8 hüvelykes szilícium-karbid egy kristálynövekedési kemence technológiája alapján

       A szilícium-karbid az egyik ideális anyag a magas hőmérsékletű, magas frekvenciájú, nagy teljesítményű és nagyfeszültségű eszközök előállításához. A termelés hatékonyságának javítása és a költségek csökkentése érdekében a nagy méretű szilícium-karbid szubsztrátok előkészítése fontos fejlesztési irány. A folyamatkövetelményekre irányulva8 hüvelykes szilícium-karbid (sic) egykristálynövekedés, a szilícium -karbid fizikai gőz transzport (PVT) módszerének növekedési mechanizmusát elemezték, a fűtési rendszert (TAC vezető gyűrű, TAC bevonatú tégely,TAC bevonatú gyűrűk, TAC bevonatú lemez, TAC bevonatú hárompetalis gyűrű, TAC bevonatú hárompetalis tégely, TAC bevonatú tartó, porózus grafit, puha filc, merev filSIC egykristály növekedési folyamat pótalkatrészeka vetek félvezető által biztosított), a szilícium-karbid-egy kristálynövekedési kemence tégelyének forgása és folyamatparaméter-szabályozási technológiáját vizsgáltuk, és a 8 hüvelykes kristályokat sikeresen elkészítettük és termikus mező szimulációs elemzéssel és folyamatkísérletekkel termesztettük.

Bevezetés

      A szilícium-karbid (SIC) a harmadik generációs félvezető anyagok tipikus képviselője. Teljesítmény -előnyei vannak, például nagyobb sávszélesség -szélesség, magasabb bontási elektromos mező és magasabb hővezető képesség. Magas hőmérsékleten, magas nyomáson és magas frekvenciájú mezőkben jól teljesít, és a félvezető anyagtechnika területén az egyik fő fejlesztési irányt vált.  Jelenleg a szilícium-karbid kristályok ipari növekedése elsősorban a fizikai gőz transzportot (PVT) használja, amely a többfázisú, többkomponensű, többszörös hő- és tömegátviteli és mágneses elektromos hőáram-kölcsönhatás komplex multi-fizikai mező-kapcsolási problémáit foglalja magában. Ezért a PVT növekedési rendszer kialakítása nehéz, a folyamatparaméterek mérése és ellenőrzése akristálynövekedési folyamatNehéz, ami nehézségeket okozhat a termesztett szilícium -karbid kristályok és a kis kristály méretének minőségi hibáinak szabályozásában, így a szilícium -karbiddal rendelkező eszközök költségei magas maradnak.

      A szilícium -karbid -gyártó berendezések a szilícium -karbid technológia és az ipari fejlesztés alapja. A szilícium-karbid-karbid anyagok fejlesztésének kulcsa a szilícium-karbid-karbid-karbid anyagok nagyméretű és nagy hozamú irányításának kulcsa a szilícium-karbid-karbid-növekedési kemence technikai szintjének, folyamatképességének és független garanciájának. Félvezető eszközökben, szilícium -karbid -egy kristályként szubsztrátként, a szubsztrát értéke a legnagyobb arányt, körülbelül 50%-ot tesz ki. A nagy méretű, kiváló minőségű szilícium-karbid kristálynövekedési berendezések fejlesztése, amelyek javítják a szilícium-karbid-egykristályú szubsztrátok hozamát és növekedési ütemét, és a termelési költségek csökkentése kulcsfontosságú jelentőséggel bír a kapcsolódó eszközök alkalmazásában. Annak érdekében, hogy növeljék a termelési kapacitás -ellátást, és tovább csökkentsék a szilícium -karbid -eszközök átlagos költségeit, a szilícium -karbid szubsztrátok méretének kibővítése az egyik fontos módszer. Jelenleg a nemzetközi mainstream szilícium -karbid szubsztrát mérete 6 hüvelyk, és gyorsan 8 hüvelykre halad.

