Põhineb 8-tollisel räni karbiidil ühekristallide kasvu ahjude tehnoloogial

       Ränikarbiid on üks ideaalseid materjale kõrgtemperatuuri, kõrgsageduse, suure võimsusega ja kõrgepingeseadmete valmistamiseks. Tootmise tõhususe parandamiseks ja kulude vähendamiseks on oluliseks arengusuund suure suurusega räni karbiidi substraatide ettevalmistamine. Eesmärk on protsessinõuded8-tolline räni karbiidi (sic) ühekristallide kasv, analüüsiti räni karbiidi füüsikalise auru transpordi (PVT) meetodi kasvumehhanismi, küttesüsteemi (TAC -i juhtrõngas, TAC -i kaetud tiiglis,TAC -i kaetud rõngad, TAC-kaetud plaat, TAC-i kaetud kolme petaalse rõngaga, TAC-ga kaetud kolme petaalse tiigliga, TAC-kattega hoidik, poorne grafiidi, pehme vild, jäik vildedega sic-kattega kristallide kasvuostupres ja muuSIC ühekristallide kasvuprotsessi varuosadpakutakse Vetek Semiconductor), uuriti tiiglist pöörlemist ja protsessi parameetrite tõrjetehnoloogiat räni karbiidi ühekristallide kasvu ahju ning 8-tolliseid kristalle valmistati edukalt ette ja kasvatati termilise välja simulatsiooni analüüsi ja protsessikatsete kaudu.

Sissejuhatus

      Ränikarbiid (sic) on kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide tüüpiline esindaja. Sellel on jõudluse eelised, näiteks suurem ribalaiuse laius, suurem jaotus elektrivälja ja suurem soojusjuhtivus. See toimib hästi kõrge temperatuuri, kõrgrõhu ja kõrgsageduslikes väljades ning sellest on saanud pooljuhtide materjalide tehnoloogia valdkonnas üks peamisi arendussuundasid.  Praegu kasutab räni karbiidi kristallide tööstuslik kasv peamiselt füüsilist aurutransporti (PVT), mis hõlmab mitmefaasilise, mitmeharulise, mitme komponendi, mitme soojuse ja massiülekande ning magnetoelektrilise soojuse interaktsiooni keerulisi mitmefüüsikalise välja sidumisprobleeme. Seetõttu on PVT kasvusüsteemi disain keeruline ning protsessi parameetrite mõõtmine ja juhtiminekristallide kasvuprotsesson keeruline, mille tulemuseks on raskusi kasvatatud räni karbiidi kristallide kvaliteedivedude ja väikese kristalli suuruse kontrollimisel, nii et räni karbiidiga seadmete kulud jäävad substraadile kõrgeks.

      Ränikarbiidi tootmise seadmed on räni karbiidi tehnoloogia ja tööstuse arendamise alus. Räni karbiidide üksikute kristallide kasvu ahju tehniline tase, protsessivõime ja sõltumatu garantii on silikoonkarbiidimaterjalide väljatöötamisel suure suuruse ja suure saagikuse suunas ning need on ka peamised tegurid, mis aitavad kolmanda põlvkonna pooljuhtide tööstuses areneda madala hinnaga ja suure skaala suunas. Pooljuhtide seadmetes, mille substraadina on räni karbiidi üksikkristall, moodustab substraadi väärtus suurima osa, umbes 50%. Suurema kvaliteediga räni karbiidi kristallide kasvu seadmete väljatöötamine, räni karbiidi üksikute kristallide substraatide saagikuse ja kasvukiiruse parandamine ning tootmiskulude vähendamine on seotud seadmete rakendamisel peamine tähtsus. Tootmisvõimsuse pakkumise suurendamiseks ja räni karbiidiseadmete keskmiste kulude veelgi vähendamiseks on üks olulisi viise räni karbiidi substraatide suuruse laiendamine. Praegu on rahvusvaheline silikoonkarbiidi substraadi suurus 6 tolli ja see on kiiresti arenenud 8 tolli.

