8 inçlik silisyum karbür tek kristal büyütme fırını teknolojisine dayanmaktadır

Silisyum karbür, yüksek sıcaklık, yüksek frekans, yüksek güç ve yüksek voltajlı cihazların yapımında ideal malzemelerden biridir. Üretim verimliliğini artırmak ve maliyetleri azaltmak için büyük boyutlu silisyum karbür substratların hazırlanması önemli bir gelişme yönüdür. Süreç gereksinimlerine yönelik olarak8 inç silisyum karbür (SIC) tek kristal büyütme, silisyum karbür fiziksel buhar taşıma (PVT) yönteminin büyüme mekanizması analiz edildi, ısıtma sistemi (TaC Kılavuz Halkası, TaC Kaplamalı Pota,TaC Kaplamalı Yüzükler, TaC Kaplamalı Plaka, TaC Kaplamalı Üç Yapraklı Halka, TaC Kaplamalı Üç Yapraklı Pota, TaC Kaplamalı Tutucu, Gözenekli Grafit, Yumuşak Keçe, Sert Keçe SiC Kaplamalı Kristal Büyüme Tutucu ve diğerSiC Tek Kristal Büyüme Prosesi Yedek ParçalarıVeTek Semiconductor tarafından sağlanmıştır), silisyum karbür tek kristal büyütme fırınının pota rotasyonu ve proses parametre kontrol teknolojisi incelendi ve 8 inçlik kristaller, termal alan simülasyon analizi ve proses deneyleri yoluyla başarıyla hazırlandı ve büyütüldü.

0 Giriş

Silisyum karbür (SiC), üçüncü nesil yarı iletken malzemelerin tipik bir temsilcisidir. Daha büyük bant aralığı genişliği, daha yüksek arıza elektrik alanı ve daha yüksek termal iletkenlik gibi performans avantajlarına sahiptir. Yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve yüksek frekans alanlarında iyi performans gösterir ve yarı iletken malzeme teknolojisi alanındaki ana gelişme yönlerinden biri haline gelmiştir. Yeni enerji araçları, fotovoltaik enerji üretimi, demiryolu taşımacılığı, akıllı şebeke, 5G iletişimi, uydular, radarlar ve diğer alanlarda geniş bir uygulama ihtiyacına sahiptir. Şu anda silisyum karbür kristallerinin endüstriyel büyümesi esas olarak çok fazlı, çok bileşenli, çoklu ısı ve kütle transferi ve manyeto-elektrik ısı akışı etkileşimi gibi karmaşık çok-fiziksel alan birleştirme problemlerini içeren fiziksel buhar taşınımını (PVT) kullanmaktadır. Bu nedenle PVT büyüme sisteminin tasarımı zordur ve süreç parametrelerinin ölçümü ve kontrolü sırasındakristal büyüme süreciBunun zor olması, büyütülmüş silisyum karbür kristallerinin kalite kusurlarının ve küçük kristal boyutunun kontrol edilmesinin zorlaşmasına neden olur, böylece alt tabaka olarak silisyum karbür içeren cihazların maliyeti yüksek kalır.

Silisyum karbür üretim ekipmanları silisyum karbür teknolojisinin ve endüstriyel gelişimin temelidir. Silisyum karbür tek kristal büyütme fırınının teknik seviyesi, proses kapasitesi ve bağımsız garantisi, silisyum karbür malzemelerin büyük boyut ve yüksek verim yönünde geliştirilmesinin anahtarıdır ve aynı zamanda üçüncü nesil yarı iletken endüstrisini yönlendiren ana faktörlerdir. düşük maliyetli ve büyük ölçekli olma yönünde gelişir. Şu anda yüksek voltaj, yüksek güç ve yüksek frekanslı silisyum karbür cihazların geliştirilmesinde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir ancak cihazların üretim verimliliği ve hazırlık maliyetleri, bunların gelişimini kısıtlayan önemli bir faktör haline gelecektir. Substrat olarak silisyum karbür tek kristalli yarı iletken cihazlarda, substratın değeri yaklaşık %50 ile en büyük oranı oluşturur. Büyük boyutlu, yüksek kaliteli silisyum karbür kristal büyütme ekipmanının geliştirilmesi, silisyum karbür tek kristal substratların verimini ve büyüme oranını arttırmak ve üretim maliyetlerini azaltmak, ilgili cihazların uygulanmasında kilit öneme sahiptir. Üretim kapasitesi arzını arttırmak ve silisyum karbür cihazlarının ortalama maliyetini daha da azaltmak için silisyum karbür alt tabakaların boyutunun genişletilmesi önemli yollardan biridir. Şu anda, uluslararası ana akım silisyum karbür substrat boyutu 6 inçtir ve hızla 8 inç'e ilerlemektedir.

