Basert på 8-tommers silisiumkarbid-enkelkrystallvekstovnsteknologi

Silisiumkarbid er et av de ideelle materialene for å lage enheter med høy temperatur, høy frekvens, høy effekt og høy spenning. For å forbedre produksjonseffektiviteten og redusere kostnadene er fremstilling av silisiumkarbidsubstrater i stor størrelse en viktig utviklingsretning. Sikter på prosesskravene til8-tommers enkeltkrystallvekst av silisiumkarbid (SIC)., vekstmekanismen til silisiumkarbid fysisk damptransport (PVT) metoden ble analysert, varmesystemet (TaC Guide Ring, TaC Coated Crucible,TaC-belagte ringer, TaC-belagt plate, TaC-belagt tre-bladsring, TaC-belagt tre-bladsdigel, TaC-belagt holder, porøs grafitt, myk filt, stiv filt SiC-belagt krystallvekstsusceptor og annetSiC Single Crystal Growth Process Reservedelerer levert av VeTek Semiconductor ), smeltedigelrotasjon og prosessparameterkontrollteknologi av silisiumkarbid enkrystallvekstovn ble studert, og 8-tommers krystaller ble vellykket forberedt og dyrket gjennom termisk feltsimuleringsanalyse og prosesseksperimenter.

0 Introduksjon

Silisiumkarbid (SiC) er en typisk representant for tredjegenerasjons halvledermaterialer. Den har ytelsesfordeler som større båndgapbredde, høyere elektrisk felt sammenbrudd og høyere termisk ledningsevne. Den fungerer godt i felt med høy temperatur, høytrykk og høy frekvens, og har blitt en av hovedutviklingsretningene innen halvledermaterialteknologi. Den har et bredt spekter av applikasjonsbehov innen nye energikjøretøyer, solcellekraftproduksjon, jernbanetransport, smartnett, 5G-kommunikasjon, satellitter, radarer og andre felt. For tiden bruker den industrielle veksten av silisiumkarbidkrystaller hovedsakelig fysisk damptransport (PVT), som involverer komplekse multi-fysiske feltkoblingsproblemer med flerfase-, multikomponent-, multippel varme- og masseoverføring og magneto-elektrisk varmestrøminteraksjon. Derfor er utformingen av PVT-vekstsystemet vanskelig, og prosessparametermåling og kontroll underkrystallvekstprosesser vanskelig, noe som resulterer i vanskeligheten med å kontrollere kvalitetsdefektene til de dyrkede silisiumkarbidkrystallene og den lille krystallstørrelsen, slik at kostnadene for enheter med silisiumkarbid som substrat forblir høye.

Utstyr for produksjon av silisiumkarbid er grunnlaget for silisiumkarbidteknologi og industriell utvikling. Det tekniske nivået, prosesskapasiteten og den uavhengige garantien til silisiumkarbid enkrystall vekstovn er nøkkelen til utviklingen av silisiumkarbidmaterialer i retning av stor størrelse og høyt utbytte, og er også hovedfaktorene som driver tredjegenerasjons halvlederindustri til å utvikle seg i retning av lave kostnader og storskala. For tiden har utviklingen av høyspente, høyeffekts og høyfrekvente silisiumkarbidenheter gjort betydelige fremskritt, men produksjonseffektiviteten og klargjøringskostnadene til enhetene vil bli en viktig faktor som begrenser utviklingen deres. I halvlederenheter med silisiumkarbid enkrystall som substrat, utgjør verdien av substratet den største andelen, ca. 50 %. Utviklingen av høykvalitets silisiumkarbidkrystallvekstutstyr i stor størrelse, forbedring av utbyttet og veksthastigheten til silisiumkarbid-enkrystallsubstrater og reduksjon av produksjonskostnadene er av nøkkelbetydning for bruken av relaterte enheter. For å øke produksjonskapasitetsforsyningen og ytterligere redusere gjennomsnittskostnaden for silisiumkarbidenheter, er utvidelse av størrelsen på silisiumkarbidsubstrater en av de viktige måtene. For tiden er den internasjonale mainstream-størrelsen av silisiumkarbidsubstrat 6 tommer, og den har utviklet seg raskt til 8 tommer.

De viktigste teknologiene som må løses i utviklingen av 8-tommers silisiumkarbid enkrystall vekstovner inkluderer: 1) Design av stor størrelse termisk feltstruktur for å oppnå en mindre radiell temperaturgradient og en større langsgående temperaturgradient egnet for veksten av 8-tommers silisiumkarbidkrystaller. 2) Stor størrelse digelrotasjon og spoleløftende og senkende bevegelsesmekanisme, slik at digelen roterer under krystallvekstprosessen og beveger seg i forhold til spiralen i henhold til prosesskravene for å sikre konsistensen til 8-tommers krystallen og lette vekst og tykkelse . 3) Automatisk kontroll av prosessparametere under dynamiske forhold som oppfyller behovene til en krystallvekstprosess av høy kvalitet.