       A fő technológiák, amelyeket meg kell oldani a 8 hüvelykes szilícium-karbid-egy kristálynövekedési kemencék fejlesztésében, a következők: (1) A nagy méretű termikus mező szerkezetének megtervezése egy kisebb sugárirányú hőmérsékleti gradiens és egy nagyobb hosszanti hőmérsékleti gradiens előállításához, amely alkalmas a 8 hüvelykes szilícium karbid kristályok növekedésére. (2) Nagy méretű tégely forgása és tekercsek emelése és csökkentése a mozgási mechanizmust úgy, hogy a tégely forogjon a kristálynövekedés során, és a tekercshez viszonyítva mozog a folyamatkövetelmények szerint, hogy biztosítsák a 8 hüvelykes kristály konzisztenciáját, és megkönnyítsék a növekedést és a vastagságot. (3) A folyamatparaméterek automatikus ellenőrzése dinamikus körülmények között, amelyek megfelelnek a kiváló minőségű egykristály növekedési folyamat igényeinek.

1 Pvt kristálynövekedési mechanizmus

       A PVT módszer a szilícium -karbid -egykristályok előkészítése azáltal, hogy a SIC forrást egy hengeres sűrű grafit tégely aljára helyezi, és a SIC magkristályt a tégely burkolat közelében helyezik el. A tégelyt 2 300 ~ 2 400 ℃ -re melegítjük rádiófrekvenciás indukcióval vagy ellenállással, és grafit filc vagyporózus grafit- A SIC -forrásból a vetőmag -kristályba szállított fő anyagok Si, Si2c molekulák és SIC2. A vetőmag kristálynál a hőmérsékletet kissé alacsonyabbnak kell szabályozni, mint az alsó mikro-pornál, és a tégelyben tengelyirányú hőmérsékleti gradiens alakul ki. Amint az az 1. ábrán látható, a szilícium-karbid mikrotorító magas hőmérsékleten szublimálódik, hogy különböző gázfázisú komponensek reakciógázokat képezzenek, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten érik el a vetőmagkristályt a hőmérsékleti gradiens meghajtója alatt, és kristályosodnak rá, hogy hengeres szilikon karbid-rúdot képezzenek.

A PVT növekedésének fő kémiai reakciói a következők:

SIC (S) ⇌ Si (G)+C (S)

2SIC ⇌ és₂C (G)+C (S)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+Si (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

A SIC egyetlen kristályok Pvt növekedésének jellemzői:

1) Két gázszilárd interfész létezik: az egyik a gáz-SIC por felület, a másik pedig a gázkristály interfész.

2) A gázfázis kétféle anyagból áll: az egyik a rendszerbe bevezetett inert molekulák; A másik a SIMCN gázfázisú komponens, amelyet a bomlás és a szublimáció okozSicpor- A SIMCN gázfázisú komponensei kölcsönhatásba lépnek egymással, és az úgynevezett kristályos gázfázisú komponensek egy része, amely megfelel a kristályosodási folyamat követelményeinek, a SIC kristálygá válik.

3) A szilárd szilícium-karbidporban szilárd fázisú reakciók fordulnak elő a nem szublimált részecskék között, beleértve néhány részecskéket, amelyek porózus kerámia testeket képeznek a szinterelés révén, néhány részecskék, amelyek bizonyos részecskemérettel és kristálylográfia morfológiájával kristályosodási reakciók révén, és néhány szilikon karbidké alakulnak át a szén-rich-ekből, vagy a szén-dioxid-részesedésből.

4) A kristálynövekedési folyamat során két fázisváltozás következik be: az egyik az, hogy a szilárd szilícium-karbidpor részecskéket nem-sztochiometrikus bomlás és szublimáció révén a Simcn gázfázis-komponensekké alakítják, a másik pedig az, hogy a SIMCN gázfázisú komponenseket kristályosodás révén rácsrészecskékké alakítják.

2 berendezés kialakítása 

      Amint a 2. ábrán látható, a szilícium -karbid egykristályos növekedési kemence elsősorban a következőket tartalmazza: a felső burkolat szerelvénye, a kamraegység, a fűtési rendszer, a tégely forgási mechanizmusa, az alsó fedél emelő mechanizmusa és az elektromos vezérlőrendszer.

