8 düymlük silisium karbid tək kristal böyümə sobası texnologiyasına əsaslanır

Silikon karbid yüksək temperaturlu, yüksək tezlikli, yüksək güclü və yüksək gərginlikli cihazların istehsalı üçün ideal materiallardan biridir. İstehsalın səmərəliliyini artırmaq və xərcləri azaltmaq üçün böyük ölçülü silisium karbid substratlarının hazırlanması mühüm inkişaf istiqamətidir. Prosesin tələblərini hədəfləyir8 düymlük silisium karbid (SIC) tək kristal böyüməsi, silisium karbid fiziki buxar nəqli (PVT) metodunun böyümə mexanizmi təhlil edildi, istilik sistemi (TaC Bələdçi Halqası, TaC Kaplamalı Crucible,TaC örtüklü üzüklər, TaC ilə örtülmüş boşqab, TaC örtüklü üçləçəkli üzük, TaC örtüklü üç ləçəkli krujka, TaC örtüklü tutacaq, məsaməli qrafit, yumşaq keçə, sərt keçə SiC ilə örtülmüş kristal böyümə qapağı və s.SiC Single Crystal Growth Process Ehtiyat HissələriVeTek Semiconductor tərəfindən təmin edilir), silisium karbid monokristal inkişaf sobasının pota fırlanması və proses parametrlərinə nəzarət texnologiyası tədqiq edilmiş və 8 düymlük kristallar istilik sahəsində simulyasiya təhlili və proses təcrübələri vasitəsilə uğurla hazırlanmış və yetişdirilmişdir.

0 Giriş

Silikon karbid (SiC) üçüncü nəsil yarımkeçirici materialların tipik nümayəndəsidir. Daha böyük bant genişliyi, daha yüksək parçalanma elektrik sahəsi və daha yüksək istilik keçiriciliyi kimi performans üstünlüklərinə malikdir. O, yüksək temperatur, yüksək təzyiq və yüksək tezlikli sahələrdə yaxşı çıxış edir və yarımkeçirici material texnologiyası sahəsində əsas inkişaf istiqamətlərindən birinə çevrilib. O, yeni enerji vasitələrində, fotovoltaik enerji istehsalı, dəmir yolu nəqliyyatı, smart şəbəkə, 5G rabitəsi, peyklər, radarlar və digər sahələrdə geniş tətbiq ehtiyaclarına malikdir. Hal-hazırda, silisium karbid kristallarının sənaye artımı əsasən çox fazalı, çox komponentli, çox istilik və kütlə ötürülməsi və maqnito-elektrik istilik axınının qarşılıqlı təsirinin mürəkkəb çox fiziki sahə birləşmə problemlərini əhatə edən fiziki buxar nəqlindən (PVT) istifadə edir. Buna görə də, PVT böyümə sisteminin dizaynı çətindir və proses zamanı parametrlərin ölçülməsi və nəzarətikristal böyümə prosesiçətindir, nəticədə böyüdülmüş silisium karbid kristallarının keyfiyyət qüsurlarına və kiçik kristal ölçüsünə nəzarət etməkdə çətinlik yaranır, beləliklə, substrat kimi silisium karbid olan cihazların qiyməti yüksək olaraq qalır.

