Basert på 8-tommers silisiumkarbid enkeltkrystallvekstovnsteknologi

       Silisiumkarbid er et av de ideelle materialene for å lage høye temperaturer, høyfrekvente, høye effekt- og høyspenningsapparater. For å forbedre produksjonseffektiviteten og redusere kostnadene, er forberedelse av silisiumkarbidsubstrater i stor størrelse en viktig utviklingsretning. Sikter mot prosesskravene til8-tommers silisiumkarbid (SIC) enkeltkrystallvekst, Vekstmekanismen for silisiumkarbid fysisk damptransport (PVT) ble analysert, varmesystemet (TAC Guide Ring, TAC Coated Crucible,TAC -belagte ringer, TAC-belagt plate, TAC-belagt tre-petal ring, TAC-belagt tre-petal digel, TAC-belagt holder, porøs grafitt, myk filt, stiv filt SiC-belagt krystallvekstsceptor og annenSic enkeltkrystallvekstprosess Reservedelerer levert av Vetek halvleder), digelrotasjon og prosessparameterkontrollteknologi for silisiumkarbidkrystallvekstovn ble studert, og 8-tommers krystaller ble vellykket fremstilt og dyrket gjennom termisk feltsimuleringsanalyse og prosesseksperimenter.

Introduksjon

      Silisiumkarbid (SIC) er en typisk representant for tredje generasjons halvledermaterialer. Det har ytelsesfordeler som større båndgapbredde, høyere nedbrytning av elektrisk felt og høyere termisk ledningsevne. Den fungerer godt i høye trykker og høyfrekvente felt med høy trykk og høyfrekvente, og har blitt en av de viktigste utviklingsretninger innen halvledermaterialeteknologi.  For tiden bruker den industrielle veksten av silisiumkarbidkrystaller hovedsakelig fysisk damptransport (PVT), som involverer komplekse multifysiske feltkoblingsproblemer med multifase, multikomponent, multippel varme og masseoverføring og magneto-elektrisk varmestrømningsinteraksjon. Derfor er utformingen av PVT -vekstsystemet vanskelig, og prosessparametermålingen og kontrollen underkrystallvekstprosesser vanskelig, noe som resulterer i vanskeligheten med å kontrollere kvalitetsdefektene til de voksne silisiumkarbidkrystallene og den lille krystallstørrelsen, slik at kostnadene for enheter med silisiumkarbid når underlaget forblir høy.

      Produksjonsutstyr for silisiumkarbid er grunnlaget for silisiumkarbidteknologi og industriell utvikling. Det tekniske nivået, prosessfunksjonen og den uavhengige garantien for silisiumkarbid-krystallvekstovn er nøkkelen til utvikling av silisiumkarbidmaterialer i retning av stor størrelse og høy utbytte, og er også de viktigste faktorene som driver tredje generasjons halvlederindustri til å utvikle seg i retning av lav pris og storskala. I halvlederinnretninger med silisiumkarbid enkeltkrystall som underlag, utgjør verdien av underlag den største andelen, omtrent 50%. Utviklingen av høykvalitets silisiumkarbidkrystallvekstutstyr av høy kvalitet, forbedring av utbyttet og veksthastigheten for silisiumkarbid enkeltkrystallsubstrater, og å redusere produksjonskostnadene er av nøkkel betydning for anvendelsen av relaterte enheter. For å øke produksjonskapasitetstilbudet og redusere gjennomsnittlig kostnad for silisiumkarbidenheter ytterligere, er det en av de viktige måtene å utvide størrelsen på silisiumkarbidsubstrater. For tiden er den internasjonale mainstream silisiumkarbidsubstratstørrelsen 6 tommer, og den har raskt gått videre til 8 tommer.

       Hovedteknologiene som må løses i utviklingen av 8-tommers silisiumkarbid-krystallvekstovner inkluderer: (1) Design av storstørrelse termisk feltstruktur for å oppnå en mindre radial temperaturgradient og en større langsgående temperaturgradient egnet for vekst av 8-tommers silisiumkarbidkrystaller. (2) Størrelser i stor størrelse og spiralløfting og senking av bevegelsesmekanisme, slik at digelen roterer under krystallvekstprosessen og beveger seg i forhold til spolen i henhold til prosesskrav for å sikre konsistensen av 8-tommers krystall og lette vekst og tykkelse. (3) Automatisk kontroll av prosessparametere under dynamiske forhold som tilfredsstiller behovene for høykvalitets enkeltkrystallvekstprosess.