       Peamised tehnoloogiad, mis tuleb lahendada 8-tolliste räni karbiidide ühekristallide kasvu ahjude väljatöötamisel, hõlmavad järgmist: (1) suure suurusega termilise väljakonstruktsiooni konstruktsioon, et saada väiksem radiaalse temperatuuri gradient ja suurem pikisuunaline temperatuurigradient, mis sobib 8-tolliste ränikarbiidkristallide kasvuks. (2) Suure suurusega tiigli pöörlemine ja mähise tõstmine ning liikumismehhanism, nii et tiigel pöörleb kristallide kasvu ajal ja liigub mähise suhtes vastavalt protsessinõuetele, et tagada 8-tollise kristalli järjepidevus ning hõlbustada kasvu ja paksust. (3) Protsessi parameetrite automaatne juhtimine dünaamilistes tingimustes, mis vastavad kvaliteetse ühe kristalli kasvuprotsessi vajadustele.

1 PVT kristallide kasvu mehhanism

       PVT -meetod on valmistada räni karbiidi üksikkristalle, asetades SIC -allika silindrilise tiheda grafiidi tiigli põhja ja SIC -seemnekristall asetatakse tiigli katte lähedale. Tiiglit kuumutatakse raadiosageduse indutseerimise või takistuse abil 2 300 ~ 2 400 ℃ ja see on isoleeritud grafiidiga võipoorne grafiit. SIC allikast seemnekristallilt veetud peamised ained on Si, Si2C molekulid ja SIC2. Seemnekristalli temperatuuri kontrollitakse, et see on pisut madalam kui madalamal mikropulbril ja tiiglis moodustub telgtemperatuuri gradient. Nagu on näidatud joonisel 1, sublimeerib räni karbiidi mikropulber kõrgel temperatuuril, moodustades erineva gaasifaasi komponentide reaktsioonigaasid, mis jõuavad temperatuuri gradiendi ajami all madalama temperatuuriga seemnekristalli ja kristalliseeruvad sellel, moodustades silindrilise silikoonkarbiidi valuplok.

PVT kasvu peamised keemilised reaktsioonid on:

Sic (s) ⇌ Si (g)+C (s)

2SIC ⇌ ja₂C (g)+C (s)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+Si (L, G)

SiC(s) ⇌ SiC(g)

SIC üksikkristallide PVT kasvu omadused on:

1) Seal on kaks gaasi tahke liidest: üks on gaasi-sic-pulbri liides ja teine ​​on gaasikristalli liides.

2) gaasifaas koosneb kahte tüüpi ainetest: üks on süsteemi sisse toodud inertmolekulid; teine ​​on gaasifaasi komponent SIMCN, mis on toodetud lagunemisel ja sublimatsioonilSic pulber. Gaasifaasi komponendid SIMCN interakteeruvad üksteisega ja osa niinimetatud kristalsetest gaasifaasi komponentidest SIMCN, mis vastab kristallimisprotsessi nõuetele, kasvab SIC kristalliks.

3) Tahkes räni karbiidipulbris ilmnevad tahke faasi reaktsioonid osakeste vahel, mis ei ole sublimeerinud, sealhulgas mõned poorsed keraamilised kehad moodustavad paagutamise kaudu moodustavad osakesed, mõned osakesed moodustavad terakesi teatud osakeste suuruse ja kristallograafiliste morfoloogiaga kristalliseerumisreaktsioonide kaudu ning mõned räni karbid-osakesed süsinik-osakesteks ja süsinik-osakesteks. sublimatsioon.

4) Kristallide kasvuprotsessi ajal toimub kaks faasi muutust: üks on see, et tahked räni karbiidipulbri osakesed muundatakse gaasifaasi komponentideks Simcn-ks mitte-stohhiomeetrilise lagunemise ja sublimatsiooni kaudu ning teine ​​on see, et gaasifaasi komponendid SIMCN-i muudetakse kristalliseerumise kaudu võreosakesteks.

2 Seadmete kujundamine 

      Nagu on näidatud joonisel 2, hõlmab räni karbiidi üksikkristallide kasvu ahi peamiselt: ülemise kattekomplekti, kambri komplekti, küttesüsteemi, tiigli pöörlemismehhanismi, alumist katet tõstemehhanismi ja elektrijuhtimissüsteemi.

