Въз основа на 8-инчовата технология за пещ за едно кристален растеж на силициев карбид

       Силиконов карбид е един от идеалните материали за изработка на високотемпературни, високочестотни, високи и високо напрежение. За да се подобри ефективността на производството и да се намалят разходите, приготвянето на големи размери силициев карбид субстрати е важна посока на развитие. Насочени към изискванията на процеса на8-инчов силициев карбид (SIC) растеж на единичен кристал, механизмът на растеж на метода на физическия пари от силициев карбид (PVT) (PVT) е анализиран, отоплителната система (TAC водещ пръстен, TAC покритие с тигел,Пръстени с покритие с так, Плоча с покритие с TAC, TAC покрит с три петален пръстен, TAC покритие с тритотетален тигел, държач за покритие с так, пореста графит, мек филц, твърд филц SIC-покрит кристален растеж и другиSIC Единичен процес на растеж на кристали резервни частиса предоставени от Vetek Semiconductor), са проучени технологията за управление на тигела и параметрите на процеса на пещта за растеж на единичен кристал на силициев карбид и 8-инчовите кристали са успешно приготвени и отглеждани чрез анализ на симулацията на термично поле и експерименти с процеси.

Въведение

      Силиконов карбид (SIC) е типичен представител на полупроводниковите материали от трето поколение. Той има предимства на производителността като по -голяма ширина на лентата, по -голямо електрическо поле за разбиване и по -висока топлинна проводимост. Той се представя добре в полета с висока температура, високо налягане и високочестотни полета и се превърна в едно от основните посоки на развитие в областта на полупроводниковите материали.  Понастоящем индустриалният растеж на кристалите на силициев карбид използва главно физически транспорт на пари (PVT), който включва сложни проблеми с многофизичното поле на свързване на многофазни, многокомпонентни, множество топлинни и масови трансферни и магнито-електрически взаимодействие на топлинния поток. Следователно дизайнът на системата за растеж на PVT е труден и измерването и контрола на параметрите на процеса по време наПроцес на растеж на кристале трудно, което води до трудността при контролиране на дефектите на качеството на отглежданите кристали на силициев карбид и малкия размер на кристала, така че цената на устройства със силициев карбид, тъй като субстрата остава висока.

      Оборудването за производство на силициев карбид е в основата на технологията на силициевия карбид и индустриалното развитие. Техническото ниво, способността на процеса и независимата гаранция за пещта за растеж на едно кристали от силициев карбид са ключът към развитието на материали от силициев карбид в посока на голям размер и висок добив, а също така са основните фактори, движещи полупроводниковата индустрия от трето поколение, за да се развие в посока на ниска цена и мащабна. В полупроводниковите устройства със силиконов карбид единичен кристал като субстрат стойността на субстрата представлява най -голямата част, около 50%. Развитието на висококачественото оборудване за растеж на кристали от силициев карбид, подобряване на добива и скоростта на растеж на единични кристални субстрати от силициев карбид и намаляването на производствените разходи е от ключово значение за прилагането на свързани устройства. За да се увеличи предлагането на производствен капацитет и допълнително да се намалят средната цена на устройствата за силициев карбид, да се разшири размерът на субстратите на силициев карбид е един от важните начини. Понастоящем международният основен размер на силициевия карбид е 6 инча и бързо напредва до 8 инча.

       Основните технологии, които трябва да бъдат решени при разработването на 8-инчови пещи за растеж на силициев карбид, включват: (1) дизайн на термично поле с голям размер, за да се получи по-малък радиален температурен градиент и по-голям надлъжен температурен градиент, подходящ за растеж на 8-инчови силиконови карбидни кристали. (2) Големи размери на тигела за въртене и повдигане на намотката и механизъм за понижаване на движението, така че тигелът да се върти по време на процеса на растеж на кристала и се движи спрямо намотката според изискванията на процеса, за да гарантира консистенцията на 8-инчовия кристал и да улесни растежа и дебелината. (3) Автоматично управление на параметрите на процеса при динамични условия, които отговарят на нуждите на висококачествен процес на растеж на единичен кристал.

