Gebaseerd op 8-inch siliciumcarbide enkele kristalgroei-oventechnologie

       Siliciumcarbide is een van de ideale materialen voor het maken van hoge-temperatuur-, hoogfrequente, krachtige en hoogspanningsapparaten. Om de productie-efficiëntie te verbeteren en de kosten te verlagen, is de voorbereiding van grote siliciumcarbide-substraten een belangrijke ontwikkelingsrichting. Richten op de procesvereisten van8-inch siliciumcarbide (SIC) enkele kristalgroei, het groeimechanisme van siliciumcarbide fysische damptransport (PVT) werd geanalyseerd, het verwarmingssysteem (TAC Guide Ring, TAC gecoate smeltkroes,TAC -gecoate ringen, TAC-gecoate plaat, TAC-gecoate drie-petaalring, TAC-gecoate drie-Petal Crucible, TAC-gecoate houder, poreus grafiet, zacht vilt, rigide gevoelige siC-gecoate kristalgroei susceptor en andereSic single crystal groeiproces reserveonderdelenworden geleverd door Vetek Semiconductor), smeltbare rotatie- en procesparametercontroletechnologie van siliciumcarbide enkele kristalgroei-oven werden bestudeerd en 8-inch kristallen werden met succes bereid en gekweekt door thermische veldsimulatieanalyse en procesexperimenten.

Invoering

      Siliconencarbide (SIC) is een typische representatieve van de halfgeleidermaterialen van de derde generatie. Het heeft prestatievoordelen zoals grotere bandgap -breedte, een hoger afbraak elektrisch veld en hogere thermische geleidbaarheid. Het presteert goed in hoge temperatuur-, hoge druk- en hoogfrequentievelden en is een van de belangrijkste ontwikkelingsrichtingen geworden op het gebied van halfgeleidermateriaaltechnologie.  Momenteel maakt de industriële groei van siliciumcarbidekristallen voornamelijk gebruik van fysiek damptransport (PVT), waarbij complexe multi-fysische veldkoppelingsproblemen van meerfase, multi-component, multi-component, meervoudige warmte en massaoverdracht en magneto-elektrische warmtestroominteractie betrokken zijn. Daarom is het ontwerp van het PVT -groeiperstel moeilijk en de procesparametermeting en -controle tijdens de procesparameterskristalgroeiprocesis moeilijk, wat resulteert in de moeilijkheid bij het regelen van de kwaliteitsdefecten van de gekweekte siliciumcarbidekristallen en de kleine kristalgrootte, zodat de kosten van apparaten met siliciumcarbide als het substraat hoog blijven.

      Silicium Carbide Manufacturing Equipment is de basis van siliciumcarbide -technologie en industriële ontwikkeling. Het technische niveau, de procescapaciteit en de onafhankelijke garantie van siliciumcarbide enkele kristalgroei-oven zijn de sleutel tot de ontwikkeling van siliciumcarbidematerialen in de richting van grote omvang en hoge opbrengst, en zijn ook de belangrijkste factoren die de halfgeleiderindustrie van de derde generatie drijven om zich te ontwikkelen in de richting van lage kosten en grote schaal. In halfgeleiderapparaten met siliciumcarbide enkel kristal als substraat, is de waarde van substraat goed voor de grootste verhouding, ongeveer 50%. De ontwikkeling van grootse hoogwaardige siliciumcarbide kristalgroeiapparatuur, het verbeteren van de opbrengst en groeisnelheid van siliciumcarbide enkele kristallen substraten en het verlagen van de productiekosten zijn van een belangrijk belang voor de toepassing van gerelateerde apparaten. Om de productiecapaciteit te verhogen en de gemiddelde kosten van siliciumcarbide -apparaten verder te verlagen, is het uitbreiden van de grootte van siliciumcarbide -substraten een van de belangrijke manieren. Momenteel is de internationale mainstream siliciumcarbide -substraatgrootte 6 inch en is deze snel vooruitgegaan tot 8 inch.