1 PVT krystallvekstmekanisme

PVT-metoden er å fremstille enkeltkrystaller av silisiumkarbid ved å plassere SiC-kilden i bunnen av en sylindrisk tett grafittdigel, og SiC-frøkrystallen plasseres nær digeldekselet. Digelen varmes opp til 2 300~2 400 ℃ ved radiofrekvensinduksjon eller motstand, og er isolert med grafittfilt ellerporøs grafitt. Hovedstoffene som transporteres fra SiC-kilden til frøkrystallen er Si, Si2C-molekyler og SiC2. Temperaturen ved frøkrystallen kontrolleres til å være litt lavere enn ved det nedre mikropulveret, og det dannes en aksial temperaturgradient i digelen. Som vist i figur 1 sublimerer silisiumkarbidmikropulveret ved høy temperatur for å danne reaksjonsgasser av forskjellige gassfasekomponenter, som når kimkrystallen med en lavere temperatur under driften av temperaturgradienten og krystalliserer på den for å danne en sylindrisk silisiumkarbidblokk.

De viktigste kjemiske reaksjonene av PVT-vekst er:

SiC(s)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(er)⇌SiC(g) (4)

Egenskapene til PVT-vekst av SiC-enkeltkrystaller er:

1) Det er to gass-faststoff-grensesnitt: den ene er gass-SiC-pulvergrensesnittet, og den andre er gasskrystallgrensesnittet.

2) Gassfasen er sammensatt av to typer stoffer: den ene er de inerte molekylene som innføres i systemet; den andre er gassfasekomponenten SimCn produsert ved dekomponering og sublimering avSiC pulver. Gassfasekomponentene SimCn samhandler med hverandre, og en del av de såkalte krystallinske gassfasekomponentene SimCn som oppfyller kravene til krystalliseringsprosessen vil vokse inn i SiC-krystallen.

3) I det faste silisiumkarbidpulveret vil det oppstå fastfasereaksjoner mellom partikler som ikke har sublimert, inkludert noen partikler som danner porøse keramiske legemer gjennom sintring, noen partikler danner korn med en viss partikkelstørrelse og krystallografisk morfologi gjennom krystalliseringsreaksjoner, og noen silisiumkarbidpartikler som forvandles til karbonrike partikler eller karbonpartikler på grunn av ikke-støkiometrisk dekomponering og sublimering.

4) Under krystallvekstprosessen vil det skje to faseendringer: den ene er at de faste silisiumkarbidpulverpartiklene omdannes til gassfasekomponenter SimCn gjennom ikke-støkiometrisk dekomponering og sublimering, og den andre er at gassfasekomponentene SimCn omdannes til gitterpartikler gjennom krystallisering.

2 Utstyrsdesign Som vist i figur 2, inkluderer silisiumkarbid enkrystallvekstovnen hovedsakelig: øvre dekselenhet, kammermontering, varmesystem, smeltedigelrotasjonsmekanisme, nedre dekselløftemekanisme og elektrisk kontrollsystem.

2.1 Varmesystem Som vist i figur 3, bruker varmesystemet induksjonsoppvarming og består av en induksjonsspole, engrafittdigel, et isolasjonslag(stiv filt, myk filt), osv. Når den mellomfrekvente vekselstrømmen passerer gjennom fleromdreiningsinduksjonsspolen som omgir utsiden av grafittdigelen, vil det dannes et indusert magnetfelt med samme frekvens i grafittdigelen, som genererer en indusert elektromotorisk kraft. Siden det høyrente grafittdigelmaterialet har god ledningsevne, genereres en indusert strøm på digelveggen som danner en virvelstrøm. Under påvirkning av Lorentz-kraften vil den induserte strømmen til slutt konvergere på den ytre veggen av digelen (dvs. hudeffekten) og gradvis svekkes langs den radielle retningen. På grunn av eksistensen av virvelstrømmer genereres Joule-varme på den ytre veggen av digelen, og blir varmekilden til vekstsystemet. Størrelsen og fordelingen av Joule-varmen bestemmer direkte temperaturfeltet i digelen, som igjen påvirker veksten av krystallen.

