Основанная на 8-дюймовой технологии монокристаллов из карбида кремния карбида.

       Кремниевый карбид является одним из идеальных материалов для создания высокотемпературных, высокочастотных, мощных и высоковольтных устройств. Чтобы повысить эффективность производства и снизить затраты, подготовка крупных кремниевых карбид-субстратов является важным направлением разработки. Стремление к требованиям процесса8-дюймовый рост монокристаллов с 8 дюймом (SIC), механизм роста метода физического транспорта паров (PVT) кремниевого карбида (PVT).TAC Coted RingsTAC с покрытием TAC, TAC, покрытое тремя-лепеальными кольцом, TAC, покрытым трёх-питальным тиглем, держателем с покрытием TAC, пористым графитом, мягким войлоком, жестким войлоком SIC-покрытого Crystal Rostor и другимиSIC монокристаллический процесс роста запасные частипредоставляются Vetek Semiconductor), была изучена технология управления параметрами параметров процесса кремниевого карбида монокристаллического монокристалля, и 8-дюймовые кристаллы были успешно подготовлены и выращивались с помощью анализа и моделирования теплового поля и экспериментов по процессу.

Введение

      Кремниевый карбид (sic) является типичным представителем полупроводниковых материалов третьего поколения. Он имеет преимущества производительности, такие как большая ширина полосовой зоны, более высокое электрическое поле расщепления и более высокая теплопроводность. Он хорошо работает в областях высокой температуры, высокого давления и высокочастотных, и стал одним из основных направлений развития в области технологии полупроводникового материала.  В настоящее время промышленный рост кристаллов карбида кремния в основном использует физический транспорт паров (PVT), который включает в себя сложные проблемы с мультифизическим полем мультифазного, многокомпонентного, множественного тепла и массопереноса и взаимодействия магнито-электрического теплового потока. Следовательно, конструкция системы роста PVT затруднена, и измерение и управление параметрами процесса во времяПроцесс роста кристалловТрудно, что приводит к трудностям в контроле качественных дефектов взрослых кристаллов карбида кремния и небольшого размера кристалла, чтобы стоимость устройств с карбидом кремния в качестве субстрата оставалась высокой.

      Оборудование для производства карбида кремния является основой технологии карбида кремния и промышленной разработки. Технический уровень, возможности процесса и независимая гарантия печи монокристаллов кремниевого монокристалля являются ключом к разработке карбидных материалов кремния в направлении большого размера и высокого урожая, а также являются основными факторами, способствующими полупроводниковой промышленности третьего поколения в направлении низкой стоимости и крупномасштабной. На полупроводниковых устройствах с кремниевым карбидным монокристаллом в качестве субстрата значение субстрата составляет наибольшую долю, около 50%. Разработка высококачественного высококачественного оборудования для роста кристаллов кремниевого карбида, повышение урожайности и скорости роста монокристаллических субстратов кремния и снижение затрат на производство имеет ключевое значение для применения соответствующих устройств. Чтобы увеличить поставку производственных мощностей и еще больше сократить среднюю стоимость карбида кремния, расширение размера субстратов карбида кремния является одним из важных способов. В настоящее время международный массовый размер карбида кремния составляет 6 дюймов, и он быстро продвигается до 8 дюймов.

       Основные технологии, которые необходимо решить при разработке 8-дюймовых печи с монокристаллом кремния, включают в себя: (1) конструкцию структуры теплового поля большого размера для получения меньшего градиента радиальной температуры и большего продольного градиента температуры, подходящего для роста 8-дюймовых кристаллов карбида силикона. (2) Красивое вращение и подъем катушки и понижение механизма движения, так что тигель вращается во время процесса роста кристаллов и движется относительно катушки в соответствии с требованиями процесса, чтобы обеспечить консистенцию 8-дюймового кристалла и облегчить рост и толщину. (3) Автоматическое управление параметрами процесса в динамических условиях, которые отвечают потребностям высококачественного процесса роста монокристаллов.

