Temelji na 8-palčni tehnologiji rasti enokristalne peči iz silicijevega karbida

Silicijev karbid je eden izmed idealnih materialov za izdelavo visokotemperaturnih, visokofrekvenčnih, močnostnih in visokonapetostnih naprav. Da bi izboljšali učinkovitost proizvodnje in zmanjšali stroške, je priprava substratov iz silicijevega karbida velikih dimenzij pomembna razvojna smer. Usmerjanje v procesne zahteve8-palčna monokristalna rast iz silicijevega karbida (SIC)., analiziran je bil mehanizem rasti metode fizičnega prenosa hlapov silicijevega karbida (PVT), ogrevalni sistem (TaC vodilni obroč, TaC prevlečeni lonček,TaC prevlečeni obroči, TaC prevlečena plošča, TaC prevlečen obroč s tremi cvetnimi lističi, TaC prevlečen lonček s tremi cvetnimi listi, držalo s prevleko iz TaC, porozni grafit, mehka klobučevina, susceptor za rast kristalov, prevlečen s togo klobučevino, prevlečen s SiC in drugoNadomestni deli za proces rasti monokristalov SiCzagotavlja VeTek Semiconductor), so proučevali rotacijo lončka in tehnologijo nadzora procesnih parametrov peči za rast monokristalov iz silicijevega karbida in 8-palčne kristale so uspešno pripravili in vzgojili z analizo simulacije termičnega polja in procesnimi poskusi.

0 Uvod

Silicijev karbid (SiC) je tipičen predstavnik polprevodniških materialov tretje generacije. Ima zmogljivostne prednosti, kot so večja širina pasovne vrzeli, večje prebojno električno polje in večja toplotna prevodnost. Dobro se obnese v visokotemperaturnih, visokotlačnih in visokofrekvenčnih poljih in je postal ena glavnih razvojnih usmeritev na področju tehnologije polprevodniških materialov. Ima širok spekter aplikacijskih potreb pri novih energetskih vozilih, fotovoltaični proizvodnji energije, železniškem prometu, pametnem omrežju, komunikaciji 5G, satelitih, radarjih in drugih področjih. Trenutno industrijska rast kristalov silicijevega karbida v glavnem uporablja fizični transport hlapov (PVT), ki vključuje zapletene večfizikalne probleme povezovanja polja večfaznega, večkomponentnega, večkratnega prenosa toplote in mase ter interakcijo magnetno-električnega toplotnega toka. Zato je zasnova sistema rasti PVT težka, merjenje in nadzor procesnih parametrov medproces rasti kristalovje težko, kar ima za posledico težave pri nadzoru kakovostnih napak gojenih kristalov silicijevega karbida in majhne velikosti kristalov, tako da stroški naprav s silicijevim karbidom kot substratom ostajajo visoki.

Oprema za proizvodnjo silicijevega karbida je temelj tehnologije silicijevega karbida in industrijskega razvoja. Tehnična raven, procesna zmogljivost in neodvisna garancija peči za rast monokristalov iz silicijevega karbida so ključ do razvoja materialov iz silicijevega karbida v smeri velike velikosti in visokega izkoristka ter so tudi glavni dejavniki, ki vodijo industrijo polprevodnikov tretje generacije k razvijati v smeri nizkih stroškov in velikega obsega. Trenutno je razvoj visokonapetostnih, visokozmogljivih in visokofrekvenčnih naprav iz silicijevega karbida znatno napredoval, vendar bodo proizvodna učinkovitost in stroški priprave naprav postali pomemben dejavnik, ki omejuje njihov razvoj. Pri polprevodniških napravah z monokristalom silicijevega karbida kot substratom predstavlja vrednost substrata največji delež, približno 50 %. Razvoj velike visokokakovostne opreme za rast kristalov silicijevega karbida, izboljšanje izkoristka in stopnje rasti monokristalnih substratov silicijevega karbida ter zmanjšanje proizvodnih stroškov so ključnega pomena za uporabo sorodnih naprav. Da bi povečali ponudbo proizvodnih zmogljivosti in dodatno zmanjšali povprečne stroške naprav iz silicijevega karbida, je povečanje velikosti substratov iz silicijevega karbida eden od pomembnih načinov. Trenutno je mednarodna glavna velikost substrata iz silicijevega karbida 6 palcev in hitro napreduje na 8 palcev.

