Basato sulla tecnologia della fornace a crescita singola in carburo di silicio da 8 pollici

       Il carburo di silicio è uno dei materiali ideali per produrre dispositivi ad alta temperatura, ad alta frequenza, ad alta potenza e ad alta tensione. Al fine di migliorare l'efficienza della produzione e ridurre i costi, la preparazione di substrati in carburo di silicio di grandi dimensioni è una direzione di sviluppo importante. Mirando ai requisiti di processo diCrescita a singolo cristallo in carburo di silicio da 8 pollici (SIC), è stato analizzato il meccanismo di crescita del metodo di trasporto di vapore fisico in carburo di silicio, il sistema di riscaldamento (anello di guida TAC, crogiolo rivestito TAC,Anelli rivestiti TAC, Piastra rivestita TAC, anello a tre petali rivestito TAC, crogiolo a tre petali rivestito TAC, supporto rivestito TAC, grafite porosa, feltro morbido, suscitatore di crescita cristallina con feltro SIC rigido e altroSIC Single Crystal Growth Process Rampping Partisono forniti da Vetek Semiconductor), sono state studiate la tecnologia di controllo dei parametri del crogiolo e dei parametri di processo in carburo di silicio in carburo singolo di crescita a cristallo singolo e i cristalli da 8 pollici sono stati preparati con successo e coltivati ​​attraverso analisi della simulazione del campo termico e esperimenti di processo.

Introduzione

      Il carburo di silicio (SIC) è un tipico rappresentante dei materiali a semiconduttore di terza generazione. Ha vantaggi delle prestazioni come una larghezza di gap di banda più grande, un campo elettrico di rottura più elevato e una maggiore conducibilità termica. Si comporta bene ad alta temperatura, ad alta pressione e campi ad alta frequenza ed è diventato una delle principali direzioni di sviluppo nel campo della tecnologia dei materiali a semiconduttore.  Allo stato attuale, la crescita industriale dei cristalli in carburo di silicio utilizza principalmente il trasporto di vapore fisico (PVT), che comporta problemi di accoppiamento multi-fisico complessi di interazione multi-fase, multi-componente, trasferimento di calore e massa multiplo e flusso di calore magneto-elettrico. Pertanto, la progettazione del sistema di crescita PVT è difficile e la misurazione e il controllo dei parametri di processo durante ilprocesso di crescita cristallinaè difficile, con conseguente difficoltà nel controllare i difetti di qualità dei cristalli di carburo di silicio cresciuto e delle piccole dimensioni del cristallo, in modo che il costo dei dispositivi con carburo di silicio man mano che il substrato rimanga elevato.

      Le attrezzature per la produzione in carburo di silicio sono la base della tecnologia in carburo di silicio e dello sviluppo industriale. Il livello tecnico, la capacità di processo e la garanzia indipendente del forno di crescita a cristallo singolo in carburo di silicio sono la chiave per lo sviluppo di materiali in carburo di silicio nella direzione di grandi dimensioni e elevata resa, e sono anche i principali fattori che guidano l'industria dei semiconduttori di terza generazione per svilupparsi nella direzione di basso costo e scala larga. Nei dispositivi a semiconduttore con singolo cristallo in carburo di silicio come substrato, il valore del substrato rappresenta la proporzione più grande, circa il 50%. Lo sviluppo di attrezzature di crescita del cristallo in carburo di silicio di alta qualità di alta qualità, migliorando la resa e il tasso di crescita dei substrati a cristallo singolo in carburo di silicio e la riduzione dei costi di produzione sono di significato chiave per l'applicazione di dispositivi correlati. Al fine di aumentare l'approvvigionamento della capacità di produzione e ridurre ulteriormente il costo medio dei dispositivi in ​​carburo di silicio, espandere le dimensioni dei substrati in carburo di silicio è uno dei modi importanti. Al momento, la dimensione internazionale del substrato in carburo di silicio tradizionale è di 6 pollici e ha rapidamente avanzato a 8 pollici.