1 PVT механизъм за растеж на кристали

       Методът на PVT е да се приготвят силни кристали от силициев карбид, като се постави източникът на SIC в долната част на цилиндричния плътна графитен тигел, а кристалът на семената SIC се поставя в близост до покритието на тигела. Crucible се нагрява до 2 300 ~ 2 400 ℃ чрез радиочестотна индукция или съпротивление и се изолира от Graphite Felt илиПорести графит. Основните вещества, транспортирани от източника на SIC до семената кристал, са Si, Si2c молекули и SIC2. Температурата в кристала на семената се контролира, за да бъде малко по-ниска от тази при долната микропрохла, а в тигела се образува градиент на аксиална температура. Както е показано на фигура 1, микропрохът от силициев карбид сублимира при висока температура, за да образува реакционни газове от различни компоненти на газовата фаза, които достигат до кристала на семената с по-ниска температура под задвижването на градиента на температурата и кристализират върху него, за да образуват цилиндричен силиконов карбид.

Основните химични реакции на растежа на PVT са:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2SIC ⇌ и₂C (g)+c (s)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+SI (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Характеристиките на растежа на PVT на SIC единични кристали са:

1) Има два газо-твърди интерфейса: единият е газо-SIC прахов интерфейс, а другият е интерфейсът на газо-кристал.

2) газовата фаза се състои от два вида вещества: един е инертният молекули, въведени в системата; другият е компонентът на газовата фаза SIMCN, произведен от разлагането и сублимирането наSic прах. Компонентите на газовата фаза SIMCN взаимодействат помежду си и част от така наречените кристални компоненти на газовата фаза SIMCN, които отговарят на изискванията на процеса на кристализация, ще прераснат в SIC кристала.

3) При твърд силициев карбиден прах ще се появят твърди фазови реакции между частици, които не са сублимирали, включително някои частици, образуващи порести керамични тела чрез синтероване, някои частици образуват зърна с определен размер на частиците и кристалографска морфология чрез кристализиране на реакции и някои силициеви карбидни частици, трансформиращи се в карбонични частици, и частици от въглерод, поради въглеродни частици.

4) По време на процеса на растеж на кристалите ще настъпят две фазови промени: едната е, че твърдите частици от силициев карбид се трансформират в компоненти на газова фаза SIMCN чрез нестоихиометрично разлагане и сублимация, а другата е, че компонентите на газовата фаза SIMCN се трансформират в решетъчни частици чрез кристализация.

2 Дизайн на оборудването 

      Както е показано на фигура 2, пещта за растеж на силициевия карбид главно включва: сглобяване на горния капак, сглобяване на камерата, отоплителна система, механизъм за въртене на тигела, механизъм за повдигане на по -нисък капак и система за електроенергия.

2.1 Отоплителна система 

     Както е показано на фигура 3, отоплителната система приема индукционно отопление и е съставена от индукционна намотка, aГрафитен тигел, изолационен слой (твърд филц, мек филц), и др. Когато средната честотна променлива ток преминава през индукционната бобина с много завой, заобикаляща външната страна на графитния тигел, ще се образува индуцирано магнитно поле със същата честота в графитния тигел, генерирайки индуцирана електромотивна сила. Тъй като графитният тигел с висока чистота има добра проводимост, на стената на тигела се генерира индуциран ток, образувайки вихрен ток. При действието на силата на Лоренц индуцираният ток в крайна сметка ще се сближи върху външната стена на тигела (т.е. кожният ефект) и постепенно ще отслабва по радиалната посока. Поради съществуването на вихрови токове, Joule Heat се генерира върху външната стена на тигела, превръщайки се в източник на отопление на растежната система. Размерът и разпределението на топлината на Joule директно определят температурното поле в тигела, което от своя страна влияе върху растежа на кристала.

     Както е показано на фигура 4, индукционната намотка е ключова част от отоплителната система. Той приема два набора от независими структури на намотката и е оборудван съответно с механизми за движение на горната и долната точност. По -голямата част от електрическата загуба на топлина на цялата отоплителна система се носи от бобината и трябва да се извърши принудително охлаждане. Намотката се навива с медна тръба и се охлажда от вода вътре. Честотният диапазон на индуцирания ток е 8 ~ 12 kHz. Честотата на индукционното нагряване определя дълбочината на проникване на електромагнитното поле в графитния тигел. Механизмът за движение на бобината използва механизъм, управляван от мотора. Индукционната намотка си сътрудничи с индукционното захранване за загряване на вътрешния графитен тигел за постигане на сублимацията на праха. В същото време мощността и относителната позиция на двата комплекта намотки се контролират, за да се направи температурата при кристала на семената по-ниска от тази в долния микропрох, образувайки аксиален температурен градиент между кристала на семената и праха в тигела и образувайки разумен радиален температурен градиент на силикония карбиден кристал.