Glavne tehnologije, ki jih je treba rešiti pri razvoju 8-palčnih peči za rast monokristalov iz silicijevega karbida, vključujejo: 1) Oblikovanje strukture toplotnega polja velike velikosti za pridobitev manjšega radialnega temperaturnega gradienta in večjega vzdolžnega temperaturnega gradienta, primernega za rast 8-palčnih kristalov silicijevega karbida. 2) Mehanizem za vrtenje velikega lončka in dviganje in spuščanje tuljave, tako da se lonček med postopkom rasti kristalov vrti in premakne glede na tuljavo v skladu z zahtevami postopka, da se zagotovi konsistentnost 8-palčnega kristala ter olajša rast in debelina . 3) Avtomatsko krmiljenje procesnih parametrov v dinamičnih pogojih, ki ustrezajo potrebam visokokakovostnega procesa rasti monokristalov.

1 Mehanizem rasti kristalov PVT

Metoda PVT je priprava monokristalov silicijevega karbida tako, da se vir SiC postavi na dno cilindričnega lončka z gostim grafitom, zarodni kristal SiC pa se postavi blizu pokrova lončka. Lonček se segreje na 2 300 ~ 2 400 ℃ z radiofrekvenčno indukcijo ali uporom in je izoliran z grafitno klobučevino aliporozni grafit. Glavne snovi, ki se prenašajo od vira SiC do zarodnega kristala, so Si, molekule Si2C in SiC2. Temperatura na zarodnem kristalu je nadzorovana tako, da je nekoliko nižja od tiste na spodnjem mikroprašku, v lončku pa se oblikuje aksialni temperaturni gradient. Kot je prikazano na sliki 1, mikroprah silicijevega karbida sublimira pri visoki temperaturi, da se tvorijo reakcijski plini iz različnih komponent plinske faze, ki dosežejo zarodni kristal z nižjo temperaturo pod vplivom temperaturnega gradienta in na njem kristalizirajo, da tvorijo valjasto ingot silicijevega karbida.

Glavne kemijske reakcije rasti PVT so:

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)

Značilnosti PVT rasti monokristalov SiC so:

1) Obstajata dva vmesnika plin-trdna snov: eden je vmesnik plin-SiC v prahu, drugi pa vmesnik plin-kristal.

2) Plinska faza je sestavljena iz dveh vrst snovi: ena so inertne molekule, vnesene v sistem; druga je komponenta plinske faze SimCn, ki nastane z razgradnjo in sublimacijoSiC prah. Komponente plinske faze SimCn medsebojno delujejo in del tako imenovanih kristalnih komponent plinske faze SimCn, ki ustrezajo zahtevam procesa kristalizacije, bo prerasel v kristal SiC.

3) V trdnem prahu silicijevega karbida se bodo med delci, ki niso sublimirani, pojavile reakcije v trdni fazi, vključno z nekaterimi delci, ki s sintranjem tvorijo porozna keramična telesa, nekateri delci, ki s kristalizacijskimi reakcijami tvorijo zrna z določeno velikostjo delcev in kristalografsko morfologijo, in nekateri delci silicijevega karbida, ki se zaradi nestehiometrične razgradnje in sublimacije spremenijo v delce, bogate z ogljikom, ali delce ogljika.

4) Med postopkom rasti kristalov se bosta zgodili dve fazni spremembi: ena je, da se praškasti delci silicijevega karbida pretvorijo v komponente plinske faze SimCn z nestehiometrično razgradnjo in sublimacijo, druga pa je, da se komponente plinske faze SimCn transformirajo v mrežne delce s kristalizacijo.

