Remiantis 8 colių silicio karbido monokristalų auginimo krosnies technologija

Silicio karbidas yra viena iš idealių medžiagų aukštos temperatūros, aukšto dažnio, didelės galios ir aukštos įtampos prietaisams gaminti. Siekiant pagerinti gamybos efektyvumą ir sumažinti išlaidas, svarbi plėtros kryptis yra didelio dydžio silicio karbido substratų paruošimas. Siekiant proceso reikalavimų8 colių silicio karbido (SIC) vieno kristalo augimas, buvo išanalizuotas silicio karbido fizinio garų transportavimo (PVT) metodo augimo mechanizmas, šildymo sistema (TaC kreipiamasis žiedas, TaC padengtas tiglis,TaC padengti žiedai, TaC dengta plokštelė, TaC dengtas trijų žiedlapių žiedas, TaC dengtas trijų žiedlapių tiglis, TaC dengtas laikiklis, porėtas grafitas, minkštas veltinis, standus veltinis SiC padengtas kristalų augimo susceptorius ir kt.SiC vieno kristalo augimo proceso atsarginės dalysteikia VeTek Semiconductor), buvo ištirta silicio karbido monokristalų auginimo krosnies tiglio sukimosi ir proceso parametrų valdymo technologija, o 8 colių kristalai buvo sėkmingai paruošti ir auginami atliekant terminio lauko modeliavimo analizę ir proceso eksperimentus.

0 Įvadas

Silicio karbidas (SiC) yra tipiškas trečios kartos puslaidininkinių medžiagų atstovas. Jis turi našumo pranašumų, tokių kaip didesnis pralaidumo plotis, didesnis elektrinis laukas ir didesnis šilumos laidumas. Jis puikiai veikia aukštos temperatūros, aukšto slėgio ir aukšto dažnio laukuose ir tapo viena iš pagrindinių plėtros krypčių puslaidininkinių medžiagų technologijos srityje. Jis turi platų pritaikymo poreikį naujose energijos transporto priemonėse, fotovoltinės energijos gamyboje, geležinkelių transporte, išmaniajame tinkle, 5G ryšiu, palydovuose, radaruose ir kitose srityse. Šiuo metu pramoniniam silicio karbido kristalų auginimui daugiausia naudojamas fizinis garų pernešimas (PVT), kuris apima sudėtingas daugiafazių, daugiakomponentinių, daugialypės šilumos ir masės perdavimo bei magnetinio-elektrinio šilumos srauto sąveikos daugiafunkcinio lauko sujungimo problemas. Todėl PVT augimo sistemos projektavimas yra sudėtingas, o proceso parametrų matavimas ir valdymaskristalų augimo procesasyra sunku, todėl sunku kontroliuoti išaugintų silicio karbido kristalų kokybės defektus ir mažą kristalų dydį, todėl įrenginių, kurių substratas yra silicio karbidas, kaina išlieka didelė.

Silicio karbido gamybos įranga yra silicio karbido technologijos ir pramonės plėtros pagrindas. Silicio karbido monokristalų auginimo krosnies techninis lygis, proceso galimybės ir nepriklausoma garantija yra raktas kuriant silicio karbido medžiagas didelio dydžio ir didelio derlingumo kryptimi, taip pat yra pagrindiniai veiksniai, skatinantys trečiosios kartos puslaidininkių pramonę. plėtoti mažų sąnaudų ir didelio masto kryptimi. Šiuo metu aukštos įtampos, didelės galios ir aukšto dažnio silicio karbido prietaisų kūrimas padarė didelę pažangą, tačiau gamybos efektyvumas ir prietaisų paruošimo kaina taps svarbiu veiksniu, ribojančiu jų plėtrą. Puslaidininkiniuose įrenginiuose, kurių substratas yra silicio karbido monokristalas, substrato vertė sudaro didžiausią dalį, apie 50%. Didelio dydžio aukštos kokybės silicio karbido kristalų auginimo įrangos kūrimas, silicio karbido monokristalinių substratų derlingumo ir augimo greičio gerinimas bei gamybos sąnaudų mažinimas yra labai svarbūs taikant susijusius įrenginius. Siekiant padidinti gamybos pajėgumų pasiūlą ir dar labiau sumažinti vidutines silicio karbido įrenginių sąnaudas, vienas iš svarbių būdų yra padidinti silicio karbido substratų dydį. Šiuo metu tarptautinio pagrindinio silicio karbido substrato dydis yra 6 coliai, o jis sparčiai didėja iki 8 colių.

