Založeno na 8palcové technologii pěstování monokrystalů z karbidu křemíku

Karbid křemíku je jedním z ideálních materiálů pro výrobu vysokoteplotních, vysokofrekvenčních, vysoce výkonných a vysokonapěťových zařízení. Pro zlepšení efektivity výroby a snížení nákladů je příprava velkorozměrových substrátů z karbidu křemíku důležitým směrem vývoje. Zaměření na procesní požadavky8palcový růst monokrystalu karbidu křemíku (SIC).byl analyzován růstový mechanismus metody fyzikálního transportu par karbidu křemíku (PVT), systém ohřevu (vodicí kroužek TaC, kelímek s povlakem TaC,Kroužky potažené TaC, TaC potažená deska, TaC potažený třílistý kroužek, TaC potažený tříokvětní kelímek, TaC potažený držák, porézní grafit, měkká plsť, tuhá plsť SiC potažený krystalový růstový susceptor a dalšíNáhradní díly pro proces růstu SiC Single Crystaljsou poskytovány společností VeTek Semiconductor ), byla studována technologie rotace kelímku a řízení parametrů procesu růstové pece monokrystalu karbidu křemíku a 8palcové krystaly byly úspěšně připraveny a pěstovány pomocí analýzy simulace tepelného pole a procesních experimentů.

0 Úvod

Karbid křemíku (SiC) je typickým představitelem polovodičových materiálů třetí generace. Má výkonnostní výhody, jako je větší šířka bandgap, vyšší průrazné elektrické pole a vyšší tepelná vodivost. Funguje dobře ve vysokoteplotních, vysokotlakých a vysokofrekvenčních polích a stal se jedním z hlavních směrů vývoje v oblasti technologie polovodičových materiálů. Má širokou škálu aplikací v nových energetických vozidlech, výrobě fotovoltaické energie, železniční dopravě, inteligentní síti, 5G komunikaci, satelitech, radarech a dalších oblastech. V současné době průmyslový růst krystalů karbidu křemíku využívá hlavně fyzikální transport páry (PVT), který zahrnuje komplexní problémy s multifyzikálním polem, jako jsou vícefázové, vícesložkové, vícenásobné přenosy tepla a hmoty a interakce magneto-elektrického tepelného toku. Proto je návrh systému růstu PVT obtížný a měření a řízení procesních parametrů v průběhuproces růstu krystalůje obtížné, což vede k potížím při kontrole kvalitativních defektů narostlých krystalů karbidu křemíku a malé velikosti krystalů, takže náklady na zařízení s karbidem křemíku jako substrátem zůstávají vysoké.

Zařízení na výrobu karbidu křemíku je základem technologie karbidu křemíku a průmyslového rozvoje. Technická úroveň, procesní způsobilost a nezávislá záruka monokrystalické růstové pece karbidu křemíku jsou klíčem k vývoji materiálů karbidu křemíku ve směru velkých rozměrů a vysokého výtěžku a jsou také hlavními faktory, které vedou polovodičový průmysl třetí generace k rozvíjet směrem k nízkým nákladům a ve velkém měřítku. V současné době vývoj vysokonapěťových, výkonových a vysokofrekvenčních zařízení z karbidu křemíku výrazně pokročil, ale efektivnost výroby a přípravné náklady zařízení se stanou důležitým faktorem omezujícím jejich vývoj. U polovodičových součástek s monokrystalem karbidu křemíku jako substrátem představuje hodnota substrátu největší podíl, asi 50 %. Vývoj velkorozměrového vysoce kvalitního zařízení pro růst krystalů karbidu křemíku, zlepšení výtěžku a rychlosti růstu monokrystalických substrátů karbidu křemíku a snížení výrobních nákladů má klíčový význam pro aplikaci souvisejících zařízení. Za účelem zvýšení nabídky výrobní kapacity a dalšího snížení průměrných nákladů na zařízení z karbidu křemíku je rozšíření velikosti substrátů z karbidu křemíku jedním z důležitých způsobů. V současné době je mezinárodní mainstreamová velikost substrátu z karbidu křemíku 6 palců a rychle se rozšiřuje na 8 palců.

Mezi hlavní technologie, které je třeba vyřešit při vývoji 8palcových monokrystalických růstových pecí karbidu křemíku, patří: 1) Návrh velkorozměrové struktury tepelného pole pro získání menšího radiálního teplotního gradientu a většího podélného teplotního gradientu vhodného pro růst 8palcových krystalů karbidu křemíku. 2) Velký rotační kelímek a mechanismus pohybu zvedání a spouštění cívky, takže kelímek se během procesu růstu krystalu otáčí a pohybuje se vzhledem k cívce podle požadavků procesu, aby byla zajištěna konzistence 8palcového krystalu a usnadněn růst a tloušťka . 3) Automatické řízení parametrů procesu za dynamických podmínek, které splňují potřeby vysoce kvalitního procesu růstu monokrystalů.

