Basato sulla tecnologia del forno a crescita monocristallino in carburo di silicio da 8 pollici

Il carburo di silicio è uno dei materiali ideali per la realizzazione di dispositivi ad alta temperatura, alta frequenza, alta potenza e alta tensione. Al fine di migliorare l’efficienza produttiva e ridurre i costi, la preparazione di substrati di carburo di silicio di grandi dimensioni è un’importante direzione di sviluppo. Mirando ai requisiti di processo diCrescita monocristallina di carburo di silicio (SIC) da 8 pollici, è stato analizzato il meccanismo di crescita del metodo di trasporto fisico del vapore in carburo di silicio (PVT), il sistema di riscaldamento (anello guida TaC, crogiolo rivestito TaC,Anelli rivestiti in TaC, Piastra rivestita in TaC, Anello a tre petali rivestito in TaC, Crogiolo a tre petali rivestito in TaC, Supporto rivestito in TaC, Grafite porosa, Feltro morbido, Suscettore di crescita dei cristalli rivestito in SiC in feltro rigido e altroPezzi di ricambio del processo di crescita del cristallo singolo SiCsono forniti da VeTek Semiconductor), sono state studiate la rotazione del crogiolo e la tecnologia di controllo dei parametri di processo del forno di crescita del singolo cristallo di carburo di silicio e cristalli da 8 pollici sono stati preparati e cresciuti con successo attraverso analisi di simulazione del campo termico ed esperimenti di processo.

0 Introduzione

Il carburo di silicio (SiC) è un tipico rappresentante dei materiali semiconduttori di terza generazione. Presenta vantaggi in termini di prestazioni come una maggiore larghezza di banda proibita, un campo elettrico di rottura più elevato e una maggiore conduttività termica. Funziona bene in campi ad alta temperatura, alta pressione e alta frequenza ed è diventata una delle principali direzioni di sviluppo nel campo della tecnologia dei materiali semiconduttori. Ha una vasta gamma di esigenze applicative nei veicoli a nuova energia, nella produzione di energia fotovoltaica, nel trasporto ferroviario, nella rete intelligente, nella comunicazione 5G, nei satelliti, nei radar e in altri campi. Allo stato attuale, la crescita industriale dei cristalli di carburo di silicio utilizza principalmente il trasporto fisico del vapore (PVT), che comporta complessi problemi di accoppiamento di campo multifisico di trasferimento multifase, multicomponente, di calore e di massa e di interazione del flusso di calore magnetoelettrico. Pertanto, la progettazione del sistema di crescita PVT è difficile e la misurazione e il controllo dei parametri di processo durante il processoprocesso di crescita dei cristalliè difficile, con conseguente difficoltà nel controllare i difetti di qualità dei cristalli di carburo di silicio cresciuti e la piccola dimensione dei cristalli, per cui il costo dei dispositivi con carburo di silicio come substrato rimane elevato.

Le apparecchiature per la produzione del carburo di silicio rappresentano il fondamento della tecnologia del carburo di silicio e dello sviluppo industriale. Il livello tecnico, la capacità di processo e la garanzia indipendente del forno di crescita monocristallino del carburo di silicio sono la chiave per lo sviluppo dei materiali in carburo di silicio nella direzione di grandi dimensioni e alta resa, e sono anche i principali fattori che spingono l'industria dei semiconduttori di terza generazione a svilupparsi nella direzione del basso costo e della larga scala. Allo stato attuale, lo sviluppo di dispositivi in ​​carburo di silicio ad alta tensione, alta potenza e alta frequenza ha compiuto progressi significativi, ma l'efficienza di produzione e il costo di preparazione dei dispositivi diventeranno un fattore importante che ne limiterà lo sviluppo. Nei dispositivi a semiconduttore con monocristallo di carburo di silicio come substrato, il valore del substrato rappresenta la percentuale maggiore, circa il 50%. Lo sviluppo di apparecchiature per la crescita dei cristalli di carburo di silicio di alta qualità e di grandi dimensioni, il miglioramento della resa e del tasso di crescita dei substrati monocristallini di carburo di silicio e la riduzione dei costi di produzione sono di fondamentale importanza per l'applicazione dei dispositivi correlati. Al fine di aumentare la capacità produttiva e ridurre ulteriormente il costo medio dei dispositivi in ​​carburo di silicio, uno dei modi più importanti è espandere le dimensioni dei substrati in carburo di silicio. Allo stato attuale, la dimensione del substrato di carburo di silicio tradizionale a livello internazionale è di 6 pollici e sta rapidamente avanzando fino a 8 pollici.

