8 hüvelykes szilícium-karbid egykristály növesztő kemence technológián alapul

A szilícium-karbid az egyik ideális anyag a magas hőmérsékletű, nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű és nagyfeszültségű készülékek készítéséhez. A termelés hatékonyságának javítása és a költségek csökkentése érdekében fontos fejlesztési irány a nagyméretű szilícium-karbid hordozók előkészítése. Célja a folyamat követelményeinek8 hüvelykes szilícium-karbid (SIC) egykristály növekedéselemezték a szilícium-karbid fizikai gőztranszport (PVT) módszer növekedési mechanizmusát, a fűtési rendszert (TaC vezetőgyűrű, TaC bevonatos tégely,TaC bevonatú gyűrűk, TaC bevonatú lemez, TaC bevonatú háromszirom gyűrű, TaC bevonatú háromszirom tégely, TaC bevonatú tartó, porózus grafit, puha filc, merev filc SiC bevonatú kristálynövekedési szuszceptor és egyébSiC Single Crystal Growth Process alkatrészeka VeTek Semiconductor biztosítja), a szilícium-karbid egykristály növesztő kemence tégelyforgatási és folyamatparaméter-szabályozási technológiáját tanulmányozták, és termikus térszimulációs analízissel és folyamatkísérletekkel sikeresen állítottak elő és termesztettek 8 hüvelykes kristályokat.

0 Bevezetés

A szilícium-karbid (SiC) a harmadik generációs félvezető anyagok tipikus képviselője. Olyan teljesítménybeli előnyökkel rendelkezik, mint például a nagyobb sávszélesség, nagyobb áttörési elektromos mező és nagyobb hővezető képesség. Magas hőmérsékletű, nagynyomású és nagyfrekvenciás mezőben is jól teljesít, a félvezető anyagtechnológia egyik fő fejlesztési irányává vált. Alkalmazási igényeinek széles skálája van az új energetikai járművekben, a fotovoltaikus energiatermelésben, a vasúti közlekedésben, az intelligens hálózatban, az 5G kommunikációban, a műholdakban, radarokban és más területeken. Jelenleg a szilícium-karbid kristályok ipari növekedése főként fizikai gőzszállítást (PVT) használ, amely többfázisú, többkomponensű, többszörös hő- és tömegtranszfer, valamint mágneses-elektromos hőáramlási kölcsönhatás összetett, több fizikai tércsatolási problémáival jár. Emiatt a PVT növekedési rendszer tervezése nehézkes, a folyamatparaméterek mérése és ellenőrzése pedig akristálynövekedési folyamatnehéz, ami a kifejlett szilícium-karbid kristályok minőségi hibáinak és a kis kristályméretnek a szabályozását okozza, így a szilícium-karbidot szubsztrátumként használó eszközök költsége magas marad.

A szilícium-karbid gyártó berendezések a szilícium-karbid technológia és az ipari fejlődés alapját képezik. A szilícium-karbid egykristályos növesztőkemencék műszaki színvonala, feldolgozási képessége és független garanciája a kulcsa a szilícium-karbid anyagok fejlesztésének a nagy méret és a nagy hozam irányába, és ezek a fő tényezők, amelyek a harmadik generációs félvezetőipart arra ösztönzik. az alacsony költségű és nagyszabású irányába fejlődni. Jelenleg a nagyfeszültségű, nagy teljesítményű és nagyfrekvenciás szilícium-karbid készülékek fejlesztése jelentős előrehaladást ért el, de az eszközök gyártási hatékonysága és előkészítési költsége fontos, fejlesztésüket korlátozó tényezővé válik. A szilícium-karbid egykristályt hordozó félvezető eszközökben a hordozó értéke a legnagyobb, mintegy 50%-ot teszi ki. A kapcsolódó eszközök alkalmazása szempontjából kulcsfontosságú a nagyméretű, kiváló minőségű szilícium-karbid kristálynövesztő berendezések fejlesztése, a szilícium-karbid egykristály hordozók hozamának és növekedési ütemének javítása, valamint a gyártási költségek csökkentése. A termelési kapacitás kínálatának növelése és a szilícium-karbid eszközök átlagos költségének további csökkentése érdekében a szilícium-karbid hordozók méretének bővítése az egyik fontos módszer. Jelenleg a nemzetközi főáramú szilícium-karbid hordozó mérete 6 hüvelyk, és gyorsan 8 hüvelykre nőtt.

