Baseado na tecnologia de forno de crescimento único de carboneto de silício de 8 polegadas

       O carboneto de silício é um dos materiais ideais para fabricar dispositivos de alta temperatura, alta frequência, de alta potência e de alta tensão. Para melhorar a eficiência da produção e reduzir os custos, a preparação de substratos de carboneto de silício de tamanho grande é uma importante direção de desenvolvimento. Visando os requisitos de processo deCrescimento de cristal único de carboneto de silício de 8 polegadas (sic), o mecanismo de crescimento do método de transporte de vapor físico de carboneto de silício (PVT) foi analisado, o sistema de aquecimento (anel da guia TAC, Crucible revestido de TAC,Anéis revestidos com TAC, Placa revestida de TAC, anel de três petais revestido com TAC, cadinho de três petais revestido com TAC, suporte revestido de TAC, grafite porosa, feltro macio, suscetador de crescimento de cristal de feltro rígido e outros, e outrosSiC Single Crystal Growth Process Oars Partssão fornecidos pelo semicondutor de vetek), foram estudadas a rotação cadra e a tecnologia de controle de parâmetros do processo do forno de crescimento de cristal único de carboneto de silício e os cristais de 8 polegadas foram preparados e cultivados com êxito por meio de análises de simulação de campo térmico e experimentos de processo.

Introdução

      O carboneto de silício (sic) é um representante típico dos materiais semicondutores de terceira geração. Possui vantagens de desempenho, como largura de banda maior, maior campo elétrico de quebra e maior condutividade térmica. Ele tem um bom desempenho em campos de alta temperatura, alta pressão e alta frequência e se tornou uma das principais direções de desenvolvimento no campo da tecnologia de material semicondutor.  Atualmente, o crescimento industrial dos cristais de carboneto de silício usa principalmente o transporte físico de vapor (PVT), que envolve problemas complexos de acoplamento de campo multi-físico da interação multifásica, multi-componente, múltipla transferência de calor e massa e magneto-elétrico. Portanto, o design do sistema de crescimento da PVT é difícil e a medição e controle de parâmetros do processo durante oprocesso de crescimento de cristaisé difícil, resultando na dificuldade em controlar os defeitos de qualidade dos cristais de carboneto de silício adultos e no tamanho do cristal pequeno, de modo que o custo dos dispositivos com carboneto de silício, pois o substrato permanece alto.

      O equipamento de fabricação de carboneto de silício é a base da tecnologia de carboneto de silício e do desenvolvimento industrial. O nível técnico, a capacidade do processo e a garantia independente do forno de crescimento de cristal único de carboneto de silício são a chave para o desenvolvimento de materiais de carboneto de silício na direção de tamanho grande e alto rendimento, e também são os principais fatores que impulsionam a indústria de semicondutores de terceira geração a se desenvolver na direção de baixo custo e grande escala. Em dispositivos semicondutores com cristal único de carboneto de silício como substrato, o valor do substrato é responsável pela maior proporção, cerca de 50%. O desenvolvimento de equipamentos de crescimento de cristal de carboneto de alta qualidade de alta qualidade, melhorando o rendimento e a taxa de crescimento dos substratos de cristal único de carboneto de silício e a redução dos custos de produção são de importância principal para a aplicação de dispositivos relacionados. Para aumentar a oferta de capacidade de produção e reduzir ainda mais o custo médio dos dispositivos de carboneto de silício, expandir o tamanho dos substratos de carboneto de silício é uma das maneiras importantes. Atualmente, o tamanho internacional do substrato de carboneto de silício é de 6 polegadas e vem avançando rapidamente para 8 polegadas.

       As principais tecnologias que precisam ser resolvidas no desenvolvimento de fornos de crescimento de cristal único de carboneto de silício de 8 polegadas incluem: (1) Projeto da estrutura de campo térmico de grande porte para obter um gradiente de temperatura radial menor e um maior gradiente de temperatura longitudinal adequado para o crescimento de cristais de carbido de silício de 8 polegadas. (2) A rotação cadinho de grande porte e o levantamento da bobina e a redução do mecanismo de movimento, para que o cadinho gire durante o processo de crescimento de cristais e se mova em relação à bobina de acordo com os requisitos do processo para garantir a consistência do cristal de 8 polegadas e facilitar o crescimento e a espessura. (3) Controle automático dos parâmetros do processo em condições dinâmicas que atendem às necessidades do processo de crescimento de cristal único de alta qualidade.

