Заснована на 8-инчна технологија на печка за раст на силициум карбид со еден кристал

Силициум карбид е еден од идеалните материјали за изработка на уреди со висока температура, висока фреквенција, моќност и висок напон. Со цел да се подобри ефикасноста на производството и да се намалат трошоците, подготовката на подлоги од силициум карбид со големи димензии е важна развојна насока. Со цел на барањата на процесот наМонокристален раст од 8 инчи силициум карбид (SIC)., беше анализиран механизмот на раст на методот за транспорт на физичка пареа со силициум карбид (PVT), системот за греење (Прстен за водич TaC, сад со обложен со TaC,TaC обложени прстени, Плоча обложена со TaC, Прстен со три ливчиња обложена со TaC, Распрснувач со три ливчиња обложена со TaC, држач обложен со TaC, порозен графит, мек филц, цврст филц, кристален сусцептор за раст обложен со SiC и другоРезервни делови за процесот на раст со единечни кристалисе обезбедени од VeTek Semiconductor ), проучена е технологијата за ротација на садот и контрола на параметрите на процесот на печка за раст на силициум карбид со еден кристал, а 8-инчните кристали беа успешно подготвени и одгледувани преку анализа на симулација на термичко поле и процесни експерименти.

0 Вовед

Силициум карбид (SiC) е типичен претставник на полупроводничките материјали од третата генерација. Има предности во изведбата, како што се поголема ширина на бендот, поголемо електрично поле на распаѓање и поголема топлинска спроводливост. Добро функционира на полиња со висока температура, висок притисок и висока фреквенција и стана една од главните развојни насоки во областа на технологијата на полупроводнички материјали. Има широк опсег на потреби за примена во нови енергетски возила, производство на фотоволтаична енергија, железнички транспорт, паметна мрежа, 5G комуникација, сателити, радари и други полиња. Во моментов, индустрискиот раст на кристалите од силициум карбид главно користи физички транспорт на пареа (PVT), кој вклучува сложени проблеми со повеќефизичко спојување на полето од повеќефазни, повеќекомпонентни, повеќекратен пренос на топлина и маса и магнето-електричен проток на топлина. Затоа, дизајнот на системот за раст на PVT е тежок, а параметарот на процесот мерење и контрола во текот напроцес на раст на кристалитее тешко, што резултира со тешкотии во контролирањето на дефектите на квалитетот на одгледуваните кристали на силициум карбид и малата големина на кристалот, така што цената на уредите со силициум карбид како подлога останува висока.

Опремата за производство на силициум карбид е основа на технологијата и индустрискиот развој на силициум карбид. Техничкото ниво, способноста за процес и независната гаранција за печката за раст на силициум карбид се клучот за развојот на материјалите од силициум карбид во насока на големи димензии и висок принос, а исто така се главните фактори кои ја поттикнуваат третата генерација на полупроводничка индустрија кон се развиваат во насока на ниски трошоци и големи. Во моментов, развојот на уреди со силициум карбид со висок напон, висока моќност и висока фреквенција постигна значителен напредок, но ефикасноста на производството и трошоците за подготовка на уредите ќе станат важен фактор што го ограничува нивниот развој. Кај полупроводничките уреди со еднокристал силициум карбид како супстрат, вредноста на подлогата зазема најголем дел, околу 50%. Развојот на голема големина и висококвалитетна опрема за раст на силициум карбид кристали, подобрување на приносот и стапката на раст на еднокристалните супстрати од силициум карбид и намалувањето на трошоците за производство се од клучно значење за примената на сродни уреди. Со цел да се зголеми понудата на производствениот капацитет и дополнително да се намали просечната цена на уредите со силициум карбид, проширувањето на големината на супстратите од силициум карбид е еден од важните начини. Во моментов, меѓународната мејнстрим големина на подлогата од силициум карбид е 6 инчи, и таа брзо напредува до 8 инчи.

Главните технологии кои треба да се решат во развојот на печки за раст со еднокристално силициум карбид од 8 инчи вклучуваат: 1) Дизајн на структура на термичко поле со голема големина за да се добие помал радијален температурен градиент и поголем надолжен температурен градиент погоден за раст од 8-инчни силициум карбид кристали. 2) Механизам за движење на ротирачки сад со големи димензии и подигање и спуштање на серпентина, така што садот се ротира за време на процесот на раст на кристалот и се движи во однос на серпентина според барањата на процесот за да се обезбеди конзистентност на 8-инчниот кристал и да се олесни растот и дебелината . 3) Автоматска контрола на параметрите на процесот под динамични услови кои ги задоволуваат потребите на висококвалитетниот процес на раст на еден кристал.