       Le principali tecnologie che devono essere risolte nello sviluppo di forni a crescita a singolo cristallo in carburo di silicio da 8 pollici includono: (1) Progettazione di una struttura di campo termico di grandi dimensioni per ottenere un gradiente di temperatura radiale più piccolo e un gradiente di temperatura longitudinale più ampio adatto alla crescita di cristalli di carburo di silicio da 8 pollici. (2) La rotazione del crogiolo di grandi dimensioni e il meccanismo di sollevamento e abbassamento del movimento della bobina, in modo che il crogiolo ruoti durante il processo di crescita del cristallo e si muova rispetto alla bobina in base ai requisiti di processo per garantire la consistenza del cristallo da 8 pollici e facilitare la crescita e lo spessore. (3) Controllo automatico dei parametri di processo in condizioni dinamiche che soddisfano le esigenze del processo di crescita dei cristalli singoli di alta qualità.

1 meccanismo di crescita del cristallo PVT

       Il metodo PVT consiste nel preparare cristalli singoli in carburo di silicio posizionando la sorgente SIC nella parte inferiore di un crogiolo di grafite denso cilindrico e il cristallo di semi SiC è posizionato vicino alla copertura del crogiolo. Il crogiolo è riscaldato a 2 300 ~ 2 400 ℃ mediante induzione o resistenza a radiofrequenza ed è isolato da feltro di grafite ografite porosa. Le principali sostanze trasportate dalla fonte SIC al cristallo di semi sono SI, molecole SI2C e SIC2. La temperatura sul cristallo di semi è controllata per essere leggermente inferiore a quella nella micro-polvere inferiore e un gradiente di temperatura assiale si forma nel crogiolo. Come mostrato nella Figura 1, la micro-piega in carburo di silicio sublimate ad alta temperatura per formare gas di reazione di diversi componenti della fase gassosa, che raggiungono il cristallo di semi con una temperatura più bassa sotto l'unità del gradiente di temperatura e si cristallizzano su di esso per formare un ingegname in carburo di silicio cilindrico.

Le principali reazioni chimiche della crescita del PVT sono:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2Sic ⇌ e₂C (G)+C (S)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+Si (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Le caratteristiche della crescita PVT dei singoli cristalli SIC sono:

1) Esistono due interfacce solide di gas: una è l'interfaccia a gas-SIC e l'altra è l'interfaccia a gas-cristallo.

2) la fase gassosa è composta da due tipi di sostanze: una è le molecole inerte introdotte nel sistema; l'altro è il componente della fase gassosa Simcn prodotta dalla decomposizione e dalla sublimazione diPolvere sic. I componenti della fase gassosa SIMCN interagiscono tra loro e una parte dei cosiddetti componenti della fase gassosa cristallina SIMCN che soddisfano i requisiti del processo di cristallizzazione crescerà nel cristallo SIC.

3) Nella polvere di carburo di silicio solido, si verificheranno reazioni in fase solida tra particelle che non si sono subliminate, tra cui alcune particelle che formano corpi di ceramica porosi attraverso la sinterizzazione, alcune particelle che formano grani con una certa dimensione delle particelle e una morfologia cristallografica attraverso le reazioni di cristallizzazione di cristallizzazione e la trasformazione del carbonio e le particelle di carbonio a causa di particelle di carbonio e non-degomite. sublimazione.

4) Durante il processo di crescita cristallina, si verificheranno due variazioni di fase: uno è che le particelle di polvere in carburo di silicio solido vengono trasformate in componenti della fase gassosa SIMCN attraverso la decomposizione e la sublimazione non statichiometrica attraverso le particelle di lattici attraverso la cristallizzazione.

2 Progettazione di attrezzature 

      Come mostrato nella Figura 2, il forno di crescita a cristallo singolo in carburo di silicio include principalmente: gruppo di copertura superiore, gruppo da camera, sistema di riscaldamento, meccanismo di rotazione del crogiolo, meccanismo di sollevamento del coperchio inferiore e sistema di controllo elettrico.