1 PVT krystallvekstmekanisme

       PVT -metoden er å fremstille silisiumkarbidkrystaller ved å plassere SIC -kilden i bunnen av en sylindrisk tett grafittgrop, og SIC -frøkrystallen er plassert i nærheten av digeldekselet. Digelen blir oppvarmet til 2 300 ~ 2 400 ℃ ved radiofrekvensinduksjon eller motstand, og er isolert av grafittfilt ellerporøs grafitt. Hovedstoffene som er transportert fra SIC -kilden til frøkrystallen er Si, Si2C -molekyler og SIC2. Temperaturen ved frøkrystallen styres for å være litt lavere enn ved den nedre mikropulveren, og en aksial temperaturgradient dannes i digelen. Som vist i figur 1, sublimater silisiumkarbidmikropulveren ved høy temperatur for å danne reaksjonsgasser av forskjellige gassfasekomponenter, som når frøkrystallen med en lavere temperatur under drivkraften til temperaturgradienten og krystalliserer på den for å danne en sylindrisk silisiumkarbidinnting.

De viktigste kjemiske reaksjonene av PVT -vekst er:

Sic (S) ⇌ Si (G)+C (S)

2sic ⇌ og₂C (g)+c (s)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+Si (L, G)

Sic (S) ⇌ Sic (G)

Egenskapene til PVT -vekst av SIC enkeltkrystaller er:

1) Det er to gassfastede grensesnitt: den ene er gass-SIC-pulvergrensesnittet, og den andre er gass-krystallgrensesnittet.

2) Gassfasen er sammensatt av to typer stoffer: Den ene er de inerte molekylene som er introdusert i systemet; Den andre er gassfasekomponenten SIMCN produsert ved nedbrytning og sublimering avSic pulver. Gassfasekomponentene simcn interagerer med hverandre, og en del av de såkalte krystallinske gassfasekomponentene SIMCN som oppfyller kravene i krystalliseringsprosessen vil vokse inn i SiC-krystallen.

3) I det faste silisiumkarbidpulveret vil fastfase-reaksjoner forekomme mellom partikler som ikke har sublimert, inkludert noen partikler som danner porøse keramiske legemer gjennom sintring, noen partikler som danner korn med en vis nedbrytning og sublimering.

4) Under krystallvekstprosessen vil to faseendringer oppstå: Den ene er at de faste silisiumkarbidpulverpartiklene blir transformert til gassfasekomponenter SIMCN gjennom ikke-støkiometrisk nedbrytning og sublimering, og den andre er at gassfasekomponentene simcn blir transformert til latticepartikler gjennom krystallisering.

2 utstyrsdesign 

      Som vist i figur 2, inkluderer silisiumkarbidkrystallvekstovnen hovedsakelig: øvre dekkmontering, kammermontering, varmesystem, digelrotasjonsmekanisme, løftemekanisme med nedre dekk og elektrisk kontrollsystem.

2.1 Varmesystem 

     Som vist i figur 3 vedtar varmesystemet induksjonsoppvarming og er sammensatt av en induksjonsspole, enGrafittgruppe, et isolasjonslag (stivt filt, myk filt), etc. Når den medium frekvens vekselstrøm går gjennom multi-sving induksjonsspolen som omgir utsiden av grafittgruppen, vil et indusert magnetfelt med samme frekvens bli dannet i grafittgruppen, og genererer en indusert elektromotiv kraft. Siden grafittgruppemateriale med høy renhet har god konduktivitet, genereres en indusert strøm på digelveggen, og danner en virvelstrøm. Under handlingen av Lorentz -styrken vil den induserte strømmen til slutt konvergere på ytterveggen av digelen (dvs. hudeffekten) og gradvis svekkes langs den radielle retningen. På grunn av eksistensen av virvelstrømmer genereres joulevarme på ytterveggen av digelen, og blir varmekilden til vekstsystemet. Størrelsen og fordelingen av joulevarme bestemmer direkte temperaturfeltet i digelen, som igjen påvirker veksten av krystallen.

     Som vist i figur 4 er induksjonsspolen en sentral del av varmesystemet. Den vedtar to sett med uavhengige spolestrukturer og er utstyrt med henholdsvis øvre og nedre presisjonsbevegelsesmekanismer. Det meste av det elektriske varmetapet i hele varmesystemet bæres av spolen, og tvangskjøling må utføres. Spolen er viklet med et kobberrør og avkjølt med vann inni. Frekvensområdet for den induserte strømmen er 8 ~ 12 kHz. Hyppigheten av induksjonsoppvarmingen bestemmer penetrasjonsdybden til det elektromagnetiske feltet i grafittgruppen. Spolens bevegelsesmekanisme bruker en motorisk drevet skrueparmekanisme. Induksjonsspolen samarbeider med induksjonens strømforsyning for å varme den indre grafittgrovelen for å oppnå sublimering av pulveret. Samtidig kontrolleres kraften og den relative posisjonen til de to settene med spoler for å gjøre temperaturen ved frøkrystallen lavere enn den ved den nedre mikropulveren, danner en aksial temperaturgradient mellom frøkrystallen og pulveret i digelen, og danner en rimelig radial temperaturgradient ved silikonkarbidkrystallen.