2.1 Fűtési rendszer 

     Amint a 3. ábrán látható, a fűtési rendszer indukciós fűtést alkalmaz, és indukciós tekercsből áll, agrafit tégely, egy szigetelő réteg (merev filc, puha filc) stb. Amikor a közepes frekvencia váltakozó áram áthalad a grafit-tégely külső oldalán lévő több forduló indukciós tekercsen, ugyanazon frekvencia indukált mágneses mezője képződik a grafit tégelyben, és indukált elektromotív erőt generál. Mivel a nagy tisztaságú grafit tégely anyag jó vezetőképességgel rendelkezik, a tégely falán indukált áramot generálnak, így örvényáramot képeznek. A Lorentz -erő hatására az indukált áram végül a tégely külső falán (azaz a bőrhatás) konvergál, és fokozatosan gyengül a sugárirányú irány mentén. Az örvényáramok létezése miatt a joule hőt generálnak a tégely külső falán, és a növekedési rendszer fűtési forrása lesz. A Joule hő mérete és eloszlása ​​közvetlenül meghatározza a tégely hőmérsékleti mezőjét, ami viszont befolyásolja a kristály növekedését.

     Amint a 4. ábrán látható, az indukciós tekercs a fűtési rendszer kulcsfontosságú része. Két független tekercsszerkezetet alkalmaz, és felső és alsó precíziós mozgási mechanizmusokkal van felszerelve. A teljes fűtési rendszer elektromos hőveszteségének nagy részét a tekercs viseli, és a kényszerhűtést kell végezni. A tekercset rézcsővel tekercseljük, és a vízben lehűtik. Az indukált áram frekvenciatartománya 8 ~ 12 kHz. Az indukciós fűtés frekvenciája meghatározza az elektromágneses mező penetrációs mélységét a grafit tégelyben. A tekercs mozgási mechanizmus motoros csavarpár-mechanizmust használ. Az indukciós tekercs együttműködik az indukciós tápegységgel, hogy felmelegítse a belső grafit tégelyt a por szublimációjának elérése érdekében. Ugyanakkor a két tekercskészlet teljesítményét és relatív helyzetét szabályozzuk, hogy a vetőmagkristálynál a hőmérsékletet alacsonyabbak legyenek, mint az alsó mikro-powdernél, és tengelyirányú hőmérsékleti gradienst képeznek a magkristály és a poros por között, és ésszerű sugárirányú hőmérsékleti gradienst képeznek a szilikon karbid kristályán.

2.2 A tégely forgási mechanizmus 

      A nagy méretű növekedése soránSzilícium -karbid egykristályok, Az üreg vákuumkörnyezetében lévő tégelyt a folyamatigények szerint folyamatosan forognak, és az üregben lévő gradiens hőkezelőt és az alacsony nyomású állapotot stabilnak kell tartani. Amint az az 5. ábrán látható, motoros fogaskerékpárt használunk a tégely stabil forgásának elérésére. A forgó tengely dinamikus tömítésének elérésére mágneses folyadék tömítőszerkezetet használnak. A mágneses folyadéktömítés egy forgó mágneses mező áramkört használ a mágnes, a mágneses póluscipő és a mágneses hüvely között, hogy a mágneses folyadék szilárdan adszorbeálja a póluscipő hegyét és a hüvelyét, hogy O-gyűrű-szerű folyadékgyűrűt képezzen, teljesen blokkolva a rést a tömítés céljának elérése érdekében. Amikor a forgási mozgást a légkörből a vákuumkamrába továbbítják, a folyékony O-gyűrű dinamikus tömítőeszközt használják a könnyű kopás és az alacsony élettartam hátrányainak leküzdésére a szilárd tömítésben, és a folyékony mágneses folyadék kitöltheti a teljes lezárt helyet, ezáltal blokkolva a levegőt, és nulla szivárgást érhet el a keresztirányú mozgás két folyamata során. A mágneses folyadék és a tégelytámogatás egy vízhűtési struktúrát alkalmaz, hogy biztosítsa a mágneses folyadék és a tégelyes támogatás magas hőmérsékletű alkalmazhatóságát, és elérje a hőkezelő állapotának stabilitását.

