Berdasarkan teknologi relau pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8 inci

Silikon karbida adalah salah satu bahan yang sesuai untuk membuat peranti bersuhu tinggi, frekuensi tinggi, berkuasa tinggi dan voltan tinggi. Untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran dan mengurangkan kos, penyediaan substrat silikon karbida bersaiz besar adalah arah pembangunan yang penting. Bermatlamat kepada keperluan proses bagiPertumbuhan kristal tunggal silikon karbida(SIC) 8 inci, mekanisme pertumbuhan kaedah pengangkutan wap fizikal(PVT) silikon karbida telah dianalisis, sistem pemanasan(Cincin Panduan TaC, TaC Coated Crucible,Cincin Bersalut TaC, Plat Bersalut TaC, Cincin Tiga Kelopak Bersalut TaC, Pisau Tiga Kelopak Bersalut TaC, Pemegang Bersalut TaC, Grafit Berliang, Felt Lembut, Suseptor Pertumbuhan Kristal Bersalut SiC Felt Tegar dan lain-lainAlat Ganti Proses Pertumbuhan Kristal Tunggal SiCdisediakan oleh VeTek Semiconductor ), putaran pijar dan teknologi kawalan parameter proses relau pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida telah dikaji, dan kristal 8-inci berjaya disediakan dan ditanam melalui analisis simulasi medan haba dan eksperimen proses.

0 Pengenalan

Silikon karbida (SiC) ialah wakil tipikal bahan semikonduktor generasi ketiga. Ia mempunyai kelebihan prestasi seperti lebar celah jalur yang lebih besar, medan elektrik pecahan yang lebih tinggi dan kekonduksian terma yang lebih tinggi. Ia berfungsi dengan baik dalam suhu tinggi, tekanan tinggi dan medan frekuensi tinggi, dan telah menjadi salah satu hala tuju pembangunan utama dalam bidang teknologi bahan semikonduktor. Ia mempunyai pelbagai keperluan aplikasi dalam kenderaan tenaga baharu, penjanaan kuasa fotovoltaik, pengangkutan rel, grid pintar, komunikasi 5G, satelit, radar dan bidang lain. Pada masa ini, pertumbuhan perindustrian kristal silikon karbida terutamanya menggunakan pengangkutan wap fizikal (PVT), yang melibatkan masalah gandingan medan berbilang fizikal yang kompleks bagi pelbagai fasa, berbilang komponen, pemindahan haba dan jisim berbilang dan interaksi aliran haba magneto-elektrik. Oleh itu, reka bentuk sistem pertumbuhan PVT adalah sukar, dan parameter proses pengukuran dan kawalan semasaproses pertumbuhan kristaladalah sukar, mengakibatkan kesukaran dalam mengawal kecacatan kualiti hablur silikon karbida yang tumbuh dan saiz kristal yang kecil, supaya kos peranti dengan silikon karbida sebagai substrat kekal tinggi.

Peralatan pembuatan karbida silikon adalah asas kepada teknologi karbida silikon dan pembangunan perindustrian. Tahap teknikal, keupayaan proses dan jaminan bebas relau pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida adalah kunci kepada pembangunan bahan silikon karbida ke arah saiz besar dan hasil yang tinggi, dan juga merupakan faktor utama yang mendorong industri semikonduktor generasi ketiga untuk berkembang ke arah kos rendah dan berskala besar. Pada masa ini, pembangunan peranti karbida silikon voltan tinggi, berkuasa tinggi dan frekuensi tinggi telah mencapai kemajuan yang ketara, tetapi kecekapan pengeluaran dan kos penyediaan peranti akan menjadi faktor penting yang menyekat pembangunan mereka. Dalam peranti semikonduktor dengan kristal tunggal silikon karbida sebagai substrat, nilai substrat menyumbang bahagian terbesar, kira-kira 50%. Pembangunan peralatan pertumbuhan kristal silikon karbida berkualiti tinggi bersaiz besar, meningkatkan hasil dan kadar pertumbuhan substrat kristal tunggal silikon karbida, dan mengurangkan kos pengeluaran adalah penting kepada penggunaan peranti berkaitan. Untuk meningkatkan bekalan kapasiti pengeluaran dan seterusnya mengurangkan kos purata peranti silikon karbida, mengembangkan saiz substrat silikon karbida adalah salah satu cara yang penting. Pada masa ini, saiz substrat silikon karbida arus perdana antarabangsa ialah 6 inci, dan ia telah berkembang pesat kepada 8 inci.

