Põhineb 8-tollise ränikarbiidi monokristallide kasvuahju tehnoloogial

Ränikarbiid on üks ideaalseid materjale kõrgtemperatuuriliste, kõrgsageduslike, suure võimsusega ja kõrgepingeseadmete valmistamiseks. Tootmise efektiivsuse parandamiseks ja kulude vähendamiseks on oluliseks arengusuunaks suurte ränikarbiidsubstraatide valmistamine. Eesmärk on protsessi nõuded8-tolline ränikarbiidi (SIC) monokristallide kasv, analüüsiti ränikarbiidi füüsikalise aurutranspordi (PVT) meetodi kasvumehhanismi, küttesüsteemi (TaC juhtrõngas, TaC kaetud tiigel,TaC-ga kaetud rõngad, TaC-ga kaetud plaat, TaC-kattega kolme kroonlehega rõngas, TaC-kattega kolme kroonlehega tiigel, TaC-kattega hoidik, poorne grafiit, pehme vilt, jäik vildist SiC-kattega kristallide kasvususseptor ja muudSiC ühekristallilise kasvuprotsessi varuosadpakub VeTek Semiconductor), uuriti ränikarbiidi monokristallide kasvuahju tiigli pöörlemis- ja protsessiparameetrite juhtimise tehnoloogiat ning 8-tollised kristallid valmistati edukalt ette ja kasvatati termilise välja simulatsioonianalüüsi ja protsessikatsete abil.

0 Sissejuhatus

Ränikarbiid (SiC) on tüüpiline kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide esindaja. Sellel on jõudluse eelised, nagu suurem ribalaius, suurem elektriväli ja suurem soojusjuhtivus. See toimib hästi kõrge temperatuuri, kõrgsurve ja kõrgsagedusväljades ning sellest on saanud pooljuhtmaterjalide tehnoloogia valdkonna üks peamisi arengusuundi. Sellel on lai valik rakendusvajadusi uutes energiasõidukites, fotogalvaanilises elektritootmises, raudteetranspordis, nutikas võrgus, 5G sides, satelliitides, radarites ja muudes valdkondades. Praegu kasutatakse ränikarbiidi kristallide tööstuslikuks kasvatamiseks peamiselt füüsilist aurutransporti (PVT), mis hõlmab keerulisi mitmefaasilise, mitmekomponendilise, mitme soojus- ja massiülekande ning magnetoelektrilise soojusvoo interaktsiooni mitme füüsikalise välja sidestusprobleeme. Seetõttu on PVT kasvusüsteemi projekteerimine keeruline ning protsessi parameetrite mõõtmine ja juhtimine selle ajalkristallide kasvuprotsesson raske, mille tulemuseks on raskusi kasvatatud ränikarbiidi kristallide kvaliteedivigade kontrollimisel ja kristallide väikese suuruse kontrollimisel, nii et ränikarbiidi substraadiga seadmete hind jääb kõrgeks.

Ränikarbiidi tootmisseadmed on ränikarbiidi tehnoloogia ja tööstuse arengu alus. Ränikarbiidi monokristallide kasvuahju tehniline tase, protsessivõime ja sõltumatu garantii on ränikarbiidmaterjalide arendamise võti suurte mõõtmete ja suure saagikuse suunas ning on ka peamised tegurid, mis ajendavad kolmanda põlvkonna pooljuhtide tööstust areneda odava ja suuremahulise suunas. Praegu on ränikarbiidist kõrgepinge-, suure võimsusega ja kõrgsageduslike seadmete väljatöötamine teinud märkimisväärseid edusamme, kuid seadmete tootmistõhusus ja ettevalmistuskulud muutuvad oluliseks nende arengut piiravaks teguriks. Pooljuhtseadmetes, mille substraadiks on ränikarbiidi monokristall, moodustab substraadi väärtus suurima osa, umbes 50%. Suuremahuliste ja kvaliteetsete ränikarbiidi kristallide kasvatamise seadmete väljatöötamine, ränikarbiidi monokristallsubstraatide saagise ja kasvukiiruse parandamine ning tootmiskulude vähendamine on seotud seadmete rakendamisel võtmetähtsusega. Tootmisvõimsuse pakkumise suurendamiseks ja ränikarbiidist seadmete keskmise maksumuse edasiseks vähendamiseks on ränikarbiidist substraatide suuruse suurendamine üks olulisi viise. Praegu on rahvusvahelise ränikarbiidi substraadi suurus 6 tolli ja see on kiiresti arenenud 8 tollini.

