Врз основа на 8-инчен силиконски карбид со единечна технологија за печки за раст на кристалот

       Силиконскиот карбид е еден од идеалните материјали за правење уреди со висока температура, висока фреквенција, висока моќност и високо-напон. Со цел да се подобри ефикасноста на производството и да се намалат трошоците, подготовката на подлоги на силиконски карбид со големи димензии е важна развојна насока. Насочувајќи се кон барањата на процесот на8-инчен силиконски карбид (SIC) единечен раст на кристалот, анализиран е механизмот за раст на методот на физички пареа на силиконски карбид (PVT), системот за греење (прстен за водич TAC, TAC обложена сад, сад, сад за садови,TAC обложени прстени, TAC обложена плоча, TAC обложена со три-петална прстен, TAC обложена со три-петална сад, држач за обложени TAC, порозен графит, меко чувство, ригиден почувствуван раст на кристал-обложена кристал и другиРезервни делови на процесот на раст на единечен кристалсе обезбедени од страна на VETEK полупроводник), проучувани се проучувани технологии за контрола на параметарот и процесот на параметар на печката за раст на силиконски карбид единечен кристал, а кристалите од 8 инчи беа успешно подготвени и одгледувани преку анализа на симулација на термичко поле и експерименти со процеси.

Вовед

      Силикон карбид (SIC) е типичен претставник на полупроводничките материјали од трета генерација. Има предности на перформансите, како што се поголема ширина на опсегот, електрично поле со поголема дефект и поголема топлинска спроводливост. Добро функционира во полињата со висока температура, висок притисок и висока фреквенција и стана една од главните насоки за развој во областа на технологијата на полупроводници.  Во моментов, индустрискиот раст на силиконските карбидни кристали главно користи физички транспорт на пареа (ПВТ), кој вклучува комплексни проблеми со спојување на мултифизички терен на мултифазни, мулти-компоненти, повеќекратно пренесување на топлина и маса и магнето-електрична интеракција со проток на топлина. Затоа, дизајнот на системот за раст на ПВТ е тежок, а мерењето и контролата на параметарот на процесот за време напроцес на раст на кристалоте тешко, што резултира во тешкотија во контролирањето на квалитетни дефекти на одгледуваните силиконски карбидни кристали и малата големина на кристалот, така што цената на уредите со силиконски карбид бидејќи подлогата останува висока.

      Опремата за производство на силикон карбид е основа на силиконска карбид технологија и индустриски развој. Техничкото ниво, можноста за процеси и независна гаранција на печката за раст на силиконски карбид единечен кристал се клучот за развојот на силиконските карбидни материјали во насока на голема големина и висок принос, а исто така се и главните фактори што ја водат индустријата за полупроводници од трета генерација да се развиваат во насока на ниски трошоци и големи размери. Кај полупроводничките уреди со силиконски карбид единечен кристал како подлога, вредноста на подлогата е најголем дел, околу 50%. Развојот на висококвалитетна опрема за раст на кристалот со висококвалитетни силиконски карбид, подобрување на приносот и стапката на раст на единечните кристали на силиконски карбид, а намалувањето на трошоците за производство се од клучно значење за примената на сродните уреди. Со цел да се зголеми снабдувањето со капацитет на производство и дополнително да се намали просечната цена на уредите со силикон карбид, проширувањето на големината на подлоги на силиконски карбид е еден од важните начини. Во моментов, меѓународната големина на подлогата на мејнстрим силиконски карбид е 6 инчи и брзо напредува на 8 инчи.

       Главните технологии што треба да се решат во развојот на 8-инчни силиконски карбид единечни печки за раст на кристалот вклучуваат: (1) дизајн на структура на термичко поле со големи димензии за да се добие помал градиент на радијална температура и поголем надолжен градиент на температура, погоден за раст на 8-инчни силиконски карбидни кристали. (2) Голема големина на ротација на садови и механизам за движење на калеми и спуштање на движење, така што садот се ротира за време на процесот на раст на кристалот и се движи во однос на серпентина според барањата на процесите за да се обезбеди конзистентност на 8-инчниот кристал и да се олесни растот и дебелината. (3) Автоматска контрола на параметрите на процесите под динамични услови кои ги задоволуваат потребите на висококвалитетен процес на раст на кристалот.