Teknologi utama yang perlu diselesaikan dalam pembangunan relau pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8 inci termasuk: 1) Reka bentuk struktur medan haba bersaiz besar untuk mendapatkan kecerunan suhu jejarian yang lebih kecil dan kecerunan suhu membujur yang lebih besar sesuai untuk pertumbuhan daripada hablur silikon karbida 8 inci. 2) Putaran pijar bersaiz besar dan mekanisme gerakan mengangkat dan menurunkan gegelung, supaya mangkuk pijar berputar semasa proses pertumbuhan kristal dan bergerak relatif kepada gegelung mengikut keperluan proses untuk memastikan konsistensi kristal 8 inci dan memudahkan pertumbuhan dan ketebalan . 3) Kawalan automatik parameter proses di bawah keadaan dinamik yang memenuhi keperluan proses pertumbuhan kristal tunggal berkualiti tinggi.

1 mekanisme pertumbuhan kristal PVT

Kaedah PVT adalah untuk menyediakan kristal tunggal silikon karbida dengan meletakkan sumber SiC di bahagian bawah mangkuk grafit padat silinder, dan kristal benih SiC diletakkan berhampiran penutup mangkuk pijar. Pisau dipanaskan kepada 2 300~2 400 ℃ oleh aruhan frekuensi radio atau rintangan, dan ditebat oleh grafit terasa ataugrafit berliang. Bahan utama yang diangkut dari sumber SiC ke kristal benih ialah Si, molekul Si2C dan SiC2. Suhu pada hablur benih dikawal supaya lebih rendah sedikit daripada pada serbuk mikro yang lebih rendah, dan kecerunan suhu paksi terbentuk dalam mangkuk pijar. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, serbuk mikro silikon karbida menyublim pada suhu tinggi untuk membentuk gas tindak balas komponen fasa gas yang berbeza, yang mencapai hablur benih dengan suhu yang lebih rendah di bawah pemacuan kecerunan suhu dan menghablur di atasnya untuk membentuk silinder. jongkong silikon karbida.

Reaksi kimia utama pertumbuhan PVT ialah:

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)

Ciri-ciri pertumbuhan PVT bagi kristal tunggal SiC ialah:

1) Terdapat dua antara muka gas-pepejal: satu ialah antara muka serbuk gas-SiC, dan satu lagi ialah antara muka gas-kristal.

2) Fasa gas terdiri daripada dua jenis bahan: satu ialah molekul lengai yang dimasukkan ke dalam sistem; yang satu lagi ialah komponen fasa gas SimCn yang dihasilkan oleh penguraian dan pemejalwapanSerbuk SiC. Komponen fasa gas SimCn berinteraksi antara satu sama lain, dan sebahagian daripada komponen fasa gas kristal yang dipanggil SimCn yang memenuhi keperluan proses penghabluran akan berkembang menjadi kristal SiC.

3) Dalam serbuk silikon karbida pepejal, tindak balas fasa pepejal akan berlaku antara zarah yang belum disublimasikan, termasuk beberapa zarah membentuk badan seramik berliang melalui pensinteran, beberapa zarah membentuk butiran dengan saiz zarah tertentu dan morfologi kristalografi melalui tindak balas penghabluran, dan beberapa zarah silikon karbida berubah menjadi zarah kaya karbon atau zarah karbon disebabkan oleh penguraian dan pemejalwapan bukan stoikiometri.