2,3 Alsó fedél emelő mechanizmus

     Az alsó fedél emelő mechanizmus meghajtómotorból, gömbcsavarból, lineáris útmutatóból, emelő konzolból, kemence burkolatából és kemence burkolatából áll. A motor meghajtja a kemence burkolatát, amely a csavarvezetőpárhoz csatlakoztatott egy reduktoron keresztül, hogy megvalósítsa az alsó burkolat felfelé és lefelé történő mozgását.

     Az alsó fedél emelő mechanizmus megkönnyíti a nagy méretű keresztesítőelemek elhelyezését és eltávolítását, és ami még fontosabb, biztosítja az alsó kemence burkolatának lezárhatóságát. A teljes folyamat során a kamrának nyomásváltási szakaszai vannak, például vákuum, magas nyomás és alacsony nyomás. Az alsó burkolat tömörítési és tömítési állapota közvetlenül befolyásolja a folyamat megbízhatóságát. Miután a tömítés magas hőmérsékleten meghibásodik, az egész folyamat megsemmisül. A motor szervo vezérlésén és a korlátozó eszközön keresztül az alsó burkolat szerelvényének és a kamrának a szorítását a kemencakamra tömítőgyűrű legjobb tömörítési és lezárási állapotának elérése érdekében vezéreljük, hogy biztosítsák a folyamatnyomás stabilitását, amint az a 6. ábra mutatja.

2.4 Elektromos vezérlő rendszer 

      A szilícium -karbid kristályok növekedése során az elektromos vezérlő rendszernek pontosan ellenőriznie kell a különféle folyamatparamétereket, elsősorban a tekercs helyzetének magasságát, a tégely forgási sebességét, a fűtési teljesítményt és a hőmérsékletet, a különböző gázbeviteli áramlást és az arányos szelep kinyitását.

      Amint az a 7. ábrán látható, a vezérlőrendszer egy programozható vezérlőt használ szerverként, amelyet a buszon keresztül a szervo illesztőprogramhoz csatlakoztatnak, hogy megvalósítsák a tekercs és a tégely mozgásvezérlését; A hőmérséklet-vezérlőhöz és az áramlásvezérlőhöz a szokásos MOBUSRTU-n keresztül kapcsolódik, hogy megvalósítsa a hőmérséklet, a nyomás és a speciális folyamatgázáram valós idejű szabályozását. Kommunikációt hoz létre a konfigurációs szoftverrel az Ethernet -en keresztül, valós időben cseréli a rendszerinformációkat, és különféle folyamatparaméter -információkat jelenít meg a gazdagépen. Az üzemeltetők, a feldolgozó személyzet és a vezetők az emberi gép felületen keresztül cserélnek információkat a vezérlőrendszerrel.

     A vezérlőrendszer elvégzi az összes terepi adatgyűjtést, az összes hajtómű működési állapotának elemzését és a mechanizmusok közötti logikai kapcsolatot. A programozható vezérlő megkapja a host számítógép utasításait, és befejezi a rendszer minden működtetőjének vezérlését. Az automatikus folyamatmenü végrehajtási és biztonsági stratégiáját mind a Programozható vezérlő hajtja végre. A programozható vezérlő stabilitása biztosítja a folyamatmenü működésének stabilitását és biztonsági megbízhatóságát.

     A felső konfiguráció valós időben fenntartja az adatcserét a programozható vezérlővel, és megjeleníti a mezőadatokat. Olyan működési interfészekkel van felszerelve, mint a fűtésvezérlés, a nyomásszabályozás, a gázáramkör -szabályozás és a motorvezérlés, és a különféle paraméterek beállítási értékei módosíthatók az interfészen. A riasztási paraméterek valós idejű megfigyelése, a képernyő riasztási megjelenítésének biztosítása, a riasztás és a helyreállítás részletes adatainak rögzítése. Az összes folyamat adata, a képernyő működési tartalmának és a működési idő valós idejű rögzítése. A különféle folyamatparaméterek fúziós vezérlését a programozható vezérlőn belüli mögöttes kódon keresztül valósítják meg, és legfeljebb 100 lépés megvalósulhat. Minden lépés több mint tucat folyamatparamétert tartalmaz, például a folyamat működési idejét, a célteljesítményt, a célnyomás, az argon áramlás, a nitrogénáram, a hidrogénáram, a tégely helyzetét és a tégely sebességét.

