je možné realizovať maximálne 100 krokov procesu. Každý krok obsahuje viac ako tucet parametrov procesu, ako je čas prevádzky procesu, cieľový výkon, cieľový tlak, prietok argónu, prietok dusíka, prietok vodíka, téglika a téglika.

3 Analýza simulácie tepelného poľa

    Je stanovený model analýzy simulácie tepelného poľa. Obrázok 8 je mapa teploty v téglikovej rastovej komore. Aby sa zabezpečilo, že rastový teplotný rozsah jednorazového jednorazového kryštálu 4H-siC, stredná teplota semenného kryštálu sa vypočíta na 2200 ℃ a okrajová teplota je 2205,4 ℃. V tejto dobe je stredová teplota téglikového vrchu 2167,5 ℃ a najvyššia teplota oblasti prášku (strana nadol) je 2274,4 ℃, ktorá tvorí gradient axiálnej teploty.

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

       Krivka teplotného rozdielu medzi povrchom suroviny a povrchom semenných kryštálov je znázornená na obrázku 10. Stredová teplota povrchu materiálu je 2210 ℃ a medzi povrchom materiálu a povrchom kryštálu semien sa vytvára pozdĺžny teplotný gradient 1 ℃/cm.

      Odhadovaná rýchlosť rastu je uvedená na obrázku 11. Príliš rýchla rýchlosť rastu môže zvýšiť pravdepodobnosť defektov, ako je polymorfizmus a dislokácia. Súčasná odhadovaná miera rastu je takmer 0,1 mm/h, čo je v primeranom rozsahu.

     Prostredníctvom analýzy a výpočtu simulácie tepelného poľa sa zistilo, že stredová teplota a teplota okraja semienka kryštálu spĺňajú gradient radiálnej teploty kryštálu 8 palcov. V hornej a spodnej časti téglika je zároveň gradient axiálnej teploty vhodný pre dĺžku a hrúbku kryštálu. Súčasná metóda vykurovania rastového systému môže spĺňať rast 8-palcových jednotlivých kryštálov.

4 Experimentálny test

     Používať totoSilikónový karbid s jednou kryštálovou pecou, na základe teplotného gradientu simulácie tepelného poľa nastavením parametrov, ako je téglika horná teplota, tlak dutiny, rýchlosť rotácie téglika a relatívna poloha horných a dolných cievok, sa uskutočnil test rastového kryštálu kremíkového karbidu a vylepšil sa 8-palcový karbidový kryštál (ako je znázornené na obrázku 12).

5 Záver

     Študovali sa kľúčové technológie pre rast 8-palcových kremíkových karbidových jednotlivých kryštálov, ako je tepelné pole gradientu, mechanizmus pohybu téglika a automatická kontrola parametrov procesu. Termálne pole v téglikovej rastovej komore bolo simulované a analyzované, aby sa získal ideálny teplotný gradient. Po testovaní môže metóda indukčného zahrievania dvojitého cievok splniť rast veľkostikryštály karbidu kremíka. Výskum a vývoj tejto technológie poskytuje technológiu vybavenia na získanie 8-palcových kryštálov karbidov a poskytuje základ pre prechod industrializácie karbidu kremíka z 6 palcov do 8 palcov, čím sa zlepšuje účinnosť rastu materiálov karbidu kremíka a znižuje náklady.