Pagrindinės technologijos, kurias reikia išspręsti kuriant 8 colių silicio karbido monokristalų auginimo krosnis, yra šios: 1) Didelio dydžio šiluminio lauko struktūros projektavimas, siekiant gauti mažesnį radialinį temperatūros gradientą ir didesnį išilginį temperatūros gradientą, tinkamą augimui. 8 colių silicio karbido kristalų. 2) Didelio dydžio tiglio sukimosi ir ritės pakėlimo ir nuleidimo judesio mechanizmas, kad tiglis sukasi kristalų augimo proceso metu ir juda ritės atžvilgiu pagal proceso reikalavimus, kad būtų užtikrintas 8 colių kristalo nuoseklumas ir palengvintas augimas bei storis. . 3) Automatinis proceso parametrų valdymas dinamiškomis sąlygomis, atitinkančiomis aukštos kokybės monokristalų augimo proceso poreikius.

1 PVT kristalų augimo mechanizmas

PVT metodas yra silicio karbido monokristalų paruošimas, SiC šaltinį dedant į cilindrinio tankaus grafito tiglio dugną, o SiC sėklų kristalas dedamas šalia tiglio dangčio. Tiglis kaitinamas iki 2 300–2 400 ℃ radijo dažnio indukcija arba pasipriešinimu ir izoliuojamas grafito veltiniu arbaporėtas grafitas. Pagrindinės medžiagos, gabenamos iš SiC šaltinio į sėklinį kristalą, yra Si, Si2C molekulės ir SiC2. Sėklinio kristalo temperatūra reguliuojama taip, kad ji būtų šiek tiek žemesnė nei apatinių mikromiltelių, o tiglyje susidaro ašinis temperatūros gradientas. Kaip parodyta 1 paveiksle, silicio karbido mikromilteliai aukštoje temperatūroje sublimuojasi, kad susidarytų skirtingų dujų fazių komponentų reakcijos dujos, kurios, veikiant temperatūros gradientui, pasiekia žemesnės temperatūros sėklinį kristalą ir kristalizuojasi ant jo, sudarydami cilindrinį pavidalą. silicio karbido luitas.

Pagrindinės PVT augimo cheminės reakcijos yra:

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)

SiC monokristalų PVT augimo charakteristikos yra šios:

1) Yra dvi dujų ir kietųjų medžiagų sąsajos: viena yra dujų ir SiC miltelių sąsaja, o kita - dujų ir kristalų sąsaja.

2) Dujinė fazė susideda iš dviejų tipų medžiagų: viena yra inertinės molekulės, įvestos į sistemą; kitas yra dujinės fazės komponentas SimCn, gaunamas skaidant ir sublimuojantSiC milteliai. Dujinės fazės komponentai SimCn sąveikauja tarpusavyje, o dalis kristalizacijos proceso reikalavimus atitinkančių vadinamųjų kristalinės dujų fazės komponentų SimCn išaugs į SiC kristalą.

3) Kietuose silicio karbido milteliuose kietosios fazės reakcijos įvyks tarp nesublimavusių dalelių, įskaitant kai kurias daleles, kurios sukepinant sudaro porėtus keraminius kūnus, kai kurias daleles kristalizacijos reakcijų metu sudaro tam tikro dalelių dydžio ir kristalografinės morfologijos grūdelius, ir kai kurias daleles. silicio karbido dalelės, transformuojančios į daug anglies turinčias daleles arba anglies daleles dėl nestechiometrinio skilimo ir sublimacijos.

4) Kristalų augimo proceso metu įvyks du fazių pokyčiai: vienas yra tas, kad kietos silicio karbido miltelių dalelės paverčiamos dujinės fazės komponentais SimCn per nestechiometrinį skilimą ir sublimaciją, o antrasis yra tai, kad dujinės fazės komponentai SimCn yra transformuojami. kristalizacijos būdu į gardelės daleles.

2 Įrangos konstrukcija Kaip parodyta 2 paveiksle, silicio karbido monokristalų auginimo krosnį daugiausia sudaro: viršutinio dangčio mazgas, kameros mazgas, šildymo sistema, tiglio sukimosi mechanizmas, apatinio dangčio kėlimo mechanizmas ir elektrinė valdymo sistema.