Peamised lahendust vajavad tehnoloogiad 8-tolliste ränikarbiidist monokristallide kasvuahjude väljatöötamisel on järgmised: 1) Suuremõõtmelise soojusvälja struktuuri projekteerimine, et saada väiksem radiaalne temperatuurigradient ja suurem pikisuunaline temperatuurigradient, mis sobib kasvuks. 8-tollistest ränikarbiidi kristallidest. 2) Suure suurusega tiigli pöörlemine ja mähise tõstmise ja langetamise liikumismehhanism, nii et tiigel pöörleb kristallide kasvuprotsessi ajal ja liigub spiraali suhtes vastavalt protsessi nõuetele, et tagada 8-tollise kristalli konsistents ning hõlbustada kasvu ja paksust. . 3) Protsessi parameetrite automaatne juhtimine dünaamilistes tingimustes, mis vastavad kvaliteetse monokristalli kasvuprotsessi vajadustele.

1 PVT kristallide kasvumehhanism

PVT meetod on ränikarbiidi monokristallide valmistamine, asetades SiC allika silindrilise tiheda grafiittiigli põhja ja SiC idukristall asetatakse tiigli kaane lähedusse. Tiigel kuumutatakse raadiosagedusliku induktsiooni või takistusega temperatuurini 2 300–2 400 ℃ ja isoleeritakse grafiitvildi võipoorne grafiit. Peamised ained, mida SiC allikast idukristalli transporditakse, on Si, Si2C molekulid ja SiC2. Temperatuuri idukristalli juures reguleeritakse veidi madalamaks kui alumise mikropulbri temperatuuri juures ja tiiglisse moodustub aksiaalne temperatuurigradient. Nagu on näidatud joonisel 1, sublimeerub ränikarbiidi mikropulber kõrgel temperatuuril, moodustades erinevate gaasifaasikomponentide reaktsioonigaase, mis jõuavad temperatuurigradiendi mõjul madalama temperatuuriga algkristallideni ja kristalliseeruvad sellel, moodustades silindrilise kuju. ränikarbiidi valuplokk.

PVT kasvu peamised keemilised reaktsioonid on:

SiC(id)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(id)⇌SiC(g) (4)

SiC monokristallide PVT kasvu omadused on järgmised:

1) On kaks gaasi-tahke liidest: üks on gaasi-SiC pulbri liides ja teine ​​on gaasi-kristalli liides.

2) Gaasifaas koosneb kahte tüüpi ainetest: üks on süsteemi sisestatud inertsed molekulid; teine ​​on gaasifaasi komponent SimCn, mis tekib selle lagunemisel ja sublimatsioonilSiC pulber. Gaasifaasi komponendid SimCn interakteeruvad omavahel ning osa kristallisatsiooniprotsessi nõuetele vastavatest nn kristallilise gaasifaasi komponentidest SimCn kasvab SiC kristalliks.

3) Tahkes ränikarbiidi pulbris toimuvad tahkefaasilised reaktsioonid osakeste vahel, mis ei ole sublimeerunud, sealhulgas mõned osakesed, mis moodustavad paagutamise teel poorseid keraamilisi kehasid, mõned osakesed, mis moodustavad kristallisatsioonireaktsioonide kaudu teatud osakeste suuruse ja kristallograafilise morfoloogiaga terad, ja mõned ränikarbiidi osakesed, mis muutuvad mittestöhhiomeetrilise lagunemise ja sublimatsiooni tõttu süsinikurikasteks või süsinikuosakesteks.

4) Kristallide kasvatamise protsessis toimub kaks faasimuutust: üks on see, et tahked ränikarbiidi pulbri osakesed muudetakse mittestöhhiomeetrilise lagunemise ja sublimatsiooni teel gaasifaasi komponentideks SimCn ning teine ​​on see, et gaasifaasi komponendid SimCn muudetakse. kristalliseerumise teel võreosakesteks.