1 Механизам за раст на кристали PVT

PVT методот е да се подготват единечни кристали од силициум карбид со поставување на изворот на SiC на дното на цилиндрична густа графитна садница, а семето на SiC семето се поставува во близина на капакот на садот. Распоредот се загрева до 2 300 ~ 2 400 ℃ со радиофреквентна индукција или отпор, и е изолиран со графитна филц илипорозен графит. Главните супстанции што се транспортираат од изворот на SiC до кристалот на семето се молекулите Si, Si2C и SiC2. Температурата на семениот кристал се контролира да биде малку пониска од онаа на долниот микропрашок, а во садот се формира аксијален температурен градиент. Како што е прикажано на слика 1, микропрашокот од силициум карбид се сублимира на висока температура за да формира реакциони гасови од различни компоненти на гасна фаза, кои допираат до кристалот на семето со пониска температура под погонот на температурниот градиент и се кристализираат на него за да формираат цилиндричен ингот од силициум карбид.

Главните хемиски реакции на PVT растот се:

SiC(s)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(и)⇌SiC(g) (4)

Карактеристиките на PVT растот на SiC единечни кристали се:

1) Постојат два интерфејси гас-цврсти: еден е интерфејс гас-SiC прашок, а другиот е интерфејс гас-кристал.

2) Гасната фаза е составена од два вида супстанции: едната е инертните молекули внесени во системот; другата е гасната фаза компонента SimCn произведена со распаѓање и сублимација наSiC прашок. Компонентите на гасната фаза SimCn комуницираат едни со други, а дел од таканаречените компоненти на кристални гасовити SimCn кои ги задоволуваат барањата на процесот на кристализација ќе прераснат во кристал SiC.

3) Во цврстиот силициум карбид во прав, ќе се појават реакции во цврста фаза помеѓу честичките кои не се сублимирале, вклучувајќи некои честички кои формираат порозни керамички тела преку синтерување, некои честички кои формираат зрна со одредена големина на честички и кристалографска морфологија преку реакции на кристализација, а некои честички од силициум карбид кои се трансформираат во честички богати со јаглерод или честички на јаглерод поради не-стехиометриско распаѓање и сублимација.

4) За време на процесот на раст на кристалот, ќе се случат две фазни промени: едната е дека честичките од цврстиот силициум карбид во прав се трансформираат во компоненти на гасна фаза SimCn преку нестехиометриско распаѓање и сублимација, а другата е дека компонентите на гасната фаза SimCn се трансформираат во честички на решетка преку кристализација.

2 Дизајн на опрема Како што е прикажано на слика 2, печката за раст со еднокристал со силициум карбид главно вклучува: склоп на горниот капак, склоп на комора, систем за греење, механизам за ротација на садот, механизам за подигање на долниот капак и систем за електрична контрола.

2.1 Систем за греење Како што е прикажано на слика 3, системот за греење прифаќа индукционо греење и е составен од индукциски калем,графитен сад, изолационен слој (крут филц, мек филцКога наизменичната струја со средна фреквенција минува низ индукцискиот калем со повеќе вртења што ја опкружува надворешната страна на графитниот сад, ќе се формира индуцирано магнетно поле со иста фреквенција во графитниот сад, генерирајќи индуцирана електромоторна сила. Бидејќи материјалот од графитниот сад со висока чистота има добра спроводливост, на ѕидот на садот се генерира индуцирана струја, формирајќи виртуелна струја. Под дејство на Лоренцовата сила, индуцираната струја на крајот ќе се конвергира на надворешниот ѕид на садот (т.е. ефектот на кожата) и постепено ќе ослабне долж радијалната насока. Поради постоењето на вртложни струи, топлината од џул се генерира на надворешниот ѕид на садот, што станува извор на греење на системот за раст. Големината и дистрибуцијата на топлината на џул директно го одредуваат температурното поле во садот, што пак влијае на растот на кристалот.