Le principali tecnologie che devono essere risolte nello sviluppo di forni di crescita monocristallino in carburo di silicio da 8 pollici includono: 1) Progettazione di una struttura del campo termico di grandi dimensioni per ottenere un gradiente di temperatura radiale più piccolo e un gradiente di temperatura longitudinale più grande adatto alla crescita di cristalli di carburo di silicio da 8 pollici. 2) Rotazione del crogiolo di grandi dimensioni e meccanismo di movimento di sollevamento e abbassamento della bobina, in modo che il crogiolo ruoti durante il processo di crescita del cristallo e si muova rispetto alla bobina in base ai requisiti del processo per garantire la consistenza del cristallo da 8 pollici e facilitare la crescita e lo spessore . 3) Controllo automatico dei parametri di processo in condizioni dinamiche che soddisfano le esigenze del processo di crescita del singolo cristallo di alta qualità.

1 Meccanismo di crescita dei cristalli PVT

Il metodo PVT consiste nel preparare cristalli singoli di carburo di silicio posizionando la sorgente di SiC sul fondo di un crogiolo cilindrico di grafite densa e il cristallo seme di SiC viene posizionato vicino al coperchio del crogiolo. Il crogiolo viene riscaldato a 2 300~2 400 ℃ mediante induzione o resistenza a radiofrequenza ed è isolato con feltro di grafite ografite porosa. Le principali sostanze trasportate dalla fonte SiC al cristallo seme sono Si, molecole Si2C e SiC2. La temperatura nel cristallo seme è controllata in modo che sia leggermente inferiore a quella della micropolvere inferiore e nel crogiolo si forma un gradiente assiale di temperatura. Come mostrato nella Figura 1, la micropolvere di carburo di silicio sublima ad alta temperatura per formare gas di reazione di diversi componenti della fase gassosa, che raggiungono il cristallo seme con una temperatura inferiore sotto l'azione del gradiente di temperatura e cristallizzano su di esso per formare un cilindro cilindrico lingotto di carburo di silicio.

Le principali reazioni chimiche della crescita del PVT sono:

SiC(s)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(i)⇌SiC(g) (4)

Le caratteristiche della crescita PVT dei singoli cristalli SiC sono:

1) Esistono due interfacce gas-solido: una è l'interfaccia gas-polvere SiC e l'altra è l'interfaccia gas-cristallo.

2) La fase gassosa è composta da due tipi di sostanze: una sono le molecole inerti introdotte nel sistema; l'altro è il componente in fase gassosa SimCn prodotto dalla decomposizione e sublimazione delPolvere di SiC. I componenti della fase gassosa SimCn interagiscono tra loro e una parte dei cosiddetti componenti della fase gassosa cristallina SimCn che soddisfano i requisiti del processo di cristallizzazione si svilupperanno nel cristallo SiC.

3) Nella polvere solida di carburo di silicio, si verificheranno reazioni in fase solida tra particelle che non hanno sublimato, comprese alcune particelle che formano corpi ceramici porosi attraverso la sinterizzazione, alcune particelle che formano grani con una certa dimensione delle particelle e morfologia cristallografica attraverso reazioni di cristallizzazione, e alcune particelle di carburo di silicio che si trasformano in particelle ricche di carbonio o particelle di carbonio a causa di decomposizione e sublimazione non stechiometrica.

4) Durante il processo di crescita dei cristalli, si verificheranno due cambiamenti di fase: uno è che le particelle solide di polvere di carburo di silicio vengono trasformate in componenti in fase gassosa SimCn attraverso decomposizione e sublimazione non stechiometrica, e l'altro è che i componenti in fase gassosa SimCn vengono trasformati in particelle reticolari attraverso la cristallizzazione.