2 Seadme disain Nagu on näidatud joonisel 2, sisaldab ränikarbiidi monokristallide kasvuahi peamiselt järgmist: ülemise kaane komplekt, kambrikoost, küttesüsteem, tiigli pöörlemismehhanism, alumise kaane tõstemehhanism ja elektriline juhtimissüsteem.

2.1 Küttesüsteem Nagu on näidatud joonisel 3, kasutab küttesüsteem induktsioonkuumutust ja koosneb induktsioonspiraalist,grafiidist tiigel, isolatsioonikiht (jäik vilt, pehme vilt) jne. Kui keskmise sagedusega vahelduvvool läbib grafiittiigli väliskülge ümbritsevat mitme pöördega induktsioonmähist, tekib grafiittiiglisse sama sagedusega indutseeritud magnetväli, mis tekitab indutseeritud elektromotoorjõu. Kuna kõrge puhtusastmega grafiittiigli materjalil on hea juhtivus, tekib tiigli seinale indutseeritud vool, mis moodustab pöörisvoolu. Lorentzi jõu mõjul koondub indutseeritud vool lõpuks tiigli välisseinale (st nahaefekt) ja nõrgeneb järk-järgult radiaalsuunas. Tänu pöörisvoolude olemasolule tekib tiigli välisseinale džauli soojust, millest saab kasvusüsteemi kütteallikas. Joule'i soojuse suurus ja jaotus määravad otseselt temperatuurivälja tiiglis, mis omakorda mõjutab kristalli kasvu.

Nagu on näidatud joonisel 4, on induktsioonmähis küttesüsteemi põhiosa. Sellel on kaks sõltumatute mähisstruktuuride komplekti ja see on varustatud vastavalt ülemise ja alumise täppisliikumismehhanismiga. Suurem osa kogu küttesüsteemi elektrilisest soojuskaost kannab spiraal ning teha tuleb sundjahutus. Mähis on keritud vasktoruga ja jahutatakse sees oleva veega. Indutseeritud voolu sagedusvahemik on 8-12 kHz. Induktsioonkuumutuse sagedus määrab elektromagnetvälja läbitungimissügavuse grafiittiiglisse. Mähise liikumismehhanism kasutab mootoriga käitatavat kruvipaari mehhanismi. Induktsioonmähis teeb koostööd induktsioontoiteallikaga, et soojendada sisemist grafiittiigli, et saavutada pulbri sublimatsioon. Samal ajal juhitakse kahe mähiste komplekti võimsust ja suhtelist asendit, et muuta temperatuur idukristalli juures madalamaks kui alumise mikropulbri oma, moodustades aksiaalse temperatuurigradiendi idukristalli ja pulbri vahel. tiigel ja moodustades ränikarbiidi kristalli juures mõistliku radiaalse temperatuurigradiendi.

2.2 Tiigli pöörlemismehhanism Suurte kasvu ajalränikarbiidi monokristallid, hoitakse õõnsuse vaakumkeskkonnas olevat tiiglit pöörlemas vastavalt protsessi nõuetele ning gradiendi termiline väli ja madalrõhu olek õõnsuses tuleb hoida stabiilsena. Nagu on näidatud joonisel 5, kasutatakse tiigli stabiilse pöörlemise saavutamiseks mootoriga käitatavat käigupaari. Pöörleva võlli dünaamilise tihenduse saavutamiseks kasutatakse magnetilise vedeliku tihendusstruktuuri. Magnetvedeliku tihend kasutab pöörlevat magnetvälja vooluringi, mis on moodustatud magneti, magnetpooluse jalatsi ja magnethülsi vahele, et kindlalt adsorbeerida magnetiline vedelik poolusotsiku ja hülsi vahel, moodustades O-rõngataolise vedelikurõnga, mis blokeerib täielikult. vahe tihendamise eesmärgi saavutamiseks. Kui pöörlev liikumine edastatakse atmosfäärist vaakumkambrisse, kasutatakse vedelat O-rõngast dünaamilist tihendusseadet, et ületada tahke tihendi kerge kulumise ja madala eluea puudused ning vedel magnetvedelik võib täita kogu suletud ruumi, blokeerides sellega kõik kanalid, mis võivad õhku lekkida, ja saavutades tiigli liikumise ja peatamise kahe protsessi lekke nulli. Magnetvedelikul ja tiigli toel on vesijahutuskonstruktsioon, et tagada magnetilise vedeliku ja tiigli toe kõrgel temperatuuril rakendatavus ning saavutada soojusvälja oleku stabiilsus.