2.2 Механизъм за въртене на тигела 

      По време на растежа на големи размериСилни кристали от силициев карбид, тигелът във вакуумната среда на кухината се върти в съответствие с изискванията на процеса, а градиентното термично поле и състоянието с ниско налягане в кухината трябва да се поддържат стабилни. Както е показано на фигура 5, се използва двойка предавка на двигателя за постигане на стабилно въртене на тигела. За постигане на динамично уплътняване на въртящия вал се използва магнитна течност. Уплътнението на магнитната течност използва въртяща се верига на магнитно поле, образувана между магнита, магнитната полюсна обувка и магнитния втулка, за да се адсорбира магнитната течност между върха на полюсната обувка и втулката, за да образува уплътнител на пръстен, като напълно блокира пролуката, за да се постигне целта на запечатването. Когато се предава ротационното движение от атмосферата към вакуумната камера, динамичното уплътняване на течния уплътнител на О-пръстена се използва за преодоляване на недостатъците на лесното износване и ниския живот при плътно уплътняване, а течната магнитна течност може да запълни цялото запечатано пространство, като по този начин блокира всички канали, които могат да изтекат въздух и да постигнат нулево изтичане в двата процеса на кръстовието и да се спрат. Магнитната течност и тигелната поддръжка приемат структура на охлаждане с вода, за да гарантират приложимостта на високотемпературата на магнитната течност и поддръжката на тигела и да постигнат стабилността на състоянието на термичното поле.

2.3 Механизъм за повдигане на по -нисък капак

     Механизмът за повдигане на долния капак се състои от задвижващ двигател, точен винт, линеен водач, повдигаща скоба, капак на пещта и скоба за пещ. Моторът задвижва скобата на капака на пещта, свързана към двойката с водач за винтове през редуктор, за да реализира движението нагоре и надолу на долния капак.

     По-ниският механизъм за повдигане на капака улеснява поставянето и отстраняването на големи по-големи тигели и по-важното е, че осигурява надеждността на запечатването на долния капак на пещта. По време на целия процес камерата има етапи на смяна на налягането като вакуум, високо налягане и ниско налягане. Състоянието на компресия и уплътняване на долния капак пряко влияе върху надеждността на процеса. След като уплътнението се провали при висока температура, целият процес ще бъде бракуван. Чрез устройството за управление на сервото и ограничението на двигателя, стегнатостта на долния капак и камерата се контролира, за да се постигне най -доброто състояние на компресия и уплътняване на пещния камера за уплътняване на камерата, за да се гарантира стабилността на налягането на процеса, както е показано на фигура 6.

2.4 Система за електроенергия 

      По време на растежа на кристалите на силициевия карбид, системата за електроенергия трябва да контролира точно различни параметри на процеса, главно включително височината на положението на бобината, скоростта на въртене на тигела, мощността и температурата на отопление, различен специален поток на газ и отваряне на пропорционалния клапан.

      Както е показано на фигура 7, системата за управление използва програмируем контролер като сървър, който е свързан към серво драйвера през шината, за да реализира контрола на движението на бобината и тигела; Той е свързан към контролера на температурата и контролера на потока през стандартния MobusRtu, за да реализира контрол в реално време на температурата, налягането и специален поток на газовия процес. Той установява комуникация със софтуера за конфигуриране чрез Ethernet, обменя системна информация в реално време и показва различни данни за параметрите на процеса на хост компютъра. Операторите, персоналът на процесите и мениджърите обменят информация със системата за контрол чрез интерфейса на човешката машина.

     Системата за управление извършва цялото събиране на данни на полето, анализ на работното състояние на всички задвижващи механизми и логическата връзка между механизмите. Програмируемият контролер получава инструкциите на хост компютъра и завършва контрола на всеки задвижващ механизъм на системата. Стратегията за изпълнение и безопасност на менюто за автоматичен процес се изпълнява от програмируемия контролер. Стабилността на програмируемия контролер гарантира стабилността и надеждността на безопасността на работата на менюто на процеса.