1 Mechanismus růstu krystalů PVT

Metoda PVT spočívá v přípravě monokrystalů karbidu křemíku umístěním zdroje SiC na dno cylindrického kelímku z hustého grafitu a očkovací krystal SiC se umístí do blízkosti krytu kelímku. Kelímek se zahřeje na 2 300 ~ 2 400 ℃ pomocí vysokofrekvenční indukce nebo odporu a je izolován grafitovou plstí neboporézní grafit. Hlavními látkami transportovanými ze zdroje SiC do zárodečného krystalu jsou Si, Si2C molekuly a SiC2. Teplota očkovacího krystalu je řízena tak, aby byla o něco nižší než teplota u spodního mikroprášku, a v kelímku se vytváří axiální teplotní gradient. Jak je znázorněno na obrázku 1, mikroprášek karbidu křemíku sublimuje při vysoké teplotě za vzniku reakčních plynů různých složek plynné fáze, které se dostávají k zárodečnému krystalu s nižší teplotou pod vlivem teplotního gradientu a krystalizují na něm za vzniku válcovitého ingot karbidu křemíku.

Hlavní chemické reakce růstu PVT jsou:

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)

Charakteristiky růstu PVT monokrystalů SiC jsou:

1) Existují dvě rozhraní plyn-pevná látka: jedno je rozhraní plyn-SiC prášek a druhé je rozhraní plyn-krystal.

2) Plynná fáze se skládá ze dvou typů látek: jednou jsou inertní molekuly zaváděné do systému; druhá je složka v plynné fázi SimCn produkovaná rozkladem a sublimacíSiC prášek. Komponenty v plynné fázi SimCn se vzájemně ovlivňují a část tzv. krystalických komponent v plynné fázi SimCn, které splňují požadavky krystalizačního procesu, vyroste do krystalu SiC.

3) V pevném prášku karbidu křemíku dojde k reakcím v pevné fázi mezi částicemi, které nesublimovaly, včetně některých částic tvořících porézní keramická tělesa prostřednictvím slinování, některých částic tvořících zrna s určitou velikostí částic a krystalografickou morfologií prostřednictvím krystalizačních reakcí a některými částice karbidu křemíku přeměňující se na částice bohaté na uhlík nebo částice uhlíku v důsledku nestechiometrického rozkladu a sublimace.

4) Během procesu růstu krystalů dojde ke dvěma fázovým změnám: jednou je, že se pevné částice prášku karbidu křemíku přemění na složky v plynné fázi SimCn prostřednictvím nestechiometrického rozkladu a sublimace, a druhá je, že se složky v plynné fázi SimCn přemění. krystalizací na částice mřížky.

2 Konstrukce zařízení Jak je znázorněno na obrázku 2, růstová pec monokrystalu karbidu křemíku obsahuje hlavně: sestavu horního krytu, sestavu komory, systém ohřevu, mechanismus otáčení kelímku, mechanismus pro zvedání spodního krytu a elektrický řídicí systém.

2.1 Topný systém Jak je znázorněno na obrázku 3, topný systém využívá indukční ohřev a skládá se z indukční cívky,grafitový kelímek, izolační vrstva (tuhá plsť, měkká plsť), atd. Když středofrekvenční střídavý proud prochází víceotáčkovou indukční cívkou obklopující vnější stranu grafitového kelímku, vytvoří se v grafitovém kelímku indukované magnetické pole stejné frekvence, které generuje indukovanou elektromotorickou sílu. Protože vysoce čistý grafitový materiál kelímku má dobrou vodivost, je na stěně kelímku generován indukovaný proud, který vytváří vířivý proud. Působením Lorentzovy síly se indukovaný proud nakonec sblíží na vnější stěně kelímku (tj. kožní efekt) a postupně slábne v radiálním směru. V důsledku existence vířivých proudů se na vnější stěně kelímku vytváří Jouleovo teplo, které se stává zdrojem ohřevu růstového systému. Velikost a distribuce Jouleova tepla přímo určují teplotní pole v kelímku, což zase ovlivňuje růst krystalu.

