Remiantis 8 colių silicio karbido vieno krištolo augimo krosnies technologija

       Silicio karbidas yra viena iš idealių medžiagų, skirtų gaminti aukštos temperatūros, aukšto dažnio, didelės galios ir aukštos įtampos prietaisus. Siekiant pagerinti gamybos efektyvumą ir sumažinti išlaidas, didelio dydžio silicio karbido substratų paruošimas yra svarbi vystymosi kryptis. Siekiant proceso reikalavimų8 colių silicio karbido (sic) vieno kristalo augimas, buvo išanalizuotas silicio karbido fizinio garų transportavimo (PVT) augimo mechanizmas, šildymo sistema (TAC kreipiamasis žiedas, TAC dengtas tiglis,TAC padengti žiedai, TAC padengta plokštė, TAC padengtas trijų žiedų žiedas, TAC padengtas trijų žiedų tiglis, TAC padengtas laikiklis, porėtas grafitas, minkštas veltinis, standus veltinis, kai kurie padengti krištolo augimo augimo jautėja ir kitaSiC vieno krištolo augimo proceso atsarginės dalysPateikia „Vetek“ puslaidininkis), tiriamos tiglio sukimosi ir proceso parametrų kontrolės technologija Silicio karbido vieno kristalų augimo krosnis, o 8 colių kristalai buvo sėkmingai paruošti ir auginami atliekant šiluminio lauko modeliavimo analizę ir proceso eksperimentus.

Įvadas

      Silicio karbidas (SIC) yra tipiškas trečiosios kartos puslaidininkių medžiagų atstovas. Jis turi našumo pranašumus, tokius kaip didesnis juostos juostos plotis, didesnis skilimo elektrinis laukas ir didesnis šilumos laidumas. Jis gerai veikia aukštos temperatūros, aukšto slėgio ir aukšto dažnio laukuose ir tapo viena pagrindinių puslaidininkių medžiagų technologijos srities kūrimo krypčių.  Šiuo metu pramoninis silicio karbido kristalų augimas daugiausia naudoja fizinį garų pernešimą (PVT), kuris apima sudėtingas daugiafazių lauko sujungimo problemas, susijusias su daugiakomponentine, daugiakomponente, daugybine šilumos ir masės perdavimu bei magnetoelektrinės šilumos srauto sąveika. Todėl PVT augimo sistemos projektavimas yra sunkus, o proceso parametrų matavimas ir valdymasKristalų augimo procesasSunku, todėl sunku kontroliuoti suaugusių silicio karbido kristalų kokybės defektus ir mažą kristalų dydį, taigi prietaisų, turinčių silicio karbidą, kaip substratas, kaina išlieka aukšta.

      Silicio karbido gamybos įranga yra silicio karbido technologijos ir pramonės plėtros pagrindas. Techninis lygis, proceso galimybės ir nepriklausoma silicio karbido vienkartinių kristalų augimo krosnies garantija yra raktas į silicio karbido medžiagų vystymąsi didelio dydžio ir didelio derliaus kryptimi, taip pat yra pagrindiniai veiksniai, lemiantys trečiosios kartos puslaidininkių pramonę, kuri vystysis žemų ir didelių ir didelių. Puslaidininkiniuose prietaisuose su silicio karbido pavieniu kristalu kaip substratą substrato vertė sudaro didžiausią dalį, apie 50%. Didelės kokybės aukštos kokybės silicio karbido krištolo augimo įrangos, pagerinant silicio karbido pavienių kristalų substratų derlingumą ir augimo greitį, sukūrimas, o gamybos išlaidos yra svarbios svarbios susijusių prietaisų taikymui. Siekiant padidinti gamybos pajėgumų tiekimą ir dar labiau sumažinti vidutines silicio karbido prietaisų sąnaudas, vienas iš svarbių būdų išplėsti silicio karbido substratų dydį. Šiuo metu tarptautinis pagrindinio silicio karbido substrato dydis yra 6 colių ir greitai perėjo iki 8 colių.

