Baseret på 8-tommer siliciumcarbid-enkeltkrystal-vækstovnsteknologi

Siliciumcarbid er et af de ideelle materialer til fremstilling af højtemperatur-, højfrekvente, højeffekt- og højspændingsenheder. For at forbedre produktionseffektiviteten og reducere omkostningerne er fremstillingen af ​​siliciumcarbidsubstrater i stor størrelse en vigtig udviklingsretning. Sigter mod proceskravene vedr8-tommer siliciumcarbid (SIC) enkeltkrystalvækst, vækstmekanismen for siliciumcarbid fysisk damptransport (PVT) metode blev analyseret, varmesystemet (TaC Guide Ring, TaC Coated Crucible,TaC belagte ringe, TaC-belagt plade, TaC-belagt tre-bladsring, TaC-belagt 3-bladsdigel, TaC-belagt holder, porøs grafit, blød filt, stiv filt, SiC-belagt krystalvækstsusceptor og andreSiC Single Crystal Growth Process Reservedeleer leveret af VeTek Semiconductor), blev digelrotation og procesparameterstyringsteknologi af siliciumcarbid-enkeltkrystalvækstovn undersøgt, og 8-tommers krystaller blev med succes fremstillet og dyrket gennem termisk feltsimuleringsanalyse og proceseksperimenter.

0 Indledning

Siliciumcarbid (SiC) er en typisk repræsentant for tredje generations halvledermaterialer. Det har ydeevnefordele såsom større båndgab-bredde, højere elektrisk nedbrydningsfelt og højere termisk ledningsevne. Det klarer sig godt i høje temperatur-, højtryks- og højfrekvente felter og er blevet en af ​​de vigtigste udviklingsretninger inden for halvledermaterialeteknologi. Det har en bred vifte af anvendelsesbehov inden for nye energikøretøjer, solcelleproduktion, jernbanetransport, smart grid, 5G-kommunikation, satellitter, radarer og andre områder. På nuværende tidspunkt bruger den industrielle vækst af siliciumcarbidkrystaller hovedsageligt fysisk damptransport (PVT), som involverer komplekse multi-fysiske feltkoblingsproblemer med multifase, multikomponent, multipel varme- og masseoverførsel og magneto-elektrisk varmestrømsinteraktion. Derfor er designet af PVT-vækstsystemet vanskeligt, og procesparametermåling og kontrol underkrystalvækstproceser vanskelig, hvilket resulterer i vanskeligheden ved at kontrollere kvalitetsdefekterne af de dyrkede siliciumcarbidkrystaller og den lille krystalstørrelse, således at omkostningerne ved indretninger med siliciumcarbid som substrat forbliver høje.

Udstyr til fremstilling af siliciumcarbid er grundlaget for siliciumcarbidteknologi og industriel udvikling. Det tekniske niveau, proceskapacitet og uafhængige garanti for siliciumcarbid-enkeltkrystal-vækstovne er nøglen til udviklingen af ​​siliciumcarbidmaterialer i retning af stor størrelse og højt udbytte, og er også de vigtigste faktorer, der driver tredje generations halvlederindustri til at udvikle sig i retning af lave omkostninger og storskala. På nuværende tidspunkt har udviklingen af ​​højspændings-, højeffekt- og højfrekvente siliciumcarbidenheder gjort betydelige fremskridt, men produktionseffektiviteten og forberedelsesomkostningerne for enheder vil blive en vigtig faktor, der begrænser deres udvikling. I halvlederenheder med siliciumcarbid-enkeltkrystal som substrat tegner værdien af ​​substrat sig for den største andel, omkring 50%. Udviklingen af ​​højkvalitets siliciumcarbid krystalvækstudstyr, forbedring af udbyttet og væksthastigheden af ​​siliciumcarbid-enkeltkrystalsubstrater og reduktion af produktionsomkostningerne er af afgørende betydning for anvendelsen af ​​relaterede enheder. For at øge produktionskapacitetsforsyningen og yderligere reducere de gennemsnitlige omkostninger ved siliciumcarbidenheder er udvidelse af størrelsen af ​​siliciumcarbidsubstrater en af ​​de vigtige måder. På nuværende tidspunkt er den internationale mainstream siliciumcarbid substratstørrelse 6 tommer, og den har hurtigt udviklet sig til 8 tommer.

De vigtigste teknologier, der skal løses i udviklingen af ​​8-tommer siliciumcarbid enkrystal vækstovne omfatter: 1) Design af stor størrelse termisk feltstruktur for at opnå en mindre radial temperaturgradient og en større langsgående temperaturgradient egnet til væksten af 8-tommer siliciumcarbidkrystaller. 2) Stor størrelse digelrotation og spoleløftende og sænkende bevægelsesmekanisme, så diglen roterer under krystalvækstprocessen og bevæger sig i forhold til spolen i henhold til proceskravene for at sikre konsistensen af ​​8-tommer krystallen og lette vækst og tykkelse . 3) Automatisk kontrol af procesparametre under dynamiske forhold, der opfylder behovene for højkvalitets enkeltkrystalvækstprocesser.

