Bazat pe tehnologie de cuptor cu o singură cristal de carbură de 8 inci

       Carbura de siliciu este unul dintre materialele ideale pentru realizarea dispozitivelor de înaltă temperatură, de înaltă frecvență, de înaltă 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 procesuluiCreștere cu un singur cristal cu un singur cristal de 8 inci (SIC), a fost analizat mecanismul de creștere al transportului de vapori fizici din carbură de siliciu (PVT), sistemul de încălzire (inelul 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 acoperite cu TAC, suport acoperit cu TAC, grafit poros, pâslă moale, susceptitor de creștere a cristalului acoperit cu pâslă rigid și altulPiese de schimb de creștere a cristalului unic sicsunt furnizate de Vetek Semiconductor), au fost studiate tehnologia de rotație a creuzetului și de control al parametrilor procesului de cuptor de creștere a unui singur cristal cu carbură de siliciu, iar cristale de 8 inch au fost preparate cu succes și cultivate prin analiza simulării câmpului termic și experimentele de proces.

Introducere

      Carbura de siliciu (SIC) este un reprezentant tipic al materialelor semiconductoare de a treia generație. Are avantaje de performanță, cum ar fi lățimea mai mare a bandgapului, un câmp electric mai mare de defalcare și o conductivitate termică mai mare. Se comportă bine în câmpuri de temperatură ridicată, de înaltă presiune și de înaltă frecvență și a devenit una dintre principalele direcții de dezvoltare în domeniul tehnologiei materialelor semiconductoare.  În prezent, creșterea industrială a cristalelor de carbură de siliciu folosește în principal transportul de vapori fizici (PVT), care implică probleme complexe de cuplare cu câmpuri multi-fizice ale multi-fazei, multi-componente, transferului de căldură multiplă și transfer de masă și interacțiune de flux de căldură magneto-electrică. Prin urmare, proiectarea sistemului de creștere a 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 cultivate și dimensiunea mică a cristalului, astfel încât costul dispozitivelor cu carbură de siliciu ca substrat să rămână ridicat.

      Echipamentele de fabricație a carburilor de siliciu este fundamentul tehnologiei carburilor de siliciu și al dezvoltării industriale. Nivelul tehnic, capacitatea procesului și garanția independentă a cuptorului de creștere a unui singur cristal cu carbură de siliciu sunt cheia dezvoltării materialelor din carbură de siliciu în direcția de dimensiuni mari și a unui randament ridicat și sunt, de asemenea, principalii factori care determină industria semiconductoarelor de a treia generație să se dezvolte în direcția costurilor reduse și la scară largă. În dispozitivele cu semiconductor cu carbură de siliciu un singur cristal ca substrat, valoarea substratului reprezintă cea mai mare proporție, aproximativ 50%. Dezvoltarea echipamentelor de creștere a cristalelor de carbură de siliciu de înaltă calitate de dimensiuni mari, îmbunătățind randamentul și rata de creștere a substraturilor cu un singur cristal din carbură de siliciu și reducerea costurilor de producție au o semnificație esențială pentru aplicarea dispozitivelor conexe. Pentru a crește oferta de capacitate de producție și pentru a reduce în continuare costul mediu al dispozitivelor de carbură de siliciu, extinderea dimensiunii substraturilor din carbură de siliciu este unul dintre modurile importante. În prezent, dimensiunea internațională a substratului de carbură de siliciu mainstream este de 6 centimetri și a avansat rapid la 8 centimetri.

       Principalele tehnologii care trebuie rezolvate în dezvoltarea cuptoarelor de creștere a carburii de siliciu de 8 inci includ: (1) proiectarea structurii de câmp termic de dimensiuni mari pentru a obține un gradient de temperatură radială mai mică și un gradient de temperatură longitudinal mai mare, potrivit pentru creșterea cristalelor de carbură de siliciu de 8 inci. (2) Rotația de creuzetă de dimensiuni mari și ridicarea bobinelor și scăderea mecanismului mișcării, astfel încât creuzetul se rotește în timpul procesului de creștere a cristalului și se deplasează în raport cu bobina în conformitate cu cerințele procesului pentru a asigura coerența cristalului de 8 inci și a facilita creșterea și grosimea. (3) Controlul automat al parametrilor procesului în condiții dinamice care răspund nevoilor procesului de creștere a cristalului unic de înaltă calitate.