2 Zasnova opreme Kot je prikazano na sliki 2, peč za rast monokristalov iz silicijevega karbida v glavnem vključuje: sklop zgornjega pokrova, sklop komore, ogrevalni sistem, mehanizem vrtenja lončka, mehanizem za dvigovanje spodnjega pokrova in električni nadzorni sistem.

2.1 Ogrevalni sistem Kot je prikazano na sliki 3, ogrevalni sistem uporablja indukcijsko ogrevanje in je sestavljen iz indukcijske tuljave,grafitni lončekizolacijski sloj (trda klobučevina, mehak filc), itd. Ko gre srednjefrekvenčni izmenični tok skozi indukcijsko tuljavo z več zavoji, ki obdaja zunanjost grafitnega lončka, se bo v grafitnem lončku oblikovalo inducirano magnetno polje enake frekvence, ki bo ustvarilo inducirano elektromotorno silo. Ker ima material grafitnega lončka visoke čistosti dobro prevodnost, se na steni lončka ustvari induciran tok, ki tvori vrtinčni tok. Pod delovanjem Lorentzove sile bo inducirani tok sčasoma konvergiral na zunanjo steno lončka (t.i. kožni učinek) in postopoma oslabel vzdolž radialne smeri. Zaradi obstoja vrtinčnih tokov se Joulova toplota ustvari na zunanji steni lončka in postane vir ogrevanja rastnega sistema. Velikost in porazdelitev Joulove toplote neposredno določata temperaturno polje v lončku, kar posledično vpliva na rast kristala.

Kot je prikazano na sliki 4, je indukcijska tuljava ključni del ogrevalnega sistema. Sprejema dva sklopa neodvisnih struktur tuljav in je opremljena z zgornjim in spodnjim mehanizmom natančnega gibanja. Večino električne toplotne izgube celotnega ogrevalnega sistema nosi tuljava, zato je treba izvesti prisilno hlajenje. Tuljava je navita z bakreno cevjo in hlajena z vodo v notranjosti. Frekvenčno območje induciranega toka je 8~12 kHz. Frekvenca indukcijskega segrevanja določa globino prodiranja elektromagnetnega polja v grafitni lonček. Mehanizem gibanja tuljave uporablja mehanizem vijačnega para na motorni pogon. Indukcijska tuljava sodeluje z indukcijskim napajalnikom za ogrevanje notranjega grafitnega lončka, da se doseže sublimacija prahu. Hkrati sta moč in relativni položaj obeh sklopov tuljav nadzorovana, da je temperatura na kalibru nižja od tiste pri spodnjem mikroprašku, kar tvori aksialni temperaturni gradient med kalibrom in prahom v lonček in tvori primeren radialni temperaturni gradient na kristalu silicijevega karbida.

2.2 Mehanizem vrtenja lončka Med rastjo velikihmonokristali silicijevega karbida, se lonček v vakuumskem okolju votline vrti v skladu z zahtevami procesa, gradientno toplotno polje in stanje nizkega tlaka v votlini pa morata ostati stabilna. Kot je prikazano na sliki 5, se za doseganje stabilnega vrtenja lončka uporablja motorno gnani zobniški par. Tesnilna struktura magnetne tekočine se uporablja za doseganje dinamičnega tesnjenja vrteče se gredi. Tesnilo z magnetno tekočino uporablja vezje vrtljivega magnetnega polja, ki je oblikovano med magnetom, čevljem magnetnega pola in magnetnim tulcem, da trdno adsorbira magnetno tekočino med konico polovnega čevlja in tulcem, da tvori tekočinski obroč podoben O-obroču, ki popolnoma blokira vrzel za dosego namena tesnjenja. Ko se rotacijsko gibanje prenese iz atmosfere v vakuumsko komoro, se dinamična tesnilna naprava s tekočim O-obročem uporablja za premagovanje pomanjkljivosti enostavne obrabe in nizke življenjske dobe pri trdnem tesnjenju, tekoča magnetna tekočina pa lahko napolni celoten zatesnjen prostor, s tem blokira vse kanale, ki lahko puščajo zrak, in doseže ničelno puščanje v dveh procesih premikanja lončka in zaustavitve. Podpora za magnetno tekočino in lonček imata strukturo vodnega hlajenja, da se zagotovi visokotemperaturna uporabnost magnetne tekočine in podpore za lonček ter doseže stabilnost stanja toplotnega polja.