1 ПВТ механизам за раст на кристалот

       Методот PVT е да се подготват силиконски карбид единечни кристали со ставање на SIC изворот на дното на цилиндричен густ графит сад, а кристалот SIC семе е поставен во близина на капакот на садот. Садот се загрева на 2 300 ~ 2 400 ℃ со индукција или отпорност на радиофреквенција и е изолирана со графит -чувство илипорозен графит. Главните супстанции што се транспортираат од изворот SIC до кристалот на семето се молекули Si, Si2c и Sic2. Температурата на семето кристал се контролира да биде малку пониска од онаа кај долниот микро-прав, а во садот се формира градиент на аксијална температура. Како што е прикажано на Слика 1, силиконските карбид микро-сила се сублимира на висока температура за да формираат реакциони гасови на различни компоненти на фазата на гас, кои достигнуваат кристал на семето со пониска температура под погонот на температурниот градиент и да се кристализира на него за да формира цилиндричен силиконски карбид инго.

Главните хемиски реакции на растот на ПВТ се:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (и)

2sic ⇌ и₂C (G)+C (и)

2sic ⇌ sic2 (g)+si (l, g)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Карактеристиките на растот на ПВТ на единечните кристали Sic се:

1) Постојат две интерфејси со цврсти гас: едниот е интерфејс во прав гас-SIC, а другиот е интерфејсот со гас-кристал.

2) фазата на гас е составена од два вида на супстанции: едната е инертен молекули воведени во системот; Другата е компонентата на гасната фаза SIMCN произведена од распаѓање и сублимација наSic во прав. Компонентите на гасната фаза SIMCN комуницираат едни со други, а дел од таканаречените компоненти на кристалниот гас фаза SIMCN кои ги исполнуваат барањата на процесот на кристализација ќе прераснат во кристалот Sic.

3) In the solid silicon carbide powder, solid-phase reactions will occur between particles that have not sublimated, including some particles forming porous ceramic bodies through sintering, some particles forming grains with a certain particle size and crystallographic morphology through crystallization reactions, and some silicon carbide particles transforming into carbon-rich particles or carbon particles due to non-stoichiometric распаѓање и сублимација.

4) За време на процесот на раст на кристалот, ќе се појават две фази на промена: едната е дека цврстите честички во прав од силиконски карбид во прав се претвораат во компоненти на фаза на гас, SIMCN преку не-стихоиометриско распаѓање и сублимација, а другата е дека компонентите на гасната фаза SIMCN се трансформираат во честички од латице преку кристализација.

2 Дизајн на опрема 

      Како што е прикажано на Слика 2, печката за раст на единечен кристал на силиконски карбид главно вклучува: склопување на горниот капак, склоп на комори, систем за греење, механизам за ротација на садови, механизам за подигнување на покритие и систем за контрола на електрична енергија.

2.1 Систем за греење 

     Како што е прикажано на Слика 3, системот за греење усвојува индукциско загревање и е составен од индукциска калем, аграфит сад, слој за изолација (Цврсто чувство, меко чувство), итн. Кога наизменичната струја на средна фреквенција поминува низ мулти-вртежниот индукциски калем околу надворешноста на графитниот сад, индуцираното магнетно поле со иста фреквенција ќе се формира во графитниот сад, генерирајќи индуцирана електромотива сила. Бидејќи материјалот со графит со висока чистота има добра спроводливост, индуцирана струја се генерира на wallидот на садот, формирајќи струја на едеми. Под дејство на силата Лоренц, индуцираната струја на крајот ќе се собере на надворешниот wallид на садот (т.е. ефектот на кожата) и постепено ослабува по радијалната насока. Поради постоењето на струјни струи, ouул топлина се создава на надворешниот wallид на садот, станувајќи извор на греење на системот за раст. Големината и дистрибуцијата на ouул топлина директно го одредуваат температурното поле во садот, што пак влијае на растот на кристалот.

     Како што е прикажано на Слика 4, индукцискиот калем е клучен дел од системот за греење. Донесува две групи на независни структури на калеми и е опремено со горните и долните прецизни механизми за движење, соодветно. Поголемиот дел од електричната загуба на топлина на целиот систем за греење е на товар на серпентина, а мора да се изврши присилно ладење. Калемот е рана со бакарна цевка и се лади со вода внатре. Опсегот на фреквенција на индуцираната струја е 8 ~ 12 kHz. Фреквенцијата на индукциското греење ја одредува длабочината на пенетрацијата на електромагнетното поле во графитниот сад. Механизмот за движење на серпентина користи механизам за парови на завртки управувано од мотор. Индукцискиот калем соработува со индукциското напојување за да го загрее внатрешниот графит -сад за да се постигне сублимација на прав. Во исто време, моќноста и релативната позиција на двата комплети калеми се контролираат за да се направи температурата на семето кристал пониска од онаа кај долниот микро-прав, формирајќи го аксијалниот градиент на температура помеѓу кристалот на семето и прав во садот и формирање разумен радијален температурен градиент кај кристалот на силиконската јаглерод.