1 PVT krystalvækstmekanisme

PVT-metoden er at fremstille siliciumcarbid-enkeltkrystaller ved at placere SiC-kilden i bunden af ​​en cylindrisk tæt grafitdigel, og SiC-frøkrystallen placeres nær digeldækslet. Digelen opvarmes til 2 300~2 400 ℃ ved radiofrekvensinduktion eller modstand og er isoleret med grafitfilt ellerporøs grafit. De vigtigste stoffer, der transporteres fra SiC-kilden til frøkrystallen, er Si, Si2C-molekyler og SiC2. Temperaturen ved podekrystallen styres til at være lidt lavere end ved det nederste mikropulver, og der dannes en aksial temperaturgradient i diglen. Som vist i figur 1 sublimerer siliciumcarbidmikropulveret ved høj temperatur for at danne reaktionsgasser af forskellige gasfasekomponenter, som når podekrystallen med en lavere temperatur under drevet af temperaturgradienten og krystalliserer på den for at danne en cylindrisk siliciumcarbid barre.

De vigtigste kemiske reaktioner af PVT-vækst er:

SiC(s)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(s)⇌SiC(g) (4)

Karakteristikaene for PVT-vækst af SiC-enkeltkrystaller er:

1) Der er to gas-faststof-grænseflader: den ene er gas-SiC-pulvergrænsefladen, og den anden er gaskrystalgrænsefladen.

2) Gasfasen er sammensat af to typer stoffer: den ene er de inerte molekyler, der indføres i systemet; den anden er gasfasekomponenten SimCn produceret ved nedbrydning og sublimering afSiC pulver. Gasfasekomponenterne SimCn interagerer med hinanden, og en del af de såkaldte krystallinske gasfasekomponenter SimCn, der opfylder kravene til krystallisationsprocessen, vil vokse til SiC-krystallen.

3) I det faste siliciumcarbidpulver vil der forekomme fastfasereaktioner mellem partikler, der ikke er sublimeret, herunder nogle partikler, der danner porøse keramiske legemer gennem sintring, nogle partikler, der danner korn med en vis partikelstørrelse og krystallografisk morfologi gennem krystallisationsreaktioner, og nogle siliciumcarbidpartikler, der omdannes til kulstofrige partikler eller kulstofpartikler på grund af ikke-støkiometrisk nedbrydning og sublimering.

4) Under krystalvækstprocessen vil der ske to faseændringer: den ene er, at de faste siliciumcarbidpulverpartikler omdannes til gasfasekomponenter SimCn gennem ikke-støkiometrisk nedbrydning og sublimering, og den anden er, at gasfasekomponenterne SimCn omdannes til gitterpartikler gennem krystallisation.

2 Udstyrsdesign Som vist i figur 2 omfatter siliciumcarbid-enkeltkrystalvækstovnen hovedsageligt: ​​øvre dækselkonstruktion, kammerkonstruktion, varmesystem, digelrotationsmekanisme, nedre dækselløftemekanisme og elektrisk kontrolsystem.

2.1 Varmesystem Som vist i figur 3 anvender varmesystemet induktionsvarme og er sammensat af en induktionsspole, engrafitdigel, et isoleringslag(stiv filt, blød filt), osv. Når den mellemfrekvente vekselstrøm passerer gennem multi-turn induktionsspolen, der omgiver ydersiden af ​​grafitdigelen, vil der dannes et induceret magnetfelt med samme frekvens i grafitdigelen, hvilket genererer en induceret elektromotorisk kraft. Da det højrente grafitdigelmateriale har god ledningsevne, genereres en induceret strøm på digelvæggen, der danner en hvirvelstrøm. Under påvirkning af Lorentz-kraften vil den inducerede strøm til sidst konvergere på diglens ydre væg (dvs. hudeffekten) og gradvist svækkes langs den radiale retning. På grund af tilstedeværelsen af ​​hvirvelstrømme genereres Joule-varme på smeltediglens ydre væg, som bliver opvarmningskilden til vækstsystemet. Størrelsen og fordelingen af ​​Joule varme bestemmer direkte temperaturfeltet i diglen, hvilket igen påvirker væksten af ​​krystallen.