Silisium karbid istehsalı avadanlığı silisium karbid texnologiyasının və sənaye inkişafının əsasını təşkil edir. Silikon karbid monokristal inkişaf sobasının texniki səviyyəsi, texnoloji qabiliyyəti və müstəqil zəmanəti silisium karbid materiallarının böyük ölçülü və yüksək məhsuldarlıq istiqamətində inkişafının açarıdır və həmçinin üçüncü nəsil yarımkeçirici sənayesini inkişaf etdirən əsas amillərdir. ucuz və irimiqyaslı istiqamətdə inkişaf edir. Hazırda yüksək gərginlikli, yüksək gücə malik və yüksək tezlikli silisium karbid cihazlarının inkişafı əhəmiyyətli irəliləyişlərə malikdir, lakin cihazların istehsalının səmərəliliyi və hazırlıq dəyəri onların inkişafını məhdudlaşdıran mühüm amilə çevriləcəkdir. Substrat kimi silisium karbid monokristalı olan yarımkeçirici cihazlarda substratın dəyəri ən böyük nisbəti, təxminən 50% təşkil edir. Böyük ölçülü yüksək keyfiyyətli silisium karbid kristallarının böyüməsi üçün avadanlıqların inkişafı, silisium karbid monokristal substratlarının məhsuldarlığının və böyümə sürətinin yaxşılaşdırılması və istehsal xərclərinin azaldılması əlaqəli cihazların tətbiqi üçün əsas əhəmiyyət kəsb edir. İstehsal gücü təchizatını artırmaq və silisium karbid cihazlarının orta qiymətini daha da azaltmaq üçün silisium karbid altlıqlarının ölçülərinin genişləndirilməsi vacib yollardan biridir. Hazırda beynəlxalq əsas silisium karbid substratının ölçüsü 6 düymdür və sürətlə 8 düymədək irəliləyir.

8 düymlük silisium karbid monokristal inkişaf sobalarının hazırlanmasında həll edilməli olan əsas texnologiyalara aşağıdakılar daxildir: 1) böyümə üçün uyğun olan daha kiçik radial temperatur qradiyenti və daha böyük uzununa temperatur qradiyenti əldə etmək üçün böyük ölçülü istilik sahəsi strukturunun dizaynı. 8 düymlük silisium karbid kristallarından. 2) Böyük ölçülü tige fırlanma və rulonun qaldırma və endirmə hərəkət mexanizmi, beləliklə, 8 düymlük kristalın tutarlılığını təmin etmək və böyüməni və qalınlığı asanlaşdırmaq üçün kristalın böyüməsi prosesi zamanı fırlanır və texnoloji tələblərə uyğun olaraq rulona nisbətən hərəkət edir. . 3) Yüksək keyfiyyətli monokristal artım prosesinin ehtiyaclarına cavab verən dinamik şəraitdə proses parametrlərinə avtomatik nəzarət.

1 PVT kristal böyümə mexanizmi

PVT üsulu, SiC mənbəyini silindrik sıx qrafit titenin dibinə yerləşdirməklə silisium karbid monokristallarını hazırlamaqdır və SiC toxum kristalı tige qapağının yaxınlığında yerləşdirilir. Titre radio tezliyi induksiyası və ya müqaviməti ilə 2 300 ~ 2 400 ℃-ə qədər qızdırılır və qrafit keçə və ya ilə izolyasiya edilir.məsaməli qrafit. SiC mənbəyindən toxum kristalına daşınan əsas maddələr Si, Si2C molekulları və SiC2-dir. Toxum kristalında temperaturun aşağı mikrotozdakı temperaturdan bir qədər aşağı olması üçün nəzarət edilir və tigedə eksenel temperatur qradiyenti əmələ gəlir. Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, silisium karbid mikrotozu yüksək temperaturda sublimasiya edərək müxtəlif qaz fazası komponentlərinin reaksiya qazlarını əmələ gətirir, onlar temperatur qradiyenti ilə daha aşağı temperaturda toxum kristalına çatır və silindrik forma yaratmaq üçün onun üzərində kristallaşır. silisium karbid külçəsi.

PVT böyüməsinin əsas kimyəvi reaksiyaları:

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)

SiC monokristallarının PVT böyüməsinin xüsusiyyətləri:

1) İki qaz-bərk interfeysi var: biri qaz-SiC toz interfeysi, digəri isə qaz-kristal interfeysidir.

2) Qaz fazası iki növ maddədən ibarətdir: biri sistemə daxil olan inert molekullardır; digəri isə qaz fazası komponenti SimCn-in parçalanması və sublimasiyası nəticəsində yaranırSiC tozu. Qaz fazası komponentləri SimCn bir-biri ilə qarşılıqlı əlaqədə olur və kristallaşma prosesinin tələblərinə cavab verən kristal qaz fazası komponentlərinin SimCn adlanan bir hissəsi SiC kristalına çevriləcək.