1 Механизм роста кристаллов PVT

       Метод PVT заключается в приготовлении монокристаллов из карбида кремния, помещая источник SIC в нижней части цилиндрического плотного графита, и кристалл семян SIC расположен рядом с тиглем. Тигб нагревается до 2 300 ~ 2 400 ℃ путем радиочастотной индукции или сопротивления и изолирована фетром графита илиПористый графитПолем Основными веществами, транспортируемыми из источника SIC в кристалл семян, являются Si, молекулы Si2c и SIC2. Температура в кристалле семян контролируется, чтобы быть немного ниже, чем в более низком микроволоне, и в тигеле образуется осевой градиент температуры. Как показано на рисунке 1, кремниевый карбид-карбид сублиматирует при высокой температуре с образованием реакционных газов различных компонентов газовой фазы, которые достигают кристалла семян с более низкой температурой под приводом градиента температуры и кристаллизуются на нем с образованием цилиндрического спускания карбида.

Основными химическими реакциями роста PVT являются:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2sic ⇌ и₂C (g)+c (s)

2sic ⇌ sic2 (g)+si (l, g)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Характеристики роста PVT монокристаллов SIC являются:

1) Существует два газо-твердого интерфейса: один представляет собой границу раздела газо-порошок, а другой-граница с газо-кристаллом.

2) Газовая фаза состоит из двух типов веществ: одним из них являются инертные молекулы, введенные в систему; Другой - это компонент газовой фазы, производимый разложением и сублимациейSIC ПорошокПолем Компоненты газовой фазы SIMCN взаимодействуют друг с другом, а часть так называемых компонентов кристаллической газовой фазы, которые соответствуют требованиям процесса кристаллизации, будут расти в кристалл SIC.

3) В сплошном кремниевом порошке карбида между частицами, которые не сублимировались, будут происходить твердофазные реакции, включая некоторые частицы, образующие пористые керамические тела посредством спекания, некоторые частицы, образующие зерна с определенным размером частиц и кристаллографическим морфологией через реакции кристаллизации, и некоторые частицы из карбида, превращающиеся в углеродистые частицы.

4) Во время процесса роста кристаллов произойдут два фазы изменений: одно из них заключается в том, что твердое кремниевое карбид-частицы преобразуются в газовые компоненты SIMCN посредством нестехиометрического разложения и сублимации, а другое заключается в том, что составляющие газовой фазы преобразуются в частиц с кристаллизацией.

2 проектирование оборудования 

      Как показано на рисунке 2, печь монокристаллов кремния карбида в основном включает в себя: сборку верхней части крышки, сборку камеры, систему нагрева, механизм вращения тиража, механизм подъема нижнего крышки и систему электрического контроля.

2.1 Система отопления 

     Как показано на рисунке 3, система отопления принимает индукционный нагрев и состоит из индукционной катушки,Графит тигб, изоляционный слой (Жесткий войло, Мягкий войло) и т. д. Когда чередовый ток средней частоты проходит через индукционную катушку с несколькими поворотами, окружающую внешнюю внешнюю графитовая тигель, в графитовом растворе будет образовано индуцированное магнитное поле той же частоты, генерируя индуцированную электродвижущую силу. Поскольку тигный материал с высокой чистотой графитом обладает хорошей проводимостью, на стенке тигбла генерируется индуцированный ток, образуя вихревой ток. Под действием силы Лоренца индуцированный ток в конечном итоге будет сходиться на внешней стенке тигеля (то есть эффект кожи) и постепенно ослабнет вдоль радиального направления. Из -за существования вихревых токов джоуль тепло генерируется на внешней стенке тигбла, становясь источником нагрева системы роста. Размер и распределение жары джоуля непосредственно определяет поля температуры в тигеле, что, в свою очередь, влияет на рост кристалла.