2.1 Sistema di riscaldamento 

     Come mostrato nella Figura 3, il sistema di riscaldamento adotta il riscaldamento a induzione ed è composto da una bobina di induzione, aGrafite Crucible, uno strato di isolamento (feltro rigido, feltro morbido? Poiché il materiale crogiolo di grafite ad alta purezza ha una buona conducibilità, una corrente indotta viene generata sulla parete del crogiolo, formando una corrente parassita. Sotto l'azione della forza di Lorentz, la corrente indotta alla fine converge sulla parete esterna del crogiolo (cioè l'effetto della pelle) e si indebolisce gradualmente lungo la direzione radiale. A causa dell'esistenza di correnti parassite, il calore di Joule viene generato sulla parete esterna del crogiolo, diventando la fonte di riscaldamento del sistema di crescita. Le dimensioni e la distribuzione del calore di Joule determinano direttamente il campo di temperatura nel crogiolo, che a sua volta influenza la crescita del cristallo.

     Come mostrato nella Figura 4, la bobina di induzione è una parte chiave del sistema di riscaldamento. Adotta due serie di strutture bobine indipendenti ed è dotato rispettivamente di meccanismi di movimento di precisione superiore e inferiore. La maggior parte della perdita di calore elettrica dell'intero sistema di riscaldamento è a carico della bobina e deve essere eseguita il raffreddamento forzato. La bobina è avvolta con un tubo di rame e raffreddata dall'acqua all'interno. L'intervallo di frequenza della corrente indotta è di 8 ~ 12 kHz. La frequenza del riscaldamento a induzione determina la profondità di penetrazione del campo elettromagnetico nel crogiolo di grafite. Il meccanismo di movimento della bobina utilizza un meccanismo di coppia a vite a motore. La bobina di induzione collabora con l'alimentazione a induzione per riscaldare il crogiolo di grafite interno per ottenere la sublimazione della polvere. Allo stesso tempo, la potenza e la posizione relativa delle due serie di bobine sono controllate per rendere la temperatura sul cristallo di semi inferiore a quella nella micro-polvere inferiore, formando un gradiente di temperatura assiale tra il cristallo di semi e la polvere nel crogiolo e formando un ragionevole gradiente di temperatura radiale sul cristallo in carburo silicio.

2.2 Meccanismo di rotazione del crogiolo 

      Durante la crescita di grandi dimensionicristalli singoli in carburo di silicio, il crogiolo nell'ambiente sottovuoto della cavità viene mantenuto a ruotare in base ai requisiti di processo e il campo termico gradiente e lo stato a bassa pressione nella cavità devono essere mantenuti stabili. Come mostrato nella Figura 5, una coppia di ingranaggi a motore viene utilizzata per ottenere una rotazione stabile del crogiolo. Una struttura di tenuta del fluido magnetico viene utilizzata per ottenere la tenuta dinamica dell'albero rotante. La guarnizione del fluido magnetico utilizza un circuito di campo magnetico rotante formato tra il magnete, la scarpa a palo magnetico e il manicotto magnetico per assorbire saldamente il liquido magnetico tra la punta della scarpa da palo e la manica per formare un anello fluido a forma di o-ring, bloccando completamente lo spazio per raggiungere lo scopo della tenuta. Quando il movimento rotazionale viene trasmesso dall'atmosfera alla camera del vuoto, il dispositivo di sigillatura dinamica dell'o-ring liquido viene utilizzato per superare gli svantaggi di una facile usura e una bassa vita nella tenuta solida e il fluido magnetico liquido può riempire l'intero spazio sigillato, bloccando così tutti i canali che possono perdere aria e ottenere una perdita zero nei due processi di crogiolo e arresto. Il supporto del fluido magnetico e del crogiolo adottano una struttura di raffreddamento dell'acqua per garantire l'applicabilità ad alta temperatura del fluido magnetico e del supporto del crogiolo e raggiungere la stabilità dello stato del campo termico.