4) Semasa proses pertumbuhan kristal, dua perubahan fasa akan berlaku: satu ialah zarah serbuk silikon karbida pepejal diubah menjadi komponen fasa gas SimCn melalui penguraian dan pemejalwapan bukan stoikiometri, dan satu lagi ialah komponen fasa gas SimCn diubah. menjadi zarah kekisi melalui penghabluran.

2 Reka Bentuk Peralatan Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, relau pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida terutamanya termasuk: pemasangan penutup atas, pemasangan ruang, sistem pemanasan, mekanisme putaran pijar, mekanisme pengangkat penutup bawah dan sistem kawalan elektrik.

2.1 Sistem Pemanasan Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, sistem pemanasan menggunakan pemanasan aruhan dan terdiri daripada gegelung aruhan,pijar grafit, lapisan penebat(terasa tegar, terasa lembut), dsb. Apabila arus ulang alik frekuensi sederhana melalui gegelung aruhan berbilang pusingan yang mengelilingi bahagian luar mangkuk grafit, medan magnet teraruh frekuensi yang sama akan terbentuk dalam mangkuk grafit, menghasilkan daya gerak elektrik teraruh. Oleh kerana bahan pijar grafit ketulenan tinggi mempunyai kekonduksian yang baik, arus teraruh dijana pada dinding pijar, membentuk arus pusar. Di bawah tindakan daya Lorentz, arus teraruh akhirnya akan menumpu pada dinding luar pijar (iaitu, kesan kulit) dan secara beransur-ansur melemah sepanjang arah jejari. Disebabkan kewujudan arus pusar, haba Joule dijana pada dinding luar pijar, menjadi sumber pemanasan sistem pertumbuhan. Saiz dan taburan haba Joule secara langsung menentukan medan suhu dalam pijar, yang seterusnya mempengaruhi pertumbuhan kristal.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4, gegelung aruhan adalah bahagian penting dalam sistem pemanasan. Ia menggunakan dua set struktur gegelung bebas dan masing-masing dilengkapi dengan mekanisme gerakan ketepatan atas dan bawah. Kebanyakan kehilangan haba elektrik keseluruhan sistem pemanasan ditanggung oleh gegelung, dan penyejukan paksa mesti dilakukan. Gegelung dililit dengan tiub kuprum dan disejukkan oleh air di dalamnya. Julat frekuensi arus teraruh ialah 8~12 kHz. Kekerapan pemanasan aruhan menentukan kedalaman penembusan medan elektromagnet dalam mangkuk grafit. Mekanisme gerakan gegelung menggunakan mekanisme pasangan skru dipacu motor. Gegelung aruhan bekerjasama dengan bekalan kuasa aruhan untuk memanaskan bekas grafit dalaman untuk mencapai pemejalwapan serbuk. Pada masa yang sama, kuasa dan kedudukan relatif kedua-dua set gegelung dikawal untuk menjadikan suhu pada kristal benih lebih rendah daripada pada serbuk mikro yang lebih rendah, membentuk kecerunan suhu paksi antara kristal benih dan serbuk dalam pijar, dan membentuk kecerunan suhu jejarian yang munasabah pada kristal silikon karbida.

2.2 Mekanisme Putaran Crucible Semasa pertumbuhan bersaiz besarkristal tunggal silikon karbida, mangkuk pijar dalam persekitaran vakum rongga disimpan berputar mengikut keperluan proses, dan medan haba kecerunan dan keadaan tekanan rendah dalam rongga perlu dikekalkan stabil. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, sepasang gear yang dipacu motor digunakan untuk mencapai putaran yang stabil bagi pijar. Struktur pengedap cecair magnetik digunakan untuk mencapai pengedap dinamik aci berputar. Pengedap cecair magnetik menggunakan litar medan magnet berputar yang terbentuk di antara magnet, kasut tiang magnet dan lengan magnet untuk menyerap cecair magnet dengan kuat di antara hujung kasut tiang dan lengan untuk membentuk cincin cecair seperti cincin O, menyekat sepenuhnya. jurang untuk mencapai tujuan pengedap. Apabila gerakan putaran dihantar dari atmosfera ke ruang vakum, peranti pengedap dinamik O-ring cecair digunakan untuk mengatasi keburukan haus mudah dan hayat rendah dalam pengedap pepejal, dan cecair magnetik cecair boleh mengisi keseluruhan ruang tertutup, dengan itu menyekat semua saluran yang boleh membocorkan udara, dan mencapai kebocoran sifar dalam dua proses pergerakan dan pemberhentian pijar. Cecair magnetik dan sokongan pijar mengamalkan struktur penyejukan air untuk memastikan kebolehgunaan suhu tinggi cecair magnetik dan sokongan pijar dan mencapai kestabilan keadaan medan haba.