Som vist i figur 4 er induktionsspolen en vigtig del af varmesystemet. Den vedtager to sæt uafhængige spolestrukturer og er udstyret med henholdsvis øvre og nedre præcisionsbevægelsesmekanismer. Det meste af det elektriske varmetab i hele varmesystemet bæres af spolen, og der skal udføres tvungen køling. Spolen er viklet med et kobberrør og afkølet af vand indeni. Frekvensområdet for den inducerede strøm er 8~12 kHz. Frekvensen af ​​induktionsopvarmningen bestemmer indtrængningsdybden af ​​det elektromagnetiske felt i grafitdigelen. Spolebevægelsesmekanismen bruger en motordrevet skrueparmekanisme. Induktionsspolen samarbejder med induktionsstrømforsyningen for at opvarme den interne grafitdigel for at opnå sublimering af pulveret. Samtidig styres kraften og den relative position af de to sæt spoler for at gøre temperaturen ved frøkrystallen lavere end ved det nederste mikropulver, hvilket danner en aksial temperaturgradient mellem frøkrystallen og pulveret i digel og danner en rimelig radial temperaturgradient ved siliciumcarbidkrystallen.

2.2 Digel Rotation Mekanisme Under væksten af ​​store størrelsersiliciumcarbid enkeltkrystaller, diglen i hulrummets vakuummiljø holdes roterende i henhold til proceskravene, og det termiske gradientfelt og lavtrykstilstanden i hulrummet skal holdes stabilt. Som vist i figur 5 bruges et motordrevet gearpar til at opnå stabil rotation af diglen. En magnetisk væsketætningsstruktur bruges til at opnå dynamisk tætning af den roterende aksel. Den magnetiske væskeforsegling bruger et roterende magnetfeltkredsløb, der er dannet mellem magneten, den magnetiske polsko og den magnetiske hylster til fast at adsorbere den magnetiske væske mellem polskoens spids og ærmet for at danne en O-ring-lignende væskering, der fuldstændig blokerer hullet for at opnå formålet med tætning. Når rotationsbevægelsen overføres fra atmosfæren til vakuumkammeret, bruges den flydende O-rings dynamiske tætningsanordning til at overvinde ulemperne ved let slid og lav levetid ved fast tætning, og den flydende magnetiske væske kan fylde hele det forseglede rum, derved blokerer alle kanaler, der kan lække luft, og opnår nul lækage i de to processer med digelbevægelse og stop. Den magnetiske væske og digelstøtten vedtager en vandkølende struktur for at sikre højtemperaturanvendeligheden af ​​den magnetiske væske og digelstøtten og opnå stabiliteten af ​​den termiske felttilstand.

2.3 Løftemekanisme til nederste dæksel

Den nederste dækselløftemekanisme består af en drivmotor, en kugleskrue, en lineær føring, et løftebeslag, et ovndæksel og et ovndækselbeslag. Motoren driver ovndækslets beslag, der er forbundet med skruestyreparret, gennem en reducering for at realisere op- og nedbevægelsen af ​​det nederste låg.

Den nederste dækselløftemekanisme letter placering og fjernelse af store digler, og endnu vigtigere, sikrer tætningspålideligheden af ​​det nedre ovndæksel. Under hele processen har kammeret trykændringstrin såsom vakuum, højtryk og lavt tryk. Kompressions- og tætningstilstanden af ​​det nederste dæksel påvirker direkte processikkerheden. Når forseglingen svigter under høj temperatur, vil hele processen blive skrottet. Gennem motorens servokontrol- og begrænsningsanordning styres tætheden af ​​den nedre dækselsamling og kammeret for at opnå den bedste tilstand af kompression og tætning af ovnkammertætningsringen for at sikre stabiliteten af ​​procestrykket, som vist i figur 6 .

2.4 Elektrisk kontrolsystem Under væksten af ​​siliciumcarbidkrystaller skal det elektriske styresystem nøjagtigt kontrollere forskellige procesparametre, hovedsageligt inklusive spolepositionshøjden, digelrotationshastighed, varmeeffekt og temperatur, forskellige specielle gasindtagsflow og åbning af proportionalventilen.

Som vist i figur 7 bruger styresystemet en programmerbar controller som server, som er forbundet til servodriveren gennem bussen for at realisere bevægelsesstyringen af ​​spolen og digelen; den er forbundet til temperaturregulatoren og flowregulatoren gennem standard MobusRTU for at realisere realtidsstyring af temperatur, tryk og speciel procesgasflow. Den etablerer kommunikation med konfigurationssoftwaren via Ethernet, udveksler systeminformation i realtid og viser forskellige procesparameteroplysninger på værtscomputeren. Operatører, procespersonale og ledere udveksler information med kontrolsystemet gennem menneske-maskine-grænsefladen.