3) Bərk silisium karbid tozunda sublimasiya olunmamış hissəciklər, o cümlədən sinterləmə yolu ilə məsaməli keramika cisimləri əmələ gətirən bəzi hissəciklər, kristallaşma reaksiyaları vasitəsilə müəyyən hissəcik ölçüsü və kristalloqrafik morfologiya ilə dənələr əmələ gətirən bəzi hissəciklər və bəziləri arasında bərk faza reaksiyaları baş verəcəkdir. stoxiometrik olmayan parçalanma və sublimasiya nəticəsində karbonla zəngin hissəciklərə və ya karbon hissəciklərinə çevrilən silisium karbid hissəcikləri.

4) Kristalın böyüməsi prosesi zamanı iki faza dəyişikliyi baş verəcək: biri bərk silisium karbid toz hissəciklərinin stoikiometrik olmayan parçalanma və sublimasiya yolu ilə SimCn qaz fazasının komponentlərinə çevrilməsi, digəri isə SimCn qaz fazasının komponentlərinin çevrilməsidir. kristallaşma yolu ilə qəfəs hissəciklərinə çevrilir.

2 Avadanlıqların dizaynı Şəkil 2-də göstərildiyi kimi, silisium karbid monokristal yetişdirmə sobası əsasən aşağıdakıları əhatə edir: yuxarı qapaq yığımı, kamera montajı, istilik sistemi, tige fırlanma mexanizmi, aşağı qapağın qaldırma mexanizmi və elektrik idarəetmə sistemi.

2.1 İstilik sistemi Şəkil 3-də göstərildiyi kimi, istilik sistemi induksiya ilə isitməni qəbul edir və induksiya rulondan,qrafit pota, izolyasiya təbəqəsi (sərt hiss, yumşaq hiss) ) və s. Orta tezlikli dəyişən cərəyan qrafit tiçənin xarici hissəsini əhatə edən çoxdövrəli induksiya sarğıdan keçdikdə, qrafit tigeldə eyni tezlikdə induksiya edilmiş maqnit sahəsi yaranacaq və induksiya edilmiş elektrohərəkətverici qüvvə əmələ gələcək. Yüksək təmizlikli qrafit pota materialı yaxşı keçiriciliyə malik olduğundan, tigel divarında induksiya cərəyanı yaranır və burulğan cərəyanı əmələ gəlir. Lorentz qüvvəsinin təsiri altında induksiya cərəyanı nəhayət titanın xarici divarında birləşəcək (yəni dəri effekti) və radial istiqamət boyunca tədricən zəifləyəcək. Burulğan cərəyanlarının mövcudluğuna görə, tigenin xarici divarında Joule istiliyi yaranır və böyümə sisteminin istilik mənbəyinə çevrilir. Joule istiliyinin ölçüsü və paylanması tigeldəki temperatur sahəsini birbaşa təyin edir, bu da öz növbəsində kristalın böyüməsinə təsir göstərir.

Şəkil 4-də göstərildiyi kimi, induksiya sarğı istilik sisteminin əsas hissəsidir. O, iki müstəqil rulon quruluşunu qəbul edir və müvafiq olaraq yuxarı və aşağı dəqiqlikli hərəkət mexanizmləri ilə təchiz edilmişdir. Bütün istilik sisteminin elektrik istilik itkisinin çox hissəsi rulon tərəfindən ödənilir və məcburi soyutma həyata keçirilməlidir. Bobin mis boru ilə sarılır və içərisində su ilə soyudulur. İnduksiya edilmiş cərəyanın tezlik diapazonu 8~12 kHz-dir. İnduksiya qızdırmasının tezliyi qrafit titada elektromaqnit sahəsinin nüfuz dərinliyini müəyyən edir. Bobin hərəkət mexanizmi motorla idarə olunan vida cüt mexanizmindən istifadə edir. İnduksiya sarğı, tozun sublimasiyasına nail olmaq üçün daxili qrafit potasını qızdırmaq üçün induksiya enerji təchizatı ilə əməkdaşlıq edir. Eyni zamanda, toxum kristalındakı temperaturu aşağı mikrotozdakı temperaturdan daha aşağı etmək üçün iki rulonun gücü və nisbi mövqeyi idarə olunur və toxum kristalı ilə toz arasında eksenel temperatur gradienti əmələ gətirir. pota və silisium karbid kristalında ağlabatan radial temperatur qradiyenti əmələ gətirir.