2.3 Mekanisme pengangkat penutup bawah

Mekanisme pengangkat penutup bawah terdiri daripada motor pemacu, skru bebola, panduan linear, pendakap angkat, penutup relau dan pendakap penutup relau. Motor memacu pendakap penutup relau yang disambungkan kepada pasangan pemandu skru melalui pengurang untuk merealisasikan pergerakan naik dan turun penutup bawah.

Mekanisme pengangkat penutup bawah memudahkan penempatan dan penyingkiran pijar bersaiz besar, dan yang lebih penting, memastikan kebolehpercayaan pengedap penutup relau bawah. Semasa keseluruhan proses, ruang mempunyai peringkat perubahan tekanan seperti vakum, tekanan tinggi dan tekanan rendah. Keadaan mampatan dan pengedap penutup bawah secara langsung mempengaruhi kebolehpercayaan proses. Setelah meterai gagal di bawah suhu tinggi, keseluruhan proses akan dibatalkan. Melalui kawalan servo motor dan peranti had, keketatan pemasangan penutup bawah dan ruang dikawal untuk mencapai keadaan pemampatan dan pengedap terbaik cincin pengedap ruang relau untuk memastikan kestabilan tekanan proses, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6 .

2.4 Sistem kawalan elektrik Semasa pertumbuhan kristal silikon karbida, sistem kawalan elektrik perlu mengawal parameter proses yang berbeza dengan tepat, terutamanya termasuk ketinggian kedudukan gegelung, kadar putaran pijar, kuasa dan suhu pemanasan, aliran pengambilan gas khas yang berbeza, dan pembukaan injap berkadar.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7, sistem kawalan menggunakan pengawal boleh atur cara sebagai pelayan, yang disambungkan kepada pemandu servo melalui bas untuk merealisasikan kawalan gerakan gegelung dan mangkuk pijar; ia disambungkan kepada pengawal suhu dan pengawal aliran melalui MobusRTU standard untuk merealisasikan kawalan masa nyata suhu, tekanan dan aliran gas proses khas. Ia mewujudkan komunikasi dengan perisian konfigurasi melalui Ethernet, menukar maklumat sistem dalam masa nyata, dan memaparkan pelbagai maklumat parameter proses pada komputer hos. Operator, kakitangan proses dan pengurus bertukar maklumat dengan sistem kawalan melalui antara muka manusia-mesin.

Sistem kawalan melaksanakan semua pengumpulan data medan, analisis status operasi semua penggerak dan hubungan logik antara mekanisme. Pengawal boleh atur cara menerima arahan komputer hos dan melengkapkan kawalan setiap penggerak sistem. Strategi pelaksanaan dan keselamatan menu proses automatik semuanya dilaksanakan oleh pengawal boleh atur cara. Kestabilan pengawal boleh atur cara memastikan kestabilan dan kebolehpercayaan keselamatan operasi menu proses.

Konfigurasi atas mengekalkan pertukaran data dengan pengawal boleh atur cara dalam masa nyata dan memaparkan data medan. Ia dilengkapi dengan antara muka operasi seperti kawalan pemanasan, kawalan tekanan, kawalan litar gas dan kawalan motor, dan nilai tetapan pelbagai parameter boleh diubah suai pada antara muka. Pemantauan masa nyata parameter penggera, menyediakan paparan penggera skrin, merakam masa dan data terperinci kejadian dan pemulihan penggera. Rakaman masa nyata semua data proses, kandungan operasi skrin dan masa operasi. Kawalan gabungan pelbagai parameter proses direalisasikan melalui kod asas di dalam pengawal boleh atur cara, dan maksimum 100 langkah proses boleh direalisasikan. Setiap langkah termasuk lebih daripada sedozen parameter proses seperti masa operasi proses, kuasa sasaran, tekanan sasaran, aliran argon, aliran nitrogen, aliran hidrogen, kedudukan pijar dan kadar pijar.