2.3 Meccanismo di sollevamento della copertura inferiore

     Il meccanismo di sollevamento del coperchio inferiore è costituito da un motore di trasmissione, una vite a sfera, una guida lineare, una staffa di sollevamento, un coperchio del forno e una staffa di copertura del forno. Il motore guida la staffa del coperchio del forno collegato alla coppia di guida a vite attraverso un riduttore per realizzare il movimento su e giù del coperchio inferiore.

     Il meccanismo di sollevamento della copertura inferiore facilita il posizionamento e la rimozione di crogioli di grandi dimensioni e, soprattutto, garantisce l'affidabilità della tenuta del coperchio del forno inferiore. Durante l'intero processo, la camera ha fasi di cambio di pressione come vuoto, alta pressione e bassa pressione. Lo stato di compressione e sigillatura della copertura inferiore influisce direttamente sull'affidabilità del processo. Una volta che il sigillo fallisce a temperatura elevata, l'intero processo verrà demolito. Attraverso il dispositivo di controllo del servo e limite del motore, la tenuta del gruppo di copertura inferiore e la camera è controllata per ottenere il miglior stato di compressione e sigillatura dell'anello di tenuta della camera del forno per garantire la stabilità della pressione di processo, come mostrato nella Figura 6.

2.4 Sistema di controllo elettrico 

      Durante la crescita dei cristalli in carburo di silicio, il sistema di controllo elettrico deve controllare accuratamente diversi parametri di processo, principalmente tra cui l'altezza della posizione della bobina, la velocità di rotazione del crogiolo, la potenza di riscaldamento e la temperatura, il diverso flusso di assunzione di gas e l'apertura della valvola proporzionale.

      Come mostrato nella Figura 7, il sistema di controllo utilizza un controller programmabile come server, che è collegato al servo driver attraverso il bus per realizzare il controllo del movimento della bobina e del crogiolo; È collegato al controller di temperatura e al controller di flusso attraverso il mobusrtu standard per realizzare il controllo in tempo reale di temperatura, pressione e flusso di gas di processo speciale. Stabilisce la comunicazione con il software di configurazione tramite Ethernet, scambia le informazioni di sistema in tempo reale e visualizza varie informazioni sui parametri di processo sul computer host. Operatori, personale di processo e manager scambiano informazioni con il sistema di controllo attraverso l'interfaccia umana-macchina.

     Il sistema di controllo esegue tutta la raccolta dei dati sul campo, l'analisi dello stato operativo di tutti gli attuatori e la relazione logica tra i meccanismi. Il controller programmabile riceve le istruzioni del computer host e completa il controllo di ciascun attuatore del sistema. La strategia di esecuzione e sicurezza del menu di processo automatico è tutte eseguite dal controller programmabile. La stabilità del controller programmabile garantisce la stabilità e l'affidabilità della sicurezza dell'operazione del menu di processo.

     La configurazione superiore mantiene lo scambio di dati con il controller programmabile in tempo reale e visualizza i dati sul campo. È dotato di interfacce operative come il controllo del riscaldamento, il controllo della pressione, il controllo del circuito del gas e il controllo del motore e i valori di impostazione di vari parametri possono essere modificati sull'interfaccia. Monitoraggio in tempo reale dei parametri di allarme, fornendo visualizzazione degli allarmi sullo schermo, registrando i dati e i dati dettagliati del verificarsi e del recupero degli allarmi. Registrazione in tempo reale di tutti i dati di processo, contenuto di funzionamento dello schermo e tempo di funzionamento. Il controllo di fusione di vari parametri di processo è realizzato attraverso il codice sottostante all'interno del controller programmabile e è possibile realizzare un massimo di 100 passaggi di processo. Ogni fase include più di una dozzina di parametri di processo come tempo di funzionamento del processo, potenza target, pressione target, flusso di argon, flusso di azoto, flusso di idrogeno, posizione crogiolo e velocità di crogiolo.