8 inçlik silisyum karbür tek kristal büyütme fırınlarının geliştirilmesinde çözülmesi gereken ana teknolojiler şunları içerir: 1) Büyümeye uygun daha küçük bir radyal sıcaklık gradyanı ve daha büyük bir uzunlamasına sıcaklık gradyanı elde etmek için büyük boyutlu termal alan yapısının tasarımı 8 inçlik silisyum karbür kristallerinden. 2) Büyük boyutlu pota dönüşü ve bobin kaldırma ve indirme hareket mekanizması, böylece pota kristal büyüme süreci sırasında döner ve 8 inçlik kristalin tutarlılığını sağlamak ve büyümeyi ve kalınlığı kolaylaştırmak için proses gereksinimlerine göre bobine göre hareket eder . 3) Yüksek kaliteli tek kristal büyütme prosesinin ihtiyaçlarını karşılayan dinamik koşullar altında proses parametrelerinin otomatik kontrolü.

1 PVT kristal büyüme mekanizması

PVT yöntemi, SiC kaynağını silindirik yoğun bir grafit potanın altına yerleştirerek silisyum karbür tek kristalleri hazırlamak ve SiC tohum kristalini pota kapağının yakınına yerleştirmektir. Pota, radyo frekansı indüksiyonu veya direnci ile 2 300 ~ 2 400 ° C'ye ısıtılır ve grafit keçe veyagözenekli grafit. SiC kaynağından tohum kristaline taşınan ana maddeler Si, Si2C molekülleri ve SiC2'dir. Tohum kristalindeki sıcaklık, alt mikro tozdaki sıcaklıktan biraz daha düşük olacak şekilde kontrol edilir ve potada eksenel bir sıcaklık gradyanı oluşturulur. Şekil 1'de gösterildiği gibi, silisyum karbür mikro tozu yüksek sıcaklıkta süblimleşerek farklı gaz fazı bileşenlerinden oluşan reaksiyon gazları oluşturur; bu gazlar, sıcaklık gradyanının etkisi altında daha düşük bir sıcaklıkta tohum kristaline ulaşır ve bunun üzerinde silindirik bir kristal oluşturmak üzere kristalleşir. silisyum karbür külçe.

PVT büyümesinin ana kimyasal reaksiyonları şunlardır:

SiC(ler)⇌Si(g)+C(ler) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(ler) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(ler)⇌SiC(g) (4)

SiC tek kristallerinin PVT büyümesinin özellikleri şunlardır:

1) İki adet gaz-katı arayüzü vardır: biri gaz-SiC toz arayüzü, diğeri ise gaz-kristal arayüzüdür.

2) Gaz fazı iki tür maddeden oluşur: biri sisteme giren inert moleküllerdir; diğeri ise bozunması ve süblimleşmesiyle üretilen gaz fazı bileşeni SimCn'dir.SiC tozu. Gaz fazı bileşenleri SimCn birbirleriyle etkileşime girer ve kristalizasyon prosesinin gereksinimlerini karşılayan sözde kristal gaz fazı bileşenleri SimCn'nin bir kısmı SiC kristaline dönüşecektir.

3) Katı silisyum karbür tozunda, sinterleme yoluyla gözenekli seramik gövdeler oluşturan bazı parçacıklar, kristalizasyon reaksiyonları yoluyla belirli bir parçacık boyutuna ve kristalografik morfolojiye sahip taneler oluşturan bazı parçacıklar ve bazıları da dahil olmak üzere, süblimleşmemiş parçacıklar arasında katı faz reaksiyonları meydana gelecektir. stokiyometrik olmayan ayrışma ve süblimleşme nedeniyle silisyum karbür parçacıklarının karbon açısından zengin parçacıklara veya karbon parçacıklarına dönüşmesi.

4) Kristal büyüme süreci sırasında iki faz değişikliği meydana gelecektir: biri katı silisyum karbür toz parçacıklarının stokiyometrik olmayan ayrışma ve süblimleşme yoluyla gaz fazı bileşenleri SimCn'ye dönüştürülmesi, diğeri ise gaz fazı bileşenleri SimCn'nin dönüştürülmesidir. kristalizasyon yoluyla kafes parçacıklarına dönüşür.

