Come ottenere una crescita di cristalli di alta qualità? - Fornace di crescita del cristallo SIC

1. Qual è il principio di base della fornace di crescita del cristallo in carburo di silicio?

Il principio di lavoro della fornace di crescita cristallina in carburo di silicio è la sublimazione fisica (PVT). Il metodo PVT è uno dei metodi più efficienti per la coltivazione di cristalli SIC ad alta purezza. Attraverso un controllo preciso del campo termico, dell'atmosfera e dei parametri di crescita, il forno di crescita cristallina in carburo di silicio può funzionare stabilmente a temperature elevate per completare il processo di sublimazione, trasmissione della fase gassosa e processo di cristallizzazione della condensaPolvere sic.

1.1 Principio di lavoro della fornace di crescita

● Metodo PVT

Il nucleo del metodo PVT è quello di sublimare la polvere di carburo di silicio in componenti gassosi ad alte temperature e condensare il cristallo del seme attraverso la trasmissione della fase gassosa per formare una singola struttura cristallina. Questo metodo presenta vantaggi significativi nella preparazione di cristalli di grande purezza e di grandi dimensioni.

● Processo di base di crescita dei cristalli

✔ sublimazione: La polvere SIC nel crogiolo è sublimata in componenti gassosi come SI, C2 e SIC2 ad alta temperatura sopra il 2000 ℃.

✔ Trasporto: Sotto l'azione del gradiente termico, i componenti gassosi vengono trasmessi dalla zona ad alta temperatura (zona di polvere) alla zona a bassa temperatura (superficie del cristallo di semi).

✔ Cristallizzazione di condensazione: I componenti volatili precipitano sulla superficie del cristallo del seme e crescono lungo la direzione reticolare per formare un singolo cristallo.

1.2 Principi specifici della crescita dei cristalli

Il processo di crescita dei cristalli di carburo di silicio è diviso in tre fasi, che sono strettamente legati tra loro e influenzano la qualità finale del cristallo.

✔ Sic Sublimation in polvere: In condizioni di alta temperatura, il SIC solido (carburo di silicio) sarà sublimato in silicio gassoso (SI) e carbonio gassoso (C) e la reazione è la seguente:

Sic (s) → si (g) + c (g)

E reazioni secondarie più complesse per generare componenti gassosi volatili (come SIC2). L'alta temperatura è una condizione necessaria per promuovere le reazioni di sublimazione.

✔ Trasporto in fase gassosa: I componenti gassosi vengono trasportati dalla zona di sublimazione del crogiolo nella zona del seme sotto l'unità del gradiente di temperatura. La stabilità del flusso di gas determina l'uniformità della deposizione.

✔ Cristallizzazione di condensazione: A temperature più basse, i componenti gassosi volatili si combinano con la superficie del cristallo di semi per formare cristalli solidi. Questo processo prevede meccanismi complessi di termodinamica e cristallografia.

1.3 Parametri chiave per la crescita del cristallo in carburo di silicio

I cristalli SIC di alta qualità richiedono un controllo preciso dei seguenti parametri:

✔ Temperatura: La zona di sublimazione deve essere mantenuta al di sopra del 2000 ℃ per garantire la completa decomposizione della polvere. La temperatura della zona del seme è controllata a 1600-1800 ℃ per garantire una velocità di deposizione moderata.

✔ Pressione: La crescita del PVT viene solitamente effettuata in un ambiente a bassa pressione di 10-20 Torr per mantenere la stabilità del trasporto della fase gassosa. La pressione alta o troppo bassa porterà a un tasso di crescita cristallino troppo rapido o ad un aumento di difetti.

✔ Atmosfera: Utilizzare l'argon di alta purezza come gas portatore per evitare la contaminazione dell'impurità durante il processo di reazione. La purezza dell'atmosfera è cruciale per la soppressione dei difetti cristallini.

✔ tempo: Il tempo di crescita dei cristalli è di solito fino a decine di ore per ottenere una crescita uniforme e uno spessore adeguato.

