Berdasarkan Teknologi Tungku Pertumbuhan Single Single Crystal Crystal Single 8-inci

       Silikon karbida adalah salah satu bahan yang ideal untuk membuat perangkat suhu tinggi, frekuensi tinggi, daya tinggi dan tegangan tinggi. Untuk meningkatkan efisiensi produksi dan mengurangi biaya, persiapan substrat silikon karbida berukuran besar adalah arah pengembangan yang penting. Membidik persyaratan prosesPertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8-inci (SIC), Mekanisme pertumbuhan metode transportasi uap fisik silikon karbida (PVT) dianalisis, sistem pemanas (cincin pemandu TAC, wadah yang dilapisi TAC,Cincin berlapis TAC, Pelat berlapis TAC, cincin tiga kali lipat berlapis TAC, tac berlapis tiga kali lipat, dudukan berlapis TAC, grafit berpori, felt lembut, rentan pertumbuhan kristal yang dilapisi SIC yang kaku dan lainnya dan lainnyaSIC Single Crystal Growth Process Cadangan Suku Cadangdisediakan oleh Vetek Semiconductor), rotasi wadah dan teknologi kontrol parameter proses silikon karbida tungku pertumbuhan kristal tunggal dipelajari, dan kristal 8-inci berhasil disiapkan dan ditanam melalui analisis simulasi medan termal dan percobaan proses.

Perkenalan

      Silicon carbide (sic) adalah perwakilan khas dari bahan semikonduktor generasi ketiga. Ini memiliki keunggulan kinerja seperti lebar bandgap yang lebih besar, medan listrik yang lebih tinggi, dan konduktivitas termal yang lebih tinggi. Ini berkinerja baik dalam suhu tinggi, tekanan tinggi dan bidang frekuensi tinggi, dan telah menjadi salah satu arah pengembangan utama di bidang teknologi material semikonduktor.  Saat ini, pertumbuhan industri kristal silikon karbida terutama menggunakan transportasi uap fisik (PVT), yang melibatkan masalah kopling medan multi-fisik yang kompleks dari multi-fase, multi-komponen, transfer panas dan massa ganda serta interaksi aliran panas magneto-listrik. Oleh karena itu, desain sistem pertumbuhan PVT sulit, dan pengukuran dan kontrol parameter proses selamaproses pertumbuhan kristalsulit, mengakibatkan kesulitan dalam mengendalikan cacat kualitas kristal silikon karbida yang tumbuh dan ukuran kristal kecil, sehingga biaya perangkat dengan silikon karbida karena substrat tetap tinggi.

      Peralatan manufaktur silikon karbida adalah dasar dari teknologi silikon karbida dan pengembangan industri. Tingkat teknis, kemampuan proses, dan jaminan independen dari tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida adalah kunci untuk pengembangan bahan silikon karbida ke arah ukuran besar dan hasil tinggi, dan juga merupakan faktor utama yang mendorong industri semikonduktor generasi ketiga untuk berkembang ke arah biaya rendah dan skala besar. Pada perangkat semikonduktor dengan kristal tunggal silikon karbida sebagai substrat, nilai substrat menyumbang proporsi terbesar, sekitar 50%. Pengembangan peralatan pertumbuhan kristal silikon karbida berkualitas tinggi berkualitas tinggi, meningkatkan hasil dan laju pertumbuhan substrat kristal tunggal silikon karbida, dan mengurangi biaya produksi adalah signifikansi utama untuk penerapan perangkat terkait. Untuk meningkatkan pasokan kapasitas produksi dan lebih jauh mengurangi biaya rata -rata perangkat silikon karbida, memperluas ukuran substrat silikon karbida adalah salah satu cara penting. Saat ini, ukuran substrat silikon karbida utama internasional adalah 6 inci, dan telah dengan cepat maju hingga 8 inci.

       Teknologi utama yang perlu diselesaikan dalam pengembangan tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8-inci meliputi: (1) Desain struktur medan termal berukuran besar untuk mendapatkan gradien suhu radial yang lebih kecil dan gradien suhu longitudinal yang lebih besar yang cocok untuk pertumbuhan kristal karbida silikon 8 inci. (2) Rotasi wadah ukuran besar dan lift kumparan dan penurunan mekanisme gerak, sehingga wadah berputar selama proses pertumbuhan kristal dan bergerak relatif terhadap koil sesuai dengan persyaratan proses untuk memastikan konsistensi kristal 8-inci dan memfasilitasi pertumbuhan dan ketebalan. (3) Kontrol otomatis parameter proses dalam kondisi dinamis yang memenuhi kebutuhan proses pertumbuhan kristal tunggal berkualitas tinggi.

