Oparty na technologii 8-calowego pieca monokrystalicznego z węglika krzemu

Węglik krzemu jest jednym z idealnych materiałów do wytwarzania urządzeń wysokotemperaturowych, wysokiej częstotliwości, dużej mocy i wysokiego napięcia. Aby poprawić efektywność produkcji i obniżyć koszty, ważnym kierunkiem rozwoju jest przygotowanie wielkogabarytowych podłoży z węglika krzemu. Mając na celu spełnienie wymagań procesowychWzrost monokryształów 8-calowego węglika krzemu (SIC).przeanalizowano mechanizm wzrostu metodą fizycznego transportu pary węglika krzemu (PVT), system ogrzewania (pierścień prowadzący TaC, tygiel pokryty TaC,Pierścienie pokryte TaC, płyta pokryta TaC, pierścień z trzema płatkami pokrytymi TaC, tygiel z trzema płatkami pokrytymi TaC, uchwyt pokryty TaC, porowaty grafit, miękki filc, sztywny filc pokryty SiC susceptor wzrostu kryształów i inneCzęści zamienne do procesu wzrostu monokrystalicznego SiCdostarczane przez VeTek Semiconductor), zbadano technologię rotacji tygla i kontroli parametrów procesu pieca do wzrostu monokryształów węglika krzemu, a 8-calowe kryształy z powodzeniem przygotowano i hodowano poprzez analizę symulacji pola termicznego i eksperymenty procesowe.

0 Wprowadzenie

Węglik krzemu (SiC) jest typowym przedstawicielem materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji. Ma zalety wydajnościowe, takie jak większa szerokość pasma wzbronionego, wyższe pole elektryczne przebicia i wyższa przewodność cieplna. Świetnie sprawdza się w polach wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia i wysokiej częstotliwości, stając się jednym z głównych kierunków rozwoju w dziedzinie technologii materiałów półprzewodnikowych. Ma szeroki zakres zastosowań w nowych pojazdach energetycznych, wytwarzaniu energii fotowoltaicznej, transporcie kolejowym, inteligentnych sieciach, komunikacji 5G, satelitach, radarach i innych dziedzinach. Obecnie rozwój przemysłowy kryształów węglika krzemu wykorzystuje głównie fizyczny transport pary (PVT), który obejmuje złożone problemy wielofizycznego sprzęgania pola wielofazowego, wieloskładnikowego, wielokrotnego przenoszenia ciepła i masy oraz interakcji magnetoelektrycznego przepływu ciepła. Dlatego projekt systemu wzrostu PVT jest trudny, a pomiar i kontrola parametrów procesu w trakcieproces wzrostu kryształówjest trudne, co skutkuje trudnością w kontrolowaniu wad jakościowych hodowanych kryształów węglika krzemu i małych rozmiarów kryształów, tak że koszt urządzeń z węglikiem krzemu jako podłożem pozostaje wysoki.

Urządzenia do produkcji węglika krzemu stanowią podstawę technologii węglika krzemu i rozwoju przemysłu. Poziom techniczny, możliwości procesowe i niezależna gwarancja monokrystalicznego pieca wzrostowego z węglika krzemu są kluczem do rozwoju materiałów z węglika krzemu w kierunku dużych rozmiarów i wysokiej wydajności, a także są głównymi czynnikami napędzającymi przemysł półprzewodników trzeciej generacji rozwijać się w kierunku niskich kosztów i dużej skali. Obecnie w rozwoju urządzeń z węglika krzemu wysokiego napięcia, dużej mocy i wysokiej częstotliwości nastąpił znaczny postęp, jednak istotnym czynnikiem ograniczającym ich rozwój stanie się wydajność produkcji i koszt przygotowania urządzeń. W urządzeniach półprzewodnikowych z monokryształem węglika krzemu jako podłożem, wartość podłoża stanowi największą część, około 50%. Rozwój wielkogabarytowych, wysokiej jakości urządzeń do wzrostu kryształów węglika krzemu, poprawa wydajności i tempa wzrostu substratów monokrystalicznych węglika krzemu oraz zmniejszenie kosztów produkcji mają kluczowe znaczenie dla zastosowania powiązanych urządzeń. Aby zwiększyć podaż mocy produkcyjnych i jeszcze bardziej obniżyć średni koszt urządzeń z węglika krzemu, jednym z ważnych sposobów jest zwiększenie rozmiaru podłoży z węglika krzemu. Obecnie międzynarodowy rozmiar głównego podłoża z węglika krzemu wynosi 6 cali i szybko rośnie do 8 cali.