2. Qual è la struttura della fornace di crescita del cristallo in carburo di silicio?

L'ottimizzazione della struttura del forno di crescita del cristallo in carburo di silicio si concentra principalmente su riscaldamento ad alta temperatura, controllo dell'atmosfera, progettazione del campo di temperatura e sistema di monitoraggio.

2.1 Componenti principali della fornace di crescita

● Sistema di riscaldamento ad alta temperatura

✔ Riscaldamento della resistenza: utilizzare un filo di resistenza ad alta temperatura (come molibdeno, tungsteno) per fornire direttamente energia termica. Il vantaggio è l'accuratezza del controllo ad alta temperatura, ma la vita è limitata ad alta temperatura.

✔ Riscaldamento a induzione: il riscaldamento della corrente parassita viene generato nel crogiolo attraverso una bobina di induzione. Ha i vantaggi di alta efficienza e non contatto, ma il costo dell'attrezzatura è relativamente elevato.

● Stazione di semi di crogiolo e substrato di grafite

✔ Il crogiolo di grafite ad alta purezza garantisce stabilità ad alta temperatura.

✔ La progettazione della stazione di semi deve tenere conto dell'uniformità del flusso d'aria sia della conducibilità termica.

● Dispositivo di controllo dell'atmosfera

✔ Dotato di un sistema di erogazione di gas di alta purezza e una valvola di regolazione della pressione per garantire la purezza e la stabilità dell'ambiente di reazione.

● Progettazione dell'uniformità del campo di temperatura

✔ Ottimizzando lo spessore della parete del crogiolo, la distribuzione degli elementi di riscaldamento e la struttura dello scudo di calore, si ottiene la distribuzione uniforme del campo di temperatura, riducendo l'impatto della sollecitazione termica sul cristallo.

2.2 Campo di temperatura e design del gradiente termico

✔ Importanza dell'uniformità del campo di temperatura: Il campo di temperatura irregolare porterà a diversi tassi di crescita locali e difetti all'interno del cristallo. L'uniformità del campo di temperatura può essere notevolmente migliorata attraverso la progettazione della simmetria anulare e l'ottimizzazione dello scudo di calore.

✔ Controllo preciso del gradiente termico: Regolare la distribuzione dell'energia dei riscaldatori e utilizzare gli scudi di calore per separare le aree diverse per ridurre le differenze di temperatura. Perché i gradienti termici hanno un impatto diretto sullo spessore dei cristalli e sulla qualità della superficie.

2.3 Sistema di monitoraggio per il processo di crescita dei cristalli

✔ Monitoraggio della temperatura: Utilizzare sensori di temperatura in fibra ottica per monitorare la temperatura in tempo reale della zona di sublimazione e della zona di semi. Il sistema di feedback dei dati può regolare automaticamente la potenza di riscaldamento.

✔ Monitoraggio del tasso di crescita: Utilizzare l'interferometria laser per misurare il tasso di crescita della superficie del cristallo. Combina i dati di monitoraggio con gli algoritmi di modellazione per ottimizzare dinamicamente il processo.

3. Quali sono le difficoltà tecniche della fornace di crescita del cristallo in carburo di silicio?

I colli di bottiglia tecnici del forno di crescita del cristallo in carburo di silicio sono concentrati principalmente in materiali ad alta temperatura, controllo del campo di temperatura, soppressione dei difetti e espansione delle dimensioni.

3.1 Selezione e sfide di materiali ad alta temperatura

Grafiteè facilmente ossidato a temperature estremamente elevate eRivestimento sicDeve essere aggiunto per migliorare la resistenza all'ossidazione. La qualità del rivestimento influisce direttamente sulla vita della fornace.

LIFE ELEMENTO DI RISCALDAZIONE E LIMITTO DI TEMPERATURA. I cavi di resistenza ad alta temperatura devono avere una resistenza ad alta fatica. Le attrezzature di riscaldamento a induzione devono ottimizzare la progettazione della dissipazione del calore della bobina.

3.2 Controllo preciso della temperatura e del campo termico

L'influenza del campo termico non uniforme porterà ad un aumento dei guasti e delle lussazioni di impilamento. Il modello di simulazione del campo termico del forno deve essere ottimizzato per rilevare in anticipo i problemi.