1 mekanisme pertumbuhan kristal pvt

       Metode PVT adalah menyiapkan kristal tunggal silikon karbida dengan menempatkan sumber SiC di bagian bawah wadah grafit padat silinder, dan kristal biji sic ditempatkan di dekat penutup wadah. Crucible dipanaskan hingga 2 300 ~ 2 400 ℃ dengan induksi atau resistensi frekuensi radio, dan diisolasi oleh grafit yang terasa ataugrafit berpori. Zat utama yang diangkut dari sumber SIC ke kristal biji adalah SI, molekul Si2C dan SIC2. Suhu pada kristal biji dikendalikan sedikit lebih rendah dari pada bubuk mikro yang lebih rendah, dan gradien suhu aksial terbentuk di wadah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, sublimat bodi mikro silikon karbida pada suhu tinggi untuk membentuk gas reaksi dari komponen fase gas yang berbeda, yang mencapai kristal biji dengan suhu yang lebih rendah di bawah penggerak gradien suhu dan mengkristal di atasnya untuk membentuk ingot silicon karbida silinder.

Reaksi kimia utama pertumbuhan PVT adalah:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2SIC ⇌ dan₂C (g)+C (s)

2SIC ⇌ SIC2 (g)+Si (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Karakteristik pertumbuhan PVT kristal tunggal SiC adalah:

1) Ada dua antarmuka gas-padat: satu adalah antarmuka bubuk gas-sic, dan yang lainnya adalah antarmuka gas-kristal.

2) Fase gas terdiri dari dua jenis zat: satu adalah molekul inert yang dimasukkan ke dalam sistem; Yang lainnya adalah komponen fase gas SIMCN yang diproduksi oleh dekomposisi dan sublimasiBubuk sic. Komponen fase gas SIMCN berinteraksi satu sama lain, dan bagian dari apa yang disebut komponen fase gas kristal SIMCN yang memenuhi persyaratan proses kristalisasi akan tumbuh menjadi kristal SiC.

3) Dalam bubuk karbida silikon padat, reaksi fase padat akan terjadi antara partikel-partikel yang belum disublimasikan, termasuk beberapa partikel yang membentuk badan keramik berpori melalui sintering, beberapa partikel yang membentuk butiran dengan ukuran partikel dan morfologi kristal yang ditransformasikan oleh partikel-partikel karbon, dan beberapa partikel yang tidak beralih.

4) Selama proses pertumbuhan kristal, perubahan dua fase akan terjadi: satu adalah bahwa partikel bubuk silikon karbida padat ditransformasikan menjadi komponen fase gas simcn melalui dekomposisi dan sublimasi non-stoikiometrik, dan yang lainnya adalah komponen fase gas yang diubah menjadi partikel kisi melalui kristalisasi.

2 Desain Peralatan 

      Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida terutama meliputi: perakitan penutup atas, perakitan ruang, sistem pemanas, mekanisme rotasi wadah, mekanisme pengangkatan penutup bawah, dan sistem kontrol listrik.

2.1 Sistem Pemanasan 

     Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, sistem pemanas mengadopsi pemanasan induksi dan terdiri dari koil induksi, aGraphite Crucible, lapisan isolasi (terasa kaku, terasa lembut), dll. Ketika arus bolak-balik frekuensi menengah melewati koil induksi multi-turn yang mengelilingi bagian luar grafit wadah, medan magnet yang diinduksi dari frekuensi yang sama akan terbentuk dalam wadah grafit, menghasilkan gaya elektromotif yang diinduksi. Karena bahan wadah grafit dengan kemurnian tinggi memiliki konduktivitas yang baik, arus yang diinduksi dihasilkan di dinding wadah, membentuk arus eddy. Di bawah aksi gaya Lorentz, arus yang diinduksi pada akhirnya akan bertemu di dinding luar wadah (mis. Efek kulit) dan secara bertahap melemah di sepanjang arah radial. Karena adanya arus eddy, Joule Heat dihasilkan di dinding luar wadah, menjadi sumber pemanas sistem pertumbuhan. Ukuran dan distribusi panas joule secara langsung menentukan bidang suhu di wadah, yang pada gilirannya mempengaruhi pertumbuhan kristal.

     Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, koil induksi adalah bagian penting dari sistem pemanas. Ini mengadopsi dua set struktur kumparan independen dan masing -masing dilengkapi dengan mekanisme gerakan presisi atas dan bawah. Sebagian besar kehilangan panas listrik dari seluruh sistem pemanas ditanggung oleh koil, dan pendinginan paksa harus dilakukan. Koil itu terluka dengan tabung tembaga dan didinginkan oleh air di dalamnya. Rentang frekuensi arus yang diinduksi adalah 8 ~ 12 kHz. Frekuensi pemanasan induksi menentukan kedalaman penetrasi medan elektromagnetik dalam wadah grafit. Mekanisme gerakan kumparan menggunakan mekanisme pasangan sekrup yang digerakkan motor. Koil induksi bekerja sama dengan catu daya induksi untuk memanaskan wadah grafit internal untuk mencapai sublimasi bubuk. Pada saat yang sama, daya dan posisi relatif dari dua set kumparan dikendalikan untuk membuat suhu pada kristal biji lebih rendah dari pada bubuk mikro yang lebih rendah, membentuk gradien suhu aksial antara kristal biji dan bubuk di wadah, dan membentuk gradien suhu radial yang masuk akal pada kristal karbida silikon.