     Горната конфигурация поддържа обмена на данни с програмируемия контролер в реално време и показва полеви данни. Той е оборудван с работни интерфейси като контрол на отоплението, контрол на налягането, контрол на газовата верига и контрол на двигателя, а стойностите на настройките на различни параметри могат да бъдат променени на интерфейса. Мониторинг на параметрите на алармата в реално време, предоставяне на дисплей на алармата на екрана, запис на времето и подробни данни за появата и възстановяването на алармата. Запис в реално време на всички данни за процеса, съдържание на операция на екрана и време за работа. Контролът на синтез на различни параметри на процеса се реализира чрез основния код вътре в програмируемия контролер и може да се реализира максимум 100 стъпки на процес. Всяка стъпка включва повече от дузина параметри на процеса, като време на работа на процеса, мощност на целта, целево налягане, поток на аргон, азотен поток, поток на водород, позиция на тигела и тигел.

3 Анализ на симулацията на термично поле

    Установен е моделът за анализ на симулация на термично поле. Фигура 8 е облачната карта на температурата в камерата за растеж на тигела. За да се гарантира температурният диапазон на растежа на 4H-SIC единичен кристал, централната температура на семената се изчислява на 2200 ℃, а температурата на ръба е 2205,4 ℃. По това време централната температура на върха на тигела е 2167,5 ℃, а най -високата температура на праховата площ (отстрани надолу) е 2274,4 ℃, образувайки градиент на аксиална температура.

       Радиалното градиентно разпределение на кристала е показано на фигура 9. Долният страничен температурен градиент на повърхността на кристала на семената може ефективно да подобри формата на растеж на кристала. Токът изчислена първоначална температурна разлика е 5,4 ℃, а общата форма е почти плоска и леко изпъкнала, която може да отговаря на точността на контрол на радиалната температура и изискванията за равномерност на повърхността на кристала на семената.

       Кривата на разликата в температурата между повърхността на суровината и кристалната повърхност на семената е показана на фигура 10. Централната температура на повърхността на материала е 2210 ℃, а между повърхността на материала се образува надлъжен температурен градиент от 1 ℃/cm.

      Прогнозният темп на растеж е показан на фигура 11. Твърде бързият темп на растеж може да увеличи вероятността от дефекти като полиморфизъм и дислокация. Текущият прогнозен темп на растеж е близо до 0,1 mm/h, което е в разумен диапазон.

     Чрез анализ и изчисляване на симулацията на термично поле се установява, че централната температура и температурата на ръба на кристала на семената отговарят на радиалния температурен градиент на кристала от 8 инча. В същото време горната и долната част на тигела образуват аксиален температурен градиент, подходящ за дължината и дебелината на кристала. Настоящият метод на нагряване на системата за растеж може да отговаря на растежа на 8-инчови единични кристали.

4 Експериментален тест

     Използване на товаСиликонов карбид единичен кристален растежен пещ, въз основа на температурния градиент на симулацията на термичното поле, чрез регулиране на параметрите като тигелната горна температура, налягането на кухината, скоростта на въртене на тигела и относителното положение на горната и долната намотка, се провежда тест за растеж на кристал на силициев карбид, и се провежда и се провежда 8-инчов силициев карбиден кристал (както е показано на фигура 12).

5 Заключение

     Изследвани са ключовите технологии за растеж на 8-инчови единични кристали от силициев карбид, като градиентно термично поле, механизъм за движение на тигела и автоматичен контрол на параметрите на процеса. Термичното поле в камерата за растеж на тигела беше симулирано и анализирано за получаване на идеалния градиент на температурата. След тестване методът на отопление с двойна намотка може да отговаря на растежа на големи размерикристали от силициев карбид. Изследванията и разработването на тази технология осигуряват технология на оборудването за получаване на 8-инчови карбидни кристали и осигурява основа на оборудването за преход на индустриализация на силициев карбид от 6 инча до 8 инча, подобрявайки ефективността на растежа на материалите на силициевия карбид и намаляват разходите.