       Pagrindinės technologijos, kurias reikia išspręsti kuriant 8 colių silicio karbido pavienių kristalų augimo krosnis, yra: (1) didelio dydžio šiluminio lauko struktūros, siekiant gauti mažesnį radialinės temperatūros gradientą, ir didesnio išilginio temperatūros gradiento, tinkančio 8 colių silikono karbido kristalų augimui, projektavimas. (2) Didelio dydžio tiglio sukimasis ir ritės kėlimo bei mažinimo judesio mechanizmas, kad tiglis sukasi kristalų augimo proceso metu ir juda ritės atžvilgiu pagal proceso reikalavimus, kad užtikrintų 8 colių kristalų nuoseklumą ir palengvintų augimą bei storią. (3) Automatinis proceso parametrų kontrolė dinaminėmis sąlygomis, tenkinančiomis aukštos kokybės vieno kristalų augimo proceso poreikius.

1 PVT kristalų augimo mechanizmas

       PVT metodas yra paruošti silicio karbido pavienius kristalus, dedant SiC šaltinį cilindrinio tankio grafito tiglio apačioje, o SiC sėklos kristalas dedamas prie tiglio dangos. Tinklas kaitinamas iki 2 300 ~ 2 400 ℃, kai radijo dažnio indukcija arba atsparumas, ir yra izoliuotas grafito veltinio arbaporėtas grafitas. Pagrindinės medžiagos, gabenamos iš SIC šaltinio į sėklų kristalą, yra Si, Si2C molekulės ir SIC2. Sėklų kristalo temperatūra kontroliuojama šiek tiek žemesnė nei apatiniame mikroporektoriuje, o tiglyje susidaro ašinės temperatūros gradientas. Kaip parodyta 1 paveiksle, silicio karbido mikroporkūnai sublimato aukštoje temperatūroje, kad susidarytų skirtingų dujų fazių komponentų reakcijos dujos, kurios pasiekia sėklų kristalą žemesne temperatūra esant temperatūros gradientui ir kristalizuojasi, kad susidarytų cilindrinio silicio karbido ingot.

Pagrindinės cheminės PVT augimo reakcijos yra:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2Sic ⇌ ir₂C (g)+c (s)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+Si (L, G)

Sic (-ai) ⇌ sic (g)

SiC pavienių kristalų PVT augimo charakteristikos yra:

1) Yra dvi dujų ir kietos sąsajos: viena yra dujų-SIC miltelių sąsaja, o kita-dujų kristalų sąsaja.

2) dujų fazę sudaro dviejų tipų medžiagos: viena yra inertinės molekulės, įvestos į sistemą; Kitas yra dujų fazės komponentas SIMCN, kurį sukelia skilimas ir sublimacijaSic milteliai. Dujų fazės komponentai Simcn sąveikauja tarpusavyje, o dalis vadinamųjų kristalinių dujų fazių komponentų SIMCN, atitinkančių kristalizacijos proceso reikalavimus, išaugs į SiC kristalą.

3) Kietuose silicio karbido milteliuose įvyks kietos fazės reakcijos tarp dalelių, kurios nebuvo sublimavusios, įskaitant kai kurias daleles, sudarančias porėtus keraminius kūnus per sukepinimą sublimacija.

4) Kristalų augimo proceso metu įvyks du fazių pokyčiai: vienas yra tas, kad kietos silicio karbido miltelių dalelės yra paverčiamos dujų fazių komponentais Simcn per ne steichiometrinį skilimą ir sublimaciją, o kita yra ta, kad dujų fazės komponentai SIMCN yra paverčiami gardelių dalelėmis per kristalizaciją.

2 Įrangos dizainas 

      Kaip parodyta 2 paveiksle, silicio karbido vieno kristalų augimo krosnis daugiausia apima: viršutinio dangtelio mazgą, kameros surinkimą, šildymo sistemą, tiglio sukimosi mechanizmą, apatinio dangčio kėlimo mechanizmą ir elektros valdymo sistemą.