3 Analisis simulasi medan terma

Model analisis simulasi medan haba diwujudkan. Rajah 8 ialah peta awan suhu dalam kebuk pertumbuhan crucible. Untuk memastikan julat suhu pertumbuhan kristal tunggal 4H-SiC, suhu tengah kristal benih dikira sebagai 2200 ℃, dan suhu tepi ialah 2205.4 ℃. Pada masa ini, suhu tengah bahagian atas mangkuk pijar ialah 2167.5 ℃, dan suhu tertinggi kawasan serbuk (sisi ke bawah) ialah 2274.4 ℃, membentuk kecerunan suhu paksi.

Taburan kecerunan jejari hablur ditunjukkan dalam Rajah 9. Kecerunan suhu sisi yang lebih rendah bagi permukaan hablur benih dapat meningkatkan bentuk pertumbuhan hablur dengan berkesan. Perbezaan suhu awal yang dikira semasa ialah 5.4 ℃, dan bentuk keseluruhannya hampir rata dan sedikit cembung, yang dapat memenuhi ketepatan kawalan suhu jejarian dan keperluan keseragaman permukaan kristal benih.

Lengkung perbezaan suhu antara permukaan bahan mentah dan permukaan kristal benih ditunjukkan dalam Rajah 10. Suhu tengah permukaan bahan ialah 2210 ℃, dan kecerunan suhu membujur 1 ℃/cm terbentuk di antara permukaan bahan dan benih. permukaan kristal, yang berada dalam julat yang munasabah.

Anggaran kadar pertumbuhan ditunjukkan dalam Rajah 11. Kadar pertumbuhan yang terlalu cepat boleh meningkatkan kebarangkalian kecacatan seperti polimorfisme dan kehelan. Anggaran kadar pertumbuhan semasa adalah hampir kepada 0.1 mm/j, yang berada dalam julat yang munasabah.

Melalui analisis dan pengiraan simulasi medan haba, didapati suhu pusat dan suhu tepi hablur benih memenuhi kecerunan suhu jejari hablur 8 inci. Pada masa yang sama, bahagian atas dan bawah pijar membentuk kecerunan suhu paksi yang sesuai untuk panjang dan ketebalan kristal. Kaedah pemanasan semasa sistem pertumbuhan boleh memenuhi pertumbuhan kristal tunggal 8 inci.

4 Ujian eksperimen

Menggunakan inirelau pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, berdasarkan kecerunan suhu simulasi medan haba, dengan melaraskan parameter seperti suhu atas mangkuk pijar, tekanan rongga, kelajuan putaran pijar, dan kedudukan relatif gegelung atas dan bawah, ujian pertumbuhan kristal silikon karbida telah dijalankan. , dan kristal karbida silikon 8 inci telah diperolehi (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 12).

5. Kesimpulan

Teknologi utama untuk pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8 inci, seperti medan haba kecerunan, mekanisme gerakan pijar, dan kawalan automatik parameter proses, telah dikaji. Medan terma dalam ruang pertumbuhan crucible telah disimulasikan dan dianalisis untuk mendapatkan kecerunan suhu yang ideal. Selepas ujian, kaedah pemanasan induksi dua gegelung boleh memenuhi pertumbuhan bersaiz besarkristal silikon karbida. Penyelidikan dan pembangunan teknologi ini menyediakan teknologi peralatan untuk mendapatkan kristal karbida 8 inci, dan menyediakan asas peralatan untuk peralihan perindustrian karbida silikon daripada 6 inci kepada 8 inci, meningkatkan kecekapan pertumbuhan bahan silikon karbida dan mengurangkan kos.