2.3 Alumise katte tõstemehhanism

Alumise kaane tõstemehhanism koosneb ajamimootorist, kuulkruvist, lineaarjuhikust, tõstekronsteinist, ahjukaanest ja ahjukaane kronsteinist. Mootor juhib kruvijuhipaariga ühendatud ahju kaane kronsteini läbi reduktori, et realiseerida alumise kaane üles-alla liikumist.

Alumise kaane tõstemehhanism hõlbustab suuremahuliste tiiglite paigutamist ja eemaldamist ning mis veelgi olulisem, tagab alumise ahjukaane tihenduskindluse. Kogu protsessi jooksul on kambris rõhumuutuse etapid, nagu vaakum, kõrge rõhk ja madal rõhk. Alumise katte kokkusurumine ja tihendus mõjutab otseselt protsessi töökindlust. Kui tihend kõrgel temperatuuril ebaõnnestub, jäetakse kogu protsess vanarauaks. Mootori servojuhtimis- ja piirdeseadme kaudu juhitakse alumise kaanesõlme ja kambri tihedust, et saavutada ahjukambri tihendusrõnga parim kokkusurumise ja tihenduse olek, et tagada protsessi rõhu stabiilsus, nagu on näidatud joonisel 6. .

2.4 Elektriline juhtimissüsteem Ränikarbiidi kristallide kasvamise ajal peab elektriline juhtimissüsteem täpselt kontrollima erinevaid protsessi parameetreid, sealhulgas peamiselt mähise positsiooni kõrgust, tiigli pöörlemiskiirust, küttevõimsust ja temperatuuri, erinevat spetsiaalset gaasi sisselaskevoolu ja toru avamist. proportsionaalne ventiil.

Nagu on näidatud joonisel 7, kasutab juhtimissüsteem serverina programmeeritavat kontrollerit, mis on siini kaudu ühendatud servo draiveriga, et teostada pooli ja tiigli liikumisjuhtimist; see on ühendatud temperatuuri regulaatori ja vooluregulaatoriga läbi standardse MobusRTU, et teostada temperatuuri, rõhu ja spetsiaalse protsessigaasi voolu reaalajas juhtimist. See loob ühenduse konfiguratsioonitarkvaraga Etherneti kaudu, vahetab reaalajas süsteemiteavet ja kuvab hostarvutis erinevat protsessiparameetriteavet. Operaatorid, protsessipersonal ja juhid vahetavad infot juhtimissüsteemiga läbi inimese ja masina liidese.

Juhtimissüsteem teostab kogu väliandmete kogumise, kõigi täiturmehhanismide tööoleku analüüsi ja mehhanismidevahelise loogilise seose. Programmeeritav kontroller võtab vastu hostarvuti juhised ja viib lõpule süsteemi iga täiturmehhanismi juhtimise. Automaatse protsessimenüü täitmist ja ohutusstrateegiat teostab programmeeritav kontroller. Programmeeritava kontrolleri stabiilsus tagab protsessimenüü töö stabiilsuse ja ohutuskindluse.

Ülemine konfiguratsioon hoiab andmevahetust programmeeritava kontrolleriga reaalajas ja kuvab põlluandmeid. See on varustatud tööliidestega nagu kütte juhtimine, rõhu juhtimine, gaasikontuuri juhtimine ja mootori juhtimine ning liidesel saab muuta erinevate parameetrite seadistusväärtusi. Häire parameetrite reaalajas jälgimine, ekraani häire kuvamine, kellaaja salvestamine ja häire esinemise ja taastumise üksikasjalikud andmed. Kõigi protsessiandmete, ekraani töö sisu ja tööaja salvestamine reaalajas. Erinevate protsessiparameetrite liitjuhtimine toimub programmeeritava kontrolleri sees oleva koodi kaudu ja maksimaalselt saab teostada 100 protsessi sammu. Iga etapp sisaldab rohkem kui tosinat protsessiparameetrit, nagu protsessi tööaeg, sihtvõimsus, sihtrõhk, argooni vool, lämmastiku vool, vesiniku vool, tiigli asukoht ja tiigli kiirus.