       De belangrijkste technologieën die moeten worden opgelost bij de ontwikkeling van 8-inch siliciumcarbide enkele kristalgroeivaven omvatten: (1) Ontwerp van grote thermische veldstructuur om een ​​kleinere radiale temperatuurgradiënt en een grotere longitudinale temperatuurgradiënt te verkrijgen die geschikt is voor de groei van 8-inch silicium carbidekristallen. (2) Grote smeltbare rotatie en spoeltillende en verlagingsbewegingsmechanisme, zodat de smeltkroes roteert tijdens het kristalgroeiproces en beweegt ten opzichte van de spoel volgens procesvereisten om de consistentie van het 8-inch kristal te waarborgen en groei en dikte te vergemakkelijken. (3) Automatische controle van procesparameters onder dynamische omstandigheden die voldoen aan de behoeften van hoogwaardig single crystal groeiproces.

1 PVT Crystal Growth -mechanisme

       De PVT -methode is om siliciumcarbide enkele kristallen te bereiden door de SIC -bron aan de onderkant van een cilindrisch dicht grafiet -smeltkroes te plaatsen, en het SIC -zaadkristal wordt in de buurt van de smeltkroes geplaatst. De smeltkroes wordt verwarmd tot 2 300 ~ 2 400 ℃ door radiofrequentie -inductie of weerstand, en wordt geïsoleerd door grafietgevoel ofporeus grafiet. De belangrijkste stoffen die van de SIC -bron naar het zaadkristal worden getransporteerd, zijn SI, SI2C -moleculen en SIC2. De temperatuur bij het zaadkristal wordt geregeld om iets lager te zijn dan die bij het onderste micro-pok en een axiale temperatuurgradiënt wordt gevormd in de smeltkroes. Zoals getoond in figuur 1 sublimeert het siliciumcarbide-micro-put bij hoge temperatuur om reactiegassen van verschillende gasfasecomponenten te vormen, die het zaadkristal bereiken met een lagere temperatuur onder de drive van de temperatuurgradiënt en er op kristalliseren om een ​​cilindrische siliciumcarbide-ingot te vormen.

De belangrijkste chemische reacties van PVT -groei zijn:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2sic ⇌ en₂C (g)+c (s)

2SIC ⇌ Sic2 (G)+Si (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

De kenmerken van PVT -groei van SIC enkele kristallen zijn:

1) Er zijn twee gasoplossende interfaces: de ene is de gas-SIC poeder-interface en de andere is de gaskristalinterface.

2) De gasfase bestaat uit twee soorten stoffen: één is de inerte moleculen die in het systeem zijn geïntroduceerd; De andere is de gasfase -component simcn geproduceerd door de ontleding en sublimatie vanSic poeder. De gasfase-componenten SIMCN interageren met elkaar, en een deel van de zogenaamde kristallijne gasfase-componenten SIMCN die voldoen aan de vereisten van het kristallisatieproces zullen groeien in het SIC-kristal.

3) In the solid silicon carbide powder, solid-phase reactions will occur between particles that have not sublimated, including some particles forming porous ceramic bodies through sintering, some particles forming grains with a certain particle size and crystallographic morphology through crystallization reactions, and some silicon carbide particles transforming into carbon-rich particles or carbon particles due to non-stoichiometric decomposition and sublimation.

4) Tijdens het kristalgroeiproces zullen twee faseveranderingen optreden: de ene is dat de vaste siliciumcarbidepoederdeeltjes worden omgezet in gasfase-componenten simcn door niet-stoichiometrische ontleding en sublimatie, en de andere is dat de gasfase-componenten simcn worden getransformeerd in roosterdeeltjes door kristallisatie.

2 apparatuurontwerp 

      Zoals getoond in figuur 2, omvat de siliciumcarbide enkele kristalgroei -oven voornamelijk: bovenklepconstructie, kamerassemblage, verwarmingssysteem, smeltkroesrotatiemechanisme, lagere dekhefmechanisme en elektrisch besturingssysteem.

