Na základě 8palcové technologie křemíku karbidu

       Karbid Silicon je jedním z ideálních materiálů pro výrobu vysokoteplotních, vysokofrekvenčních, vysokoškolských a vysokopěťových zařízení. Za účelem zlepšení účinnosti výroby a snížení nákladů je příprava substrátů karbidu silikonu ve velké velikosti důležitým směrem vývoje. Zaměření na procesní požadavky8palcový růst křemíkového karbidu (SIC), byl analyzován mechanismus růstu metody fyzického transportu páry karbidu křemíku (PVT), topné systém (TAC Guide Ring, TAC potažený kelímkem, Crucible,TAC potažené kroužky, Deska potažená TAC, TAC potažený tříbodový kroužek, TAC potažený tříbodový kelímky, držák potaženého TAC, porézní grafit, měkký plstěný, rigidní pociťovaný sic-potahovaný růstový susceptor a dalšíProces růstu silo krystalického růstujsou poskytovány společností Vetek Semiconductor), byly studovány technologií rotace kelímku a procesních parametrů parametru monokrystalického růstu karbidu silikonu a krystaly 8 palců byly úspěšně připraveny a pěstovány pomocí analýzy simulace tepelného pole a experimenty procesních experimentů.

Zavedení

      Karbid křemíku (SIC) je typickým reprezentativním polovodičovým materiálem třetí generace. Má výkonnostní výhody, jako je větší šířka bandgap, elektrické pole s vyšším rozkladem a vyšší tepelná vodivost. Funguje dobře ve vysoké teplotě, vysokých tlacích a vysokofrekvenčních polích a stal se jedním z hlavních směrů vývoje v oblasti technologie polovodičových materiálů.  V současné době používá průmyslový růst krystalů křemíkového karbidu hlavně fyzický transport par (PVT), který zahrnuje komplexní multifyzikální problémy s vazbou polních polních polních problémů s vícefázovou, vícesložkou, vícenásobným přenosem tepla a hmoty a magnetoelektrickým tepelným průtokem. Návrh růstového systému PVT je proto obtížný a měření a kontrola parametrů procesu běhemProces růstu krystalůje obtížné, což vede k obtížnosti při kontrole kvalitních vad dospělých krystalů karbidu křemíku a velikosti malého krystalu, takže náklady na zařízení s karbidem křemíku, protože substrát zůstává vysoký.

      Výrobní zařízení na křemíkovou karbidu je základem technologie karbidu křemíku a průmyslového rozvoje. Technická úroveň, schopnost procesu a nezávislá záruka pece na růstový růst karbidu křemíku jsou klíčem k vývoji materiálů karbidu křemíku ve směru velké velikosti a vysokého výnosu a jsou také hlavními faktory, které řídí polovodičový průmysl třetí generace, aby se vyvíjel ve směru nízkých nákladů a velkého měřítka. V polovodičových zařízeních s monokrystalem křemíkového karbidu jako substrátu představuje hodnota substrátu největší část, asi 50%. Vývoj vysoce kvalitních vysoce kvalitních zařízení pro růstové krystaly karbidu křemíku, zlepšení výnosu a rychlosti růstu křemíkových karbidu monokrystalových substrátů a snížení výrobních nákladů má klíčový význam pro použití souvisejících zařízení. Aby se zvýšila dodávka výrobní kapacity a dále snižovala průměrné náklady na karbidové zařízení křemíku, je rozšíření velikosti substrátů karbidu křemíku jedním z důležitých způsobů. V současné době je velikost mezinárodního mainstreamového křemíkového karbidu substrátu 6 palců a rychle postupuje na 8 palců.

       Mezi hlavní technologie, které je třeba vyřešit ve vývoji 8-palcových křemíkových karbidů, patří růstové pece: (1) návrh struktury tepelného pole ve velké velikosti, aby se získal menší radiální teplotní gradient a větší podélný teplotní gradient vhodný pro růst 8-palcových krystalů křemíku. (2) Mechanismus rotace a zvednutí cívky a snižování cívky s velkým kelímkem, takže kelímek se otáčí během procesu růstu krystalů a pohybuje se vzhledem k cívce podle požadavků na proces, aby byla zajištěna konzistence krystalu 8 palců a usnadnila růst a tloušťku. (3) Automatická kontrola parametrů procesu za dynamických podmínek, které splňují potřeby vysoce kvalitního procesu růstu jednoho krystalu.