A 8 hüvelykes szilícium-karbid egykristály növesztő kemencék fejlesztése során a főbb megoldandó technológiák a következők: 1) Nagy méretű termikus térszerkezet tervezése kisebb radiális hőmérsékleti gradiens és nagyobb hosszirányú hőmérsékleti gradiens kialakítása érdekében, amely alkalmas a növekedésre. 8 hüvelykes szilícium-karbid kristályokból. 2) Nagy méretű tégely forgása és tekercsemelő és -süllyesztő mozgási mechanizmusa, hogy a tégely a kristálynövekedési folyamat során forogjon, és a tekercshez képest a folyamat követelményeinek megfelelően mozogjon, hogy biztosítsa a 8 hüvelykes kristály konzisztenciáját, és megkönnyítse a növekedést és vastagságot . 3) A folyamatparaméterek automatikus vezérlése dinamikus körülmények között, amelyek megfelelnek a kiváló minőségű egykristály-növekedési folyamat igényeinek.

1 PVT kristálynövekedési mechanizmus

A PVT módszer szerint szilícium-karbid egykristályokat állítanak elő úgy, hogy a SiC forrást egy hengeres sűrű grafittégely aljára helyezik, és a SiC oltókristályt a tégely fedelének közelében helyezik el. A tégelyt rádiófrekvenciás indukcióval vagy ellenállással 2 300-2 400 ℃-ra melegítik, és grafit filccel, ill.porózus grafit. A SiC forrásból a magkristályba szállított fő anyagok a Si, Si2C molekulák és a SiC2. Az oltókristály hőmérsékletét valamivel alacsonyabbra szabályozzuk, mint az alsó mikropornál, és a tégelyben axiális hőmérsékleti gradiens képződik. Amint az 1. ábrán látható, a szilícium-karbid mikropor magas hőmérsékleten szublimál, és különböző gázfázisú komponensekből álló reakciógázokat képez, amelyek a hőmérsékleti gradiens hatására alacsonyabb hőmérsékleten érik el az oltókristályt, és azon kikristályosodva hengeres formát képeznek. szilícium-karbid ingot.

A PVT növekedésének fő kémiai reakciói a következők:

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)

A SiC egykristályok PVT növekedésének jellemzői a következők:

1) Két gáz-szilárd interfész van: az egyik a gáz-SiC por interfész, a másik a gáz-kristály interfész.

2) A gázfázis kétféle anyagból áll: az egyik a rendszerbe bevitt inert molekulák; a másik a SimCn gázfázisú komponens, amely a bomlása és szublimációja során keletkezikSiC por. A SimCn gázfázisú komponensek kölcsönhatásba lépnek egymással, és az úgynevezett kristályos gázfázisú SimCn komponensek egy része, amely megfelel a kristályosítási folyamat követelményeinek, SiC kristálytá nő.

3) A szilárd szilícium-karbid porban szilárd fázisú reakciók mennek végbe olyan részecskék között, amelyek nem szublimálódnak, beleértve egyes részecskéket, amelyek szinterezéssel porózus kerámiatesteket képeznek, egyes részecskék kristályosodási reakciók révén bizonyos részecskeméretű és kristályos morfológiájú szemcséket képeznek, a szilícium-karbid részecskék, amelyek a nem sztöchiometrikus bomlás és szublimáció következtében szénben gazdag részecskévé vagy szénrészecskévé alakulnak át.

4) A kristálynövekedési folyamat során két fázisváltozás következik be: az egyik, hogy a szilárd szilícium-karbid por részecskék nem sztöchiometrikus lebontással és szublimációval SimCn gázfázisú komponensekké alakulnak, a másik pedig az, hogy a SimCn gázfázisú komponensek átalakulnak. kristályosodás révén rácsrészecskékké.