1 mecanism de creștere a cristalului PVT

       Metoda PVT este de a prepara cristale unice din carbură de siliciu prin plasarea sursei SIC în partea de jos a unui creuzet de grafit dens cilindric, iar cristalul de semințe SIC este plasat în apropierea capacului creuzetului. Creuzetul este încălzit la 2 300 ~ 2 400 ℃ prin inducție sau rezistență la frecvență radio și este izolat de pâslă de grafit sauGrafit poros. Principalele substanțe transportate de la sursa SIC la cristalul de semințe sunt moleculele Si, Si2c și SIC2. Temperatura la cristalul de semințe este controlată pentru a fi ușor mai mică decât cea de la micro-pulbere mai mică și se formează un gradient de temperatură axială în creuzet. Așa cum se arată în figura 1, micro-pofta din carbură de siliciu se sublimează la temperaturi ridicate pentru a forma gaze de reacție ale diferitelor componente ale fazei de gaze, care ajung la cristalul de semințe cu o temperatură mai scăzută sub acționarea gradientului de temperatură și să se cristalizeze pe acesta pentru a forma un lingou de carbură de siliciu cilindric.

Principalele reacții chimice ale creșterii PVT sunt:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2SiC ⇌  Si₂C (g)+C (S)

2sic ⇌ sic2 (g)+si (l, g)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Caracteristicile creșterii PVT a cristalelor unice SIC sunt:

1) Există două interfețe solide cu gaz: una este interfața cu pulbere cu gaz-sic, iar cealaltă este interfața de gaz-cristal.

2) faza gazoasă este compusă din două tipuri de substanțe: una este moleculele inerte introduse în sistem; cealaltă este componenta de fază gazoasă SIMCN produs de descompunerea și sublimareaSiC pulbere. Componentele de fază gazoasă SIMCN interacționează între ele, iar o parte a așa-numitelor componente ale fazei de gaze cristaline SIMCN care îndeplinesc cerințele procesului de cristalizare vor crește în cristalul SIC.

3) În pulberea de carbură de siliciu solid, vor apărea reacții în fază solidă între particule care nu s-au sublimat, inclusiv unele particule care formează corpuri ceramice poroase prin sinterizare, unele particule care formează boabe cu o anumită dimensiune a particulelor și morfologie cristalografică prin reacții de cristalizare, iar unele particule de carbură de siliciu care se transformă în particulele de carbon și particulele de carbon datorate particulelor de carbon.

4) În timpul procesului de creștere a cristalului, vor avea loc două modificări de fază: una este că particulele de pulbere de carbură de siliciu solid sunt transformate în componente ale fazei gazelor simcn prin descompunerea și sublimarea non-stoechiometrică, iar cealaltă este că componentele fazei gazelor sunt transformate în particule de zăbrele prin cristalizare.

2 Proiectarea echipamentelor 

      Așa cum se arată în figura 2, cuptorul de creștere a carbului de siliciu cu un singur cristal include în principal: ansamblu de acoperire superioară, ansamblu de 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 

     Așa cum se arată în figura 3, sistemul de încălzire adoptă încălzirea cu inducție și este compus dintr -o bobină de inducție, acreuzet de grafit, un strat de izolare (simțit rigid, pâslă moale), etc. Când curentul alternativ de frecvență medie trece prin bobina de inducție cu mai multe rânduri care înconjoară exteriorul creuzetului de grafit, un câmp magnetic indus de aceeași frecvență va fi format în creuzetul de grafit, generând o forță electromotivă indusă. Deoarece materialul creuzet de grafit de înaltă puritate are o conductivitate bună, un curent indus este generat pe peretele creuzetului, formând un curent de eddy. Sub acțiunea forței Lorentz, curentul indus va converge în cele din urmă pe peretele exterior al creuzetului (adică efectul pielii) și va slăbi treptat de -a lungul direcției radiale. Datorită existenței curenților eddy, 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.