2 Progettazione dell'attrezzatura Come mostrato nella Figura 2, il forno di crescita monocristallino in carburo di silicio comprende principalmente: gruppo coperchio superiore, gruppo camera, sistema di riscaldamento, meccanismo di rotazione del crogiolo, meccanismo di sollevamento del coperchio inferiore e sistema di controllo elettrico.

2.1 Sistema di riscaldamento Come mostrato nella Figura 3, il sistema di riscaldamento adotta il riscaldamento a induzione ed è composto da una bobina di induzione, uncrogiolo di grafite, uno strato isolante(feltro rigido, feltro morbido), ecc. Quando la corrente alternata a media frequenza passa attraverso la bobina di induzione multigiro che circonda l'esterno del crogiolo di grafite, nel crogiolo di grafite si formerà un campo magnetico indotto della stessa frequenza, generando una forza elettromotrice indotta. Poiché il materiale del crogiolo in grafite ad elevata purezza ha una buona conduttività, sulla parete del crogiolo viene generata una corrente indotta, che forma una corrente parassita. Sotto l'azione della forza di Lorentz, la corrente indotta finirà per convergere sulla parete esterna del crogiolo (effetto pelle) e indebolirsi gradualmente lungo la direzione radiale. A causa dell'esistenza delle correnti parassite, sulla parete esterna del crogiolo viene generato calore Joule, che diventa la fonte di riscaldamento del sistema di crescita. La dimensione e la distribuzione del calore Joule determinano direttamente il campo di temperatura nel crogiolo, che a sua volta influenza la crescita del cristallo.

Come mostrato nella Figura 4, la bobina di induzione è una parte fondamentale del sistema di riscaldamento. Adotta due serie di strutture a bobina indipendenti ed è dotato rispettivamente di meccanismi di movimento di precisione superiore e inferiore. La maggior parte della perdita di calore elettrico dell'intero sistema di riscaldamento è a carico della batteria e deve essere effettuato un raffreddamento forzato. La bobina è avvolta con un tubo di rame e raffreddata dall'acqua al suo interno. La gamma di frequenza della corrente indotta è 8~12 kHz. La frequenza del riscaldamento ad induzione determina la profondità di penetrazione del campo elettromagnetico nel crogiolo di grafite. Il meccanismo di movimento della bobina utilizza un meccanismo a coppia di viti motorizzate. La bobina di induzione collabora con l'alimentatore a induzione per riscaldare il crogiolo di grafite interno per ottenere la sublimazione della polvere. Allo stesso tempo, la potenza e la posizione relativa dei due gruppi di bobine sono controllate per rendere la temperatura nel cristallo seme inferiore a quella della micropolvere inferiore, formando un gradiente di temperatura assiale tra il cristallo seme e la polvere nel cristallo seme. crogiolo e formando un ragionevole gradiente di temperatura radiale sul cristallo di carburo di silicio.

2.2 Meccanismo di rotazione del crogiolo Durante la crescita di grandi dimensionimonocristalli di carburo di silicio, il crogiolo nell'ambiente sottovuoto della cavità viene mantenuto in rotazione in base ai requisiti del processo e il gradiente del campo termico e lo stato di bassa pressione nella cavità devono essere mantenuti stabili. Come mostrato nella Figura 5, per ottenere una rotazione stabile del crogiolo viene utilizzata una coppia di ingranaggi motorizzata. Una struttura di tenuta del fluido magnetico viene utilizzata per ottenere la tenuta dinamica dell'albero rotante. La tenuta del fluido magnetico utilizza un circuito di campo magnetico rotante formato tra il magnete, la scarpa polare magnetica e il manicotto magnetico per assorbire saldamente il liquido magnetico tra la punta della scarpa polare e il manicotto per formare un anello fluido simile a un O-ring, bloccandolo completamente il divario per raggiungere lo scopo di sigillatura. Quando il movimento rotatorio viene trasmesso dall'atmosfera alla camera a vuoto, il dispositivo di tenuta dinamica O-ring liquido viene utilizzato per superare gli svantaggi di facile usura e bassa durata nella tenuta solida e il fluido magnetico liquido può riempire l'intero spazio sigillato, bloccando così tutti i canali che possono far fuoriuscire aria e ottenendo zero perdite nei due processi di movimento e arresto del crogiolo. Il fluido magnetico e il supporto del crogiolo adottano una struttura di raffreddamento ad acqua per garantire l'applicabilità ad alta temperatura del fluido magnetico e del supporto del crogiolo e raggiungere la stabilità dello stato del campo termico.