2 A berendezés kialakítása A 2. ábrán látható módon a szilícium-karbid egykristályos növesztő kemence főként a következőket tartalmazza: felső fedél szerelvény, kamraszerelvény, fűtőrendszer, tégely forgató mechanizmus, alsó fedél emelő mechanizmus és elektromos vezérlőrendszer.

2.1 Fűtési rendszer A 3. ábrán látható módon a fűtési rendszer indukciós fűtést alkalmaz, és egy indukciós tekercsből áll,grafittégely, egy szigetelő réteg (merev filc, puha filc) stb. Amikor a közepes frekvenciájú váltóáram áthalad a grafittégely külsejét körülvevő többfordulatú indukciós tekercsen, a grafittégelyben azonos frekvenciájú indukált mágneses tér jön létre, indukált elektromotoros erőt generálva. Mivel a nagy tisztaságú grafittégely anyagának jó vezetőképessége van, a tégely falán indukált áram keletkezik, amely örvényáramot képez. A Lorentz-erő hatására az indukált áram végül a tégely külső falán konvergál (azaz bőreffektus), és fokozatosan gyengül a sugárirány mentén. Az örvényáramok miatt a Joule-hő a tégely külső falán keletkezik, amely a növekedési rendszer fűtési forrásává válik. A Joule-hő mérete és eloszlása ​​közvetlenül meghatározza a tégely hőmérsékleti mezőjét, ami viszont befolyásolja a kristály növekedését.

A 4. ábrán látható módon az indukciós tekercs a fűtési rendszer kulcsfontosságú része. Két független tekercsszerkezetet alkalmaz, és fel van szerelve felső és alsó precíziós mozgási mechanizmusokkal. A teljes fűtési rendszer elektromos hőveszteségének nagy részét a hőcserélő viseli, kényszerhűtést kell végezni. A tekercs rézcsővel van feltekerve, és a belsejében vízzel hűtik. Az indukált áram frekvenciatartománya 8-12 kHz. Az indukciós melegítés frekvenciája határozza meg az elektromágneses tér behatolási mélységét a grafittégelyben. A tekercsmozgató mechanizmus motoros csavarpáros mechanizmust használ. Az indukciós tekercs együttműködik az indukciós tápegységgel, hogy felmelegítse a belső grafittégelyt a por szublimációja érdekében. Ugyanakkor a két tekercskészlet teljesítményét és egymáshoz viszonyított helyzetét úgy szabályozzák, hogy az oltókristály hőmérséklete alacsonyabb legyen, mint az alsó mikropornál, ami tengelyirányú hőmérsékleti gradienst képez a magkristály és a por között. tégely, és ésszerű radiális hőmérsékleti gradienst képez a szilícium-karbid kristályon.

2.2 A tégely forgási mechanizmusa A nagy méretűek növekedése soránszilícium-karbid egykristályok, az üreg vákuumkörnyezetében lévő tégely a folyamat követelményeinek megfelelően forog, és a gradiens termikus mezőt és az üregben lévő alacsony nyomású állapotot stabilan kell tartani. Amint az 5. ábrán látható, egy motoros hajtóműpárt használnak a tégely stabil forgásának eléréséhez. A forgó tengely dinamikus tömítése érdekében mágneses folyadéktömítő szerkezetet használnak. A mágneses folyadéktömítés egy forgó mágneses mező áramkört használ, amely a mágnes, a mágneses pólussaru és a mágneses hüvely között van kialakítva, hogy szilárdan adszorbeálja a mágneses folyadékot a pólussaru hegye és a hüvely között, hogy O-gyűrűszerű folyadékgyűrűt képezzen, teljesen blokkolva. a rés a tömítés céljának eléréséhez. Amikor a forgó mozgást a légkörből a vákuumkamrába továbbítják, a folyékony O-gyűrűs dinamikus tömítőeszközt használják a könnyű kopás és a szilárd tömítés alacsony élettartamának hátrányainak leküzdésére, és a folyékony mágneses folyadék kitöltheti a teljes lezárt teret, ezáltal blokkolja az összes csatornát, amelyből levegő szivároghat, és nulla szivárgás érhető el a tégely mozgásának és leállításának két folyamatában. A mágneses folyadék és a tégelytartó vízhűtő szerkezetet vesz fel, hogy biztosítsa a mágneses folyadék és a tégelytámasz magas hőmérsékleten való alkalmazhatóságát, és elérje a termikus tér állapotának stabilitását.