     Așa cum se arată în figura 4, bobina de inducție este o parte cheie a sistemului de încălzire. Adoptă două seturi de structuri independente de bobină și este echipat cu mecanisme de mișcare de precizie superioară și inferioară. Cea mai mare parte a pierderilor de căldură electrică a întregului sistem de încălzire este suportată de bobină și trebuie efectuată răcirea forțată. Bobina este înfășurată cu un tub de cupru și răcită de apă în interior. Intervalul de frecvență al curentului indus este de 8 ~ 12 kHz. Frecvența încălzirii de inducție determină adâncimea de penetrare a câmpului electromagnetic în creuzetul de grafit. Mecanismul de mișcare a bobinei folosește un mecanism de pereche de șuruburi condus de motor. Bobina de inducție cooperează cu alimentarea cu inducție pentru încălzirea creuzetului intern de grafit pentru a obține sublimarea pulberii. În același timp, puterea și poziția relativă a celor două seturi de bobine sunt controlate pentru a face temperatura la cristalul de semințe mai mic decât cea de la micro-praful inferior, formând un gradient de temperatură axială între cristalul de semințe și pulberea din creuzet și formând un gradient de temperatură radial rezonabil la cristalul carbidei de silicon.

2.2 Mecanism de rotație a creuzetului 

      În timpul creșterii de dimensiuni maricarbură de siliciu cristale unice, creuzetul din mediul de vid al cavității este menținut rotativ în conformitate cu cerințele procesului, iar câmpul termic gradient și starea de joasă presiune în cavitate trebuie să fie menținute stabile. Așa cum se arată în figura 5, o pereche de viteze condusă de motor este utilizată pentru a obține o rotație stabilă a creuzetului. O structură de etanșare a fluidelor magnetice este utilizată pentru a obține etanșarea dinamică a arborelui rotativ. Garnitura de fluid magnetic folosește un circuit de câmp magnetic rotativ format între magnet, pantoful cu pol magnetic și mâneca magnetică pentru a adsorbi ferm lichidul magnetic între vârful pantofului pol și mânecă pentru a forma un inel fluid asemănător O, blocând complet golul pentru a atinge scopul etanșării. Atunci când mișcarea de rotație este transmisă din atmosferă la camera de vid, dispozitivul de etanșare dinamic cu inel O lichid este utilizat pentru a depăși dezavantajele uzurii ușoare și a vieții scăzute în etanșarea solidă, iar lichidul magnetic lichid poate umple întregul spațiu sigilat, blocând astfel toate canalele care pot scurge aer și obținerea scurgerii zero în cele două procese ale mișcării crestible și pot opri. Fluidul magnetic și suportul creuzetului adoptă o structură de răcire a apei pentru a asigura aplicabilitatea la temperaturi ridicate a fluidului magnetic și a suportului de creuzet și 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 bilă, un ghid liniar, o suport de ridicare, un capac al cuptorului și un suport de acoperire al cuptorului. Motorul conduce suportul de acoperire al cuptorului conectat la perechea de ghidare a șurubului printr -un reductor pentru a realiza mișcarea în sus și în jos a capacului inferior.

     Mecanismul de ridicare a capacului inferior facilitează plasarea și îndepărtarea creuzetelor de dimensiuni mari și, mai important, asigură fiabilitatea sigilată a capacului cuptorului inferior. În timpul întregului proces, camera are etape de schimbare a presiunii, cum ar fi vidul, presiunea ridicată și presiunea scăzută. Starea de compresie și etanșare a acoperirii inferioare afectează în mod direct fiabilitatea procesului. Odată ce sigiliul nu reușește la temperaturi ridicate, întregul proces va fi anulat. Prin intermediul dispozitivului de control și limită a servo -motorului, etanșeitatea ansamblului de acoperire inferior și a camerei este controlată pentru a obține cea mai bună stare de compresie și sigilare a inelului de etanșare a camerei cuptorului pentru a asigura stabilitatea presiunii procesului, așa cum se arată în figura 6.