2.1 Šildymo sistema Kaip parodyta 3 paveiksle, šildymo sistemoje taikomas indukcinis šildymas ir ji sudaryta iš indukcinio gyvatuko,grafito tiglis, izoliacijos sluoksnis (standus veltinis, minkštas veltinis) ir tt Kai vidutinio dažnio kintamoji srovė praeina per grafito tiglio išorę supančią daugiapakopę indukcinę ritę, grafito tiglyje susidarys tokio pat dažnio indukuotas magnetinis laukas, generuojantis indukuotą elektrovaros jėgą. Kadangi didelio grynumo grafito tiglio medžiaga turi gerą laidumą, ant tiglio sienelės susidaro indukuota srovė, kuri sudaro sūkurinę srovę. Veikiant Lorenco jėgai, indukuota srovė ilgainiui susilies su išorine tiglio sienele (t. y. odos efektas) ir palaipsniui susilpnės radialine kryptimi. Dėl sūkurinių srovių ant išorinės tiglio sienelės susidaro Džaulio šiluma, kuri tampa augimo sistemos šildymo šaltiniu. Džaulio šilumos dydis ir pasiskirstymas tiesiogiai lemia temperatūros lauką tiglyje, o tai savo ruožtu turi įtakos kristalo augimui.

Kaip parodyta 4 paveiksle, indukcinė gyvatė yra pagrindinė šildymo sistemos dalis. Jame yra du nepriklausomų ritės konstrukcijų rinkiniai ir atitinkamai yra viršutiniai ir apatiniai tikslaus judėjimo mechanizmai. Didžiąją dalį visos šildymo sistemos elektros šilumos nuostolių padengia gyvatukas, todėl reikia atlikti priverstinį aušinimą. Ritė suvyniota variniu vamzdeliu ir viduje aušinama vandeniu. Indukuotos srovės dažnių diapazonas yra 8–12 kHz. Indukcinio šildymo dažnis lemia elektromagnetinio lauko prasiskverbimo gylį grafito tiglyje. Ritės judėjimo mechanizme naudojamas varikliu varomas varžtų poros mechanizmas. Indukcinė ritė bendradarbiauja su indukciniu maitinimo šaltiniu, kad šildytų vidinį grafito tiglį, kad būtų galima sublimuoti miltelius. Tuo pačiu metu reguliuojama dviejų ritinių rinkinių galia ir santykinė padėtis, kad sėklų kristalo temperatūra būtų žemesnė nei apatinių mikromiltelių temperatūra, sudarydama ašinį temperatūros gradientą tarp sėklinio kristalo ir miltelių. tiglį ir sudaro pagrįstą radialinį temperatūros gradientą prie silicio karbido kristalo.

2.2 Tiglio sukimosi mechanizmas Didelio dydžio auginimo metupavieniai silicio karbido kristalai, tiglis vakuuminėje ertmės aplinkoje nuolat sukasi pagal proceso reikalavimus, o gradiento šiluminis laukas ir žemo slėgio būsena ertmėje turi būti stabilūs. Kaip parodyta 5 paveiksle, norint pasiekti stabilų tiglio sukimąsi, naudojama varikliu varoma pavarų pora. Norint pasiekti dinamišką besisukančio veleno sandarinimą, naudojama magnetinė skysčio sandarinimo konstrukcija. Magnetinio skysčio sandariklis naudoja besisukančio magnetinio lauko grandinę, suformuotą tarp magneto, magnetinio poliaus antgalio ir magnetinės įvorės, kad būtų tvirtai adsorbuojamas magnetinis skystis tarp poliaus antgalio ir įvorės, kad susidarytų į sandarinimo žiedą panašus skysčio žiedas, visiškai blokuojantis. tarpas, kad būtų pasiektas sandarinimo tikslas. Kai sukimosi judesys perduodamas iš atmosferos į vakuuminę kamerą, skystas O žiedo dinaminis sandarinimo įtaisas naudojamas siekiant įveikti lengvo susidėvėjimo ir trumpo tarnavimo laiko trūkumus kieto sandarinimo metu, o skystas magnetinis skystis gali užpildyti visą sandarią erdvę. tokiu būdu blokuojant visus kanalus, iš kurių gali nutekėti oras, ir pasiekti nulinį nuotėkį dviejuose tiglio judėjimo ir sustojimo procesuose. Magnetinis skystis ir tiglio atrama turi vandeniu aušinimo struktūrą, kad būtų užtikrintas magnetinio skysčio ir tiglio atramos pritaikymas aukštai temperatūrai ir šiluminio lauko būsenos stabilumas.