2.1 Šildymo sistema 

     Kaip parodyta 3 paveiksle, šildymo sistema priima indukcinį šildymą ir yra sudaryta iš indukcijos ritės, agrafito tiglis, izoliacijos sluoksnis (standus veltinis, minkštas veltinis) ir tt Kai vidutinio dažnio kintama srovė praeina per daugialypės pasukimo indukcinę ritę, supančią grafito tiglio išorę, grafito tiglyje bus suformuotas sukeltas to paties dažnio magnetinis laukas, sukeldamas sukeltą elektromotyvinę jėgą. Kadangi aukšto grynumo grafito tiglio medžiaga turi gerą laidumą, ant tiglio sienos sukuriama sukelta srovė, sudaranti sūkurinę srovę. Veikiant Lorentzo jėgai, sukelta srovė ilgainiui suartės ant išorinės tiglio sienos (t. Y. Odos efekto) ir palaipsniui susilpnės radialine kryptimi. Dėl s. Džoulės šilumos dydis ir pasiskirstymas tiesiogiai lemia tiglio temperatūros lauką, o tai savo ruožtu daro įtaką kristalo augimui.

     Kaip parodyta 4 paveiksle, indukcijos ritė yra pagrindinė šildymo sistemos dalis. Jis priima du nepriklausomų ritės struktūrų rinkinius ir yra atitinkamai su viršutiniu ir apatiniu tikslumo judesio mechanizmais. Didžiąją dalį visos šildymo sistemos elektrinio šilumos praradimo padeda ritė, todėl reikia atlikti priverstinį aušinimą. Ritė yra suvyniota su vario vamzdeliu ir atvėsinama vandens viduje. Sukeltos srovės dažnių diapazonas yra 8 ~ 12 kHz. Indukcijos kaitinimo dažnis lemia elektromagnetinio lauko skverbimosi gylį grafito tiglyje. Ritos judesio mechanizmas naudoja variklio varomą varžtų porų mechanizmą. Indukcinė ritė bendradarbiauja su indukcinio maitinimo šaltiniu, kad būtų šiluma vidinis grafito tiglis, kad būtų pasiektas miltelių sublimacija. Tuo pačiu metu kontroliuojama dviejų ritinių rinkinių galia ir santykinė padėtis, kad sėklos kristalo temperatūra būtų mažesnė nei apatinėje mikro puolėjoje, sudarant ašinės temperatūros gradientą tarp sėklų kristalo ir miltelių, esančių tiglyje, ir sudaro pagrįstą radialinės temperatūros gradientą silicio karbido kristalyje.

2.2 tiglio sukimosi mechanizmas 

      Didelio dydžio augimo metusilicio karbido pavieniai kristalai, tiglis ertmės vakuuminėje aplinkoje laikomas besisukančiu pagal proceso reikalavimus, o gradiento šiluminis laukas ir žemo slėgio būsena ertmėje turi būti stabilus. Kaip parodyta 5 paveiksle, stabiliam tiglio sukimui pasiekti naudojama varikliais varoma pavarų pora. Magnetinio skysčio sandarinimo struktūra naudojama siekiant dinaminio besisukančio veleno sandarinimo. Magnetinio skysčio sandariklis naudoja besisukančią magnetinio lauko grandinę, suformuotą tarp magneto, magnetinio poliaus batų ir magnetinės įvorės, kad tvirtai adsorbuotų magnetinį skystį tarp polių batų galiuko ir įvorės, kad susidarytų O žiedą panašus skysčio žiedas, visiškai blokuodamas spragą, kad būtų pasiektas sandariklis. Kai sukimosi judesys perduodamas iš atmosferos į vakuuminę kamerą, skysčio O žiedo dinaminio sandarinimo įtaisas naudojamas norint įveikti lengvą nusidėvėjimo ir žemo laiko trūkumus ir mažai laiko kietajame sandarinime, o skystas magnetinis skystis gali užpildyti visą sandarią vietą, taip išpūsti visus kanalus, kurie gali nutekėti, ir pasiekti nulinį nulio nutekėjimą dviejuose trikūnių judesiuose ir sustoti. Magnetinio skysčio ir tiglio atrama priima vandenį aušinimo struktūrą, kad būtų užtikrintas magnetinio skysčio ir tiglio atramos aukštos temperatūros pritaikymas ir pasiektas šiluminio lauko būsenos stabilumas.

