Базиран на 8-инчова технология на пещ за растеж на единичен кристал от силициев карбид

Силициевият карбид е един от идеалните материали за производство на високотемпературни, високочестотни, високомощни и високоволтови устройства. За да се подобри ефективността на производството и да се намалят разходите, подготовката на субстрати от силициев карбид с големи размери е важна посока на развитие. Насочвайки се към изискванията на процеса на8-инчов монокристален растеж от силициев карбид (SIC).беше анализиран механизмът на растеж на метода за физическо пренасяне на пари от силициев карбид (PVT), отоплителната система (TaC водещ пръстен, тигел с покритие от TaC,Пръстени с TaC покритие, плоча с покритие от TaC, пръстен с три венчелистчета с покритие от TaC, тигел с три венчелистчета с покритие от TaC, държач с покритие от TaC, порест графит, мек филц, твърд филц, покрит със SiC кристален растежен суцептор и другиРезервни части за процес на растеж на монокристал SiCса предоставени от VeTek Semiconductor), бяха проучени въртенето на тигела и технологията за контрол на параметрите на процеса на пещ за растеж на монокристален силициев карбид и 8-инчови кристали бяха успешно подготвени и отгледани чрез анализ на симулация на термично поле и експерименти на процеса.

0 Въведение

Силициевият карбид (SiC) е типичен представител на полупроводниковите материали от трето поколение. Той има предимства в производителността като по-голяма ширина на забранената лента, по-високо пробивно електрическо поле и по-висока топлопроводимост. Той се представя добре при висока температура, високо налягане и високочестотни полета и се превърна в едно от основните направления на развитие в областта на технологията на полупроводниковите материали. Той има широк спектър от нужди от приложения в нови енергийни превозни средства, фотоволтаично производство на енергия, железопътен транспорт, интелигентна мрежа, 5G комуникация, сателити, радари и други области. Понастоящем промишленият растеж на кристалите от силициев карбид използва главно физически пренос на пари (PVT), което включва сложни многофизични проблеми на свързване на полето на многофазов, многокомпонентен, множествен пренос на топлина и маса и взаимодействие на магнитно-електрически топлинен поток. Следователно проектирането на PVT система за растеж е трудно и измерването и контролът на параметрите на процеса по време напроцес на растеж на кристалие трудно, което води до трудността при контролиране на качествените дефекти на отглежданите кристали от силициев карбид и малкия размер на кристала, така че цената на устройствата със силициев карбид като субстрат остава висока.

Оборудването за производство на силициев карбид е в основата на технологията за силициев карбид и индустриалното развитие. Техническото ниво, способността на процеса и независимата гаранция на пещта за растеж на монокристален силициев карбид са ключът към развитието на материалите от силициев карбид в посока на големи размери и висок добив и са също така основните фактори, движещи полупроводниковата индустрия от трето поколение към развиват в посока на ниска цена и мащабност. Понастоящем развитието на устройства с високо напрежение, висока мощност и висока честота от силициев карбид е постигнало значителен напредък, но ефективността на производството и разходите за подготовка на устройствата ще станат важен фактор, ограничаващ тяхното развитие. В полупроводникови устройства с монокристал от силициев карбид като субстрат, стойността на субстрата представлява най-голямата част, около 50%. Разработването на широкоразмерно висококачествено оборудване за растеж на кристали от силициев карбид, подобряване на добива и скоростта на растеж на монокристални субстрати от силициев карбид и намаляване на производствените разходи са от ключово значение за прилагането на свързани устройства. За да се увеличи предлагането на производствен капацитет и допълнително да се намали средната цена на устройствата от силициев карбид, разширяването на размера на субстратите от силициев карбид е един от важните начини. Понастоящем международният основен размер на субстрата от силициев карбид е 6 инча и бързо напредва до 8 инча.

Основните технологии, които трябва да бъдат решени при разработването на 8-инчови пещи за растеж на монокристален силициев карбид, включват: 1) Проектиране на структура на термично поле с голям размер за получаване на по-малък радиален температурен градиент и по-голям надлъжен температурен градиент, подходящи за растежа от 8-инчови кристали от силициев карбид. 2) Механизъм за въртене на тигела с голям размер и повдигане и спускане на намотката, така че тигелът да се върти по време на процеса на растеж на кристала и да се движи спрямо намотката в съответствие с изискванията на процеса, за да се осигури консистенцията на 8-инчовия кристал и да се улесни растежа и дебелината . 3) Автоматичен контрол на параметрите на процеса при динамични условия, които отговарят на нуждите на висококачествен процес на растеж на единични кристали.