Główne technologie, które należy rozwiązać przy opracowywaniu 8-calowych pieców wzrostowych z monokryształem węglika krzemu, obejmują: 1) Projekt wielkoformatowej struktury pola termicznego w celu uzyskania mniejszego promieniowego gradientu temperatury i większego wzdłużnego gradientu temperatury odpowiedniego do wzrostu z 8-calowych kryształów węglika krzemu. 2) Mechanizm obrotu tygla o dużych rozmiarach oraz mechanizm podnoszenia i opuszczania cewki, dzięki czemu tygiel obraca się podczas procesu wzrostu kryształów i porusza się względem cewki zgodnie z wymaganiami procesu, aby zapewnić konsystencję 8-calowego kryształu oraz ułatwić wzrost i grubość . 3) Automatyczna kontrola parametrów procesu w warunkach dynamicznych, które spełniają potrzeby wysokiej jakości procesu wzrostu monokryształów.

1 Mechanizm wzrostu kryształów PVT

Metoda PVT polega na przygotowaniu monokryształów węglika krzemu poprzez umieszczenie źródła SiC na dnie cylindrycznego tygla z gęstego grafitu, a kryształ zaszczepiający SiC umieszcza się w pobliżu pokrywy tygla. Tygiel nagrzewa się do temperatury 2 300 ~ 2 400 ℃ za pomocą indukcji radiowej lub rezystancji i jest izolowany filcem grafitowym lubporowaty grafit. Głównymi substancjami transportowanymi ze źródła SiC do kryształu zaszczepiającego są cząsteczki Si, Si2C i SiC2. Temperaturę kryształu zaszczepiającego reguluje się tak, aby była nieco niższa niż temperatura dolnego mikroproszku, a w tyglu tworzy się osiowy gradient temperatury. Jak pokazano na rysunku 1, mikroproszek węglika krzemu sublimuje w wysokiej temperaturze, tworząc gazy reakcyjne różnych składników fazy gazowej, które docierają do kryształu zaszczepiającego w niższej temperaturze pod wpływem gradientu temperatury i krystalizują na nim, tworząc cylindryczny wlewek węglika krzemu.

Główne reakcje chemiczne wzrostu PVT to:

SiC(e)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(e) ⇌SiC(g) (4)

Charakterystyka wzrostu PVT monokryształów SiC to:

1) Istnieją dwie fazy gaz-ciało stałe: jedna to faza gaz-proszek SiC, a druga to faza gaz-kryształ.

2) Faza gazowa składa się z dwóch rodzajów substancji: jedna to obojętne cząsteczki wprowadzone do układu; drugi to składnik fazy gazowej SimCn wytwarzany w wyniku rozkładu i sublimacjiProszek SiC. Składniki fazy gazowej SimCn oddziałują ze sobą i część tzw. krystalicznych składników fazy gazowej SimCn, która spełnia wymagania procesu krystalizacji, wyrosnie na kryształ SiC.

3) W proszku stałego węglika krzemu zachodzą reakcje w fazie stałej pomiędzy cząstkami, które nie uległy sublimacji, w tym niektóre cząstki tworzące porowate ciała ceramiczne w wyniku spiekania, niektóre cząstki tworzące ziarna o określonej wielkości cząstek i morfologii krystalograficznej w wyniku reakcji krystalizacji, a niektóre cząstki węglika krzemu przekształcają się w cząstki bogate w węgiel lub cząstki węgla w wyniku niestechiometrycznego rozkładu i sublimacji.

4) Podczas procesu wzrostu kryształów zachodzą dwie zmiany fazowe: jedna polega na tym, że cząstki stałego proszku węglika krzemu przekształcają się w składniki fazy gazowej SimCn poprzez niestechiometryczny rozkład i sublimację, a druga polega na tym, że składniki fazy gazowej SimCn ulegają przemianie na cząstki sieci w wyniku krystalizacji.