2.3 Mažesnis dangos kėlimo mechanizmas

     Apatinį dangtelio kėlimo mechanizmą sudaro pavaros variklis, rutulinis varžtas, linijinis kreiptuvas, kėlimo laikiklis, krosnies dangtis ir krosnies dangtelio laikiklis. Variklis varo krosnies dangtelio laikiklį, prijungtą prie sraigtinio kreipiamojo poros, per reduktorių, kad būtų pasiektas apatinio dangtelio judėjimas aukštyn ir žemyn.

     Apatinio dangtelio kėlimo mechanizmas palengvina didelio dydžio tiriamųjų išdėstymą ir pašalinimą, o dar svarbiau-užtikrina apatinės krosnies dangos sandarinimo patikimumą. Viso proceso metu kamera turi slėgio pokyčių etapus, tokias kaip vakuumas, aukštas slėgis ir žemas slėgis. Apatinio dangtelio suspaudimas ir sandarinimo būsena tiesiogiai veikia proceso patikimumą. Kai sandariklis nepavyks esant aukštai temperatūrai, visas procesas bus ištremtas. Per variklio servo valdymą ir ribinį įtaisą apatinio dangčio mazgo ir kameros sandarumas yra kontroliuojamas, kad būtų pasiekta geriausia suspaudimo ir sandarinimo sandarinimo sandarinimo žiedas, kad būtų užtikrintas proceso slėgio stabilumas, kaip parodyta 6 paveiksle.

2.4 Elektros valdymo sistema 

      Augant silicio karbido kristalams, elektros valdymo sistema turi tiksliai valdyti skirtingus proceso parametrus, daugiausia įskaitant ritės padėties aukštį, tiglio sukimosi greitį, šildymo galią ir temperatūrą, skirtingą specialų dujų suvartojimo srautą ir proporcinio vožtuvo atidarymą.

      Kaip parodyta 7 paveiksle, valdymo sistema naudoja programuojamą valdiklį kaip serverį, kuris yra prijungtas prie „Servo“ tvarkyklės per magistralę, kad realizuotų ritės ir tiglio judesio valdymą; Jis yra prijungtas prie temperatūros valdiklio ir srauto valdiklio per standartinį „Mobusrtu“, kad būtų galima realiojo laiko temperatūros, slėgio ir specialiojo proceso dujų srauto valdymas. Tai nustato ryšį su konfigūracijos programine įranga per „Ethernet“, realiu laiku keičiasi sistemos informacija ir rodoma įvairių procesų parametrų informacija pagrindiniame kompiuteryje. Operatoriai, proceso personalas ir vadovai keičiasi informacija su valdymo sistema per žmogaus ir mašinos sąsają.

     Valdymo sistema atlieka visus lauko duomenų rinkimą, visų pavarų veikimo būklės analizę ir loginį ryšį tarp mechanizmų. Programuojamas valdiklis gauna pagrindinio kompiuterio instrukcijas ir užbaigia kiekvienos sistemos pavaros valdymą. Automatinio proceso meniu vykdymo ir saugos strategiją vykdo programuojamas valdiklis. Programuojamo valdiklio stabilumas užtikrina proceso meniu operacijos stabilumą ir saugos patikimumą.

     Viršutinė konfigūracija palaiko duomenų mainus su programuojamu valdikliu realiu laiku ir rodo lauko duomenis. Jame yra veikimo sąsajos, tokios kaip šildymo valdymas, slėgio valdymas, dujų grandinės valdymas ir variklio valdymas, o sąsajoje galima modifikuoti įvairių parametrų nustatymo vertes. Aliarmo parametrų realiojo laiko stebėjimas, ekrano aliarmo rodymas, laiko ir išsamių signalizacijos atsiradimo ir atkūrimo duomenų registravimas. Visų proceso duomenų įrašymas realiu laiku, ekrano operacijos turinys ir veikimo laikas. Įvairių proceso parametrų sintezės valdymas realizuojamas per pagrindinį kodą programuojamo valdiklio viduje, ir galima atlikti ne daugiau kaip 100 proceso žingsnių. Kiekviename žingsnyje yra daugiau nei keliolika proceso parametrų, tokių kaip proceso veikimo laikas, tikslinė galia, taikinio slėgis, argono srautas, azoto srautas, vandenilio srautas, tiglio padėtis ir tiglio greitis.