2.1 Verwarmingssysteem 

     Zoals getoond in figuur 3, neemt het verwarmingssysteem inductieverwarming aan en bestaat het uit een inductiespoel, aGraphite Crucible, een isolatielaag (rigide vilt, zacht vilt), enz. Wanneer de alternatietroom van de middelgrote frequentie door de multi-turn inductiespoel rond de buitenkant van het Graphite-smeltkroes gaat, wordt een geïnduceerd magnetisch veld met dezelfde frequentie gevormd in de Graphite Crucible, waardoor een geïnduceerde elektromotorische kracht wordt gegenereerd. Aangezien het snelle grafiet van de hoogstopte GROPIBLE MATERIAAL een goede geleidbaarheid heeft, wordt een geïnduceerde stroom gegenereerd op de smeltkroeswand, waardoor een wervelstroom wordt gevormd. Onder de werking van de Lorentz -kracht zal de geïnduceerde stroom uiteindelijk samenkomen op de buitenmuur van de smeltkroes (d.w.z. het huideffect) en geleidelijk verzwakken langs de radiale richting. Vanwege het bestaan ​​van wervelstromen wordt joule warmte gegenereerd op de buitenmuur van de smeltkroes en wordt hij de verwarmingsbron van het groeisysteem. De grootte en verdeling van Joule -warmte bepalen direct het temperatuurveld in de smeltkroes, die op zijn beurt de groei van het kristal beïnvloedt.

     Zoals getoond in figuur 4, is de inductiespoel een belangrijk onderdeel van het verwarmingssysteem. Het neemt twee sets van onafhankelijke spoelstructuren aan en is uitgerust met respectievelijk bovenste en lagere precisiebewegingsmechanismen. Het grootste deel van het elektrische warmteverlies van het hele verwarmingssysteem wordt gedragen door de spoel en gedwongen koeling moet worden uitgevoerd. De spoel wordt gewikkeld met een koperen buis en gekoeld door water erin. Het frequentiebereik van de geïnduceerde stroom is 8 ~ 12 kHz. De frequentie van de inductieverwarming bepaalt de penetratiediepte van het elektromagnetische veld in de Graphite Crucible. Het spoelbewegingsmechanisme maakt gebruik van een motordrivaal schroefpaarmechanisme. De inductiespoel werkt samen met de inductievoeding om de interne grafiet smeltkroes te verwarmen om de sublimatie van het poeder te bereiken. Tegelijkertijd worden de vermogen en de relatieve positie van de twee sets spoelen geregeld om de temperatuur bij het zaadkristal lager te maken dan die bij het onderste micro-pittiger, waardoor een axiale temperatuurgradiënt tussen het zaadkristal en het poeder in de smeltkroes wordt gevormd en een redelijke radiale temperatuurgradiënt te vormen bij het siliciumkristal.

2.2 Crucible rotatiemechanisme 

      Tijdens de groei van grote grootteSiliconencarbide enkele kristallen, de smeltkroes in de vacuümomgeving van de holte blijft roteren volgens de procesvereisten, en het thermische veld van de gradiënt en de lage druktoestand in de holte moeten stabiel worden gehouden. Zoals getoond in figuur 5, wordt een motor aangedreven tandwielpaar gebruikt om stabiele rotatie van de smeltkroes te bereiken. Een magnetische vloeistofafdichtingsstructuur wordt gebruikt om dynamische afdichting van de roterende as te bereiken. De magnetische vloeistofafdichting maakt gebruik van een roterend magnetisch veldcircuit gevormd tussen de magneet, de magnetische poolschoen en de magnetische mouw om de magnetische vloeistof tussen de poolschoenpunt en de mouw stevig te adsorberen om een ​​O-ringachtige vloeistofring te vormen, waarbij de gap volledig wordt geblokkeerd om het doel van afdichting te bereiken. Wanneer de rotatiebeweging wordt overgedragen van de atmosfeer naar de vacuümkamer, wordt het vloeibare O-ring dynamische afdichtingsapparaat gebruikt om de nadelen van gemakkelijke slijtage en lage levensduur in vaste afdichting te overwinnen, en de vloeibare magnetische vloeistof kan de gehele afgesloten ruimte vullen, waardoor alle kanalen kunnen worden gelekt en een nero-leuferen in de twee processen van de cruciale verplaatsing en het stoppen. De magnetische vloeistof en smeltkroes ondersteunen een waterkoelingsstructuur om de toepasbaarheid van de magnetische vloeistof en de smeltkroes van de hoge temperatuur te waarborgen en de stabiliteit van de thermische veldstatus te bereiken.