2.4 Sistem de control electric 

      În timpul creșterii cristalelor de carbură de siliciu, sistemul de control electric trebuie să controleze cu exactitate diferiți parametri de proces, incluzând în principal înălțimea poziției bobinei, viteza de rotație a creuzetului, puterea de încălzire și temperatura, debitul special de aport special de gaze și deschiderea valvei proporționale.

      Așa cum se arată în figura 7, sistemul de control folosește un controler programabil ca server, care este conectat la driverul servo prin intermediul autobuzului pentru a realiza controlul mișcării bobinei și creuzetului; Este conectat la regulatorul de temperatură și controlerul de curgere prin intermediul MobUSRTU standard pentru a realiza controlul în timp real al temperaturii, presiunii și fluxului special al gazelor de proces. Acesta stabilește comunicarea cu software -ul de configurare prin Ethernet, schimbă informații despre sistem în timp real și afișează diverse informații despre parametrii procesului pe computerul gazdă. Operatorii, personalul procesului și managerii schimbă informații cu sistemul de control prin interfața om-mașină.

     Sistemul de control efectuează toată colectarea datelor de câmp, analiza stării de operare 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 fiabilitatea siguranței funcționării meniului procesului.

     Configurația superioară menține schimbul de date cu controlerul programabil în timp real și afișează datele de câmp. Este echipat cu interfețe de funcționare, cum ar fi 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 de alarmă, furnizarea de afișare a alarmelor de ecran, înregistrarea timpului și a datelor detaliate despre apariția și recuperarea alarmei. Înregistrarea în timp real a tuturor datelor de proces, a conținutului de funcționare a ecranului și a timpului de funcționare. Controlul de fuziune al diverșilor parametri de proces este realizat prin codul de bază din interiorul controlerului programabil și se poate realiza maximum 100 de pași de proces. Fiecare pas include mai mult de o duzină de parametri de proces, cum ar fi timpul de funcționare a procesului, puterea țintă, presiunea țintă, fluxul de argon, fluxul de azot, fluxul de hidrogen, poziția creuzetului și rata creuzetului.

3 Analiza simulării câmpului termic

    Modelul de analiză a simulării câmpului termic este stabilit. Figura 8 este harta norului de temperatură în camera de creștere a creuzetului. Pentru a asigura intervalul de temperatură de creștere a 4H-SIC unic cristal, temperatura centrală a cristalului de semințe 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 ridicată temperatură a zonei pulberii (lateral în jos) este de 2274,4 ℃, formând un gradient de temperatură axială.

       Distribuția gradientului radial al cristalului este prezentată în figura 9. Gradientul de temperatură laterală mai mică a suprafeței de cristal de semințe poate îmbunătăți eficient forma de creștere a cristalului. Diferența de temperatură inițială calculată curentă este de 5,4 ℃, iar forma generală este aproape plană și ușor convexă, ceea ce poate satisface precizia radială a controlului temperaturii și a cerințelor de uniformitate ale suprafeței de cristal de semințe.

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

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

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

4 test experimental

     Folosind acest lucruCuptor de creștere cu un singur cristal cu carbură de siliciu, pe baza gradientului de temperatură al simulării câmpului termic, prin reglarea parametrilor, cum ar fi temperatura superioară a creuzetului, presiunea cavității, viteza de rotație a creuzetului și poziția relativă a bobinelor superioare și inferioare, s-a obținut un test de creștere a cristalului de carbură de siliciu (așa cum a fost obținut și un cristal de carbură de siliciu de 8 inci (așa cum s-a arătat în figura 12).

5 Concluzie

     Au fost studiate tehnologiile cheie pentru creșterea cristalelor unice de carbură de siliciu de 8 inci, cum ar fi câmpul termic 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 ideal de temperatură. După testare, metoda de încălzire cu inducție dublă a bobinei poate satisface creșterea de dimensiuni mariCristale de carbură de siliciu. Cercetarea și dezvoltarea acestei tehnologii oferă tehnologie de echipament pentru obținerea de cristale de carbură de 8 inci și oferă fond de echipament pentru tranziția industrializării carburii de siliciu de la 6 inci la 8 inci, îmbunătățind eficiența de creștere a materialelor din carbură de siliciu și reducerea costurilor.