2.1 Küttesüsteem 

     Nagu on näidatud joonisel 3, võtab küttesüsteem induktsiooni kuumutamist ja koosneb induktsioonimähisest, aGrafiit Tricible, isolatsioonikiht (jäik vild, pehme vild) jne. Kui keskmise sagedusega vahelduv vool läbib grafiidi tiigli väliskülje ümbritsevat mitme pöörde induktsioonimähist, moodustub grafiidi tiiglis sama sagedusega indutseeritud magnetväli, tekitades indutseeritud elektromotoorse jõu. Kuna kõrge puhtusastmega grafiidi tiiglimaterjal on hea juhtivusega, genereeritakse tiigli seinale indutseeritud vool, moodustades pöörisvoolu. Lorentzi jõu toimel koondub indutseeritud vool lõpuks tiigli välisseinale (st naha efekt) ja nõrgeneb järk -järgult radiaalsuunas. Pöörisvoolude olemasolu tõttu genereeritakse tiigli välisseinal džauli soojust, saades kasvusüsteemi kütteallikaks. Joule soojuse suurus ja jaotus määravad otse temperatuurivälja tiiglis, mis omakorda mõjutab kristalli kasvu.

     Nagu on näidatud joonisel 4, on induktsioonmähis küttesüsteemi võtmeosa. See võtab kasutusele kaks sõltumatute mähiste struktuuride komplekti ja on varustatud vastavalt ülemise ja alumise täpsuse liikumismehhanismidega. Suurem osa kogu küttesüsteemi elektrilise soojuskaost kannab mähise ja sunnitud jahutamine tuleb läbi viia. Mähist haavatakse vasktoruga ja jahutatakse vees. Indutseeritud voolu sagedusvahemik on 8 ~ 12 kHz. Induktsiooni kuumutamise sagedus määrab elektromagnetilise välja läbitungimissügavuse grafiidi tiiglis. Mähise liikumismehhanism kasutab mootoriga juhitud kruvipaari mehhanismi. Induktsioonimähised teevad koostööd induktsioonivõimsusega, et kuumutada sisemist grafiidi tiiglit, et saavutada pulbri sublimatsioon. Samal ajal juhitakse kahe mähiste komplekti võimsust ja suhtelist asukohta, et temperatuur oleks seemnekristalli korral madalam kui madalamal mikropulbril, moodustades tiiglis sisalduva seemnekristalli ja pulbri vahel aksiaalse temperatuuri gradiendi ning moodustades räni karbiidikristaalis mõistliku radiaalse temperatuuri gradiendi.

2.2 Tiigli pöörlemismehhanism 

      Suure suurusega kasvu ajalräni karbiidi üksikkristallid, õõnsuse vaakumkeskkonnas asuvat tiiglit hoitakse pöörlevana vastavalt protsessinõuetele ning gradiendi soojusväli ja õõnsuse madalrõhuseisund tuleb hoida stabiilsena. Nagu on näidatud joonisel 5, kasutatakse tiigli stabiilse pöörlemise saavutamiseks mootori juhitud käigupaari. Pöörleva võlli dünaamilise tihendamise saavutamiseks kasutatakse magnetiline vedeliku tihendamise struktuur. Magnetilise vedeliku tihend kasutab pöörlevat magnetvälja ahelat, mis on moodustatud magneti, magnetilise pooluse kinga ja magnetilise varruka vahel, et magnetiline vedelik kindlalt adsorbeerida pooluse kinga otsa ja varruka vahel, et moodustada O-rõngalaadne vedelikutsükk, mis blokeeris täielikult tihendi eesmärgi saavutamiseks. Kui pöörlemisliikumine edastatakse atmosfäärist vaakumkambrisse, kasutatakse vedela O-rõnga dünaamilist tihendusseadet, et ületada tahke tihenemise hõlpsa kulumise ja madala eluea puuduste ületamiseks ning vedel magnetvedelik suudab täita kogu suletud ruumi, blokeerides sellega kõik kanalid, mis võivad lekkida õhku ja saavutada kahes protsessis asuvates liikumises ja peatudes. Magnetiline vedelik ja tricible tugi võtavad kasutusele veejahutusega struktuuri, et tagada magnetilise vedeliku ja tiiglilise toe kõrgtemperatuuriline rakendatavus ning saavutada soojusvälja oleku stabiilsus.