Jak je znázorněno na obrázku 4, indukční cívka je klíčovou součástí topného systému. Přijímá dvě sady nezávislých struktur cívky a je vybaven horním a spodním přesným pohybovým mechanismem. Většinu elektrických tepelných ztrát celého topného systému nese spirála a je nutné provést nucené chlazení. Cívka je navinutá měděnou trubičkou a uvnitř chlazena vodou. Frekvenční rozsah indukovaného proudu je 8~12 kHz. Frekvence indukčního ohřevu určuje hloubku průniku elektromagnetického pole do grafitového kelímku. Mechanismus pohybu cívky využívá motorem poháněný mechanismus páru šroubů. Indukční cívka spolupracuje s indukčním zdrojem energie na zahřívání vnitřního grafitového kelímku pro dosažení sublimace prášku. Současně je výkon a vzájemná poloha dvou sad cívek řízena tak, aby byla teplota na zárodečném krystalu nižší než na spodním mikroprášku, čímž se vytvoří axiální teplotní gradient mezi zárodečným krystalem a práškem v kelímku a vytvoření přiměřeného radiálního teplotního gradientu na krystalu karbidu křemíku.

2.2 Rotační mechanismus kelímku Během růstu velkých rozměrůmonokrystaly karbidu křemíkukelímek ve vakuovém prostředí dutiny je udržován v rotaci podle požadavků procesu a gradientové tepelné pole a nízkotlaký stav v dutině musí být udržovány stabilní. Jak je znázorněno na obrázku 5, k dosažení stabilní rotace kelímku se používá motorem poháněný pár ozubených kol. K dosažení dynamického utěsnění rotačního hřídele se používá magnetická kapalinová těsnící struktura. Těsnění s magnetickou kapalinou využívá obvod rotujícího magnetického pole vytvořený mezi magnetem, magnetickým pólovým nástavcem a magnetickou objímkou ​​k pevné adsorbování magnetické kapaliny mezi špičkou pólového nástavce a objímkou ​​k vytvoření tekutého kroužku podobného O-kroužku, který zcela blokuje mezeru k dosažení účelu těsnění. Když je rotační pohyb přenášen z atmosféry do vakuové komory, používá se dynamické těsnicí zařízení s tekutým O-kroužkem k překonání nevýhod snadného opotřebení a nízké životnosti v pevném těsnění a tekutá magnetická tekutina může vyplnit celý utěsněný prostor, čímž se zablokují všechny kanály, které mohou unikat vzduch, a dosáhne se nulového úniku ve dvou procesech pohybu a zastavení kelímku. Magnetická tekutina a podpěra kelímku mají strukturu chlazení vodou, aby byla zajištěna vysokoteplotní použitelnost magnetické tekutiny a podpěry kelímku a dosáhlo se stability stavu tepelného pole.

2.3 Mechanismus zvedání spodního krytu

Mechanismus zvedání spodního krytu se skládá z hnacího motoru, kuličkového šroubu, lineárního vedení, zvedací konzoly, krytu pece a konzoly krytu pece. Motor pohání konzolu krytu pece připojenou k páru vodicích šroubů přes redukci, aby se realizoval pohyb spodního krytu nahoru a dolů.

Mechanismus zvedání spodního krytu usnadňuje umístění a vyjímání kelímků velkých rozměrů, a co je důležitější, zajišťuje spolehlivost utěsnění spodního krytu pece. Během celého procesu má komora stupně změny tlaku, jako je vakuum, vysoký tlak a nízký tlak. Stav stlačení a těsnění spodního krytu přímo ovlivňuje spolehlivost procesu. Jakmile těsnění pod vysokou teplotou selže, celý proces bude sešrotován. Prostřednictvím servořízení motoru a omezovacího zařízení je řízena těsnost sestavy spodního krytu a komory, aby se dosáhlo nejlepšího stavu stlačení a utěsnění těsnicího kroužku komory pece, aby byla zajištěna stabilita procesního tlaku, jak je znázorněno na obrázku 6 .

2.4 Elektrický řídicí systém Během růstu krystalů karbidu křemíku musí elektrický řídicí systém přesně řídit různé parametry procesu, zejména včetně výšky polohy cívky, rychlosti otáčení kelímku, topného výkonu a teploty, různého průtoku speciálního plynu a otevření proporcionálního ventilu.

Jak je znázorněno na obrázku 7, řídicí systém používá programovatelný ovladač jako server, který je připojen k servopohonu přes sběrnici pro realizaci řízení pohybu cívky a kelímku; je připojen k regulátoru teploty a regulátoru průtoku přes standardní MobusRTU, aby bylo možné v reálném čase ovládat teplotu, tlak a průtok speciálního procesního plynu. Navazuje komunikaci s konfiguračním softwarem přes Ethernet, vyměňuje si systémové informace v reálném čase a zobrazuje různé informace o parametrech procesu na hostitelském počítači. Operátoři, pracovníci procesu a manažeři si vyměňují informace s řídicím systémem prostřednictvím rozhraní člověk-stroj.