Styresystemet udfører al feltdataindsamling, analyse af driftsstatus for alle aktuatorer og det logiske forhold mellem mekanismerne. Den programmerbare controller modtager instruktionerne fra værtscomputeren og fuldender styringen af ​​hver aktuator i systemet. Udførelsen og sikkerhedsstrategien for den automatiske procesmenu udføres alle af den programmerbare controller. Stabiliteten af ​​den programmerbare controller sikrer stabiliteten og pålideligheden af ​​procesmenudriften.

Den øverste konfiguration opretholder dataudveksling med den programmerbare controller i realtid og viser feltdata. Den er udstyret med betjeningsgrænseflader såsom varmestyring, trykstyring, gaskredsløbsstyring og motorstyring, og indstillingsværdierne for forskellige parametre kan ændres på grænsefladen. Overvågning i realtid af alarmparametre, giver skærmalarmvisning, registrering af tiden og detaljerede data om alarmforekomst og genopretning. Realtidsregistrering af alle procesdata, skærmdriftsindhold og driftstid. Fusionsstyringen af ​​forskellige procesparametre realiseres gennem den underliggende kode inde i den programmerbare controller, og maksimalt 100 procestrin kan realiseres. Hvert trin omfatter mere end et dusin procesparametre såsom procesdriftstid, måleffekt, måltryk, argonflow, nitrogenflow, brintflow, digelposition og digelhastighed.

3 Termisk feltsimuleringsanalyse

Den termiske feltsimuleringsanalysemodel etableres. Figur 8 er temperaturskykortet i diglens vækstkammer. For at sikre væksttemperaturområdet for 4H-SiC-enkeltkrystal beregnes centertemperaturen for frøkrystallen til at være 2200 ℃, og kanttemperaturen er 2205,4 ℃. På dette tidspunkt er smeltediglens midtertemperatur 2167,5 ℃, og den højeste temperatur i pulverområdet (siden nedad) er 2274,4 ℃, hvilket danner en aksial temperaturgradient.

Den radiale gradientfordeling af krystallen er vist i figur 9. Den nedre laterale temperaturgradient af podekrystaloverfladen kan effektivt forbedre krystalvækstformen. Den nuværende beregnede begyndelsestemperaturforskel er 5,4 ℃, og den overordnede form er næsten flad og let konveks, hvilket kan opfylde kravene til radial temperaturkontrols nøjagtighed og ensartethed af frøkrystaloverfladen.

Temperaturforskelkurven mellem råvareoverfladen og frøkrystaloverfladen er vist i figur 10. Materialeoverfladens centertemperatur er 2210 ℃, og der dannes en langsgående temperaturgradient på 1 ℃/cm mellem materialeoverfladen og frøet krystaloverflade, som ligger inden for et rimeligt område.

Den estimerede væksthastighed er vist i figur 11. For hurtig vækstrate kan øge sandsynligheden for defekter som polymorfi og dislokation. Den nuværende estimerede vækstrate er tæt på 0,1 mm/t, hvilket er inden for et rimeligt interval.

Gennem termisk feltsimuleringsanalyse og -beregning viser det sig, at centertemperaturen og kanttemperaturen af ​​frøkrystallen opfylder den radiale temperaturgradient af krystallen på 8 tommer. Samtidig danner toppen og bunden af ​​diglen en aksial temperaturgradient, der passer til krystallens længde og tykkelse. Den nuværende opvarmningsmetode for vækstsystemet kan imødekomme væksten af ​​8-tommer enkeltkrystaller.

4 Eksperimentel test

Bruger dettesiliciumcarbid enkrystal vækstovn, baseret på temperaturgradienten af ​​den termiske feltsimulering, ved at justere parametrene såsom digelens toptemperatur, hulrummets tryk, digelens rotationshastighed og den relative position af de øvre og nedre spoler, blev der udført en siliciumcarbidkrystalvæksttest og en 8-tommers siliciumcarbidkrystal blev opnået (som vist i figur 12).

5 Konklusion

Nøgleteknologierne til væksten af ​​8-tommer enkeltkrystaller af siliciumcarbid, såsom gradient termisk felt, digelbevægelsesmekanisme og automatisk kontrol af procesparametre, blev undersøgt. Det termiske felt i diglens vækstkammer blev simuleret og analyseret for at opnå den ideelle temperaturgradient. Efter afprøvning kan induktionsopvarmningsmetoden med dobbelt spole imødekomme væksten i store størrelsersiliciumcarbid krystaller. Forskningen og udviklingen af ​​denne teknologi giver udstyrsteknologi til opnåelse af 8-tommer karbidkrystaller og giver udstyrsgrundlag for overgangen af ​​siliciumcarbid-industrialisering fra 6 tommer til 8 tommer, hvilket forbedrer væksteffektiviteten af ​​siliciumcarbidmaterialer og reducerer omkostningerne.