2.3 Meccanismo di sollevamento del coperchio inferiore

Il meccanismo di sollevamento del coperchio inferiore è costituito da un motore di azionamento, una vite a ricircolo di sfere, una guida lineare, una staffa di sollevamento, una copertura del forno e una staffa del coperchio del forno. Il motore aziona la staffa del coperchio del forno collegata alla coppia di guide a vite attraverso un riduttore per realizzare il movimento su e giù del coperchio inferiore.

Il meccanismo di sollevamento del coperchio inferiore facilita il posizionamento e la rimozione di crogioli di grandi dimensioni e, cosa più importante, garantisce l'affidabilità della tenuta del coperchio inferiore del forno. Durante l'intero processo, la camera presenta fasi di cambiamento di pressione come vuoto, alta pressione e bassa pressione. Lo stato di compressione e tenuta del coperchio inferiore influisce direttamente sulla sicurezza del processo. Una volta che il sigillo fallisce ad alta temperatura, l'intero processo verrà scartato. Attraverso il servocontrollo del motore e il dispositivo di limitazione, la tenuta del gruppo coperchio inferiore e della camera viene controllata per ottenere il miglior stato di compressione e tenuta dell'anello di tenuta della camera del forno per garantire la stabilità della pressione di processo, come mostrato nella Figura 6 .

2.4 Sistema di controllo elettrico Durante la crescita dei cristalli di carburo di silicio, il sistema di controllo elettrico deve controllare accuratamente diversi parametri di processo, tra cui principalmente l'altezza della posizione della bobina, la velocità di rotazione del crogiolo, la potenza e la temperatura di riscaldamento, diversi flussi di aspirazione di gas speciali e l'apertura di la valvola proporzionale.

Come mostrato nella Figura 7, il sistema di controllo utilizza un controller programmabile come server, collegato al servoazionamento tramite il bus per realizzare il controllo del movimento della bobina e del crogiolo; è collegato al regolatore di temperatura e al regolatore di flusso tramite MobusRTU standard per realizzare il controllo in tempo reale della temperatura, della pressione e del flusso di gas di processo speciale. Stabilisce la comunicazione con il software di configurazione tramite Ethernet, scambia informazioni di sistema in tempo reale e visualizza varie informazioni sui parametri di processo sul computer host. Operatori, personale di processo e responsabili scambiano informazioni con il sistema di controllo attraverso l'interfaccia uomo-macchina.

Il sistema di controllo esegue tutta la raccolta dei dati sul campo, l'analisi dello stato operativo di tutti gli attuatori e la relazione logica tra i meccanismi. Il controllore programmabile riceve le istruzioni del computer host e completa il controllo di ciascun attuatore del sistema. L'esecuzione e la strategia di sicurezza del menu del processo automatico sono tutte eseguite dal controllore programmabile. La stabilità del controllore programmabile garantisce la stabilità e l'affidabilità di sicurezza del funzionamento del menu di processo.

La configurazione superiore mantiene lo scambio di dati con il controllore programmabile in tempo reale e visualizza i dati sul campo. È dotato di interfacce operative come controllo del riscaldamento, controllo della pressione, controllo del circuito del gas e controllo del motore, e i valori di impostazione di vari parametri possono essere modificati sull'interfaccia. Monitoraggio in tempo reale dei parametri di allarme, visualizzazione degli allarmi sullo schermo, registrazione dell'ora e dati dettagliati relativi al verificarsi e al ripristino dell'allarme. Registrazione in tempo reale di tutti i dati di processo, contenuto operativo dello schermo e tempo di funzionamento. Il controllo della fusione di vari parametri di processo viene realizzato tramite il codice sottostante all'interno del controller programmabile e possono essere realizzati un massimo di 100 passaggi di processo. Ciascuna fase comprende più di una dozzina di parametri di processo, tra cui tempo di funzionamento del processo, potenza target, pressione target, flusso di argon, flusso di azoto, flusso di idrogeno, posizione e velocità del crogiolo.