2.2 Digibel rotasjonsmekanisme 

      Under veksten av stor størrelsesilisiumkarbid enkeltkrystaller, digelen i vakuummiljøet i hulrommet holdes roterende i henhold til prosesskravene, og gradienttermiske felt og lavtrykkstilstanden i hulrommet må holdes stabil. Som vist i figur 5 brukes et motorstyrt girpar for å oppnå stabil rotasjon av digelen. En magnetisk fluidforseglingsstruktur brukes for å oppnå dynamisk tetning av den roterende akselen. Den magnetiske væskeforseglingen bruker en roterende magnetfeltkrets dannet mellom magneten, magnetisk polsko og magnetisk hylse for å adsorbere magnetisk væske mellom polsko-spissen og hylsen til å danne en O-ringlignende væskering, og blokkerer gapet fullstendig for å oppnå formålet med å forsegle. Når rotasjonsbevegelsen overføres fra atmosfæren til vakuumkammeret, brukes den flytende O-ring-dynamiske tetningsanordningen for å overvinne ulempene med enkel slitasje og lavt levetid i fast tetning, og den flytende magnetiske væsken kan fylle hele forseglet rom, og dermed blokkerer alle kanalene som kan lekke luft, og oppnå null lekkasje i de to prosessene med krudd bevegelse som kan lekke luft. Magnetvæsken og digelen støtter en vannkjølingsstruktur for å sikre den høye temperaturen anvendeligheten av magnetisk væske og digelstøtte og oppnå stabiliteten til den termiske felttilstanden.

2.3 Løftemekanisme for lavere dekk

     Løftemekanismen for nedre deksel består av en drivmotor, en kuleskrue, en lineær guide, en løftebrakett, et ovndeksel og et ovndekselbrakett. Motoren driver ovndekselbraketten koblet til skrueguideparet gjennom en redusering for å realisere opp og ned bevegelse av det nedre dekselet.

     Løftemekanismen for lavere deksel letter plassering og fjerning av store digger, og enda viktigere, sikrer tetningens pålitelighet til det nedre ovnsdekselet. Under hele prosessen har kammeret trykkendringsstadier som vakuum, høyt trykk og lavt trykk. Komprimerings- og tetningstilstanden til det nedre dekselet påvirker direkte prosessens pålitelighet. Når tetningen svikter under høy temperatur, vil hele prosessen bli skrotet. Gjennom motorserveringskontrollen og begrense enheten, styres tettheten til det nedre dekkmontering og kammeret for å oppnå den beste tilstanden for komprimering og forsegling av tetningsringen for ovnskammeret for å sikre stabiliteten til prosesstrykket, som vist i figur 6.

2.4 Elektrisk kontrollsystem 

      Under veksten av silisiumkarbidkrystaller, må det elektriske kontrollsystemet nøyaktig kontrollere forskjellige prosessparametere, hovedsakelig inkludert spoleposisjonshøyden, digelrotasjonshastigheten, oppvarmingskraften og temperaturen, forskjellig spesiell gassinntakstrøm og åpning av proporsjonalventilen.

      Som vist i figur 7, bruker kontrollsystemet en programmerbar kontroller som en server, som er koblet til Servo -driveren gjennom bussen for å realisere bevegelseskontrollen til spolen og digelen; Den er koblet til temperaturkontrolleren og strømningskontrolleren gjennom standard MobusRTU for å realisere sanntidskontroll av temperatur, trykk og spesiell prosessgasstrøm. Den etablerer kommunikasjon med konfigurasjonsprogramvaren gjennom Ethernet, utveksler systeminformasjon i sanntid og viser forskjellige prosessparameterinformasjon på vertsdatamaskinen. Operatører, prosesspersonell og ledere utveksler informasjon med kontrollsystemet gjennom grensesnittet mellom mennesker og maskiner.

     Kontrollsystemet utfører all feltdatainnsamling, analyse av driftsstatusen til alle aktuatorer og det logiske forholdet mellom mekanismene. Den programmerbare kontrolleren mottar instruksjonene fra vertsdatamaskinen og fullfører kontrollen av hver aktuator for systemet. Utførelses- og sikkerhetsstrategien til den automatiske prosessmenyen utføres alle av den programmerbare kontrolleren. Stabiliteten til den programmerbare kontrolleren sikrer stabiliteten og sikkerhets påliteligheten til prosessmenyoperasjonen.