2.3 Apatinio dangčio pakėlimo mechanizmas

Apatinio dangčio pakėlimo mechanizmą sudaro varomasis variklis, rutulinis varžtas, linijinis kreiptuvas, kėlimo laikiklis, krosnies dangtis ir krosnies dangčio laikiklis. Variklis varo krosnies dangčio laikiklį, prijungtą prie varžtų kreiptuvo poros, per reduktorių, kad apatinis dangtis judėtų aukštyn ir žemyn.

Apatinio dangčio pakėlimo mechanizmas palengvina didelių dydžių tiglių įdėjimą ir išėmimą, o dar svarbiau – užtikrina apatinio krosnies dangčio sandarumą. Viso proceso metu kameroje yra slėgio keitimo etapai, tokie kaip vakuumas, aukštas slėgis ir žemas slėgis. Apatinio dangčio suspaudimo ir sandarinimo būsena tiesiogiai veikia proceso patikimumą. Kai sandariklis suges aukštoje temperatūroje, visas procesas bus nutrauktas. Variklio servo valdymo ir ribojimo įtaisu kontroliuojamas apatinio dangčio mazgo ir kameros sandarumas, kad būtų pasiekta geriausia krosnies kameros sandarinimo žiedo suspaudimo ir sandarinimo būsena, kad būtų užtikrintas proceso slėgio stabilumas, kaip parodyta 6 paveiksle. .

2.4 Elektrinė valdymo sistema Silicio karbido kristalų augimo metu elektrinė valdymo sistema turi tiksliai valdyti skirtingus proceso parametrus, daugiausia įskaitant ritės padėties aukštį, tiglio sukimosi greitį, šildymo galią ir temperatūrą, skirtingą specialų dujų įsiurbimo srautą ir atidarymą. proporcinis vožtuvas.

Kaip parodyta 7 paveiksle, valdymo sistema naudoja programuojamą valdiklį kaip serverį, kuris per magistralę yra prijungtas prie servo tvarkyklės, kad būtų galima valdyti ritės ir tiglio judesius; jis yra prijungtas prie temperatūros reguliatoriaus ir srauto reguliatoriaus per standartinį MobusRTU, kad būtų galima realiuoju laiku valdyti temperatūrą, slėgį ir specialaus proceso dujų srautą. Jis užmezga ryšį su konfigūravimo programine įranga per Ethernet, keičiasi sistemos informacija realiuoju laiku ir pagrindiniame kompiuteryje rodo įvairią proceso parametrų informaciją. Operatoriai, proceso personalas ir vadovai keičiasi informacija su valdymo sistema per žmogaus ir mašinos sąsają.

Valdymo sistema atlieka visų lauko duomenų rinkimą, visų pavarų veikimo būsenos analizę ir loginį ryšį tarp mechanizmų. Programuojamas valdiklis gauna pagrindinio kompiuterio instrukcijas ir užbaigia kiekvienos sistemos pavaros valdymą. Automatinio proceso meniu vykdymą ir saugos strategiją vykdo programuojamas valdiklis. Programuojamo valdiklio stabilumas užtikrina proceso meniu veikimo stabilumą ir saugų patikimumą.

Viršutinė konfigūracija palaiko duomenų mainus su programuojamu valdikliu realiuoju laiku ir rodo lauko duomenis. Jame įrengtos valdymo sąsajos, tokios kaip šildymo valdymas, slėgio valdymas, dujų kontūro valdymas ir variklio valdymas, o sąsajoje galima keisti įvairių parametrų nustatymo reikšmes. Signalizacijos parametrų stebėjimas realiu laiku, ekrano pavojaus rodymas, laiko ir detalių aliarmo atsiradimo ir atkūrimo duomenų registravimas. Visų proceso duomenų, ekrano veikimo turinio ir veikimo laiko įrašymas realiuoju laiku. Įvairių proceso parametrų suliejimo valdymas realizuojamas per pagrindinį kodą programuojamo valdiklio viduje, ir galima realizuoti ne daugiau kaip 100 proceso žingsnių. Kiekvienas etapas apima daugiau nei tuziną proceso parametrų, tokių kaip proceso veikimo laikas, tikslinė galia, tikslinis slėgis, argono srautas, azoto srautas, vandenilio srautas, tiglio padėtis ir tiglio greitis.