2.3 Lower Cover Tefing Mechanisme

     Het lagere dekselhefmechanisme bestaat uit een aandrijfmotor, een kogelschroef, een lineaire geleider, een hefbeugel, een ovenhoes en een ovendekselbeugel. De motor drijft de ovendekselbeugel aangesloten op het schroefgeleiderpaar door een reductiemiddel om de beweging op en neer van de onderklep te realiseren.

     Het lagere dekgatmechanisme vergemakkelijkt de plaatsing en verwijdering van grote smeltkroes, en nog belangrijker, zorgt voor de afdichtingsbetrouwbaarheid van de dekking van de onderste oven. Tijdens het hele proces heeft de kamer de stadia van drukverandering zoals vacuüm, hoge druk en lage druk. De compressie- en verzegelingstoestand van de onderste dekking heeft direct invloed op de procesbetrouwbaarheid. Zodra de afdichting onder hoge temperatuur faalt, wordt het hele proces geschrapt. Via de motorregel- en limietapparaat wordt de beklemming van de onderste dekmontage en de kamer geregeld om de beste toestand van compressie en afdichting van de afdichtingsring van de ovenkamer te bereiken om de stabiliteit van de procesdruk te waarborgen, zoals weergegeven in figuur 6.

2.4 Elektrisch besturingssysteem 

      Tijdens de groei van siliciumcarbidekristallen moet het elektrische besturingssysteem verschillende procesparameters nauwkeurig regelen, voornamelijk inclusief de hoogte van de spoelpositie, de smeltkroesnelheid, het verwarmingsvermogen en de temperatuur, verschillende speciale gasinlaatstroom en de opening van de proportionele klep.

      Zoals getoond in figuur 7, gebruikt het besturingssysteem een ​​programmeerbare controller als een server, die via de bus op de servo -stuurprogramma is aangesloten om de bewegingscontrole van de spoel en smeltkroes te realiseren; Het is verbonden met de temperatuurregelaar en stroomcontroller via de standaard Mobusrtu om real-time controle van temperatuur, druk en speciale procesgasstroom te realiseren. Het stelt communicatie met de configuratiesoftware vast via Ethernet, wisselt systeeminformatie in realtime uit en geeft verschillende procesparameterinformatie op de hostcomputer weer. Operators, procespersoneel en managers wisselen informatie uit met het besturingssysteem via de mens-machine-interface.

     Het besturingssysteem voert alle veldgegevensverzameling uit, analyse van de bedrijfsstatus van alle actuatoren en de logische relatie tussen de mechanismen. De programmeerbare controller ontvangt de instructies van de hostcomputer en voltooit de besturing van elke actuator van het systeem. De uitvoerings- en veiligheidsstrategie van het automatische procesmenu wordt allemaal uitgevoerd door de programmeerbare controller. De stabiliteit van de programmeerbare controller zorgt voor de stabiliteits- en veiligheidsbetrouwbaarheid van de werking van de procesmenu.

     De bovenste configuratie onderhoudt gegevensuitwisseling met de programmeerbare controller in realtime en geeft veldgegevens weer. Het is uitgerust met bedieningsinterfaces zoals verwarmingsregeling, drukregeling, gascircuitregeling en motorregeling en de instellingswaarden van verschillende parameters kunnen worden gewijzigd op de interface. Real-time monitoring van alarmparameters, het verschaffen van schermalarmweergave, het opnemen van de tijd en gedetailleerde gegevens van alarmvoorzieningen en herstel. Real-time opname van alle procesgegevens, schermbewerking Inhoud en operatietijd. De fusiebesturing van verschillende procesparameters wordt gerealiseerd door de onderliggende code in de programmeerbare controller, en maximaal 100 processtappen kunnen worden gerealiseerd. Elke stap omvat meer dan een dozijn procesparameters zoals proceswerktijd, doelvermogen, doeldruk, argonstroming, stikstofstroom, waterstofstroom, smeltkroes en smeltkroes.