2.2 Titanın fırlanma mexanizmi Böyük ölçülü böyümə zamanısilisium karbid monokristalları, boşluğun vakuum mühitindəki pota proses tələblərinə uyğun olaraq fırlanan saxlanılır və gradient istilik sahəsi və boşluqdakı aşağı təzyiq vəziyyəti sabit saxlanılmalıdır. Şəkil 5-də göstərildiyi kimi, tigenin sabit fırlanmasına nail olmaq üçün motorla idarə olunan dişli cütü istifadə olunur. Fırlanan şaftın dinamik möhürlənməsinə nail olmaq üçün maqnit mayesinin sızdırmazlıq strukturundan istifadə edilir. Maqnit maye möhürü maqnit, maqnit dirəyi ayaqqabısı və maqnit qol arasında əmələ gələn fırlanan maqnit sahəsi dövrəsindən istifadə edərək, dirək ayaqqabısının ucu ilə qol arasında maqnit mayesini möhkəm adsorbsiya edərək, O-halqaya bənzər maye halqasını tamamilə bloklayır. möhürləmə məqsədinə çatmaq üçün boşluq. Fırlanma hərəkəti atmosferdən vakuum kamerasına ötürüldükdə, maye O-ring dinamik sızdırmazlıq cihazı, bərk sızdırmazlıqda asan aşınma və aşağı ömrün mənfi cəhətlərini aradan qaldırmaq üçün istifadə olunur və maye maqnit mayesi bütün möhürlənmiş boşluğu doldura bilər, bununla da hava sıza bilən bütün kanalları bloklayır və potanın hərəkəti və dayanması kimi iki prosesdə sıfır sızmaya nail olur. Maqnit mayesi və pota dəstəyi, maqnit mayesinin və pota dəstəyinin yüksək temperaturda tətbiq edilməsini təmin etmək və istilik sahəsinin vəziyyətinin sabitliyinə nail olmaq üçün su soyutma quruluşunu qəbul edir.

2.3 Aşağı qapağın qaldırma mexanizmi

Aşağı qapağın qaldırma mexanizmi sürücü mühərrikindən, top vintindən, xətti bələdçidən, qaldırıcı braketdən, soba qapağından və soba qapağından ibarətdir. Motor, aşağı qapağın yuxarı və aşağı hərəkətini həyata keçirmək üçün vida bələdçi cütünə qoşulmuş soba qapağı mötərizəsini reduktor vasitəsilə idarə edir.

Aşağı qapağın qaldırma mexanizmi böyük ölçülü tigelərin yerləşdirilməsini və çıxarılmasını asanlaşdırır və daha da əhəmiyyətlisi, alt soba qapağının möhürlənməsinin etibarlılığını təmin edir. Bütün proses zamanı kamerada vakuum, yüksək təzyiq və aşağı təzyiq kimi təzyiq dəyişmə mərhələləri var. Aşağı qapağın sıxılma və sızdırmazlıq vəziyyəti prosesin etibarlılığına birbaşa təsir göstərir. Yüksək temperaturda möhür uğursuz olduqda, bütün proses hurdaya qoyulacaq. Şəkil 6-da göstərildiyi kimi, texnoloji təzyiqin sabitliyini təmin etmək üçün soba kamerasının sızdırmazlıq halqasının ən yaxşı sıxılma və möhürlənməsi vəziyyətinə nail olmaq üçün motor servo nəzarət və məhdudlaşdırma cihazı vasitəsilə aşağı qapaq qurğusunun və kameranın sıxlığına nəzarət edilir. .