3 Analisi di simulazione del campo termico

Viene stabilito il modello di analisi della simulazione del campo termico. La Figura 8 è la mappa della nuvola di temperatura nella camera di crescita del crogiolo. Per garantire l'intervallo di temperature di crescita del cristallo singolo 4H-SiC, si calcola che la temperatura centrale del cristallo seme sia di 2200 ℃ e la temperatura del bordo sia di 2205,4 ℃. In questo momento, la temperatura centrale della parte superiore del crogiolo è 2167,5 ℃, e la temperatura più alta dell'area della polvere (lato rivolto verso il basso) è 2274,4 ℃, formando un gradiente di temperatura assiale.

La distribuzione del gradiente radiale del cristallo è mostrata nella Figura 9. Il gradiente di temperatura laterale inferiore della superficie del cristallo seme può migliorare efficacemente la forma di crescita del cristallo. L'attuale differenza di temperatura iniziale calcolata è di 5,4 ℃ e la forma complessiva è quasi piatta e leggermente convessa, in grado di soddisfare i requisiti di precisione del controllo della temperatura radiale e di uniformità della superficie del seme del cristallo.

La curva della differenza di temperatura tra la superficie della materia prima e la superficie del seme del cristallo è mostrata nella Figura 10. La temperatura centrale della superficie del materiale è 2210 ℃ e tra la superficie del materiale e il seme si forma un gradiente longitudinale di temperatura di 1 ℃/cm superficie cristallina, che rientra in un intervallo ragionevole.

Il tasso di crescita stimato è mostrato nella Figura 11. Un tasso di crescita troppo rapido può aumentare la probabilità di difetti come polimorfismo e dislocazione. L’attuale tasso di crescita stimato è vicino a 0,1 mm/h, un intervallo ragionevole.

Attraverso l'analisi e il calcolo della simulazione del campo termico, si è riscontrato che la temperatura centrale e la temperatura dei bordi del cristallo seme soddisfano il gradiente di temperatura radiale del cristallo di 8 pollici. Allo stesso tempo, la parte superiore e quella inferiore del crogiolo formano un gradiente assiale di temperatura adeguato alla lunghezza e allo spessore del cristallo. L'attuale metodo di riscaldamento del sistema di crescita può soddisfare la crescita di cristalli singoli da 8 pollici.

4 Prova sperimentale

Usando questoforno di crescita monocristallino in carburo di silicio, in base al gradiente di temperatura della simulazione del campo termico, regolando parametri quali la temperatura superiore del crogiolo, la pressione della cavità, la velocità di rotazione del crogiolo e la posizione relativa delle bobine superiore e inferiore, è stato effettuato un test di crescita dei cristalli di carburo di silicio ed è stato ottenuto un cristallo di carburo di silicio da 8 pollici (come mostrato nella Figura 12).

5. conclusione

Sono state studiate le tecnologie chiave per la crescita di cristalli singoli di carburo di silicio da 8 pollici, come il gradiente di campo termico, il meccanismo di movimento del crogiolo e il controllo automatico dei parametri di processo. Il campo termico nella camera di crescita del crogiolo è stato simulato e analizzato per ottenere il gradiente di temperatura ideale. Dopo il test, il metodo di riscaldamento a induzione a doppia bobina può soddisfare la crescita di grandi dimensionicristalli di carburo di silicio. La ricerca e lo sviluppo di questa tecnologia forniscono la tecnologia delle apparecchiature per ottenere cristalli di carburo da 8 pollici e forniscono le basi delle apparecchiature per la transizione dell'industrializzazione del carburo di silicio da 6 pollici a 8 pollici, migliorando l'efficienza di crescita dei materiali di carburo di silicio e riducendo i costi.