1 PVT механизъм за растеж на кристали

PVT методът е за приготвяне на монокристали от силициев карбид чрез поставяне на източника на SiC на дъното на цилиндричен плътен графитен тигел, а SiC зародишният кристал се поставя близо до капака на тигела. Тигелът се нагрява до 2 300~2 400 ℃ чрез радиочестотна индукция или съпротивление и е изолиран от графитен филц илипорест графит. Основните вещества, транспортирани от източника на SiC до зародишния кристал, са Si, Si2C молекули и SiC2. Температурата при зародишния кристал се контролира да бъде малко по-ниска от тази при долния микропрах и в тигела се образува аксиален температурен градиент. Както е показано на фигура 1, микропрахът от силициев карбид се сублимира при висока температура, за да образува реакционни газове от различни компоненти на газовата фаза, които достигат до зародишния кристал с по-ниска температура под задвижването на температурния градиент и кристализират върху него, за да образуват цилиндричен слитък от силициев карбид.

Основните химични реакции на растежа на PVT са:

SiC(s)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(s)⇌SiC(g) (4)

Характеристиките на PVT растеж на SiC монокристали са:

1) Има два интерфейса газ-твърдо вещество: единият е интерфейсът газ-SiC прах, а другият е интерфейсът газ-кристал.

2) Газовата фаза се състои от два вида вещества: едното са инертни молекули, въведени в системата; другият е компонентът на газовата фаза SimCn, получен от разлагането и сублимацията наSiC прах. Компонентите на газовата фаза SimCn взаимодействат помежду си и част от така наречените компоненти на кристалната газова фаза SimCn, които отговарят на изискванията на процеса на кристализация, ще прераснат в кристал SiC.

3) В твърдия силициев карбид на прах ще възникнат твърдофазни реакции между частици, които не са сублимирани, включително някои частици, образуващи порести керамични тела чрез синтероване, някои частици, образуващи зърна с определен размер на частиците и кристалографска морфология чрез реакции на кристализация, и някои частици силициев карбид, трансформиращи се в богати на въглерод частици или въглеродни частици поради нестехиометрично разлагане и сублимация.

4) По време на процеса на растеж на кристала ще настъпят две фазови промени: едната е, че частиците на прах от твърд силициев карбид се трансформират в компоненти на газовата фаза SimCn чрез нестехиометрично разлагане и сублимация, а другата е, че компонентите на газовата фаза SimCn се трансформират в решетъчни частици чрез кристализация.

2 Дизайн на оборудването Както е показано на фигура 2, пещта за отглеждане на монокристален силициев карбид включва основно: горен капак, камера, нагревателна система, механизъм за въртене на тигела, механизъм за повдигане на долния капак и електрическа система за управление.

2.1 Отоплителна система Както е показано на Фигура 3, отоплителната система приема индукционно нагряване и се състои от индукционна намотка,графитен тигел, изолационен слой (твърд филц, мек филц) и т.н. Когато променливият ток със средна честота преминава през многооборотната индукционна бобина, заобикаляща външната страна на графитния тигел, в графитния тигел ще се образува индуцирано магнитно поле със същата честота, което генерира индуцирана електродвижеща сила. Тъй като графитният тигел с висока чистота има добра проводимост, върху стената на тигела се генерира индуциран ток, образувайки вихров ток. Под действието на силата на Лоренц индуцираният ток в крайна сметка ще се сближи по външната стена на тигела (т.е. скин-ефект) и постепенно ще отслабне по радиална посока. Поради наличието на вихрови токове, Джаулова топлина се генерира върху външната стена на тигела, превръщайки се в източник на нагряване на системата за растеж. Размерът и разпределението на Джаулова топлина директно определят температурното поле в тигела, което от своя страна влияе върху растежа на кристала.