2.3 Alumine kate tõstemehhanism

     Alumine katte tõstmismehhanism koosneb ajamimootorist, kuuliskruvist, lineaarsest juhendist, tõsteklambrist, ahjukattest ja ahjukattest. Mootor juhib kruvijuhiga ühendatud ahjukatte kronsteini reduktori kaudu, et realiseerida alumise katte üles ja alla liikumist.

     Alumine katte tõstmismehhanism hõlbustab suure suurusega tiigikute paigutamist ja eemaldamist ning mis veelgi olulisem-tagab alumise ahju katte tihendamise usaldusväärsuse. Kogu protsessi jooksul on kambril rõhu muutmise etapid nagu vaakum, kõrgrõhk ja madalrõhk. Alumise katte kokkusurumine ja tihendamise olek mõjutavad otseselt protsessi usaldusväärsust. Kui tihend kõrgel temperatuuril ebaõnnestub, lammutatakse kogu protsess. Mootori servo juhtimise ja piirdeseadme kaudu juhitakse alumise kattekomplekti ja kambri tihedust, et saavutada ahju kambri tihendusrõnga parim kokkusurumise ja tihendamise olek, et tagada protsessi rõhu stabiilsus, nagu on näidatud joonisel 6.

2.4 Elektri juhtimissüsteem 

      Räni karbiidi kristallide kasvu ajal peab elektrijuhtimissüsteem täpselt kontrollima erinevaid protsessiparameetreid, hõlmates peamiselt mähise asendi kõrgust, tiigli pöörlemiskiirust, kuumutamisvõimsust ja temperatuuri, erinevat spetsiaalset gaasi sisselaskevoolu ja proportsionaalse klapi avanemist.

      Nagu on näidatud joonisel 7, kasutab juhtimissüsteem serverina programmeeritavat kontrollerit, mis on siini kaudu servo draiveriga ühendatud, et realiseerida mähise ja tiigli liikumiskontroll; See on ühendatud temperatuurikontrolleri ja voolukontrolleriga läbi standardse Mobusrtu, et realiseerida temperatuuri, rõhu ja spetsiaalse protsessi gaasivoolu reaalajas. See loob suhtluse konfiguratsioonitarkvaraga Etherneti kaudu, vahetab süsteemteavet reaalajas ja kuvab hostiarvutis mitmesuguseid protsessiparameetreid. Operaatorid, töötlevad töötajad ja juhid vahetavad teavet juhtimissüsteemiga inimese-masina liidese kaudu.

     Juhtimissüsteem viib läbi kõik väljaandmete kogumise, kõigi ajamite tööseisu analüüsi ja mehhanismide loogilise seose. Programmeeritav kontroller võtab vastu hostarvuti juhised ja lõpetab süsteemi iga tähtaja juhtimise. Automaatse protsessimenüü täitmise ja ohutusstrateegia käivitab kõik programmeeritav kontroller. Programmeeritava kontrolleri stabiilsus tagab protsessimenüü töö stabiilsuse ja ohutuse usaldusväärsuse.

     Ülemine konfiguratsioon säilitab andmete vahetamise programmeeritava kontrolleriga reaalajas ja kuvab väljaandmed. See on varustatud selliste tööliidestega nagu küttekontroll, rõhu juhtimine, gaasi vooluahela juhtimine ja mootori juhtimine ning mitmesuguste parameetrite seadistamisväärtused saab liidesel muuta. Häireparameetrite reaalajas jälgimine, ekraani häire kuvamine, häire esinemise ja taastamise aja ja üksikasjalike andmete salvestamine. Kõigi protsessiandmete, ekraanioperatsiooni sisu ja tööaja reaalajas salvestamine. Erinevate protsessiparameetrite termotuumasünteesi juhtimine realiseeritakse programmeeritava kontrolleri aluseks oleva koodi kaudu ja saab realiseerida maksimaalselt 100 protsessi etappi. Iga etapp sisaldab rohkem kui tosinat protsessiparameetrit, näiteks protsessi tööaeg, sihtvõimsus, sihtrõhk, argooni voog, lämmastikuvoog, vesiniku vool, tiigli asend ja tiiglisagedus.