2.4 Elektrik idarəetmə sistemi Silikon karbid kristallarının böyüməsi zamanı elektrik idarəetmə sistemi müxtəlif proses parametrlərini, o cümlədən bobin mövqeyinin hündürlüyünü, potanın fırlanma sürətini, istilik gücü və temperaturu, müxtəlif xüsusi qaz qəbulu axını və açılışını dəqiq şəkildə idarə etməlidir. mütənasib klapan.

Şəkil 7-də göstərildiyi kimi, idarəetmə sistemi bir server kimi proqramlaşdırıla bilən nəzarətçidən istifadə edir ki, bu da rulonun və tigenin hərəkətinə nəzarəti həyata keçirmək üçün avtobus vasitəsilə servo sürücüyə qoşulur; temperaturun, təzyiqin və xüsusi proses qaz axınının real vaxt rejimində idarə edilməsini həyata keçirmək üçün standart MobusRTU vasitəsilə temperatur tənzimləyicisi və axın tənzimləyicisinə qoşulur. O, Ethernet vasitəsilə konfiqurasiya proqramı ilə əlaqə qurur, real vaxt rejimində sistem məlumatlarını mübadilə edir və əsas kompüterdə müxtəlif proses parametrləri məlumatlarını göstərir. Operatorlar, proses işçiləri və menecerlər insan-maşın interfeysi vasitəsilə idarəetmə sistemi ilə məlumat mübadiləsi aparırlar.

İdarəetmə sistemi bütün sahə məlumatlarının toplanması, bütün ötürücülərin iş vəziyyətinin təhlili və mexanizmlər arasında məntiqi əlaqəni həyata keçirir. Proqramlaşdırıla bilən nəzarətçi əsas kompüterin göstərişlərini alır və sistemin hər bir aktuatorunun idarə edilməsini tamamlayır. Avtomatik proses menyusunun icrası və təhlükəsizlik strategiyası hamısı proqramlaşdırıla bilən nəzarətçi tərəfindən icra edilir. Proqramlaşdırıla bilən nəzarətçinin sabitliyi proses menyusunun işləməsinin sabitliyini və təhlükəsizliyinin etibarlılığını təmin edir.

Üst konfiqurasiya real vaxt rejimində proqramlaşdırıla bilən nəzarətçi ilə məlumat mübadiləsini təmin edir və sahə məlumatlarını göstərir. O, istilik nəzarəti, təzyiqə nəzarət, qaz dövrəsinə nəzarət və mühərrikə nəzarət kimi əməliyyat interfeysləri ilə təchiz olunub və interfeysdə müxtəlif parametrlərin qəbulu dəyərləri dəyişdirilə bilər. Siqnal parametrlərinin real vaxt rejimində monitorinqi, ekranda həyəcan ekranının təmin edilməsi, həyəcan siqnalının baş verməsi və bərpası vaxtının və ətraflı məlumatların qeyd edilməsi. Bütün proses məlumatlarının, ekran əməliyyat məzmununun və iş vaxtının real vaxt rejimində qeydi. Müxtəlif proses parametrlərinin birləşməsinə nəzarət proqramlaşdırıla bilən nəzarətçinin içərisindəki əsas kod vasitəsilə həyata keçirilir və maksimum 100 proses addımı həyata keçirilə bilər. Hər bir addım prosesin işləmə müddəti, hədəf gücü, hədəf təzyiqi, arqon axını, azot axını, hidrogen axını, potanın vəziyyəti və tige dərəcəsi kimi ondan çox proses parametrlərini ehtiva edir.