3 Thermische veldsimulatieanalyse

    Het thermische veldsimulatieanalysemodel is vastgesteld. Figuur 8 is de temperatuurwolkkaart in de Crucible Growth Chamber. Om het groeitemperatuurbereik van 4H-SIC enkel kristal te waarborgen, wordt de middentemperatuur van het zaadkristal berekend als 2200 ℃ en de randtemperatuur is 2205,4 ℃. Op dit moment is de middentemperatuur van de smeltkroes bovenaan 2167,5 ℃, en de hoogste temperatuur van het poedergebied (zij naar beneden) is 2274,4 ℃, waardoor een axiale temperatuurgradiënt wordt gevormd.

       De radiale gradiëntverdeling van het kristal wordt getoond in figuur 9. De lagere laterale temperatuurgradiënt van het zaadkristaloppervlak kan de vorm van kristalgroei effectief verbeteren. Het berekende initiële temperatuurverschil is 5,4 ℃ en de algehele vorm is bijna plat en enigszins convex, die kan voldoen aan de radiale temperatuurregelingsnauwkeurigheid en uniformiteitsvereisten van het zaadkristaloppervlak.

       De temperatuurverschilcurve tussen het grondstofoppervlak en het zaadkristaloppervlak wordt getoond in figuur 10. De middelste temperatuur van het materiaaloppervlak is 2210 ℃ en een longitudinale temperatuurgradiënt van 1 ℃/cm wordt gevormd tussen het materiaaloppervlak en het zaadkristaloppervlak, dat binnen een redelijk bereik ligt.

      De geschatte groeisnelheid wordt getoond in figuur 11. Te snel groeisnelheid kan de kans op defecten zoals polymorfisme en dislocatie vergroten. De huidige geschatte groeisnelheid is bijna 0,1 mm/u, wat binnen een redelijk bereik ligt.

     Door middel van thermische veldsimulatieanalyse en berekening wordt gebleken dat de middentemperatuur en de randtemperatuur van het zaadkristal voldoen aan de radiale temperatuurgradiënt van het kristal van 8 inch. Tegelijkertijd vormen de boven- en onderkant van de smeltkroes een axiale temperatuurgradiënt geschikt voor de lengte en dikte van het kristal. De huidige verwarmingsmethode van het groeisysteem kan voldoen aan de groei van 8-inch enkele kristallen.

4 Experimentele test

     Dit gebruikenSiliciumcarbide enkele kristalgroeioven, gebaseerd op de temperatuurgradiënt van de thermische veldsimulatie, door de parameters zoals de smeltkroes, holtdruk, smeltkroesrotatiesnelheid en de relatieve positie van de bovenste en onderste spoelen aan te passen, werd een siliciumcarbide kristalgroeipest uitgevoerd en een 8-inch silicium carbidekristal werd verkregen (zoals getoond in figuur 12).

5 Conclusie

     De belangrijkste technologieën voor de groei van 8-inch siliciumcarbide enkele kristallen, zoals thermisch veld van gradiënt, smeltkroesje en automatische controle van procesparameters, werden bestudeerd. Het thermische veld in de Crucible Growth Chamber werd gesimuleerd en geanalyseerd om de ideale temperatuurgradiënt te verkrijgen. Na het testen kan de verwarmingsmethode met dubbele spiraalvorming voldoen aan de groei van grote grootteSilicium carbide kristallen. Het onderzoek en de ontwikkeling van deze technologie biedt apparatuurtechnologie voor het verkrijgen van 8-inch carbidekristallen en biedt apparatuurbasis voor de overgang van siliciumcarbide-industrialisatie van 6 inch tot 8 inch, waardoor de groei-efficiëntie van siliciumcarbide-materialen wordt verbeterd en de kosten verlaagt.