2.2 Механизам за ротација на крцкање 

      За време на растот на големи димензииСиликонски карбид единечни кристали, садот во вакуумското опкружување на шуплината се одржува ротира според барањата на процесот, а термичкото поле на градиентот и состојбата со низок притисок во шуплината треба да се чуваат стабилни. Како што е прикажано на Слика 5, се користи моторниот пар за менувачот за да се постигне стабилна ротација на садот. Структура за запечатување на магнетна течност се користи за да се постигне динамично запечатување на ротирачкото вратило. Заптивката на магнетната течност користи ротирачко коло на магнетно поле формирано помеѓу магнет, магнетниот пол чевли и магнетниот ракав за цврсто да ја adsorb на магнетната течност помеѓу врвот на столбот на чевлите и ракавот за да формираат прстен во форма на О-прстен, целосно блокирајќи го јазот за да се постигне целта на запечатувањето. Кога ротационото движење се пренесува од атмосферата до вакуумската комора, течниот о-прстен динамичен уред за запечатување се користи за надминување на недостатоците на лесно абење и низок живот во цврсто запечатување, а течната магнетна течност може да го пополни целиот запечатен простор, со што ќе се блокира сите канали што можат да истечат воздухот и да се постигне нула истекување во двата процеси на пукање и стопирање. Магнетната течност и поттикната поддршка усвојуваат структура за ладење на вода за да се обезбеди применливост на висока температура на магнетната течност и поттикната поддршка и да се постигне стабилноста на состојбата на термичкото поле.

2.3 Механизам за подигнување на долниот капак

     Механизмот за подигнување на долниот капак се состои од погонски мотор, завртка за топка, линеарен водич, заграда за кревање, капакот на печката и држачот за покривање на печката. Моторот ја придвижува заградата на капакот на печката поврзана со парот за водичи за завртки преку редуктор за да го реализира горе -долу движењето на долниот капак.

     Механизмот за подигнување на долниот капак го олеснува поставувањето и отстранувањето на големи крпи и уште поважно, обезбедува сигурност за запечатување на капакот на долната печка. Во текот на целиот процес, комората има фази на промена на притисокот, како што се вакуум, висок притисок и низок притисок. Состојбата на компресија и запечатување на долниот капак директно влијае на сигурноста на процесот. Откако заптивката не успее под висока температура, целиот процес ќе биде укинат. Преку контролата на моторниот серво и ограничениот уред, затегнатоста на склопот на долниот капак и комората е контролирана за да се постигне најдобра состојба на компресија и запечатување на прстенот за запечатување на комората за печки за да се обезбеди стабилност на притисокот на процесот, како што е прикажано на Слика 6.

2.4 Систем за контрола на електрична енергија 

      За време на растот на кристалите на силиконски карбид, системот за електрична контрола треба точно да ги контролира различните параметри на процесите, главно, вклучувајќи ја висината на положбата на серпентина, стапката на ротација на садот, моќноста на греењето и температурата, различен специјален проток на внес на гас и отворање на пропорционалниот вентил.

      Како што е прикажано на Слика 7, контролниот систем користи програмибилен контролер како сервер, кој е поврзан со серво -двигателот преку автобусот за да ја реализира контролата на движењето на серпентина и садот; Тој е поврзан со контролорот на температурата и контролорот на проток преку стандардниот MobusRTU за реализирање на контрола во реално време на температурата, притисокот и специјалниот процес на гас. Воспоставува комуникација со софтверот за конфигурација преку Етернет, ги разменува информациите за системот во реално време и прикажува различни информации за параметрите на процесите на компјутерот домаќин. Операторите, персоналот на процесирање и менаџерите разменуваат информации со контролниот систем преку интерфејсот за човечка машина.

     Контролниот систем ги извршува сите собири на податоци на терен, анализа на оперативниот статус на сите активатори и логичкиот однос помеѓу механизмите. Програмабилниот контролер ги прима упатствата на компјутерот домаќин и ја комплетира контролата на секој активирач на системот. Стратегијата за извршување и безбедност на менито за автоматски процеси се спроведуваат од програмабилниот контролер. Стабилноста на програмибилниот контролер обезбедува стабилност и безбедносна сигурност на работата на менито за процеси.