Som vist i figur 4 er induksjonsspolen en sentral del av varmesystemet. Den tar i bruk to sett med uavhengige spolestrukturer og er utstyrt med henholdsvis øvre og nedre presisjonsbevegelsesmekanismer. Det meste av det elektriske varmetapet til hele varmesystemet bæres av spolen, og tvungen kjøling må utføres. Spolen er viklet med et kobberrør og avkjølt av vann inni. Frekvensområdet til den induserte strømmen er 8~12 kHz. Frekvensen av induksjonsoppvarmingen bestemmer inntrengningsdybden til det elektromagnetiske feltet i grafittdigelen. Spolebevegelsesmekanismen bruker en motordrevet skrueparmekanisme. Induksjonsspolen samarbeider med induksjonsstrømforsyningen for å varme opp den interne grafittdigelen for å oppnå sublimering av pulveret. Samtidig styres kraften og den relative posisjonen til de to settene med spoler for å gjøre temperaturen ved frøkrystallen lavere enn ved det nedre mikropulveret, og danner en aksial temperaturgradient mellom frøkrystallen og pulveret i digel, og danner en rimelig radiell temperaturgradient ved silisiumkarbidkrystallen.

2.2 Digel rotasjonsmekanisme Under veksten av store størrelserenkeltkrystaller av silisiumkarbid, digelen i hulrommets vakuummiljø holdes roterende i henhold til prosesskravene, og gradientens termiske felt og lavtrykkstilstanden i hulrommet må holdes stabile. Som vist i figur 5 brukes et motordrevet girpar for å oppnå stabil rotasjon av digelen. En magnetisk fluidtetningsstruktur brukes for å oppnå dynamisk forsegling av den roterende akselen. Den magnetiske væsketetningen bruker en roterende magnetfeltkrets dannet mellom magneten, den magnetiske polskoen og den magnetiske hylsen for å adsorbere den magnetiske væsken mellom polskospissen og hylsen for å danne en O-ringlignende væskering, som fullstendig blokkerer gapet for å oppnå formålet med forsegling. Når rotasjonsbevegelsen overføres fra atmosfæren til vakuumkammeret, brukes den flytende O-rings dynamiske tetningsanordningen for å overvinne ulempene med lett slitasje og lav levetid ved solid forsegling, og den flytende magnetiske væsken kan fylle hele det forseglede rommet, blokkerer derved alle kanaler som kan lekke luft, og oppnår null lekkasje i de to prosessene med digelbevegelse og stopp. Den magnetiske væsken og digelstøtten vedtar en vannkjølende struktur for å sikre høytemperaturanvendbarheten til den magnetiske væsken og digelstøtten og oppnå stabiliteten til den termiske felttilstanden.

2.3 Løftemekanisme for nedre deksel

Den nedre dekselløftemekanismen består av en drivmotor, en kuleskrue, en lineær føring, en løftebrakett, et ovnsdeksel og en ovnsdekselbrakett. Motoren driver ovnsdekselbraketten koblet til skrueføringsparet gjennom en redusering for å realisere opp- og nedbevegelsen til det nedre dekselet.

Den nedre dekselløftemekanismen letter plassering og fjerning av store digler, og enda viktigere, sikrer forseglingspåliteligheten til det nedre ovnsdekselet. Under hele prosessen har kammeret trykkendringstrinn som vakuum, høyt trykk og lavt trykk. Kompresjons- og forseglingstilstanden til det nedre dekselet påvirker direkte prosessens pålitelighet. Når forseglingen svikter under høy temperatur, vil hele prosessen bli skrotet. Gjennom motorens servokontroll og grenseanordning kontrolleres tettheten til den nedre dekselenheten og kammeret for å oppnå den beste tilstanden for kompresjon og tetning av ovnkammerets tetningsring for å sikre stabiliteten til prosesstrykket, som vist i figur 6 .

2.4 Elektrisk kontrollsystem Under veksten av silisiumkarbidkrystaller, må det elektriske kontrollsystemet nøyaktig kontrollere forskjellige prosessparametere, hovedsakelig inkludert spoleposisjonshøyde, digelrotasjonshastighet, varmekraft og temperatur, forskjellig spesiell gassinntaksstrøm og åpning av proporsjonalventilen.

Som vist i figur 7 bruker kontrollsystemet en programmerbar kontroller som server, som er koblet til servodriveren gjennom bussen for å realisere bevegelseskontrollen av spolen og digelen; den er koblet til temperaturregulatoren og strømningsregulatoren gjennom standard MobusRTU for å realisere sanntidskontroll av temperatur, trykk og spesiell prosessgassstrøm. Den etablerer kommunikasjon med konfigurasjonsprogramvaren via Ethernet, utveksler systeminformasjon i sanntid og viser forskjellig prosessparameterinformasjon på vertsdatamaskinen. Operatører, prosesspersonell og ledere utveksler informasjon med kontrollsystemet gjennom menneske-maskin-grensesnittet.