     Den øvre konfigurasjonen opprettholder datautveksling med den programmerbare kontrolleren i sanntid og viser feltdata. Det er utstyrt med driftsgrensesnitt som oppvarmingskontroll, trykkkontroll, gasskretskontroll og motorisk kontroll, og innstillingsverdiene for forskjellige parametere kan modifiseres på grensesnittet. Overvåking av sanntid av alarmparametere, som gir skjermalarmvisning, registrerer tid og detaljerte data om alarmforekomst og gjenoppretting. Registrering av sanntid av alle prosessdata, skjermoperasjonsinnhold og driftstid. Fusjonskontrollen av forskjellige prosessparametere realiseres gjennom den underliggende koden inne i den programmerbare kontrolleren, og maksimalt 100 trinn kan realiseres. Hvert trinn inkluderer mer enn et dusin prosessparametere som prosessoperasjonstid, målkraft, måltrykk, argonstrøm, nitrogenstrøm, hydrogenstrøm, digelposisjon og digelhastighet.

3 termisk feltsimuleringsanalyse

    Den termiske feltsimuleringsanalysemodellen er etablert. Figur 8 er Temperaturskykartet i Crucible Growth Chamber. For å sikre veksttemperaturområdet for 4H-SiC enkeltkrystall, beregnes midtstemperaturen til frøkrystallen til 2200 ℃, og kanttemperaturen er 2205,4 ℃. På dette tidspunktet er sentertemperaturen på digeltoppen 2167,5 ℃, og den høyeste temperaturen i pulverområdet (side ned) er 2274,4 ℃, og danner en aksial temperaturgradient.

       Den radiale gradientfordelingen av krystallen er vist i figur 9. Den nedre laterale temperaturgradienten av frøkrystalloverflaten kan effektivt forbedre krystallvekstformen. Den gjeldende beregnede starttemperaturforskjellen er 5,4 ℃, og den totale formen er nesten flat og litt konveks, som kan oppfylle de radielle temperaturkontrollens nøyaktighet og ensartethetskrav til frøkrystalloverflaten.

       Temperaturforskjellkurven mellom råstoffoverflaten og frøkrystalloverflaten er vist i figur 10. Midtstemperaturen på materialoverflaten er 2210 ℃, og en langsgående temperaturgradient på 1 ℃/cm dannes mellom materialoverflaten og frøkrystalloverflaten, som er innenfor et rimelig område.

      Den estimerte vekstraten er vist i figur 11. For rask veksthastighet kan øke sannsynligheten for defekter som polymorfisme og dislokasjon. Den nåværende estimerte vekstraten er nær 0,1 mm/t, som er innenfor et rimelig område.

     Gjennom termisk feltsimuleringsanalyse og beregning, er det funnet at sentertemperatur og kantemperatur på frøkrystallen oppfyller den radielle temperaturgradienten til krystallen på 8 tommer. Samtidig danner topp- og bunnen av digelen en aksial temperaturgradient egnet for lengden og tykkelsen på krystallen. Den nåværende oppvarmingsmetoden for vekstsystemet kan oppfylle veksten av 8-tommers enkeltkrystaller.

4 Eksperimentell test

     Bruker detteSilisiumkarbid enkeltkrystallvekstovnBasert på temperaturgradienten til den termiske feltsimuleringen, ved å justere parametrene som digelens topptemperatur, hulromstrykk, digelrotasjonshastighet og den relative posisjonen til de øvre og nedre spoler, ble en silisiumkarbidkrystallveksttest utført, og en 8-tommers silikonkarbidkrystall ble oppnådd (som vist i figur 12).

5 Konklusjon

     De viktigste teknologiene for vekst av 8-tommers silisiumkarbidkrystaller, så som gradient termisk felt, digelbevegelsesmekanisme og automatisk kontroll av prosessparametere, ble studert. Det termiske feltet i digelvekstkammeret ble simulert og analysert for å oppnå den ideelle temperaturgradienten. Etter testing kan dobbeltspole induksjonsoppvarmingsmetoden oppfylle veksten av stor størrelseSilisiumkarbidkrystaller. Forskning og utvikling av denne teknologien gir utstyrsteknologi for å oppnå 8-tommers karbidkrystaller, og gir utstyrsgrunnlag for overgangen til industrialisering av silisiumkarbid fra 6 tommer til 8 tommer, noe som forbedrer veksteffektiviteten til silisiumkarbidmaterialer og reduserer kostnadene.