     Как показано на рисунке 4, индукционная катушка является ключевой частью системы нагрева. Он принимает два набора независимых структур катушек и оснащен механизмами верхней и нижней точности движения соответственно. Большая часть потери электрического тепла всей системы отопления носит катушку, и должно быть выполнено принудительное охлаждение. Катушка намотана медной трубкой и охлаждается водой внутри. Частотный диапазон индуцированного тока составляет 8 ~ 12 кГц. Частота индукционного нагрева определяет глубину проникновения электромагнитного поля в графитовом тигере. Механизм движения катушки использует механизм пары винтов, управляемый двигателем. Индукционная катушка взаимодействует с индукционным источником питания для нагрева внутреннего графитового тигра для достижения сублимации порошка. В то же время мощность и относительное положение двух наборов катушек контролируются, чтобы сделать температуру в кристалле семян ниже, чем в нижнем микроволоне, образуя осевой градиент температуры между кристаллом семян и порошком в типиле и образуя разумный градиент радиального радиального температуры в кристалле карбида кремнеального карбида.

2.2 Механизм вращения тиража 

      Во время роста большого размераСиликоновые карбид монокристаллыТигб в вакуумной среде полости продолжает вращаться в соответствии с требованиями процесса, а тепловое поле градиента и состояние низкого давления в полости должны быть стабильными. Как показано на рисунке 5, для достижения стабильного вращения тигера используется пара, управляемая двигателем. Для достижения динамического уплотнения вращающегося вала используется магнитная жидкость. В уплотнении магнитной жидкости используется вращающаяся цепь магнитного поля, образованную между магнитом, магнитным полюсом и магнитным рукавом для твердого адсорбирования магнитной жидкости между кончиком обуви полюса и рукавом, образуя уплотнительное кольцо, полностью блокируя зазор, чтобы достичь цели. Когда вращательное движение передается из атмосферы в вакуумную камеру, динамическое уплотнение уплотнительного кольца используется для преодоления недостатков легкого износа и низкой жизни в твердом уплотнении, а жидкая магнитная жидкость может заполнить все запечатанное пространство, тем самым блокируя все каналы, которые могут протекать воздух, и достигая нулевой лифу в двух процессах и остановки. Магнитная жидкость и тиглевая поддержка применяют структуру с водяным охлаждением, чтобы обеспечить высокотемпературную применимость магнитной жидкости и тиранной поддержки и достичь стабильности состояния теплового поля.

2.3 Механизм подъема нижней крышки

     Механизм подъема нижней крышки состоит из приводного двигателя, шарикового винта, линейного гида, подъемного кронштейна, крышки печи и кронштейна для крышки печи. Двигатель управляет кронштейном для крышки печи, подключенным к паре винта через редуктор, чтобы реализовать движение вверх и вниз нижней крышки.

     Механизм подъема нижней крышки облегчает размещение и удаление тигенных больших размеров и, что более важно, обеспечивает надежность герметизации нижней крышки печи. В течение всего процесса камера имеет этапы изменения давления, такие как вакуум, высокое давление и низкое давление. Состояние сжатия и герметизации нижней крышки напрямую влияет на надежность процесса. После того, как уплотнение не удается при высокой температуре, весь процесс будет отменен. Через двигатель сервопривод и ограниченное устройство ограничивает герметичность в сборе нижней крышки и камеру контролируется для достижения наилучшего состояния сжатия и герметизации кольца герметизации печи, чтобы обеспечить стабильность давления процесса, как показано на рисунке 6.

2.4 Система электрического управления 

      Во время роста кристаллов карбида кремния необходимо система электрического управления для точного управления различными параметрами процесса, в основном, включая высоту положения катушки, скорость вращения, нагревательную мощность и температуру, различный специальный поток потребления газа и отверстие пропорционального клапана.

      Как показано на рисунке 7, система управления использует программируемый контроллер в качестве сервера, который подключен к сервоприводу через шину, чтобы реализовать управление движением катушки и тигаль; Он подключен к контроллеру температуры и контроллеру потока через стандартный MobusRTU, чтобы реализовать контроль температуры, давления и специального процесса газового потока в реальном времени. Он устанавливает связь с программным обеспечением для конфигурации через Ethernet, обменивает системную информацию в режиме реального времени и отображает различную информацию о параметрах процесса на хост -компьютере. Операторы, процесс персонала и менеджеры обмениваются информацией с системой управления через интерфейс человека.