Како што е прикажано на слика 4, индукцискиот калем е клучен дел од системот за греење. Усвојува две групи на независни структури на намотки и е опремен со механизми за прецизно движење на горниот и долниот дел, соодветно. Најголем дел од електричната загуба на топлина на целиот систем за греење е на товар на серпентина и мора да се изврши принудно ладење. Намотката се намотува со бакарна цевка и се лади со вода внатре. Фреквентниот опсег на индуцираната струја е 8~12 kHz. Фреквенцијата на индукциското загревање ја одредува длабочината на пенетрација на електромагнетното поле во графитниот сад. Механизмот за движење на серпентина користи механизам за пар на завртки управуван од мотор. Индукцискиот калем соработува со индукциското напојување за да го загрее внатрешниот графитен сад за да се постигне сублимација на прав. Во исто време, моќноста и релативната положба на двете групи намотки се контролираат за да се направи температурата кај кристалот на семето пониска од онаа кај долниот микропрашок, формирајќи аксијален температурен градиент помеѓу семениот кристал и прашокот во сад, и формирајќи разумен радијален температурен градиент кај кристалот од силициум карбид.

2.2 Механизам за ротација на распрскувач За време на растот на големиединечни кристали на силициум карбид, садот во вакуумската средина на шуплината се одржува ротирачки според барањата на процесот, а градиентното термичко поле и состојбата на низок притисок во шуплината треба да се одржуваат стабилни. Како што е прикажано на слика 5, запчаник со мотор се користи за да се постигне стабилна ротација на садот. За да се постигне динамично запечатување на ротирачкото вратило се користи структура за заптивање со магнетна течност. Заптивката на магнетната течност користи ротирачко магнетно поле формирано помеѓу магнетот, магнетниот столб и магнетната чаура за цврсто да ја апсорбира магнетната течност помеѓу врвот на чевелот на столбот и чаурот за да формира флуиден прстен како О-прстен, целосно блокирајќи јазот за да се постигне целта на запечатување. Кога ротационото движење се пренесува од атмосферата до вакуумската комора, течниот О-прстен динамички уред за запечатување се користи за надминување на недостатоците на лесното абење и малиот век на траење при цврсто запечатување, а течната магнетна течност може да го пополни целиот запечатен простор. со што се блокираат сите канали кои можат да испуштаат воздух и се постигнува нула истекување во двата процеси на движење и запирање на садот. Поддршката за магнетна течност и садот усвојува структура за ладење на вода за да се обезбеди применливост на магнетната течност и садот за поддршка на висока температура и да се постигне стабилност на состојбата на термалното поле.

2.3 Механизам за подигање на долниот капак

Механизмот за подигање на долниот капак се состои од погонски мотор, топчест шраф, линеарен водич, држач за подигнување, капак на печката и држач за капак на печката. Моторот го придвижува држачот на капакот на печката поврзан со парот водич за завртки низ редуктор за да го реализира движењето нагоре и надолу на долниот капак.

Механизмот за подигање на долниот капак го олеснува поставувањето и отстранувањето на садници со големи димензии, и уште поважно, обезбедува сигурност на запечатување на долниот капак на печката. Во текот на целиот процес, комората има фази на промена на притисокот како вакуум, висок притисок и низок притисок. Состојбата на компресија и запечатување на долниот капак директно влијае на сигурноста на процесот. Штом заптивката ќе пропадне при висока температура, целиот процес ќе биде отфрлен. Преку серво уредот за контрола и ограничување на моторот, затегнатоста на склопот на долниот капак и комората се контролира за да се постигне најдобра состојба на компресија и запечатување на заптивниот прстен на комората на печката за да се обезбеди стабилност на притисокот на процесот, како што е прикажано на Слика 6. .

2.4 Електричен контролен систем За време на растот на кристалите од силициум карбид, системот за електрична контрола треба прецизно да ги контролира различните параметри на процесот, главно вклучувајќи ја висината на положбата на серпентина, стапката на ротација на садот, моќноста и температурата на греењето, различниот специјален проток на довод на гас и отворот на пропорционалниот вентил.

Како што е прикажано на слика 7, контролниот систем користи програмабилен контролер како сервер, кој е поврзан со серво-двигателот преку магистралата за да ја реализира контролата на движењето на серпентина и садот; тој е поврзан со регулаторот за температура и регулаторот на проток преку стандардниот MobusRTU за да се реализира контрола на температурата, притисокот и специјалниот проток на гас во реално време. Воспоставува комуникација со софтверот за конфигурација преку етернет, разменува информации за системот во реално време и прикажува различни информации за параметрите на процесот на компјутерот домаќин. Операторите, процесниот персонал и менаџерите разменуваат информации со контролниот систем преку интерфејсот човек-машина.