3 Analisi della simulazione del campo termico

    Viene stabilito il modello di analisi della simulazione del campo termico. La Figura 8 è la mappa della nuvola di temperatura nella camera di crescita del crogiolo. Al fine di garantire l'intervallo di temperatura di crescita del singolo cristallo 4H-SIC, la temperatura centrale del cristallo di semi viene calcolata in 2200 ℃ e la temperatura del bordo è di 2205,4 ℃. Al momento, la temperatura centrale della parte superiore del crogiolo è di 2167,5 ℃ e la temperatura più alta dell'area della polvere (lato verso il basso) è 2274,4 ℃, formando un gradiente di temperatura assiale.

       La distribuzione del gradiente radiale del cristallo è mostrata nella Figura 9. Il gradiente di temperatura laterale inferiore della superficie del cristallo di semi può migliorare efficacemente la forma di crescita del cristallo. La differenza di temperatura iniziale calcolata di corrente è di 5,4 ℃ e la forma complessiva è quasi piatta e leggermente convessa, il che può soddisfare l'accuratezza del controllo della temperatura radiale e i requisiti di uniformità della superficie del cristallo di semi.

       La curva di differenza di temperatura tra la superficie della materia prima e la superficie del cristallo di semi è mostrata nella Figura 10. La temperatura centrale della superficie del materiale è 2210 ℃ e un gradiente di temperatura longitudinale di 1 ℃/cm è formato tra la superficie del materiale e la superficie del cristallo di semi, che si trova all'interno di un intervallo ragionevole.

      Il tasso di crescita stimato è mostrato nella Figura 11. Il tasso di crescita troppo rapido può aumentare la probabilità di difetti come il polimorfismo e la dislocazione. L'attuale tasso di crescita stimato è vicino a 0,1 mm/h, che si trova all'interno di un intervallo ragionevole.

     Attraverso l'analisi e il calcolo della simulazione del campo termico, si è scoperto che la temperatura centrale e la temperatura del bordo del cristallo di semi soddisfano il gradiente di temperatura radiale del cristallo di 8 pollici. Allo stesso tempo, la parte superiore e inferiore del crogiolo formano un gradiente di temperatura assiale adatto alla lunghezza e allo spessore del cristallo. L'attuale metodo di riscaldamento del sistema di crescita può soddisfare la crescita di singoli cristalli da 8 pollici.

4 test sperimentali

     Usando questofornace di crescita a cristallo singolo in carburo di silicio, in base al gradiente di temperatura della simulazione del campo termico, regolando i parametri come la temperatura superiore del crogiolo, la pressione della cavità, la velocità di rotazione del crogiolo e la posizione relativa delle bobine superiori e inferiori, è stato eseguito un test di crescita del cristallo in carburo di silicio e è stato effettuato un cristallo in carburo di 8 pollici (come mostrato nella Figura 12).

5 Conclusione

     Sono state studiate le tecnologie chiave per la crescita di singoli cristalli di carburo di silicio da 8 pollici, come campo termico a gradiente, meccanismo di movimento crogiolo e controllo automatico dei parametri di processo. Il campo termico nella camera di crescita del crogiolo è stato simulato e analizzato per ottenere il gradiente di temperatura ideale. Dopo il test, il metodo di riscaldamento a induzione a doppia bobina può soddisfare la crescita di grandi dimensioniCristalli di carburo di silicio. La ricerca e lo sviluppo di questa tecnologia forniscono tecnologia delle attrezzature per ottenere cristalli in carburo da 8 pollici e fornisce basi di attrezzatura per la transizione dell'industrializzazione in carburo di silicio da 6 pollici a 8 pollici, migliorando l'efficienza di crescita dei materiali in carburo di silicio e riducendo i costi.