Както е показано на фигура 4, индукционната намотка е ключова част от отоплителната система. Той използва два комплекта независими структури на бобини и е оборудван съответно с горни и долни механизми за прецизно движение. По-голямата част от електрическите топлинни загуби на цялата отоплителна система се поемат от бобината и трябва да се извърши принудително охлаждане. Бобината е навита с медна тръба и охлаждана от вода вътре. Честотният диапазон на индуцирания ток е 8~12 kHz. Честотата на индукционното нагряване определя дълбочината на проникване на електромагнитното поле в графитния тигел. Механизмът за движение на бобината използва двигателно задвижван двоен винтов механизъм. Индукционната намотка си сътрудничи с индукционното захранване за нагряване на вътрешния графитен тигел, за да се постигне сублимация на праха. В същото време мощността и относителната позиция на двата комплекта намотки се контролират, за да направят температурата в зародишния кристал по-ниска от тази при долния микропрах, образувайки аксиален температурен градиент между зародишния кристал и праха в тигел и образуване на разумен радиален температурен градиент в кристала на силициев карбид.

2.2 Механизъм на въртене на тигела По време на растежа на големи размеримонокристали силициев карбид, тигелът във вакуумната среда на кухината се поддържа във въртене в съответствие с изискванията на процеса, а градиентното топлинно поле и състоянието на ниско налягане в кухината трябва да се поддържат стабилни. Както е показано на фигура 5, за постигане на стабилно въртене на тигела се използва двойка зъбни колела, задвижвани от мотор. За постигане на динамично уплътняване на въртящия се вал се използва уплътняваща структура с магнитна течност. Уплътнението с магнитна течност използва верига на въртящо се магнитно поле, образувана между магнита, обувката на магнитния полюс и магнитната втулка, за да адсорбира здраво магнитната течност между върха на обувката на полюса и втулката, за да образува течен пръстен, подобен на О-пръстен, напълно блокиращ празнината за постигане на целта на запечатването. Когато въртеливото движение се предава от атмосферата към вакуумната камера, динамичното уплътняващо устройство с течен О-пръстен се използва за преодоляване на недостатъците на лесното износване и ниския живот при твърдо уплътняване, а течната магнитна течност може да запълни цялото запечатано пространство, като по този начин се блокират всички канали, които могат да пропускат въздух, и се постига нулево изтичане в двата процеса на движение на тигела и спиране. Магнитната течност и опората на тигела приемат структура за водно охлаждане, за да осигурят високотемпературната приложимост на магнитната течност и опората на тигела и да постигнат стабилност на състоянието на термичното поле.

2.3 Механизъм за повдигане на долния капак

Механизмът за повдигане на долния капак се състои от задвижващ двигател, сферичен винт, линеен водач, повдигаща скоба, капак на пещта и скоба на капака на пещта. Моторът задвижва скобата на капака на пещта, свързана с двойката водачи на винтове чрез редуктор, за да реализира движението нагоре и надолу на долния капак.

Механизмът за повдигане на долния капак улеснява поставянето и отстраняването на тигели с големи размери и, което е по-важно, гарантира надеждността на уплътнението на долния капак на пещта. По време на целия процес камерата има етапи на промяна на налягането като вакуум, високо налягане и ниско налягане. Състоянието на компресия и запечатване на долния капак пряко влияе върху надеждността на процеса. След като уплътнението се повреди при висока температура, целият процес ще бъде бракуван. Чрез устройството за серво управление и ограничаване на двигателя, херметичността на модула на долния капак и камерата се контролира, за да се постигне най-доброто състояние на компресия и уплътняване на уплътнителния пръстен на камерата на пещта, за да се осигури стабилност на налягането на процеса, както е показано на фигура 6 .

2.4 Електрическа система за управление По време на растежа на кристалите от силициев карбид, електрическата система за управление трябва да контролира точно различни параметри на процеса, главно включително височината на позицията на бобината, скоростта на въртене на тигела, мощността и температурата на нагряване, различен специален поток на входящия газ и отварянето на пропорционалният вентил.

Както е показано на Фигура 7, системата за управление използва програмируем контролер като сървър, който е свързан към серво драйвера през шината, за да реализира управлението на движението на бобината и тигела; той е свързан към регулатора на температурата и регулатора на потока чрез стандартния MobusRTU, за да реализира контрол в реално време на температурата, налягането и газовия поток за специални процеси. Той установява комуникация с конфигурационния софтуер чрез Ethernet, обменя системна информация в реално време и показва различна информация за параметрите на процеса на хост компютъра. Операторите, производственият персонал и мениджърите обменят информация със системата за управление чрез интерфейса човек-машина.