2 Ekipman Tasarımı Şekil 2'de gösterildiği gibi, silisyum karbür tek kristal büyütme fırını temel olarak şunları içerir: üst kapak düzeneği, hazne düzeneği, ısıtma sistemi, pota döndürme mekanizması, alt kapak kaldırma mekanizması ve elektrik kontrol sistemi.

2.1 Isıtma Sistemi Şekil 3'te gösterildiği gibi, ısıtma sistemi indüksiyonla ısıtmayı benimser ve bir indüksiyon bobininden oluşur.grafit pota, bir yalıtım katmanı (sert keçe, yumuşak keçe), vb. Orta frekanslı alternatif akım, grafit potanın dışını çevreleyen çok turlu endüksiyon bobininden geçtiğinde, grafit potada aynı frekansta indüklenmiş bir manyetik alan oluşturulacak ve indüklenmiş bir elektromotor kuvveti oluşturulacaktır. Yüksek saflıkta grafit pota malzemesi iyi bir iletkenliğe sahip olduğundan, potanın duvarında bir indüklenen akım üretilerek bir girdap akımı oluşturulur. Lorentz kuvvetinin etkisi altında, indüklenen akım sonunda potanın dış duvarında birleşecek (yani yüzey etkisi) ve radyal yön boyunca kademeli olarak zayıflayacaktır. Girdap akımlarının varlığı nedeniyle potanın dış duvarında Joule ısısı üretilir ve büyüme sisteminin ısıtma kaynağı haline gelir. Joule ısısının boyutu ve dağılımı, potadaki sıcaklık alanını doğrudan belirler ve bu da kristalin büyümesini etkiler.

Şekil 4'te gösterildiği gibi endüksiyon bobini ısıtma sisteminin önemli bir parçasıdır. İki takım bağımsız bobin yapısını benimser ve sırasıyla üst ve alt hassas hareket mekanizmalarıyla donatılmıştır. Tüm ısıtma sisteminin elektriksel ısı kaybının büyük bir kısmı serpantin tarafından karşılanır ve cebri soğutma yapılması gerekir. Bobin bakır bir boruya sarılır ve içindeki su ile soğutulur. İndüklenen akımın frekans aralığı 8~12 kHz'dir. İndüksiyonla ısıtmanın frekansı, elektromanyetik alanın grafit potaya nüfuz etme derinliğini belirler. Bobin hareket mekanizması, motorla çalıştırılan bir vida çifti mekanizması kullanır. İndüksiyon bobini, tozun süblimleşmesini sağlamak üzere dahili grafit potayı ısıtmak için indüksiyon güç kaynağı ile birlikte çalışır. Aynı zamanda, iki bobin setinin gücü ve göreceli konumu, tohum kristalindeki sıcaklığı daha düşük mikro tozdaki sıcaklıktan daha düşük hale getirmek için kontrol edilir ve tohum kristali ile toz içindeki toz arasında eksenel bir sıcaklık gradyanı oluşturulur. pota ve silisyum karbür kristalinde makul bir radyal sıcaklık gradyanı oluşturur.

2.2 Pota Dönme Mekanizması Büyük Ebatların Büyümesi Sırasındasilisyum karbür tek kristallerkavitenin vakum ortamındaki pota proses gereksinimlerine göre dönmeye devam eder ve kavitedeki gradyan termal alanı ve düşük basınç durumunun sabit tutulması gerekir. Şekil 5'te gösterildiği gibi, potanın kararlı dönüşünü sağlamak için motorla çalıştırılan bir dişli çifti kullanılır. Dönen şaftın dinamik sızdırmazlığını sağlamak için manyetik bir sıvı sızdırmazlık yapısı kullanılır. Manyetik sıvı contası, mıknatıs, manyetik kutup pabucu ve manyetik manşon arasında oluşturulan dönen bir manyetik alan devresini kullanarak, kutup pabucu ucu ile manşon arasındaki manyetik sıvıyı tamamen bloke eden O-halka benzeri bir sıvı halkası oluşturmak üzere sıkıca adsorbe eder. Sızdırmazlık amacına ulaşmak için boşluk. Dönme hareketi atmosferden vakum odasına iletildiğinde, katı sızdırmazlıkta kolay aşınma ve düşük ömür gibi dezavantajların üstesinden gelmek için sıvı O-ring dinamik sızdırmazlık cihazı kullanılır ve sıvı manyetik sıvı tüm sızdırmaz alanı doldurabilir, böylece hava sızdırabilecek tüm kanalları bloke eder ve potanın hareketi ve durmasından oluşan iki süreçte sıfır sızıntı elde edilir. Manyetik sıvı ve pota desteği, manyetik sıvı ve pota desteğinin yüksek sıcaklıkta uygulanabilirliğini sağlamak ve termal alan durumunun stabilitesini sağlamak için su soğutmalı bir yapıya sahiptir.