2.2 Mekanisme Rotasi Crucible 

      Selama pertumbuhan berukuran besarkristal tunggal silikon karbida, wadah dalam lingkungan vakum rongga tetap berputar sesuai dengan persyaratan proses, dan bidang termal gradien dan keadaan bertekanan rendah di rongga perlu tetap stabil. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, pasangan roda gigi yang digerakkan motor digunakan untuk mencapai rotasi wadah yang stabil. Struktur penyegelan cairan magnetik digunakan untuk mencapai penyegelan dinamis dari poros yang berputar. Segel cairan magnetik menggunakan sirkuit medan magnet yang berputar yang terbentuk antara magnet, sepatu tiang magnet dan selongsong magnetik untuk dengan kuat menyerap cairan magnetik di antara ujung sepatu tiang dan lengan untuk membentuk cincin fluida seperti cincin-O, benar-benar menghalangi celah untuk mencapai tujuan penyegelan. Ketika gerakan rotasi ditransmisikan dari atmosfer ke ruang vakum, perangkat penyegelan dinamis O-ring cair digunakan untuk mengatasi kerugian dari keausan yang mudah dan kehidupan rendah dalam penyegelan padat, dan cairan magnetik cair dapat mengisi seluruh ruang yang disegel, sehingga menghalangi semua saluran yang dapat membocorkan udara, dan mencapai nol kebocoran dalam dua proses proses yang dapat terjadi pada dua proses crucping. Cairan magnetik dan dukungan wadah mengadopsi struktur pendingin air untuk memastikan penerapan suhu tinggi dari cairan magnetik dan dukungan wadah dan mencapai stabilitas keadaan medan termal.

2.3 Mekanisme Pengangkatan Penutup Rendah

     Mekanisme pengangkatan penutup bawah terdiri dari motor penggerak, sekrup bola, pemandu linier, braket pengangkat, penutup tungku dan braket penutup tungku. Motor menggerakkan braket penutup tungku yang terhubung ke pasangan panduan sekrup melalui peredam untuk mewujudkan gerakan atas dan ke bawah penutup bawah.

     Mekanisme pengangkatan tutupan bawah memfasilitasi penempatan dan penghapusan cawan lebur berukuran besar, dan yang lebih penting, memastikan keandalan penyegelan penutup tungku yang lebih rendah. Selama seluruh proses, ruang memiliki tahap perubahan tekanan seperti vakum, tekanan tinggi, dan tekanan rendah. Keadaan kompresi dan penyegelan penutup bawah secara langsung mempengaruhi keandalan proses. Setelah segel gagal di bawah suhu tinggi, seluruh proses akan dihapus. Melalui kontrol servo motor dan batasi perangkat, keketatan rakitan penutup bawah dan ruang dikendalikan untuk mencapai keadaan terbaik kompresi dan penyegelan cincin penyegelan ruang tungku untuk memastikan stabilitas tekanan proses, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.

2.4 Sistem Kontrol Listrik 

      Selama pertumbuhan kristal silikon karbida, sistem kontrol listrik perlu secara akurat mengontrol parameter proses yang berbeda, terutama termasuk tinggi posisi koil, laju rotasi wadah, daya pemanas dan suhu, aliran asupan gas khusus yang berbeda, dan pembukaan katup proporsional.

      Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, sistem kontrol menggunakan pengontrol yang dapat diprogram sebagai server, yang terhubung ke driver servo melalui bus untuk mewujudkan kontrol gerak kumparan dan wadah; Ini terhubung ke pengontrol suhu dan pengontrol aliran melalui mobusrtu standar untuk mewujudkan kontrol waktu nyata dari suhu, tekanan dan aliran gas proses khusus. Ini membangun komunikasi dengan perangkat lunak konfigurasi melalui Ethernet, bertukar informasi sistem secara real time, dan menampilkan berbagai informasi parameter proses pada komputer host. Operator, personel proses, dan manajer bertukar informasi dengan sistem kontrol melalui antarmuka manusia-mesin.