Контролниот систем го врши целото собирање на теренски податоци, анализа на работниот статус на сите актуатори и логичката врска помеѓу механизмите. Програмабилниот контролер ги прима инструкциите на компјутерот-домаќин и ја комплетира контролата на секој актуатор на системот. Стратегијата за извршување и безбедност на менито за автоматско процесирање се извршуваат од програмабилниот контролер. Стабилноста на програмабилниот контролер ја обезбедува стабилноста и сигурноста на работата на процесното мени.

Горната конфигурација одржува размена на податоци со програмабилниот контролер во реално време и прикажува теренски податоци. Тој е опремен со работни интерфејси како што се контрола на греењето, контрола на притисокот, контрола на колото за гас и контрола на моторот, а вредностите за поставување на различни параметри може да се менуваат на интерфејсот. Мониторинг во реално време на параметрите на алармот, обезбедување приказ на аларм на екранот, снимање на времето и детални податоци за појава и обновување на алармот. Снимање во реално време на сите податоци од процесот, содржина на работа на екранот и време на работа. Контролата на фузија на различни параметри на процесот се реализира преку основниот код во програмираниот контролер и може да се реализираат максимум 100 чекори од процесот. Секој чекор вклучува повеќе од десетина параметри на процесот, како што се времето на работа на процесот, целната моќност, целниот притисок, протокот на аргон, протокот на азот, протокот на водород, положбата на садот и брзината на садот.

3 Симулациска анализа на топлинско поле

Воспоставен е моделот за анализа на симулација на топлинско поле. Слика 8 е мапа на температурен облак во комората за раст на садот. За да се обезбеди температурен опсег на раст на еден кристал 4H-SiC, централната температура на семениот кристал се пресметува на 2200℃, а температурата на работ е 2205,4℃. Во тоа време, централната температура на врвот на садот е 2167,5 ℃, а највисоката температура на областа на прав (страна надолу) е 2274,4 ℃, формирајќи аксијален температурен градиент.

Распределбата на радијалниот градиент на кристалот е прикажана на Слика 9. Долниот страничен температурен градиент на површината на семениот кристал може ефикасно да ја подобри формата на раст на кристалот. Тековната пресметана почетна температурна разлика е 5,4 ℃, а целокупната форма е речиси рамна и малку конвексна, што може да ги задоволи барањата за точноста на радијалната контрола на температурата и униформноста на површината на семените кристали.

Кривата на температурна разлика помеѓу површината на суровината и површината на кристалот на семето е прикажана на Слика 10. Централната температура на површината на материјалот е 2210℃, а надолжен температурен градиент од 1℃/cm се формира помеѓу површината на материјалот и семето кристална површина, која е во разумен опсег.

Проценетата стапка на раст е прикажана на слика 11. Пребрзата стапка на раст може да ја зголеми веројатноста за дефекти како полиморфизам и дислокација. Сегашната проценета стапка на раст е блиску до 0,1 mm/h, што е во разумен опсег.

Преку симулациска анализа и пресметка на топлинско поле, откриено е дека централната температура и температурата на рабовите на семениот кристал го исполнуваат радијалниот температурен градиент на кристалот од 8 инчи. Во исто време, врвот и дното на садот формираат аксијален температурен градиент погоден за должината и дебелината на кристалот. Сегашниот метод на греење на системот за раст може да го задоволи растот на 8-инчни единечни кристали.

4 Експериментален тест

Користејќи го овасилициум карбид печка за раст со еден кристал, врз основа на температурниот градиент на симулацијата на топлинското поле, со прилагодување на параметрите како што се горната температура на садот, притисокот во шуплината, брзината на ротација на садот и релативната положба на горните и долните намотки, беше извршен тест за раст на кристалот на силициум карбид , и добиен е кристал од силициум карбид од 8 инчи (како што е прикажано на слика 12).

5 Заклучок

Проучени се клучните технологии за раст на 8-инчни единечни кристали од силициум карбид, како што се градиентно термално поле, механизам за движење на рожницата и автоматска контрола на параметрите на процесот. Термичкото поле во комората за раст на садот беше симулирано и анализирано за да се добие идеалниот температурен градиент. По тестирањето, двојна серпентина индукциона греење метод може да го исполни растот на големи димензиикристали на силициум карбид. Истражувањето и развојот на оваа технологија обезбедува технологија за опрема за добивање 8-инчни карбидни кристали и обезбедува основа за опрема за транзиција на индустријализацијата на силициум карбид од 6 инчи на 8 инчи, подобрување на ефикасноста на растот на материјалите од силициум карбид и намалување на трошоците.