2.3 Alt kapak kaldırma mekanizması

Alt kapak kaldırma mekanizması bir tahrik motoru, bir vidalı mil, bir doğrusal kılavuz, bir kaldırma braketi, bir fırın kapağı ve bir fırın kapağı braketinden oluşur. Motor, alt kapağın yukarı aşağı hareketini gerçekleştirmek için vida kılavuz çiftine bağlı olan fırın kapak braketini bir redüktör vasıtasıyla tahrik eder.

Alt kapak kaldırma mekanizması büyük boyutlu potaların yerleştirilmesini ve çıkarılmasını kolaylaştırır ve daha da önemlisi alt fırın kapağının sızdırmazlık güvenilirliğini sağlar. Tüm süreç boyunca haznede vakum, yüksek basınç, alçak basınç gibi basınç değişim aşamaları bulunur. Alt kapağın sıkıştırma ve sızdırmazlık durumu proses güvenilirliğini doğrudan etkiler. Mühür yüksek sıcaklıkta arızalanırsa tüm süreç iptal edilecektir. Motor servo kontrol ve sınırlama cihazı aracılığıyla, alt kapak düzeneğinin ve odanın sıkılığı, Şekil 6'da gösterildiği gibi, proses basıncının stabilitesini sağlamak için fırın odası sızdırmazlık halkasının en iyi sıkıştırma ve sızdırmazlık durumunu elde etmek üzere kontrol edilir. .

2.4 Elektrik kontrol sistemi Silisyum karbür kristallerinin büyümesi sırasında, elektrik kontrol sisteminin, esas olarak bobin konumu yüksekliği, pota dönüş hızı, ısıtma gücü ve sıcaklığı, farklı özel gaz giriş akışı ve açılması dahil olmak üzere farklı proses parametrelerini doğru bir şekilde kontrol etmesi gerekir. oransal valf.

Şekil 7'de gösterildiği gibi kontrol sistemi, bobinin ve potanın hareket kontrolünü gerçekleştirmek için veri yolu aracılığıyla servo sürücüye bağlanan programlanabilir bir denetleyiciyi sunucu olarak kullanır; sıcaklık, basınç ve özel proses gaz akışının gerçek zamanlı kontrolünü gerçekleştirmek için standart MobusRTU aracılığıyla sıcaklık kontrol cihazına ve akış kontrol cihazına bağlanır. Ethernet üzerinden konfigürasyon yazılımı ile iletişim kurar, sistem bilgilerini gerçek zamanlı olarak değiştirir ve çeşitli proses parametre bilgilerini ana bilgisayarda görüntüler. Operatörler, proses personeli ve yöneticiler, insan-makine arayüzü aracılığıyla kontrol sistemi ile bilgi alışverişinde bulunur.

Kontrol sistemi tüm saha verilerinin toplanmasını, tüm aktüatörlerin çalışma durumlarının analizini ve mekanizmalar arasındaki mantıksal ilişkiyi gerçekleştirir. Programlanabilir kontrolör, ana bilgisayarın talimatlarını alır ve sistemdeki her aktüatörün kontrolünü tamamlar. Otomatik proses menüsünün yürütülmesi ve güvenlik stratejisinin tamamı programlanabilir kontrolör tarafından yürütülür. Programlanabilir kontrolörün kararlılığı, proses menüsü işleminin kararlılığını ve güvenlik güvenilirliğini sağlar.

Üst konfigürasyon, programlanabilir kontrolör ile gerçek zamanlı veri alışverişini sürdürür ve saha verilerini görüntüler. Isıtma kontrolü, basınç kontrolü, gaz devresi kontrolü ve motor kontrolü gibi çalışma arayüzleri ile donatılmış olup, arayüz üzerinden çeşitli parametrelerin ayar değerleri değiştirilebilir. Alarm parametrelerinin gerçek zamanlı izlenmesi, ekranda alarm gösteriminin sağlanması, alarmın oluşumu ve düzelmesi ile ilgili zamanın ve ayrıntılı verilerin kaydedilmesi. Tüm proses verilerinin, ekran çalışma içeriğinin ve çalışma süresinin gerçek zamanlı kaydı. Çeşitli proses parametrelerinin füzyon kontrolü, programlanabilir kontrolör içerisindeki temel kod aracılığıyla gerçekleştirilir ve maksimum 100 adımlık proses gerçekleştirilebilir. Her adım, proses çalışma süresi, hedef güç, hedef basınç, argon akışı, nitrojen akışı, hidrojen akışı, pota konumu ve pota hızı gibi bir düzineden fazla proses parametresini içerir.