2.3 Alsó fedél emelőszerkezet

Az alsó fedél emelőszerkezete egy hajtómotorból, egy golyóscsavarból, egy lineáris vezetőből, egy emelőkonzolból, egy kemencefedélből és egy kemencefedél konzolból áll. A motor a csavarvezető párhoz csatlakoztatott kemencefedél konzolját egy szűkítőn keresztül hajtja meg, hogy megvalósítsa az alsó fedél fel-le mozgását.

Az alsó fedél emelő mechanizmusa megkönnyíti a nagyméretű tégelyek elhelyezését és eltávolítását, és ami még fontosabb, biztosítja az alsó kemencefedél tömítési megbízhatóságát. A teljes folyamat során a kamrában vannak nyomásváltozási szakaszok, például vákuum, nagy nyomás és alacsony nyomás. Az alsó fedél összenyomott és tömített állapota közvetlenül befolyásolja a folyamat megbízhatóságát. Ha a tömítés magas hőmérsékleten meghibásodik, az egész folyamatot le kell selejtezni. A motor szervo vezérlő és határoló eszközön keresztül az alsó fedélszerelvény és a kamra tömítettségét szabályozzák a kemencekamra tömítőgyűrűjének legjobb összenyomási és tömítési állapota érdekében, hogy biztosítsák a folyamat nyomásának stabilitását, amint az a 6. ábrán látható. .

2.4 Elektromos vezérlőrendszer A szilícium-karbid kristályok növekedése során az elektromos vezérlőrendszernek pontosan szabályoznia kell a különböző folyamatparamétereket, elsősorban a tekercs helyzetének magasságát, a tégely forgási sebességét, a fűtési teljesítményt és hőmérsékletet, a különböző speciális gázbemeneti áramlást és a az arányos szelep.

A 7. ábrán látható módon a vezérlőrendszer egy programozható vezérlőt használ szerverként, amely a buszon keresztül csatlakozik a szervo meghajtóhoz, hogy megvalósítsa a tekercs és a tégely mozgásvezérlését; a szabványos MobusRTU-n keresztül csatlakozik a hőmérséklet-szabályozóhoz és az áramlásszabályozóhoz, hogy valós idejű hőmérséklet-, nyomás- és speciális gázáram-szabályozást valósítson meg. Etherneten keresztül kommunikációt létesít a konfigurációs szoftverrel, valós időben cseréli a rendszerinformációkat, és különféle folyamatparaméter-információkat jelenít meg a gazdaszámítógépen. Az üzemeltetők, a feldolgozó személyzet és a vezetők az ember-gép interfészen keresztül információt cserélnek a vezérlőrendszerrel.

A vezérlőrendszer elvégzi az összes terepi adatgyűjtést, az összes hajtómű működési állapotának elemzését és a mechanizmusok közötti logikai kapcsolatot. A programozható vezérlő fogadja a gazdaszámítógép utasításait, és befejezi a rendszer egyes működtetőinek vezérlését. Az automatikus folyamatmenü végrehajtását és biztonsági stratégiáját a programozható vezérlő hajtja végre. A programozható vezérlő stabilitása biztosítja a folyamatmenü működésének stabilitását és biztonsági megbízhatóságát.

A felső konfiguráció valós időben tartja fenn az adatcserét a programozható vezérlővel, és megjeleníti a terepi adatokat. Fel van szerelve olyan kezelőfelületekkel, mint a fűtésszabályozás, nyomásszabályozás, gázkör vezérlés és motorvezérlés, valamint a különböző paraméterek beállítási értékei módosíthatók az interfészen. A riasztási paraméterek valós idejű monitorozása, képernyő riasztás megjelenítése, a riasztás előfordulásának és helyreállításának időpontjának és részletes adatainak rögzítése. Valós idejű rögzítés az összes folyamatadatról, a képernyő működési tartalmáról és a működési időről. A különböző folyamatparaméterek fúziós vezérlése a programozható vezérlőben lévő mögöttes kódon keresztül valósul meg, és maximum 100 lépésnyi folyamat valósítható meg. Minden lépés több mint egy tucat folyamatparamétert tartalmaz, például a folyamat működési idejét, célteljesítményét, célnyomását, argonáramlását, nitrogénáramát, hidrogénáramlását, a tégely helyzetét és a tégely sebességét.