3 İstilik sahəsinin simulyasiyasının təhlili

İstilik sahəsinin simulyasiya analizi modeli yaradılmışdır. Şəkil 8, pota böyümə kamerasında temperatur bulud xəritəsidir. 4H-SiC tək kristalın böyümə temperaturu diapazonunu təmin etmək üçün toxum kristalının mərkəzi temperaturu 2200 ℃, kənar temperatur isə 2205.4 ℃ olaraq hesablanır. Bu zaman potanın yuxarı hissəsinin mərkəzi temperaturu 2167,5 ℃, toz sahəsinin ən yüksək temperaturu (aşağı tərəf) 2274,4 ℃, eksenel temperatur gradientini təşkil edir.

Kristalın radial gradient paylanması Şəkil 9-da göstərilmişdir. Toxum kristal səthinin aşağı yanal temperatur qradiyenti kristal böyümə formasını effektiv şəkildə yaxşılaşdıra bilər. Cari hesablanmış ilkin temperatur fərqi 5.4 ℃-dir və ümumi forma demək olar ki, düz və bir qədər qabarıqdır, bu da toxum kristal səthinin radial temperatur nəzarət dəqiqliyi və vahidlik tələblərinə cavab verə bilər.

Xammal səthi ilə toxumun kristal səthi arasındakı temperatur fərqi əyrisi Şəkil 10-da göstərilmişdir. Material səthinin mərkəzi temperaturu 2210℃, material səthi ilə toxum arasında 1℃/sm uzununa temperatur qradiyenti əmələ gəlir. ağlabatan diapazonda olan kristal səth.

Təxmini artım tempi Şəkil 11-də göstərilmişdir. Çox sürətli böyümə sürəti polimorfizm və dislokasiya kimi qüsurların ehtimalını artıra bilər. Hazırda təxmin edilən artım tempi 0,1 mm/saata yaxındır ki, bu da məqbul diapazondadır.

Termal sahənin simulyasiyasının təhlili və hesablanması nəticəsində toxum kristalının mərkəzi temperaturu və kənar temperaturunun 8 düymlük kristalın radial temperatur gradientinə uyğun gəldiyi aşkar edilmişdir. Eyni zamanda, tigenin yuxarı və aşağı hissəsi kristalın uzunluğuna və qalınlığına uyğun olan eksenel temperatur qradiyenti təşkil edir. Böyümə sisteminin hazırkı istilik üsulu 8 düymlük tək kristalların böyüməsini qarşılaya bilər.

4 Eksperimental test

Bundan istifadə edərəksilisium karbid tək kristal inkişaf sobası, istilik sahəsinin simulyasiyasının temperatur qradiyentinə əsaslanaraq, tigenin yuxarı temperaturu, boşluq təzyiqi, tigel fırlanma sürəti və yuxarı və aşağı rulonların nisbi mövqeyi kimi parametrləri tənzimləməklə, silisium karbid kristalının böyümə sınağı aparıldı. , və 8 düymlük silisium karbid kristalı əldə edildi (Şəkil 12-də göstərildiyi kimi).

5 Nəticə

8 düymlük silisium karbid monokristallarının böyüməsi üçün əsas texnologiyalar, məsələn, gradient istilik sahəsi, potanın hərəkət mexanizmi və proses parametrlərinin avtomatik idarə edilməsi tədqiq edilmişdir. İdeal temperatur qradiyenti əldə etmək üçün pota böyümə kamerasındakı istilik sahəsi simulyasiya edilmiş və təhlil edilmişdir. Testdən sonra, ikiqat rulonlu induksiya isitmə üsulu böyük ölçülü böyüməyə cavab verə bilərsilisium karbid kristalları. Bu texnologiyanın tədqiqi və inkişafı 8 düymlük karbid kristallarının alınması üçün avadanlıq texnologiyasını təmin edir və silisium karbidinin sənayeləşməsinin 6 düymdən 8 düymədək keçidi üçün avadanlıq əsasını təmin edir, silisium karbid materiallarının artım səmərəliliyini artırır və xərcləri azaldır.