3 Termal alan simülasyon analizi

Termal alan simülasyon analiz modeli kuruldu. Şekil 8, pota büyütme odasındaki sıcaklık bulutu haritasıdır. 4H-SiC tek kristalin büyüme sıcaklığı aralığını sağlamak için tohum kristalinin merkez sıcaklığı 2200°C ve kenar sıcaklığı 2205,4°C olarak hesaplanır. Bu sırada potanın tepesinin merkez sıcaklığı 2167,5°C'dir ve toz alanının (tarafı aşağı) en yüksek sıcaklığı 2274,4°C'dir ve eksenel bir sıcaklık gradyanı oluşturur.

Kristalin radyal gradyan dağılımı Şekil 9'da gösterilmektedir. Tohum kristal yüzeyinin daha düşük yanal sıcaklık gradyanı, kristal büyüme şeklini etkili bir şekilde geliştirebilir. Mevcut hesaplanan başlangıç ​​sıcaklık farkı 5,4°C'dir ve genel şekil neredeyse düz ve hafif dışbükeydir; bu, tohum kristal yüzeyinin radyal sıcaklık kontrol doğruluğunu ve tekdüzelik gereksinimlerini karşılayabilir.

Hammadde yüzeyi ile tohum kristal yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı eğrisi Şekil 10'da gösterilmektedir. Malzeme yüzeyinin merkez sıcaklığı 2210°C'dir ve malzeme yüzeyi ile tohum arasında 1°C/cm'lik uzunlamasına bir sıcaklık gradyanı oluşur. makul bir aralıkta olan kristal yüzey.

Tahmini büyüme oranı Şekil 11'de gösterilmektedir. Çok hızlı büyüme oranı, polimorfizm ve dislokasyon gibi kusurların olasılığını artırabilir. Mevcut tahmini büyüme oranı 0,1 mm/saat'e yakındır ve bu da makul bir aralıktadır.

Termal alan simülasyon analizi ve hesaplaması yoluyla, tohum kristalinin merkez sıcaklığı ve kenar sıcaklığının, kristalin 8 inçlik radyal sıcaklık gradyanını karşıladığı bulunmuştur. Aynı zamanda potanın üst ve alt kısmı kristalin uzunluğuna ve kalınlığına uygun bir eksenel sıcaklık gradyanı oluşturur. Büyüme sisteminin mevcut ısıtma yöntemi, 8 inçlik tek kristallerin büyümesini karşılayabilir.

4 Deneysel test

Bunu kullanaraksilisyum karbür tek kristal büyütme fırınıTermal alan simülasyonunun sıcaklık gradyanına dayalı olarak, pota üst sıcaklığı, boşluk basıncı, pota dönüş hızı ve üst ve alt bobinlerin göreceli konumu gibi parametrelerin ayarlanmasıyla bir silisyum karbür kristal büyüme testi gerçekleştirildi. ve 8 inçlik bir silikon karbür kristali elde edildi (Şekil 12'de gösterildiği gibi).

5. Sonuç

Gradyan termal alanı, pota hareket mekanizması ve proses parametrelerinin otomatik kontrolü gibi 8 inçlik silisyum karbür tek kristallerinin büyümesine yönelik temel teknolojiler incelendi. İdeal sıcaklık gradyanını elde etmek için pota büyütme odasındaki termal alan simüle edildi ve analiz edildi. Testten sonra, çift bobinli indüksiyonlu ısıtma yöntemi, büyük boyutlu büyümeyi karşılayabilirsilisyum karbür kristalleri. Bu teknolojinin araştırılması ve geliştirilmesi, 8 inçlik karbür kristallerin elde edilmesine yönelik ekipman teknolojisi sağlar ve silisyum karbür sanayileşmesinin 6 inçten 8 inçe geçişi için ekipman temeli sağlayarak silisyum karbür malzemelerin büyüme verimliliğini artırır ve maliyetleri azaltır.