1 mechanismus růstu krystalů PVT

       Metodou PVT je připravit silikonové karbidové monokrystaly umístěním zdroje SIC na dno válcového hustého grafitového kelímku a krystal semen sic je umístěn poblíž krytu kelímku. Kelímku je zahříván na 2 300 ~ 2 400 ℃ indukcí nebo odporem rádiové frekvence a je izolován podle plstiporézní grafit. Hlavní látky transportované ze zdroje SIC do krystalu semen jsou molekuly SI, SI2C a SIC2. Teplota na semenném krystalu je řízena tak, aby byla o něco nižší než teplota na dolním mikro-prášku a v kelímku se vytvoří gradient axiální teploty. Jak je znázorněno na obrázku 1, mikroborová mikroborník křemíku sublimatuje při vysoké teplotě za vzniku reakčních plynů různých složek plynné fáze, které dosahují krystalu semen s nižší teplotou pod pohonem teplotního gradientu a krystalizují na něm, aby vytvořily válcový křemíkový karbid ingot.

Hlavní chemické reakce růstu PVT jsou:

Sic (S) ⇌ Si (G)+C (s)

2sic ⇌ a₂C (G)+C (S)

2sic ⇌ Sic2 (g)+Si (l, g)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Charakteristiky růstu PVT SIC monokrystalů SIC jsou:

1) Existují dvě rozhraní plynu-pevné rozhraní: jedním je rozhraní prášku-SIC-SIC a druhým je rozhraní plynového krystalu.

2) plynná fáze se skládá ze dvou typů látek: jedna jsou inertní molekuly zavedené do systému; Druhým je složka plynné fáze SIMCN produkovaná rozkladem a sublimacíSic prášek. Složky plynné fáze SIMCN vzájemně interagují a část tzv. Krystalické plynné fázové složky SIMCN, které splňují požadavky procesu krystalizace, poroste v krystalu SIC.

3) In the solid silicon carbide powder, solid-phase reactions will occur between particles that have not sublimated, including some particles forming porous ceramic bodies through sintering, some particles forming grains with a certain particle size and crystallographic morphology through crystallization reactions, and some silicon carbide particles transforming into carbon-rich particles or carbon particles due to non-stoichiometric decomposition and Sublimace.

4) Během procesu růstu krystalu dojde k dvě fázové změny: Jedním z nich je, že částice prášku na pevný křemíkový karbid jsou transformovány na složky plynné fáze SIMCN prostřednictvím neteichiometrického rozkladu a sublimace a druhým je, že složky plynné fáze jsou transformovány na mřížkové částice krystalizací.

2 Design zařízení 

      Jak je znázorněno na obrázku 2, pec na křemíkový karbid s jedním krystalem zahrnuje hlavně: sestavení horního krytu, sestavení komory, topní systém, mechanismus rotace kelímku, mechanismus zvedání spodního krytu a systém elektrického řízení.

2.1 Vytápěcí systém 

     Jak je znázorněno na obrázku 3, topný systém přijímá indukční zahřívání a je složen z indukční cívky, aGrafit Crucible, izolační vrstva (rigidní pocit, měkký pocit), atd. Když střídavý proud střední frekvence prochází skrz indukční cívku s více otočnými obklopujícími vnější stranu grafitového kelímku, bude v grafitovém kelímku vytvořeno indukované magnetické pole stejné frekvence, což bude generovat indukovanou elektromotickou sílu. Vzhledem k tomu, že materiál grafitového kelímku s vysokým obsahem čistoty má dobrou vodivost, na zdi kelímku se vytváří indukovaný proud a vytváří vířivý proud. Pod působením Lorentzovy síly se indukovaný proud nakonec sblíží na vnější stěně kelímku (tj. Efekt kůže) a postupně oslabí podél radiálního směru. Vzhledem k existenci vířivých proudů se na vnější stěně kelímku generuje Joule Heat a stává se zdrojem vytápění růstového systému. Velikost a distribuce tepla Joule 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 cívek a je vybavena mechanismy s horním a dolním přesným pohybem. Většina elektrických tepelných ztrát celého topného systému posiluje cívka a musí být provedeno nucené chlazení. Cívka je navinutá měděnou trubicí a ochlazena vodou uvnitř. Frekvenční rozsah indukovaného proudu je 8 ~ 12 kHz. Frekvence indukčního zahřívání určuje hloubku penetrace elektromagnetického pole v grafitovém kelímku. Mechanismus pohybu cívky používá mechanismus páru šroubu poháněný motorem. Indukční cívka spolupracuje s indukčním napájením k zahřátí vnitřního grafitového kelímku k dosažení sublimace prášku. Současně se řídí výkon a relativní poloha dvou sad cívek, aby byla teplota na semenném krystalu nižší než teplota na spodním mikro-honičce, což vytváří axiální teplotní gradient mezi krystalem semen a práškem v kelímku a vytváří rozumný radiální teplotní gradient na krystalu křemíku.