3 Šiluminio lauko modeliavimo analizė

Sukurtas šiluminio lauko modeliavimo analizės modelis. 8 paveiksle yra temperatūros debesų žemėlapis tiglio augimo kameroje. Siekiant užtikrinti 4H-SiC vieno kristalo augimo temperatūros diapazoną, apskaičiuojama, kad sėklinio kristalo centro temperatūra yra 2200 ℃, o krašto temperatūra yra 2205,4 ℃. Šiuo metu tiglio viršaus centrinė temperatūra yra 2167,5 ℃, o aukščiausia miltelių srities temperatūra (puse žemyn) yra 2274,4 ℃, todėl susidaro ašinis temperatūros gradientas.

Radialinis kristalo gradiento pasiskirstymas parodytas 9 paveiksle. Žemesnis šoninis sėklinio kristalo paviršiaus temperatūros gradientas gali veiksmingai pagerinti kristalo augimo formą. Dabartinis apskaičiuotas pradinės temperatūros skirtumas yra 5,4 ℃, o bendra forma yra beveik plokščia ir šiek tiek išgaubta, o tai gali atitikti radialinio temperatūros reguliavimo tikslumo ir sėklinio kristalo paviršiaus vienodumo reikalavimus.

Temperatūros skirtumo tarp žaliavos paviršiaus ir sėklos kristalo paviršiaus kreivė parodyta 10 paveiksle. Medžiagos paviršiaus centro temperatūra yra 2210 ℃, o tarp medžiagos paviršiaus ir sėklos susidaro išilginis temperatūros gradientas 1 ℃/cm. kristalų paviršių, kuris yra protingame diapazone.

Apskaičiuotas augimo greitis parodytas 11 paveiksle. Per greitas augimo greitis gali padidinti defektų, tokių kaip polimorfizmas ir dislokacija, tikimybę. Dabartinis apskaičiuotas augimo greitis yra artimas 0,1 mm/h, o tai yra protingame diapazone.

Atlikus šiluminio lauko modeliavimo analizę ir skaičiavimą, nustatyta, kad sėklinio kristalo centro temperatūra ir krašto temperatūra atitinka 8 colių kristalo radialinį temperatūros gradientą. Tuo pačiu metu tiglio viršus ir apačia sudaro ašinį temperatūros gradientą, tinkamą kristalo ilgiui ir storiui. Dabartinis augimo sistemos šildymo būdas gali patenkinti 8 colių pavienių kristalų augimą.

4 Eksperimentinis testas

Naudojant šįsilicio karbido monokristalų auginimo krosnis, remiantis šiluminio lauko modeliavimo temperatūros gradientu, koreguojant tokius parametrus kaip tiglio viršutinė temperatūra, ertmės slėgis, tiglio sukimosi greitis ir santykinė viršutinės ir apatinės ritės padėtis, buvo atliktas silicio karbido kristalų augimo bandymas. , ir buvo gautas 8 colių silicio karbido kristalas (kaip parodyta 12 paveiksle).

5. Išvada

Buvo tiriamos pagrindinės 8 colių silicio karbido monokristalų auginimo technologijos, tokios kaip gradientinis terminis laukas, tiglio judėjimo mechanizmas ir automatinis proceso parametrų valdymas. Šilumos laukas tiglio augimo kameroje buvo modeliuojamas ir analizuojamas, kad būtų gautas idealus temperatūros gradientas. Po bandymo dvigubos ritės indukcinio šildymo metodas gali patenkinti didelių dydžių augimąsilicio karbido kristalai. Šios technologijos tyrimai ir plėtra suteikia įrangos technologiją, skirtą 8 colių karbido kristalams gauti, ir suteikia įrangos pagrindą silicio karbido industrializacijos perėjimui nuo 6 colių iki 8 colių, pagerinant silicio karbido medžiagų augimo efektyvumą ir sumažinant išlaidas.