     Sistem kontrol melakukan semua pengumpulan data lapangan, analisis status operasi semua aktuator dan hubungan logis antara mekanisme. Pengontrol yang dapat diprogram menerima instruksi komputer host dan melengkapi kontrol masing -masing aktuator sistem. Strategi eksekusi dan keselamatan dari menu proses otomatis semuanya dieksekusi oleh pengontrol yang dapat diprogram. Stabilitas pengontrol yang dapat diprogram memastikan stabilitas dan keandalan keamanan operasi menu proses.

     Konfigurasi atas mempertahankan pertukaran data dengan pengontrol yang dapat diprogram secara real time dan menampilkan data lapangan. Ini dilengkapi dengan antarmuka operasi seperti kontrol pemanasan, kontrol tekanan, kontrol sirkuit gas dan kontrol motor, dan nilai pengaturan berbagai parameter dapat dimodifikasi pada antarmuka. Pemantauan real-time parameter alarm, memberikan tampilan alarm layar, merekam waktu dan data terperinci dari kejadian dan pemulihan alarm. Perekaman waktu nyata dari semua data proses, konten operasi layar dan waktu operasi. Kontrol fusi dari berbagai parameter proses direalisasikan melalui kode yang mendasari di dalam pengontrol yang dapat diprogram, dan maksimum 100 langkah proses dapat direalisasikan. Setiap langkah mencakup lebih dari selusin parameter proses seperti waktu operasi proses, daya target, tekanan target, aliran argon, aliran nitrogen, aliran hidrogen, posisi wadah dan laju wadah.

3 analisis simulasi medan termal

    Model analisis simulasi medan termal ditetapkan. Gambar 8 adalah peta awan suhu di ruang pertumbuhan Crucible. Untuk memastikan kisaran suhu pertumbuhan kristal tunggal 4H-SIC, suhu tengah kristal biji dihitung menjadi 2200 ℃, dan suhu tepi adalah 2205,4 ℃. Pada saat ini, suhu tengah dari puncak wadah adalah 2167,5 ℃, dan suhu tertinggi dari area bubuk (samping ke bawah) adalah 2274,4 ℃, membentuk gradien suhu aksial.

       Distribusi gradien radial kristal ditunjukkan pada Gambar 9. Gradien suhu lateral bawah dari permukaan kristal biji secara efektif dapat meningkatkan bentuk pertumbuhan kristal. Perbedaan suhu awal yang dihitung arus adalah 5,4 ℃, dan bentuk keseluruhan hampir rata dan sedikit cembung, yang dapat memenuhi akurasi kontrol suhu radial dan persyaratan keseragaman permukaan kristal biji.

       Kurva perbedaan suhu antara permukaan bahan baku dan permukaan kristal biji ditunjukkan pada Gambar 10. Suhu tengah permukaan material adalah 2210 ℃, dan gradien suhu longitudinal 1 ℃/cm terbentuk antara permukaan material dan permukaan kristal biji, yang berada dalam kisaran yang masuk akal.

      Perkiraan laju pertumbuhan ditunjukkan pada Gambar 11. Laju pertumbuhan yang terlalu cepat dapat meningkatkan probabilitas cacat seperti polimorfisme dan dislokasi. Tingkat pertumbuhan perkiraan saat ini mendekati 0,1 mm/jam, yang berada dalam kisaran yang masuk akal.

     Melalui analisis dan perhitungan simulasi medan termal, ditemukan bahwa suhu tengah dan suhu tepi kristal biji memenuhi gradien suhu radial kristal 8 inci. Pada saat yang sama, bagian atas dan bawah wadah membentuk gradien suhu aksial yang cocok untuk panjang dan ketebalan kristal. Metode pemanasan saat ini dari sistem pertumbuhan dapat memenuhi pertumbuhan kristal tunggal 8 inci.

4 Tes Eksperimental

     Menggunakan initungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, berdasarkan gradien suhu simulasi medan termal, dengan menyesuaikan parameter seperti suhu atas wadah, tekanan rongga, kecepatan rotasi wadah, dan posisi relatif dari gulungan atas dan bawah, uji pertumbuhan silikon karbida silikon karbida dilakukan pada 12).

5 Kesimpulan

     Teknologi utama untuk pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8-inci, seperti medan termal gradien, mekanisme gerak wadah, dan kontrol otomatis parameter proses, dipelajari. Bidang termal di ruang pertumbuhan wadah disimulasikan dan dianalisis untuk mendapatkan gradien suhu yang ideal. Setelah pengujian, metode pemanasan induksi kumparan ganda dapat memenuhi pertumbuhan berukuran besarKristal silikon karbida. Penelitian dan pengembangan teknologi ini menyediakan teknologi peralatan untuk memperoleh kristal karbida 8 inci, dan memberikan fondasi peralatan untuk transisi industrialisasi silikon karbida dari 6 inci menjadi 8 inci, meningkatkan efisiensi pertumbuhan bahan silikon karbida dan biaya pengurangan.