Kontrollsystemet utfører all feltdatainnsamling, analyse av driftsstatus for alle aktuatorer og det logiske forholdet mellom mekanismene. Den programmerbare kontrolleren mottar instruksjonene fra vertsdatamaskinen og fullfører kontrollen av hver aktuator i systemet. Utførelsen og sikkerhetsstrategien til den automatiske prosessmenyen utføres av den programmerbare kontrolleren. Stabiliteten til den programmerbare kontrolleren sikrer stabiliteten og sikkerheten til prosessmenyoperasjonen.

Den øvre konfigurasjonen opprettholder datautveksling med den programmerbare kontrolleren i sanntid og viser feltdata. Den er utstyrt med driftsgrensesnitt som varmekontroll, trykkkontroll, gasskretskontroll og motorkontroll, og innstillingsverdiene til ulike parametere kan endres på grensesnittet. Sanntidsovervåking av alarmparametere, gir skjermalarmvisning, registrering av tid og detaljerte data om alarmforekomst og gjenoppretting. Sanntidsregistrering av alle prosessdata, skjermdriftsinnhold og operasjonstid. Fusjonskontrollen av ulike prosessparametere realiseres gjennom den underliggende koden inne i den programmerbare kontrolleren, og maksimalt 100 prosesstrinn kan realiseres. Hvert trinn inkluderer mer enn et dusin prosessparametere som prosessdriftstid, måleffekt, måltrykk, argonstrøm, nitrogenstrøm, hydrogenstrøm, smeltedigelposisjon og smeltedigelhastighet.

3 Termisk feltsimuleringsanalyse

Den termiske feltsimuleringsanalysemodellen er etablert. Figur 8 er temperaturskykartet i digelens vekstkammer. For å sikre veksttemperaturområdet til 4H-SiC enkeltkrystall, er sentertemperaturen til frøkrystallen beregnet til 2200 ℃, og kanttemperaturen er 2205,4 ℃. På dette tidspunktet er sentertemperaturen på digeltoppen 2167,5 ℃, og den høyeste temperaturen på pulverområdet (siden ned) er 2274,4 ℃, og danner en aksial temperaturgradient.

Den radielle gradientfordelingen til krystallen er vist i figur 9. Den nedre laterale temperaturgradienten til kimkrystalloverflaten kan effektivt forbedre krystallvekstformen. Den nåværende beregnede innledende temperaturforskjellen er 5,4 ℃, og den generelle formen er nesten flat og lett konveks, noe som kan oppfylle kravene til radiell temperaturkontrolls nøyaktighet og jevnhet til frøkrystalloverflaten.

Temperaturdifferansekurven mellom råstoffoverflaten og frøkrystalloverflaten er vist i figur 10. Sentrumstemperaturen på materialoverflaten er 2210 ℃, og det dannes en langsgående temperaturgradient på 1 ℃/cm mellom materialoverflaten og frøet krystalloverflate, som er innenfor et rimelig område.

Estimert vekstrate er vist i figur 11. For høy vekstrate kan øke sannsynligheten for defekter som polymorfisme og dislokasjon. Dagens estimerte vekstrate er nær 0,1 mm/t, som er innenfor et rimelig område.

Gjennom termisk feltsimuleringsanalyse og beregning er det funnet at sentertemperaturen og kanttemperaturen til frøkrystallen møter den radielle temperaturgradienten til krystallen på 8 tommer. Samtidig danner toppen og bunnen av digelen en aksial temperaturgradient som passer for lengden og tykkelsen på krystallen. Den nåværende oppvarmingsmetoden til vekstsystemet kan møte veksten av 8-tommers enkeltkrystaller.

4 Eksperimentell test

Bruker dennesilisiumkarbid enkrystallvekstovn, basert på temperaturgradienten til den termiske feltsimuleringen, ved å justere parametrene som smeltedigelens topptemperatur, hulromstrykk, smeltedigelens rotasjonshastighet og den relative posisjonen til de øvre og nedre spolene, ble det utført en silisiumkarbidkrystallveksttest , og en 8-tommers silisiumkarbidkrystall ble oppnådd (som vist i figur 12).

5. Konklusjon

Nøkkelteknologiene for veksten av 8-tommers enkeltkrystaller av silisiumkarbid, som gradient termisk felt, digelbevegelsesmekanisme og automatisk kontroll av prosessparametere, ble studert. Det termiske feltet i digelvekstkammeret ble simulert og analysert for å oppnå den ideelle temperaturgradienten. Etter testing kan induksjonsoppvarmingsmetoden med dobbel spole møte veksten av store størrelsersilisiumkarbidkrystaller. Forskningen og utviklingen av denne teknologien gir utstyrsteknologi for å oppnå 8-tommers karbidkrystaller, og gir utstyrsgrunnlag for overgangen av silisiumkarbidindustrialisering fra 6 tommer til 8 tommer, og forbedrer veksteffektiviteten til silisiumkarbidmaterialer og reduserer kostnadene.