2.3 Dvižni mehanizem spodnjega pokrova

Dvižni mehanizem spodnjega pokrova je sestavljen iz pogonskega motorja, krogličnega vijaka, linearnega vodila, dvižnega nosilca, pokrova peči in nosilca pokrova peči. Motor poganja nosilec pokrova peči, ki je povezan s parom vodil vijakov prek reduktorja, da realizira gibanje spodnjega pokrova navzgor in navzdol.

Dvižni mehanizem spodnjega pokrova olajša namestitev in odstranitev velikih lončkov, in kar je še pomembneje, zagotavlja zanesljivost tesnjenja spodnjega pokrova peči. Med celotnim procesom ima komora stopnje spreminjanja tlaka, kot so vakuum, visok in nizek tlak. Stanje stiskanja in tesnjenja spodnjega pokrova neposredno vpliva na zanesljivost procesa. Ko tesnilo odpove pod visoko temperaturo, bo celoten postopek izločen. Preko servo krmilne in omejevalne naprave motorja se nadzoruje tesnost sklopa spodnjega pokrova in komore, da se doseže najboljše stanje stiskanja in tesnjenja tesnilnega obroča komore peči, da se zagotovi stabilnost procesnega tlaka, kot je prikazano na sliki 6. .

2.4 Električni nadzorni sistem Med rastjo kristalov silicijevega karbida mora električni nadzorni sistem natančno nadzorovati različne procesne parametre, predvsem vključno z višino položaja tuljave, hitrostjo vrtenja lončka, ogrevalno močjo in temperaturo, različnim posebnim pretokom dovoda plina in odpiranjem proporcionalni ventil.

Kot je prikazano na sliki 7, nadzorni sistem uporablja programabilni krmilnik kot strežnik, ki je povezan s servo gonilnikom prek vodila za realizacijo nadzora gibanja tuljave in lončka; povezan je s temperaturnim regulatorjem in regulatorjem pretoka prek standardnega MobusRTU za realnočasovno kontrolo temperature, tlaka in pretoka posebnega procesnega plina. Vzpostavi komunikacijo s konfiguracijsko programsko opremo prek Etherneta, izmenjuje sistemske informacije v realnem času in prikazuje različne informacije o procesnih parametrih na gostiteljskem računalniku. Operaterji, procesno osebje in vodje izmenjujejo informacije z nadzornim sistemom preko vmesnika človek-stroj.

Krmilni sistem izvaja vsa terenska zbiranja podatkov, analizo stanja delovanja vseh aktuatorjev in logičnega razmerja med mehanizmi. Programabilni krmilnik sprejema navodila gostiteljskega računalnika in dokonča krmiljenje vsakega aktuatorja sistema. Izvedbo in varnostno strategijo avtomatskega procesnega menija izvaja programabilni krmilnik. Stabilnost programabilnega krmilnika zagotavlja stabilnost in varnostno zanesljivost delovanja procesnega menija.

Zgornja konfiguracija vzdržuje izmenjavo podatkov s programabilnim krmilnikom v realnem času in prikazuje terenske podatke. Opremljen je z vmesniki za delovanje, kot so nadzor ogrevanja, nadzor tlaka, nadzor plinskega tokokroga in nadzor motorja, na vmesniku pa je mogoče spreminjati nastavitvene vrednosti različnih parametrov. Spremljanje parametrov alarma v realnem času, zagotavljanje prikaza alarma na zaslonu, beleženje časa in podrobnih podatkov o pojavu alarma in obnovitvi. Beleženje vseh procesnih podatkov, vsebine zaslona in časa delovanja v realnem času. Fuzijsko krmiljenje različnih procesnih parametrov se realizira prek osnovne kode znotraj programirljivega krmilnika, pri čemer je mogoče realizirati največ 100 korakov procesa. Vsak korak vključuje več kot ducat procesnih parametrov, kot so čas delovanja procesa, ciljna moč, ciljni tlak, pretok argona, pretok dušika, pretok vodika, položaj lončka in hitrost lončka.