2 Konstrukcja sprzętu Jak pokazano na rysunku 2, monokrystaliczny piec wzrostowy z węglika krzemu obejmuje głównie: zespół górnej pokrywy, zespół komory, system grzewczy, mechanizm obracania tygla, mechanizm podnoszenia dolnej pokrywy i elektryczny system sterowania.

2.1 System grzewczy Jak pokazano na rysunku 3, system grzewczy wykorzystuje nagrzewanie indukcyjne i składa się z cewki indukcyjnej,tygiel grafitowy, warstwa izolacyjna (sztywny filc, miękki filc) itp. Kiedy prąd przemienny średniej częstotliwości przepływa przez wielozwojową cewkę indukcyjną otaczającą tygiel grafitowy, w tyglu grafitowym indukowane jest pole magnetyczne o tej samej częstotliwości, generując indukowaną siłę elektromotoryczną. Ponieważ wysokiej czystości grafitowy materiał tygla ma dobrą przewodność, na ściance tygla generowany jest prąd indukowany, tworząc prąd wirowy. Pod działaniem siły Lorentza indukowany prąd ostatecznie zbiegnie się na zewnętrznej ścianie tygla (tj. efekt naskórkowania) i stopniowo osłabnie wzdłuż kierunku promieniowego. Ze względu na istnienie prądów wirowych na zewnętrznej ściance tygla generowane jest ciepło Joule'a, które staje się źródłem ogrzewania układu wzrostowego. Wielkość i rozkład ciepła Joule'a bezpośrednio determinują pole temperatury w tyglu, co z kolei wpływa na wzrost kryształu.

Jak pokazano na rysunku 4, cewka indukcyjna jest kluczową częścią systemu grzewczego. Przyjmuje dwa zestawy niezależnych struktur cewek i jest wyposażony odpowiednio w górne i dolne precyzyjne mechanizmy ruchu. Większość strat ciepła elektrycznego w całym systemie grzewczym pokrywa wężownica i należy zastosować wymuszone chłodzenie. Cewka jest nawinięta miedzianą rurką i chłodzona wewnątrz wodą. Zakres częstotliwości prądu indukowanego wynosi 8~12 kHz. Częstotliwość nagrzewania indukcyjnego określa głębokość penetracji pola elektromagnetycznego w tyglu grafitowym. Mechanizm ruchu cewki wykorzystuje napędzany silnikiem mechanizm pary śrub. Cewka indukcyjna współpracuje z zasilaczem indukcyjnym w celu nagrzania wewnętrznego tygla grafitowego w celu uzyskania sublimacji proszku. Jednocześnie steruje się mocą i względnym położeniem dwóch zestawów cewek, aby temperatura kryształu zaszczepiającego była niższa niż temperatura dolnego mikroproszku, tworząc osiowy gradient temperatury pomiędzy kryształem zaszczepiającym a proszkiem w tyglu i tworząc rozsądny promieniowy gradient temperatury na krysztale węglika krzemu.

2.2 Mechanizm rotacji tygla Podczas wzrostu roślin wielkogabarytowychmonokryształy węglika krzemu, tygiel w środowisku próżniowym wnęki obraca się zgodnie z wymaganiami procesu, a gradient pola termicznego i stan niskiego ciśnienia we wnęce muszą być utrzymywane na stabilnym poziomie. Jak pokazano na rysunku 5, w celu uzyskania stabilnego obrotu tygla zastosowano parę przekładni napędzanych silnikiem. Aby uzyskać dynamiczne uszczelnienie obracającego się wału, zastosowano magnetyczną strukturę uszczelniającą. Magnetyczne uszczelnienie cieczowe wykorzystuje wirujący obwód pola magnetycznego utworzonego pomiędzy magnesem, nabiegunnikiem magnetycznym i tuleją magnetyczną, aby mocno adsorbować ciecz magnetyczną pomiędzy końcówką nabiegunnika a tuleją, tworząc pierścień płynny przypominający o-ring, całkowicie blokujący szczelinę, aby osiągnąć cel uszczelnienia. Gdy ruch obrotowy jest przenoszony z atmosfery do komory próżniowej, stosuje się dynamiczne urządzenie uszczelniające z płynnym pierścieniem typu O-ring, aby przezwyciężyć wady związane z łatwym zużyciem i niską żywotnością w przypadku stałego uszczelnienia, a ciekły płyn magnetyczny może wypełnić całą uszczelnioną przestrzeń, blokując w ten sposób wszystkie kanały, przez które może wyciekać powietrze, i osiągając zerowy wyciek w dwóch procesach: ruchu tygla i zatrzymywania. Płyn magnetyczny i wspornik tygla przyjmują strukturę chłodzenia wodą, aby zapewnić zastosowanie płynu magnetycznego i wspornika tygla w wysokiej temperaturze oraz osiągnąć stabilność stanu pola termicznego.