Системата за управление извършва цялото събиране на полеви данни, анализ на работното състояние на всички изпълнителни механизми и логическата връзка между механизмите. Програмируемият контролер получава инструкциите на хост компютъра и завършва управлението на всеки изпълнителен механизъм на системата. Изпълнението и стратегията за безопасност на менюто за автоматичен процес се изпълняват от програмируемия контролер. Стабилността на програмируемия контролер гарантира стабилността и надеждността на безопасността на работата на менюто на процеса.

Горната конфигурация поддържа обмен на данни с програмируемия контролер в реално време и показва полеви данни. Той е оборудван с интерфейси за работа като управление на отоплението, управление на налягането, управление на газовата верига и управление на двигателя, като стойностите на настройката на различни параметри могат да се променят на интерфейса. Наблюдение в реално време на параметрите на алармата, осигуряване на екранно показване на алармата, записване на времето и подробни данни за възникване и възстановяване на алармата. Запис в реално време на всички данни от процеса, съдържанието на работата на екрана и времето на работа. Управлението на сливането на различни параметри на процеса се реализира чрез основния код вътре в програмируемия контролер и могат да бъдат реализирани максимум 100 стъпки на процеса. Всяка стъпка включва повече от дузина параметри на процеса, като време на работа на процеса, целева мощност, целево налягане, поток на аргон, поток на азот, поток на водород, позиция на тигела и скорост на тигела.

3 Симулационен анализ на топлинно поле

Установен е моделът за симулационен анализ на термично поле. Фигура 8 е карта на температурния облак в камерата за растеж на тигела. За да се осигури температурният диапазон на растеж на 4H-SiC монокристал, централната температура на зародишния кристал се изчислява на 2200 ℃, а температурата на ръба е 2205,4 ℃. По това време централната температура на горната част на тигела е 2167,5 ℃, а най-високата температура на областта на праха (страната надолу) е 2274,4 ℃, образувайки аксиален температурен градиент.

Разпределението на радиалния градиент на кристала е показано на фигура 9. По-ниският страничен температурен градиент на повърхността на зародишния кристал може ефективно да подобри формата на растеж на кристала. Текущата изчислена начална температурна разлика е 5,4 ℃, а общата форма е почти плоска и леко изпъкнала, което може да отговори на точността на радиалния контрол на температурата и изискванията за еднородност на повърхността на зародишния кристал.

Кривата на температурната разлика между повърхността на суровината и повърхността на кристалния зародиш е показана на Фигура 10. Централната температура на повърхността на материала е 2210 ℃ и се формира надлъжен температурен градиент от 1 ℃/cm между повърхността на материала и зародиша кристална повърхност, която е в разумни граници.

Изчислената скорост на растеж е показана на Фигура 11. Твърде бързата скорост на растеж може да увеличи вероятността от дефекти като полиморфизъм и дислокация. Текущата прогнозна скорост на растеж е близо до 0,1 mm/h, което е в рамките на разумен диапазон.

Чрез анализ и изчисление на симулация на термично поле е установено, че централната температура и температурата на ръба на зародишния кристал отговарят на радиалния температурен градиент на кристала от 8 инча. В същото време горната и долната част на тигела образуват аксиален температурен градиент, подходящ за дължината и дебелината на кристала. Настоящият метод на нагряване на системата за растеж може да отговори на растежа на 8-инчови монокристали.

4 Експериментален тест

Използвайки товапещ за растеж на монокристален силициев карбид, въз основа на температурния градиент на симулацията на термичното поле, чрез регулиране на параметрите като горната температура на тигела, налягането в кухината, скоростта на въртене на тигела и относителната позиция на горната и долната намотки, беше проведен тест за растеж на кристал от силициев карбид и беше получен 8-инчов кристал от силициев карбид (както е показано на фигура 12).

5. Заключение

Бяха проучени ключовите технологии за растеж на 8-инчови монокристали от силициев карбид, като градиентно термично поле, механизъм за движение на тигела и автоматично управление на параметрите на процеса. Термичното поле в камерата за растеж на тигела беше симулирано и анализирано, за да се получи идеалният температурен градиент. След тестване методът на индукционно нагряване с двойна намотка може да отговори на растежа на големи размерикристали от силициев карбид. Изследванията и развитието на тази технология осигурява технология за оборудване за получаване на 8-инчови карбидни кристали и осигурява основа на оборудването за прехода на индустриализацията на силициев карбид от 6 инча на 8 инча, подобрявайки ефективността на растежа на материалите от силициев карбид и намалявайки разходите.