     Горната конфигурација одржува размена на податоци со програмибилен контролер во реално време и ги прикажува податоците за полето. Опремена е со интерфејси за работа, како што се контрола на греење, контрола на притисок, контрола на колото на гас и контрола на моторот, а вредностите на поставување на различни параметри можат да се модифицираат на интерфејсот. Мониторинг во реално време на параметрите на алармот, обезбедување на приказ на алармот на екранот, снимање на времето и деталните податоци за појава и закрепнување на алармот. Снимање во реално време на сите податоци за процесите, содржина на работа на екранот и време на работа. Контролата на фузија на различните параметри на процесите се реализира преку основниот код во програмибилниот контролер и може да се реализира максимум 100 чекори на процес. Секој чекор вклучува повеќе од десетина параметри на процесот, како што се времето на работа на процесот, целната моќност, целниот притисок, протокот на аргон, протокот на азот, протокот на водород, позицијата на садот и стапката на садот.

3 Анализа на симулација на термичко поле

    Воспоставен е моделот за анализа на симулација на термичко поле. Слика 8 е мапа на температурен облак во комората за раст на садот. Со цел да се обезбеди опсег на температура на раст на единечен кристал од 4H-SIC, централната температура на семето кристал се пресметува да биде 2200 ℃, а температурата на работ е 2205,4. Во тоа време, централната температура на врвот на садот е 2167,5 ℃, а највисоката температура на пределот во прав (странично надолу) е 2274,4 ℃, формирајќи го аксијалниот градиент на температура.

       Дистрибуцијата на радијалниот градиент на кристалот е прикажана на Слика 9. Долниот градиент на странична температура на површината на кристалот на семето може ефикасно да ја подобри формата на раст на кристалот. Тековната пресметана почетна разлика во температурата е 5,4 ℃, а целокупната форма е скоро рамна и малку конвексна, што може да ја исполни точноста на контролата на радијалната температура и барањата за униформност на површината на кристалот на семето.

       Кривата на температурна разлика помеѓу површината на суровината и површината на кристалот на семето е прикажана на Слика 10. Централната температура на површината на материјалот е 2210 ℃, а надолжен градиент на температура од 1 ℃/cm се формира помеѓу површината на материјалот и површината на кристалот на семето, што е во разумен опсег.

      Проценетата стапка на раст е прикажана на Слика 11. Пребрзиот стапка на раст може да ја зголеми веројатноста за дефекти како што се полиморфизам и дислокација. Тековната проценета стапка на раст е близу 0,1 мм на час, што е во разумен опсег.

     Преку анализа и пресметка на симулација на термичко поле, се открива дека централната температура и температурата на работ на кристалот на семето го исполнуваат градиентот на радијална температура на кристалот од 8 инчи. Во исто време, горниот и долниот дел на садот формираат аксијален градиент на температура погоден за должината и дебелината на кристалот. Тековниот метод на греење на системот за раст може да го исполни растот на 8-инчни единечни кристали.

4 Експериментален тест

     Користејќи го овапечка за раст на силиконски карбид единечен кристал, засновано врз температурниот градиент на симулацијата на термичкото поле, со прилагодување на параметрите како што се врвот на врвната температура, притисокот на шуплината, беше спроведена брзина на ротација на садот и се спроведе релативна позиција на горните и долните калеми, беше спроведена тест за раст на силиконски карбид, и беше добиена и 8-инчен силиконски карбид кристал (како што е прикажано на Слика 12).

5 Заклучок

     Студирани се клучните технологии за раст на 8-инчни силиконски карбидни единечни кристали, како што се градиентното термичко поле, механизам за движење на крцкање и автоматска контрола на параметрите на процесите. Термичкото поле во комората за раст на садот беше симулирано и анализирано за да се добие идеален градиент на температура. По тестирањето, методот на загревање на индукција со двојна калем може да го исполни растот на големи димензииСиликонски карбидни кристали. Истражувањето и развојот на оваа технологија обезбедува технологија на опрема за добивање на 8-инчни карбидни кристали и обезбедува опрема за транзиција на индустријализација на силикон карбид од 6 инчи на 8 инчи, подобрување на ефикасноста на растот на силиконските карбидни материјали и намалување на трошоците.