3 Hőtér -szimulációs elemzés

    Megállapítottuk a termikus mező szimulációs elemzési modelljét. A 8. ábra a hőmérsékleti felhő térkép a tégely növekedési kamrájában. A 4H-SIC egykristály növekedési hőmérsékleti tartományának biztosítása érdekében a vetőmag-kristály középső hőmérsékletét 2200 ℃-re számolják, és a szélhőmérséklet 2205,4 ℃. Ebben az időben a tégely felső hőmérséklete 2167,5 ℃, és a por területének legmagasabb hőmérséklete (oldalsó) 2274,4 ℃, tengelyirányú hőmérsékleti gradienst képezve.

       A kristály radiális gradiens eloszlását a 9. ábra mutatja. A vetőmag -kristály felületének alsó oldalirányú hőmérsékleti gradiense hatékonyan javíthatja a kristály növekedési alakját. Az aktuális kiszámított kezdeti hőmérsékleti különbség 5,4 ℃, és a teljes forma majdnem lapos és kissé domború, ami megfelel a sugárirányú hőmérséklet -szabályozási pontosságnak és a magkristály felületének egységességi követelményeinek.

       A nyersanyag felülete és a magkristály felületének hőmérsékleti különbségének görbéjét a 10. ábra mutatja. Az anyag felületének középső hőmérséklete 2210 ℃, és az anyag felülete és a magkristály felülete között 1 ℃/cm hosszanti hőmérsékleti gradiens alakul ki, amely ésszerű tartományban van.

      A becsült növekedési rátát a 11. ábra mutatja. A túl gyors növekedési ráta növelheti a hibák, például a polimorfizmus és a diszlokáció valószínűségét. A jelenlegi becsült növekedési ráta közel 0,1 mm/h, amely ésszerű tartományon belül van.

     A termikus mező szimulációs elemzésével és kiszámításával kiderült, hogy a vetőmag kristály középső hőmérséklete és élhőmérséklete megfelel a 8 hüvelyk kristály sugárirányú hőmérsékleti gradiensének. Ugyanakkor a tégely felső és alsó része a kristály hosszához és vastagságához megfelelő tengelyirányú hőmérsékleti gradiens. A növekedési rendszer jelenlegi fűtési módszere megfelelhet a 8 hüvelykes egykristályok növekedésének.

4 Kísérleti teszt

     Ezt használvaSzilícium -karbid egykristályos növekedési kemence, a hőtér szimulációjának hőmérsékleti gradiensének alapján a paraméterek, például a tégely felső hőmérséklete, az üregnyomás, a tégely forgási sebességének és a felső és alsó tekercsek relatív helyzetének beállításával, a szilícium-karbid kristálynövekedési tesztet elvégeztük, és egy 8 hüvelykes szilícium-karbid kristályt kaptunk (a 12. ábra szerint).

5 Következtetés

     Megvizsgálták a 8 hüvelykes szilícium-karbid-egy kristályok, például a gradiens hőkezelő, a tégely mozgási mechanizmusának és a folyamatparaméterek automatikus vezérlésének legfontosabb technológiáit. A tégely növekedési kamrájában lévő hőterőt szimuláltuk és elemeztük az ideális hőmérsékleti gradiens elérése érdekében. A tesztelés után a kettős tekercs-indukciós fűtési módszer megfelelhet a nagy méretű növekedésnekszilícium -karbid kristályok- Ennek a technológiának a kutatása és fejlesztése berendezés-technológiát biztosít a 8 hüvelykes karbid kristályok beszerzéséhez, és berendezéseket biztosít a szilícium-karbid-iparosodás átmenetéhez 6 hüvelykről 8 hüvelykre, javítva a szilícium-karbid anyagok növekedési hatékonyságát és csökkenti a költségeket.