     Система управления выполняет весь сбор полевых данных, анализ рабочего статуса всех приводов и логическую связь между механизмами. Программируемый контроллер получает инструкции хост -компьютера и завершает управление каждым приводом системы. Стратегия выполнения и безопасности в меню автоматического процесса выполняется программируемым контроллером. Стабильность программируемого контроллера обеспечивает надежность стабильности и безопасности работы меню процесса.

     Верхняя конфигурация поддерживает обмен данными с помощью программируемого контроллера в режиме реального времени и отображает полевые данные. Он оснащен эксплуатационными интерфейсами, такими как управление нагреванием, управление давлением, управление газовым цепью и управление двигателем, и значения настройки различных параметров могут быть изменены на границе раздела. Мониторинг параметров тревоги в реальном времени, обеспечение отображения тревоги экрана, записи времени и подробные данные о возникновении и восстановлении тревоги. Запись всех данных процесса, содержимое операции экрана и время работы. Управление слиянием различных параметров процесса реализуется через базовый код внутри программируемого контроллера, и может быть реализовано максимум 100 этапов процесса. Каждый шаг включает в себя более дюжины параметров процесса, таких как время работы процесса, целевая мощность, целевое давление, поток аргона, поток азота, поток водорода, типичное положение и скорость тигического.

3 Анализ моделирования теплового поля

    Модель анализа моделирования теплового поля установлена. Рисунок 8 представляет собой карту облака температуры в камере роста тига. Чтобы обеспечить диапазон температуры роста монокристалля 4H-SIC, центральная температура кристалла семян рассчитывается 2200 ℃, а температура края составляет 2205,4 ℃. В это время центральная температура верхней части тигля составляет 2167,5 ℃, а самая высокая температура площади порошка (сторона вниз) составляет 2274,4 ℃, образуя осевой градиент температуры.

       Распределение радиального градиента кристалла показано на рисунке 9. Нижний боковый градиент температуры поверхности кристалла семян может эффективно улучшить форму роста кристаллов. Расчетный ток, рассчитанная начальная разница температуры, составляет 5,4 ℃, а общая форма почти плоская и слегка выпуклая, что может соответствовать точности радиального контроля температуры и требования к однородности поверхности кристалла семян.

       Кривая разности температур между поверхностью сырья и поверхностью кристалла семян показана на рисунке 10. Центральная температура поверхности материала составляет 2210 ℃, и между поверхностью материала и поверхностью кристалла семян находится продольный градиент температуры 1 ℃/см.

      Предполагаемая скорость роста показана на рисунке 11. Слишком быстрая скорость роста может увеличить вероятность дефектов, таких как полиморфизм и вывих. Текущий оценочный темп роста близок к 0,1 мм/ч, что находится в пределах разумного диапазона.

     Посредством анализа и расчета моделирования теплового поля обнаружено, что центральная температура и температура края семян -кристалла соответствуют градиенту радиальной температуры кристалла 8 дюймов. В то же время верхняя и нижняя часть тигеля образуют осевой градиент температуры, подходящий для длины и толщины кристалла. Текущий метод отопления системы роста может соответствовать росту 8-дюймовых монокристаллов.

4 Экспериментальный тест

     Используя этоСиликоновая карбид монокристаллическая печь ростаНа основании градиента температуры моделирования теплового поля путем регулировки параметров, таких как тигная верхняя температура, давление полости, скорость вращения вращения и относительное положение верхних и нижних катушек, был получен тест роста кристаллов карбида кремния (как показано на рисунке 12).

5 Заключение

     Были изучены ключевые технологии роста 8-дюймовых монокристаллов карбида кремния, таких как тепловое поле градиента, механизм тиража и автоматический контроль параметров процесса. Термическое поле в камере роста тигро было моделировано и проанализировано для получения идеального градиента температуры. После тестирования метод индукционного нагрева с двойной катушкой может соответствовать росту большого размераКремниевые кристаллы карбидаПолем Исследования и разработки этой технологии предоставляют технологию оборудования для получения 8-дюймовых кристаллов карбида и обеспечивают оборудование для перехода индустриализации карбида кремния с 6 дюймов до 8 дюймов, повышая эффективность роста материалов карбида кремния и снижение затрат.