3 Soojusvälja simulatsioonianalüüs

Luuakse soojusvälja simulatsioonianalüüsi mudel. Joonis 8 on temperatuuripilvede kaart tiigli kasvukambris. 4H-SiC monokristallide kasvutemperatuuri vahemiku tagamiseks arvutatakse idukristallide kesktemperatuuriks 2200 ℃ ja servatemperatuuriks 2205,4 ℃. Sel ajal on tiigli ülaosa kesktemperatuur 2167,5 ℃ ja pulbri ala kõrgeim temperatuur (pool allapoole) on 2274,4 ℃, moodustades aksiaalse temperatuurigradiendi.

Kristallide radiaalne gradiendi jaotus on näidatud joonisel 9. Külvikristalli pinna madalam külgtemperatuuri gradient võib kristallide kasvu kuju tõhusalt parandada. Praegune arvutatud algtemperatuuri erinevus on 5,4 ℃ ja üldine kuju on peaaegu tasane ja kergelt kumer, mis vastab seemnekristalli pinna radiaalse temperatuuri reguleerimise täpsuse ja ühtluse nõuetele.

Temperatuuri erinevuse kõver toormaterjali pinna ja seemnekristalli pinna vahel on näidatud joonisel 10. Materjali pinna kesktemperatuur on 2210 ℃ ning materjali pinna ja seemne vahele moodustub pikisuunaline temperatuurigradient 1 ℃/cm. kristallpind, mis on mõistlikus vahemikus.

Hinnanguline kasvukiirus on näidatud joonisel 11. Liiga kiire kasvukiirus võib suurendada defektide, nagu polümorfism ja nihestus, tõenäosust. Praegune hinnanguline kasvutempo on 0,1 mm/h lähedal, mis jääb mõistlikesse piiridesse.

Soojusvälja simulatsiooni analüüsi ja arvutuste abil leiti, et seemnekristalli kesktemperatuur ja servatemperatuur vastavad kristalli radiaalse temperatuuri gradiendile 8 tolli. Samal ajal moodustavad tiigli üla- ja alaosa aksiaalse temperatuurigradiendi, mis sobib kristalli pikkusele ja paksusele. Kasvusüsteemi praegune kuumutusmeetod suudab rahuldada 8-tolliste monokristallide kasvu.

4 Eksperimentaalne test

Kasutades sedaränikarbiidi monokristallide kasvuahi, põhinedes termilise välja simulatsiooni temperatuurigradiendil, kohandades selliseid parameetreid nagu tiigli ülemise temperatuur, õõnsuse rõhk, tiigli pöörlemiskiirus ning ülemise ja alumise pooli suhteline asend, viidi läbi ränikarbiidi kristallide kasvukatse. , ja saadi 8-tolline ränikarbiidi kristall (nagu on näidatud joonisel 12).

5 Järeldus

Uuriti 8-tolliste ränikarbiidi monokristallide kasvatamise võtmetehnoloogiaid, nagu gradientsoojusväli, tiigli liikumismehhanism ja protsessiparameetrite automaatne juhtimine. Ideaalse temperatuurigradiendi saamiseks simuleeriti ja analüüsiti tiigli kasvukambri soojusvälja. Pärast katsetamist suudab kahepoolne induktsioonkuumutusmeetod rahuldada suurte mõõtmete kasvuränikarbiidi kristallid. Selle tehnoloogia uurimis- ja arendustöö pakub seadmete tehnoloogiat 8-tolliste karbiidikristallide saamiseks ja seadmete aluse ränikarbiidi industrialiseerimise üleminekuks 6 tollilt 8 tollile, parandades ränikarbiidi materjalide kasvutõhusust ja vähendades kulusid.