2.3 Mechanizm podnoszenia dolnej pokrywy

Mechanizm podnoszenia dolnej pokrywy składa się z silnika napędowego, śruby kulowej, prowadnicy liniowej, wspornika do podnoszenia, pokrywy pieca i wspornika pokrywy pieca. Silnik napędza wspornik pokrywy pieca połączony z parą prowadnic śrubowych poprzez reduktor, aby zrealizować ruch dolnej pokrywy w górę i w dół.

Mechanizm podnoszenia dolnej pokrywy ułatwia zakładanie i zdejmowanie tygli o dużych gabarytach, a co ważniejsze zapewnia niezawodność uszczelnienia dolnej pokrywy pieca. Podczas całego procesu w komorze występują etapy zmiany ciśnienia, takie jak próżnia, wysokie ciśnienie i niskie ciśnienie. Stan ściągnięcia i uszczelnienia dolnej pokrywy wpływa bezpośrednio na niezawodność procesu. Gdy uszczelka ulegnie uszkodzeniu pod wpływem wysokiej temperatury, cały proces zostanie złomowany. Za pomocą serwomechanizmu silnika i urządzenia ograniczającego szczelność zespołu dolnej pokrywy i komory jest kontrolowana w celu uzyskania najlepszego stanu ściskania i uszczelnienia pierścienia uszczelniającego komorę pieca, aby zapewnić stabilność ciśnienia procesowego, jak pokazano na rysunku 6 .

2.4 Elektryczny system sterowania Podczas wzrostu kryształów węglika krzemu, elektryczny system sterowania musi dokładnie kontrolować różne parametry procesu, w tym głównie wysokość położenia cewki, prędkość obrotową tygla, moc grzewczą i temperaturę, inny przepływ wlotu gazu specjalnego i otwarcie zawór proporcjonalny.

Jak pokazano na rysunku 7, system sterowania wykorzystuje programowalny sterownik jako serwer, który jest podłączony do serwonapędu poprzez magistralę w celu realizacji sterowania ruchem cewki i tygla; jest podłączony do regulatora temperatury i regulatora przepływu poprzez standardowy MobusRTU, aby realizować kontrolę w czasie rzeczywistym temperatury, ciśnienia i specjalnego przepływu gazu procesowego. Nawiązuje komunikację z oprogramowaniem konfiguracyjnym poprzez Ethernet, wymienia informacje systemowe w czasie rzeczywistym i wyświetla różne informacje o parametrach procesu na komputerze głównym. Operatorzy, personel procesowy i menedżerowie wymieniają informacje z systemem sterowania za pośrednictwem interfejsu człowiek-maszyna.

System sterowania dokonuje zbierania danych terenowych, analizuje stan pracy wszystkich siłowników oraz logiczne powiązania pomiędzy mechanizmami. Programowalny sterownik odbiera instrukcje z komputera głównego i realizuje sterowanie każdym elementem wykonawczym systemu. Wykonanie i strategia bezpieczeństwa menu procesów automatycznych są realizowane przez sterownik programowalny. Stabilność sterownika programowalnego zapewnia stabilność i niezawodność działania menu procesowego.

Konfiguracja górna utrzymuje wymianę danych ze sterownikiem programowalnym w czasie rzeczywistym i wyświetla dane terenowe. Jest wyposażony w interfejsy operacyjne, takie jak sterowanie ogrzewaniem, sterowanie ciśnieniem, sterowanie obiegiem gazu i sterowanie silnikiem, a na interfejsie można modyfikować wartości ustawień różnych parametrów. Monitorowanie parametrów alarmów w czasie rzeczywistym, wyświetlanie alarmów na ekranie, rejestrowanie czasu i szczegółowych danych wystąpienia i usunięcia alarmu. Rejestracja w czasie rzeczywistym wszystkich danych procesowych, zawartości ekranu i czasu operacji. Sterowanie połączeniem różnych parametrów procesu odbywa się za pomocą kodu znajdującego się wewnątrz programowalnego sterownika i można zrealizować maksymalnie 100 kroków procesu. Każdy etap obejmuje kilkanaście parametrów procesu, takich jak czas trwania procesu, moc docelowa, ciśnienie docelowe, przepływ argonu, przepływ azotu, przepływ wodoru, położenie tygla i szybkość tygla.