3 Analiza simulacije toplotnega polja

Vzpostavljen je model analize simulacije toplotnega polja. Slika 8 je zemljevid temperaturnega oblaka v rastni komori lončka. Da bi zagotovili temperaturno območje rasti monokristala 4H-SiC, je izračunana središčna temperatura začetnega kristala 2200 ℃, robna temperatura pa 2205,4 ℃. V tem času je središčna temperatura vrha lončka 2167,5 ℃, najvišja temperatura območja prahu (stran navzdol) pa 2274,4 ℃, kar tvori aksialni temperaturni gradient.

Radialna gradientna porazdelitev kristala je prikazana na sliki 9. Nižji stranski temperaturni gradient površine kristalnega semena lahko učinkovito izboljša obliko rasti kristala. Trenutna izračunana začetna temperaturna razlika je 5,4 ℃, celotna oblika pa je skoraj ravna in rahlo konveksna, kar lahko izpolni zahteve glede natančnosti nadzora radialne temperature in enotnosti površine zarodnega kristala.

Krivulja temperaturne razlike med površino surovine in površino kristalnega semena je prikazana na sliki 10. Središčna temperatura površine materiala je 2210 ℃, med površino materiala in semenom pa se oblikuje vzdolžni temperaturni gradient 1 ℃/cm. kristalno površino, ki je v razumnem območju.

Ocenjena hitrost rasti je prikazana na sliki 11. Prehitra rast lahko poveča verjetnost napak, kot sta polimorfizem in dislokacija. Trenutna ocenjena hitrost rasti je blizu 0,1 mm/h, kar je v razumnem območju.

Z analizo in izračunom simulacije toplotnega polja je bilo ugotovljeno, da se središčna temperatura in robna temperatura zarodnega kristala ujemata z radialnim temperaturnim gradientom kristala 8 palcev. Hkrati zgornji in spodnji del lončka tvorita aksialni temperaturni gradient, primeren za dolžino in debelino kristala. Trenutna metoda ogrevanja sistema za rast lahko doseže rast 8-palčnih monokristalov.

4 Eksperimentalni preizkus

Uporaba tegapeč za rast monokristalov iz silicijevega karbidaNa podlagi temperaturnega gradienta simulacije termičnega polja je bil s prilagoditvijo parametrov, kot so temperatura vrha lončka, tlak v votlini, hitrost vrtenja lončka ter relativni položaj zgornje in spodnje tuljave, izveden test rasti kristalov silicijevega karbida in dobimo 8-palčni kristal silicijevega karbida (kot je prikazano na sliki 12).

5 Zaključek

Preučene so bile ključne tehnologije za rast 8-palčnih monokristalov silicijevega karbida, kot so gradientno toplotno polje, mehanizem gibanja lončka in avtomatsko krmiljenje procesnih parametrov. Toplotno polje v rastni komori lončka je bilo simulirano in analizirano, da bi dobili idealen temperaturni gradient. Po testiranju lahko metoda indukcijskega ogrevanja z dvojno tuljavo doseže rast velikihkristali silicijevega karbida. Raziskave in razvoj te tehnologije zagotavljajo tehnologijo opreme za pridobivanje 8-palčnih karbidnih kristalov in zagotavljajo osnovo opreme za prehod industrializacije silicijevega karbida s 6 palcev na 8 palcev, izboljšanje učinkovitosti rasti materialov iz silicijevega karbida in zmanjšanje stroškov.