3 Termikus tér szimulációs elemzés

A termikus tér szimulációs elemzési modell elkészítése. A 8. ábra a hőmérséklet-felhőtérkép a tégelytenyésztő kamrában. A 4H-SiC egykristály növekedési hőmérséklet-tartományának biztosítása érdekében a magkristály középhőmérséklete 2200 ℃, a széle pedig 2205,4 ℃. Ekkor a tégely tetejének középső hőmérséklete 2167,5 ℃, és a por területének legmagasabb hőmérséklete (oldallal lefelé) 2274,4 ℃, ami axiális hőmérsékleti gradienst képez.

A kristály sugárirányú gradiens eloszlását a 9. ábra mutatja. Az oltókristály felületének alacsonyabb laterális hőmérsékleti gradiense hatékonyan javíthatja a kristálynövekedés alakját. Az aktuálisan számított kezdeti hőmérséklet-különbség 5,4 ℃, és a teljes forma majdnem lapos és enyhén domború, ami megfelel a sugárirányú hőmérséklet-szabályozás pontossági és egyenletességi követelményeinek a magkristály felületére.

A nyersanyag felülete és a magkristály felülete közötti hőmérséklet-különbség görbe a 10. ábrán látható. Az anyagfelület középhőmérséklete 2210 ℃, az anyag felülete és a mag között 1 ℃/cm hosszirányú hőmérsékleti gradiens alakul ki. kristályfelület, ami ésszerű tartományon belül van.

A becsült növekedési sebesség a 11. ábrán látható. A túl gyors növekedési sebesség növelheti a hibák, például a polimorfizmus és a diszlokáció valószínűségét. A jelenlegi becsült növekedési ütem közel 0,1 mm/h, ami ésszerű tartományon belül van.

A termikus tér szimulációs elemzése és számítása során kiderült, hogy a magkristály középhőmérséklete és széli hőmérséklete megfelel a kristály 8 hüvelykes radiális hőmérsékleti gradiensének. Ugyanakkor a tégely teteje és alja a kristály hosszának és vastagságának megfelelő axiális hőmérsékleti gradienst alkot. A tenyésztési rendszer jelenlegi fűtési módja kielégíti a 8 hüvelykes egykristályok növekedését.

4 Kísérleti teszt

Ezt használvaszilícium-karbid egykristály növesztő kemence, a termikus tér szimuláció hőmérsékleti gradiense alapján, az olyan paraméterek beállításával, mint a tégely felső hőmérséklete, az üreg nyomása, a tégely forgási sebessége, valamint a felső és alsó tekercs egymáshoz viszonyított helyzete, szilícium-karbid kristálynövekedési tesztet végeztünk. , és egy 8 hüvelykes szilícium-karbid kristályt kaptunk (a 12. ábrán látható módon).

5 Következtetés

Tanulmányozták a 8 hüvelykes szilícium-karbid egykristályok növekedésének kulcsfontosságú technológiáit, mint például a gradiens hőtér, a tégely mozgási mechanizmusa és a folyamatparaméterek automatikus szabályozása. Az ideális hőmérsékleti gradiens elérése érdekében a tégely növekedési kamrájában a termikus mezőt szimulálták és elemezték. A tesztelés után a dupla tekercses indukciós fűtési módszer megfelel a nagy méretű növekedésnekszilícium-karbid kristályok. Ennek a technológiának a kutatása és fejlesztése berendezéstechnológiát biztosít a 8 hüvelykes karbid kristályok előállításához, és biztosítja a berendezések alapot a szilícium-karbid iparosításának 6 hüvelykről 8 hüvelykre való átmenetéhez, javítva a szilícium-karbid anyagok növekedési hatékonyságát és csökkentve a költségeket.