Řídicí systém provádí sběr veškerých terénních dat, analýzu provozního stavu všech akčních členů a logických vztahů mezi mechanismy. Programovatelný ovladač přijímá pokyny hostitelského počítače a dokončuje řízení každého aktuátoru systému. Provádění a bezpečnostní strategie nabídky automatického procesu jsou všechny prováděny programovatelným ovladačem. Stabilita programovatelného regulátoru zajišťuje stabilitu a bezpečnost provozu procesního menu.

Horní konfigurace udržuje výměnu dat s programovatelným automatem v reálném čase a zobrazuje data z pole. Je vybaven provozními rozhraními, jako je ovládání topení, ovládání tlaku, ovládání plynového okruhu a ovládání motoru a na rozhraní lze upravovat hodnoty nastavení různých parametrů. Monitorování parametrů alarmu v reálném čase, poskytování zobrazení alarmu na obrazovce, záznam času a podrobných údajů o výskytu a obnovení alarmu. Záznam všech procesních dat, obsahu obrazovky a provozní doby v reálném čase. Řízení fúze různých parametrů procesu je realizováno pomocí základního kódu uvnitř programovatelného řídicího systému a lze realizovat maximálně 100 kroků procesu. Každý krok zahrnuje více než tucet procesních parametrů, jako je provozní doba procesu, cílový výkon, cílový tlak, průtok argonu, průtok dusíku, průtok vodíku, poloha kelímku a rychlost kelímku.

3 Analýza simulace tepelného pole

Je vytvořen model simulační analýzy tepelného pole. Obrázek 8 je mapa teplotního mraku v růstové komoře kelímku. Aby byl zajištěn teplotní rozsah růstu monokrystalu 4H-SiC, je střední teplota zárodečného krystalu vypočtena na 2200 ℃ a teplota okraje je 2205,4 ℃. V tomto okamžiku je střední teplota vršku kelímku 2167,5 °C a nejvyšší teplota oblasti prášku (stranou dolů) je 2274,4 °C, což tvoří axiální teplotní gradient.

Distribuce radiálního gradientu krystalu je znázorněna na obrázku 9. Nižší laterální teplotní gradient povrchu zárodečného krystalu může účinně zlepšit tvar růstu krystalu. Aktuální vypočítaný počáteční teplotní rozdíl je 5,4 ℃ a celkový tvar je téměř plochý a mírně konvexní, což může splňovat požadavky na přesnost a rovnoměrnost radiální regulace teploty povrchu zárodečného krystalu.

Křivka teplotního rozdílu mezi povrchem suroviny a povrchem zárodečných krystalů je znázorněna na obrázku 10. Středová teplota povrchu materiálu je 2210 ℃ a mezi povrchem materiálu a osivem se vytváří podélný teplotní gradient 1 ℃/cm krystalový povrch, který je v rozumném rozsahu.

Odhadovaná rychlost růstu je znázorněna na obrázku 11. Příliš rychlá rychlost růstu může zvýšit pravděpodobnost defektů, jako je polymorfismus a dislokace. Současná odhadovaná rychlost růstu se blíží 0,1 mm/h, což je v rozumném rozmezí.

Prostřednictvím analýzy a výpočtu simulace tepelného pole bylo zjištěno, že střední teplota a teplota okraje zárodečného krystalu splňují radiální teplotní gradient krystalu 8 palců. Zároveň horní a spodní část kelímku tvoří axiální teplotní gradient vhodný pro délku a tloušťku krystalu. Současný způsob ohřevu růstového systému dokáže vyhovět růstu 8palcových monokrystalů.

4 Experimentální test

Pomocí tohotomonokrystalická růstová pec z karbidu křemíku, na základě teplotního gradientu simulace tepelného pole, úpravou parametrů, jako je horní teplota kelímku, tlak v dutině, rychlost otáčení kelímku a vzájemná poloha horní a spodní cívky, byl proveden test růstu krystalů karbidu křemíku a získal se 8palcový krystal karbidu křemíku (jak je znázorněno na obrázku 12).

5 Závěr

Byly studovány klíčové technologie pro růst 8palcových monokrystalů karbidu křemíku, jako je gradientní tepelné pole, mechanismus pohybu kelímku a automatické řízení parametrů procesu. Tepelné pole v růstové komoře kelímku bylo simulováno a analyzováno pro získání ideálního teplotního gradientu. Po testování může metoda indukčního ohřevu s dvojitou cívkou splnit růst velkých rozměrůkrystaly karbidu křemíku. Výzkum a vývoj této technologie poskytuje technologii zařízení pro získávání 8palcových karbidových krystalů a poskytuje základ zařízení pro přechod industrializace karbidu křemíku z 6 palců na 8 palců, zlepšuje efektivitu růstu materiálů karbidu křemíku a snižuje náklady.