2.2 Mechanismus rotace kelímku 

      Během růstu velké velikostikřemíkový karbid s jedním krystaly, kelímek ve vakuovém prostředí dutiny se neustále otáčí podle požadavků na proces a tepelné pole gradientu a nízkotlakého stavu v dutině musí být udržovány stabilní. Jak je znázorněno na obrázku 5, k dosažení stabilní rotace kelí. K dosažení dynamického utěsnění rotující hřídele se používá struktura těsnění magnetické tekutiny. Těsnění magnetické tekutiny používá rotující obvod magnetického pole vytvořeného mezi magnetem, botou magnetického pólu a magnetickým rukávem, aby pevně adsorboval magnetickou kapalinu mezi špičkou boty a rukávem, aby vytvořil tekutinový kroužek podobný O-kroužku, což zcela blokuje mezeru, aby se mezeru zablokovalo. Když je rotační pohyb přenášen z atmosféry do vakuové komory, používá se dynamické těsnicí zařízení kapalného O-kroužku k překonání nevýhod snadného opotřebení v pevném těsnění a kapalné magnetické tekutiny může naplnit celý utěsněný prostor, čímž se blokuje všechny kanály, které mohou proniknout vzduchem, a dosažení nulového úniku ve dvou procesech a zastavení a zátku může naplnit a zastávka a zastávka. Podpora magnetická tekutina a kelímky přijímá strukturu chlazení vody, aby byla zajištěna použitelnost vysokoteplotních magnetickou tekutinou a kelímku a dosáhla stability stavu tepelného pole.

2.3 Mechanismus zvedání spodního krytu

     Mechanismus zvedání spodního krytu se skládá z pohonného motoru, kuličkového šroubu, lineárního vodítka, zvedací držáku, krytu pece a držáku krytu pece. Motor řídí konzolu krytu pece připojené k páru šroubu přes reduktoru, aby si uvědomil pohyb dolního krytu nahoru a dolů.

     Mechanismus zvedání spodního krytu usnadňuje umístění a odstranění velkých kelímků, a co je důležitější, zajišťuje spolehlivost těsnění spodního krytu pece. Během celého procesu má komora stádia změny tlaku, jako je vakuum, vysoký tlak a nízký tlak. Stav komprese a těsnění spodního krytu přímo ovlivňuje spolehlivost procesu. Jakmile těsnění selže při vysoké teplotě, bude celý proces vyřazen. Prostřednictvím zařízení pro řízení a omezení motorického serva je těsnost sestavy spodního krytu a komora ovládána tak, aby se dosáhlo nejlepšího stavu komprese a utěsnění pecí komory těsnění komory, aby se zajistila stabilita procesního tlaku, jak je znázorněno na obrázku 6.

2.4 Systém elektrického řízení 

      Během růstu krystalů karbidu křemíku musí systém elektrického řízení přesně řídit různé parametry procesu, hlavně včetně výšky polohy cívky, rychlosti rotace kelímku, výkonu a teploty top a teploty, odlišného speciálního proudu příjmu plynu a otevření proporcionálního ventilu.

      Jak je znázorněno na obrázku 7, řídicí systém používá programovatelný řadič jako server, který je připojen k ovladači servo pomocí sběrnice, aby si uvědomil řízení pohybu cívky a kelímku; Je připojen k regulátoru teploty a regulátoru průtoku prostřednictvím standardního mobusRTU, aby se realizoval kontrolu teploty, tlaku a speciálního procesního plynu v reálném čase. Zřizuje komunikaci s konfiguračním softwarem prostřednictvím ethernetu, vyměňuje systémové informace v reálném čase a zobrazuje různé informace o parametru procesu v hostitelském počítači. Provozovatelé, personál a manažeři procesních si vyměňují informace s kontrolním systémem prostřednictvím rozhraní lidského stroje.