3 Termovälja simulatsiooni analüüs

    Loodud on termilise välja simulatsiooni analüüsi mudel. Joonis 8 on tiigli kasvukambris asuv temperatuuripilvekaart. Et tagada 4H-SIC ühekristalli kasvutemperatuuri vahemik, arvutatakse seemnekristalli kesktemperatuur 2200 ℃ ja serva temperatuur on 2205,4 ℃. Sel ajal on tiigli ülaosa kesktemperatuur 2167,5 ℃ ja pulbri pindala kõrgeim temperatuur (külg alla) on 2274,4 ℃, moodustades aksiaalse temperatuuri gradiendi.

       Kristalli radiaalne gradiendi jaotus on näidatud joonisel 9. Seemnekristalli pinna alumine külgmistemperatuuri gradient võib kristalli kasvu kuju tõhusalt parandada. Voolu arvutatud algtemperatuuri erinevus on 5,4 ℃ ja üldine kuju on peaaegu tasane ja kergelt kumer, mis võib vastata seemnekristallpinna radiaalse temperatuuri kontrolli täpsusele ja ühtlusvajadusele.

       Temperatuuri erinevuse kõver tooraine ja seemnekristalli pinna vahel on näidatud joonisel 10. Materjali pinna kesktemperatuur on 2210 ℃ ja materjali pinna ja seemnekristalli pinna vahel moodustub pikisuunaline temperatuuri gradient 1 ℃/cm, mis on mõistlikus vahemikus.

      Hinnanguline kasvukiirus on näidatud joonisel 11. Liiga kiire kasvukiirus võib suurendada selliste defektide nagu polümorfismi ja dislokatsiooni tõenäosust. Praegune hinnanguline kasvukiirus on ligi 0,1 mm/h, mis on mõistlikus vahemikus.

     Termovälja simulatsiooni analüüsi ja arvutamise kaudu leitakse, et seemnekristalli keskel ja servatemperatuur vastavad 8 -tollise kristalli radiaalse temperatuuri gradiendile. Samal ajal moodustavad tiigli üla- ja alaosa aksiaalse temperatuurigradiendi, mis sobib kristalli pikkuse ja paksuse jaoks. Kasvusüsteemi praegune küttemeetod suudab täita 8-tolliste üksikkristallide kasvu.

4 Eksperimentaalne test

     Seda kasutadesräni karbiidi ühe kristalli kasvu ahi, tuginedes soojusvälja simulatsiooni temperatuurigradiendile, reguleerides selliseid parameetreid nagu tiigli ülemine temperatuur, õõnsuse rõhk, tricible pöörlemiskiirus ning ülemise ja alumise mähise suhteline asukoht, viidi läbi räni karbiidi kristallide kasvu test ja 8-tolline silikoonkarbiidi kristall saadi (nagu joonisel 12).

5 järeldus

     Uuriti 8-tolliste räni karbiidi üksikkristallide kasvu peamisi tehnoloogiaid, näiteks gradiendi termiline väli, tiigli liikumismehhanism ja protsessiparameetrite automaatne juhtimine. Tiigli kasvukambris sisalduvat termilist välja simuleeriti ja analüüsiti ideaalse temperatuurigradiendi saamiseks. Pärast testimist suudab topeltmähise induktsiooni kuumutamise meetod vastata suure suurusegaräni karbiidi kristallid. Selle tehnoloogia uurimine ja arendamine pakub seadmete tehnoloogiat 8-tolliste karbiidi kristallide hankimiseks ning annab aluse räni karbiidi industrialiseerimise üleminekuks 6 tollilt 8 tolli, parandades räni karbiidimaterjalide kasvutõhusust ja vähendades kulusid.