3 Analiza symulacyjna pola termicznego

Opracowano model analizy symulacyjnej pola termicznego. Rycina 8 przedstawia mapę chmur temperatury w komorze wzrostu w tyglu. Aby zapewnić zakres temperatur wzrostu monokryształu 4H-SiC, temperaturę środkową kryształu zaszczepiającego oblicza się na 2200 ℃, a temperaturę krawędzi 2205,4 ℃. W tym czasie środkowa temperatura wierzchu tygla wynosi 2167,5 ℃, a najwyższa temperatura obszaru proszku (stroną w dół) wynosi 2274,4 ℃, tworząc osiowy gradient temperatury.

Promieniowy rozkład gradientu kryształu pokazano na rysunku 9. Dolny boczny gradient temperatury powierzchni kryształu zaszczepiającego może skutecznie poprawić kształt wzrostu kryształu. Aktualnie obliczona początkowa różnica temperatur wynosi 5,4 ℃, a ogólny kształt jest prawie płaski i lekko wypukły, co może spełnić wymagania dotyczące dokładności promieniowej kontroli temperatury i jednorodności powierzchni kryształu zaszczepiającego.

Krzywą różnicy temperatur między powierzchnią surowca a powierzchnią kryształów zarodkowych pokazano na rysunku 10. Temperatura w środku powierzchni materiału wynosi 2210℃, a pomiędzy powierzchnią materiału a materiałem siewnym powstaje podłużny gradient temperatury wynoszący 1℃/cm powierzchni kryształu, która mieści się w rozsądnym zakresie.

Szacunkowe tempo wzrostu przedstawiono na rysunku 11. Zbyt szybkie tempo wzrostu może zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia defektów takich jak polimorfizm i dyslokacja. Obecnie szacowane tempo wzrostu wynosi blisko 0,1 mm/h, co mieści się w rozsądnym zakresie.

Poprzez analizę i obliczenia symulacji pola termicznego stwierdzono, że temperatura środkowa i temperatura krawędzi kryształu zaszczepiającego odpowiadają promieniowemu gradientowi temperatury kryształu wynoszącemu 8 cali. Jednocześnie góra i dół tygla tworzą osiowy gradient temperatury odpowiedni do długości i grubości kryształu. Obecna metoda ogrzewania systemu wzrostu może sprostać wzrostowi 8-calowych monokryształów.

4 Próba eksperymentalna

Używając tegoPiec do wzrostu monokrystalicznego węglika krzemuw oparciu o gradient temperatury w symulacji pola termicznego, dostosowując takie parametry, jak temperatura górnej części tygla, ciśnienie wnęki, prędkość obrotowa tygla oraz względne położenie górnej i dolnej cewki, przeprowadzono test wzrostu kryształów węglika krzemu i otrzymano 8-calowy kryształ węglika krzemu (jak pokazano na Figurze 12).

5. Wniosek

Zbadano kluczowe technologie hodowli 8-calowych monokryształów węglika krzemu, takie jak gradientowe pole termiczne, mechanizm ruchu tygla i automatyczna kontrola parametrów procesu. Symulowano i analizowano pole termiczne w komorze wzrostu tygla, aby uzyskać idealny gradient temperatury. Po przetestowaniu metoda nagrzewania indukcyjnego z podwójną cewką może sprostać wzrostowi dużych rozmiarówkryształy węglika krzemu. Badania i rozwój tej technologii zapewniają technologię sprzętu do otrzymywania 8-calowych kryształów węglika krzemu i stanowią podstawę sprzętu do przejścia industrializacji węglika krzemu z 6 cali na 8 cali, poprawiając wydajność wzrostu materiałów węglika krzemu i redukując koszty.