3 Šiluminio lauko modeliavimo analizė

    Nustatytas šiluminio lauko modeliavimo analizės modelis. 8 paveikslas yra tiglio augimo kameros temperatūros debesies žemėlapis. Siekiant užtikrinti 4H-SIC vieno kristalo augimo temperatūros diapazoną, sėklos kristalo centrinė temperatūra yra 2200 ℃, o krašto temperatūra-2205,4 ℃. Šiuo metu tiglio viršutinės dalies centrinė temperatūra yra 2167,5 ℃, o aukščiausia miltelių ploto (šono žemyn) temperatūra yra 2274,4 ℃, sudaranti ašinės temperatūros gradientą.

       Radialinis kristalo gradiento pasiskirstymas parodytas 9 paveiksle. Sėklų kristalų paviršiaus apatinė šoninė temperatūros gradientas gali efektyviai pagerinti kristalų augimo formą. Dabartinis apskaičiuotas pradinis temperatūros skirtumas yra 5,4 ℃, o bendra forma yra beveik plokščia ir šiek tiek išgaubta, o tai gali atitikti radialinės temperatūros kontrolės tikslumą ir sėklų kristalų paviršiaus vienodumo reikalavimus.

       Temperatūros skirtumo kreivė tarp žaliavos ir sėklų kristalų paviršiaus parodyta 10 paveiksle. Medžiagos paviršiaus centrinė temperatūra yra 2210 ℃, o tarp medžiagos ir sėklų kristalų paviršiaus susidaro 1 ℃/cm išilginis temperatūros gradientas, kuris yra pagrįstai.

      Numatomas augimo greitis parodytas 11 paveiksle. Per greitas augimo greitis gali padidinti tokių defektų, kaip polimorfizmas ir dislokacija, tikimybę. Dabartinis apskaičiuotas augimo greitis yra artimas 0,1 mm/h, kuris yra pagrįstai.

     Atlikus šiluminio lauko modeliavimo analizę ir skaičiavimus, nustatyta, kad sėklų kristalo centrinė temperatūra ir krašto temperatūra atitinka 8 colių kristalo radialinės temperatūros gradientą. Tuo pačiu metu tiglio viršus ir apačioje yra ašinės temperatūros gradientas, tinkamas kristalo ilgiui ir storiui. Dabartinis augimo sistemos kaitinimo metodas gali atitikti 8 colių pavienių kristalų augimą.

4 eksperimentinis testas

     Naudojant taiSilicio karbido vieno kristalų augimo krosnis, remiantis šiluminio lauko modeliavimo temperatūros gradientu, sureguliuodami tokius parametrus kaip tiglio viršutinė temperatūra, ertmės slėgis, tiglio sukimosi greitis ir viršutinės ir apatinės ritės santykinė padėtis, buvo atliktas silicio karbido kristalų augimo testas ir buvo atliktas 8 colių silicio karbido kristalas (parodytas 12 paveiksle).

5 Išvada

     Buvo tiriamos pagrindinės 8 colių silicio karbido pavienių kristalų augimo technologijos, tokios kaip gradiento šiluminis laukas, tiglio judesio mechanizmas ir automatinė proceso parametrų valdymas. Šiluminis laukas tiglio augimo kameroje buvo imituojamas ir išanalizuotas, kad būtų gautas idealus temperatūros gradientas. Po bandymo dvigubos ritės indukcijos šildymo metodas gali atitikti didelio dydžio augimąSilicio karbido kristalai. Šios technologijos tyrimai ir plėtra suteikia įrangos technologiją, skirtą gauti 8 colių karbido kristalus, ir suteikia įrangos pagrindą silicio karbido industrializacijos perėjimui nuo 6 colių iki 8 colių, pagerinant silicio karbido medžiagų augimo efektyvumą ir sumažinant išlaidas.