     Řídicí systém provádí sběr všech polních dat, analýzu provozního stavu všech ovladačů a logický vztah mezi mechanismy. Programovatelný řadič obdrží pokyny hostitelského počítače a dokončí ovládání každého ovladače systému. Strategie provádění a bezpečnosti nabídky automatického procesu je prováděna programovatelným řadičem. Stabilita programovatelného ovladače zajišťuje stabilitu a spolehlivost bezpečnosti procesu provozu.

     Horní konfigurace udržuje výměnu dat s programovatelným řadičem v reálném čase a zobrazuje data v poli. Je vybaven provozními rozhraními, jako je řízení zahřívání, řízení tlaku, řízení obvodu plynu a řízení motoru a hodnoty nastavení různých parametrů lze upravovat na rozhraní. Sledování parametrů alarmu v reálném čase, poskytování zobrazení alarmu na obrazovce, zaznamenávání času a podrobných údajů o výskytu a výskytu alarmu. Zaznamenávání všech procesních dat, obsahu provozu obrazovky a doba provozu. Fúzní řízení různých procesních parametrů je realizováno prostřednictvím podkladového kódu uvnitř programovatelného ovladače a lze realizovat maximálně 100 kroků procesu. Každý krok zahrnuje více než tucet parametrů procesu, jako je doba provozu, cílový výkon, cílový tlak, tok argonu, tok dusíku, tok vodíku, kelímek a míra kelímku.

3 Analýza simulace tepelného pole

    Je stanoven model simulace tepelného pole. Obrázek 8 je mapa teplotního cloudu v růstové komoře kelímku. Aby se zajistilo rozsah růstové teploty 4H-SiC mono krystalu, vypočítává se středová teplota semenného krystalu na 2200 ℃ a teplota okraje je 2205,4 ℃. V této době je středová teplota kelímku 2167,5 ℃ a nejvyšší teplota práškové plochy (bok dolů) je 2274,4 ℃, což vytváří axiální teplotní gradient.

       Rozložení radiálního gradientu krystalu je znázorněno na obrázku 9. Nižší laterální teplotní gradient povrchu krystalu semen může účinně zlepšit tvar růstu krystalů. Vypočítaný počáteční teplotní rozdíl je 5,4 ℃ a celkový tvar je téměř plochý a mírně konvexní, což může splňovat přesnost kontroly radiální teploty a požadavky na uniformitu povrchu krystalu semen.

       Křivka teplotního rozdílu mezi povrchem suroviny a povrchem krystalu semen je znázorněna na obrázku 10. Středová teplota povrchu materiálu je 2210 ℃ a mezi povrchem materiálu a povrchem semen krystalu je vytvořen podélný teplotní gradient 1 ℃/cm, který je v přiměřeném rozmezí.

      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 se zjistí, že teplota středu a teplota okraje semenného krystalu splňuje radiální teplotní gradient krystalu 8 palců. Současně tvoří horní a dolní část kelímku axiální teplotní gradient vhodný pro délku a tloušťku krystalu. Současná metoda vytápění systému růstu může splňovat růst 8palcových monokrystalů.

4 Experimentální test

     Pomocí tohotokřemíkový karbid s jedním krystalem růst, Na základě teplotního gradientu simulace tepelného pole nastavením parametrů, jako je kelímková horní teplota, tlak dutiny, rychlost rotace kelímek a relativní poloha horní a dolních cívek, byl proveden test růstu křemíkového karbidu a byl proveden na obrázku 12) (jak je znázorněno na obrázku 12).

5 Závěr

     Byly studovány klíčové technologie pro růst 8palcových silikonových karbidových jednokrystalů, jako je tepelné pole gradientu, mechanismus pohybu kelímku a automatická kontrola parametrů procesu. Tepelné pole v komoře růstu kelímku bylo simulováno a analyzováno, aby se získal ideální teplotní gradient. Po testování může metoda vytápění dvojité cívky splnit růst velké velikostiKrystaly křemíku karbidu. Výzkum a vývoj této technologie poskytuje technologii vybavení pro získání 8palcových karbidových krystalů a poskytuje základ zařízení pro přechod industrializace karbidu křemíku z 6 palců na 8 palců, což zvyšuje účinnost růstu karbidových materiálů křemíku a snižování nákladů.