Affidabilità delle apparecchiature di monitoraggio ad alta temperatura. I sensori ad alta temperatura devono essere resistenti alle radiazioni e allo shock termico.

3.3 Controllo dei difetti di cristallo

I guasti, le lussazioni e gli ibridi polimorfici sono i principali tipi di difetti. L'ottimizzazione del campo termico e dell'atmosfera aiuta a ridurre la densità del difetto.

Controllo delle fonti di impurità. L'uso di materiali ad alta purezza e la tenuta della fornace sono fondamentali per la soppressione dell'impurità.

3.4 Sfide della crescita cristallina di grandi dimensioni

I requisiti di uniformità del campo termico per l'espansione delle dimensioni. Quando la dimensione del cristallo viene ampliata da 4 pollici a 8 pollici, il design dell'uniformità del campo di temperatura deve essere completamente aggiornato.

Soluzione per crack e problemi di deformazione. Ridurre la deformazione cristallina riducendo il gradiente di stress termico.

4. Quali sono le materie prime per la coltivazione di cristalli SIC di alta qualità?

Vetek Semiconductor ha sviluppato una nuova materia prima cristallina SIC singolo -Materia prima CVD ad alta purezza CVD. Questo prodotto colma il divario interno ed è anche a livello di primo piano a livello globale e sarà in una posizione di leader a lungo termine nella concorrenza. Le tradizionali materie prime in carburo di silicio sono prodotte dalla reazione di silicio e grafite ad alta purezza, che hanno costi elevati, a basso contenuto di purezza e dimensioni ridotte.

La tecnologia del letto fluidizzato di Vetek Semiconductor utilizza metiltriclorosilano per generare materie prime in carburo di silicio attraverso la deposizione di vapore chimico e il sottoprodotto principale è l'acido cloridrico. L'acido cloridrico può formare sali neutralizzando con gli alcali e non causerà alcun inquinamento all'ambiente. 

Allo stesso tempo, il metiltriclorosilano è un gas industriale ampiamente usato con fonti a basso costo e ampie, in particolare la Cina è il principale produttore di metiltriclorosilano. Pertanto, l'alta purezza di Vetek SemiconductorMateria prima CVD SICHa la competitività leader internazionale in termini di costo e qualità. La purezza della materia prima SIC CVD ad alta purezza è superiore al 99,9995%.

✔ dimensioni grandi e alta densità: La dimensione media delle particelle è di circa 4-10 mm e la dimensione delle particelle delle materie prime di acheson domestico è <2,5 mm. Lo stesso crogiolo di volume può contenere più di 1,5 kg di materie prime, che favoriscono la risoluzione del problema della fornitura insufficiente di materiali di crescita cristallina di grandi dimensioni, alleviando la grafitizzazione delle materie prime, riducendo la confezione di carbonio e il miglioramento della qualità dei cristalli.

✔ Rapporto SI/C basso: È più vicino a 1: 1 rispetto alle materie prime di Acheson del metodo auto-propagante, che può ridurre i difetti indotti dall'aumento della pressione parziale di Si.

✔ Valore di output elevato: Le materie prime cresciute mantengono ancora il prototipo, riducono la ricristallizzazione, riducono la grafitizzazione delle materie prime, riducono i difetti di avvolgimento del carbonio e migliorano la qualità dei cristalli.

✔ maggiore purezza: La purezza delle materie prime prodotte dal metodo CVD è superiore a quella delle materie prime di Acheson del metodo di auto-propagazione. Il contenuto di azoto ha raggiunto le 0,09 ppm senza ulteriore purificazione. Questa materia prima può anche svolgere un ruolo importante nel campo semi-insulante.

✔ Costo inferiore: Il tasso di evaporazione uniforme facilita il controllo del processo e della qualità del prodotto, migliorando al contempo il tasso di utilizzo delle materie prime (tasso di utilizzo> 50%, 4,5 kg di materie prime producono lingotti da 3,5 kg), riducendo i costi.

✔ basso tasso di errore umano: La deposizione di vapore chimico evita le impurità introdotte dall'operazione umana.