1 mecanismo de crescimento de cristal em PVT

       O método PVT é preparar cristais únicos de carboneto de silício, colocando a fonte SiC na parte inferior de uma grafite densa cilíndrica cadinho, e o cristal de semente de SiC é colocado perto da tampa do cadinho. O cadinho é aquecido a 2 300 ~ 2 400 ℃ por indução ou resistência à radiofrequência e é isolado por feltro de grafite ougrafite porosa. As principais substâncias transportadas da fonte SiC para o cristal de sementes são as moléculas Si, Si2C e SiC2. A temperatura no cristal de semente é controlada para ser ligeiramente menor que a da micro-pó inferior, e um gradiente de temperatura axial é formado no cadinho. Conforme mostrado na Figura 1, o carboneto de silício sublima a micro-pó sublima a alta temperatura para formar gases de reação de diferentes componentes da fase gasosa, que atingem o cristal de semente com uma temperatura mais baixa sob o acionamento do gradiente de temperatura e cristalizam nele para formar um singoto cilíndrico de carboneto de silício.

As principais reações químicas do crescimento da PVT são:

Sic (s) ⇌ Si (g)+c (s)

2SIC ⇌ e₂C (g)+c (s)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+Si (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

As características do crescimento da PVT de cristais únicos do SiC são:

1) Existem duas interfaces solidas a gás: uma é a interface de pó de gás-SiC e a outra é a interface de cristal de gás.

2) A fase gasosa é composta por dois tipos de substâncias: uma é as moléculas inertes introduzidas no sistema; o outro é o componente de fase gasosa que simcn produzido pela decomposição e sublimação deSic pó. Os componentes da fase gasosa Simcn interagem entre si, e uma parte dos chamados componentes da fase gasosa cristalina que atendem aos requisitos do processo de cristalização crescerá no cristal 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 decomposition and sublimation.

4) Durante o processo de crescimento do cristal, ocorrerão alterações de duas fases: uma é que as partículas de pó de carboneto de silício sólido são transformadas em componentes da fase gasosa SIMCN através de decomposição e sublimação não-estoquiométricas e a outra é que os componentes da fase gasosa SIMCN são transformados em partículas de treliça através da cristalização.

2 projeto de equipamento 

      Conforme mostrado na Figura 2, o forno de crescimento de cristal único de carboneto de silício inclui principalmente: montagem da tampa superior, conjunto da câmara, sistema de aquecimento, mecanismo de rotação cadinho, mecanismo de levantamento de tampa inferior e sistema de controle elétrico.

2.1 Sistema de aquecimento 

     Como mostrado na Figura 3, o sistema de aquecimento adota o aquecimento de indução e é composto por uma bobina de indução, umgrafite cadinho, uma camada de isolamento (feltro rígido, feltro suave), etc. Quando a corrente alternada de frequência média passa pela bobina de indução de várias turnos ao redor da parte externa do cadinho de grafite, um campo magnético induzido da mesma frequência será formado no cadinho de grafite, gerando uma força eletromotiva induzida. Como o material de cadinho de grafite de alta pureza tem boa condutividade, uma corrente induzida é gerada na parede do cadinho, formando uma corrente de Foucault. Sob a ação da força de Lorentz, a corrente induzida eventualmente convergirá na parede externa do cadinho (isto é, o efeito da pele) e gradualmente enfraquece ao longo da direção radial. Devido à existência de correntes de Foucault, o calor de Joule é gerado na parede externa do cadinho, tornando -se a fonte de aquecimento do sistema de crescimento. O tamanho e a distribuição do calor do joule determinam diretamente o campo de temperatura no cadinho, o que, por sua vez, afeta o crescimento do cristal.

     Como mostrado na Figura 4, a bobina de indução é uma parte essencial do sistema de aquecimento. Ele adota dois conjuntos de estruturas de bobina independente e está equipado com mecanismos de movimento de precisão superior e inferior, respectivamente. A maior parte da perda de calor elétrica de todo o sistema de aquecimento é suportada pela bobina e o resfriamento forçado deve ser realizado. A bobina é enrolada com um tubo de cobre e resfriada pela água dentro. A faixa de frequência da corrente induzida é de 8 ~ 12 kHz. A frequência do aquecimento da indução determina a profundidade de penetração do campo eletromagnético no cadinho de grafite. O mecanismo de movimento da bobina usa um mecanismo de par de parafuso acionado por motor. A bobina de indução coopera com a fonte de alimentação de indução para aquecer a grafite interna cadruz para obter a sublimação do pó. Ao mesmo tempo, a potência e a posição relativa dos dois conjuntos de bobinas são controladas para tornar a temperatura no cristal de semente menor do que na micro-pó inferior, formando um gradiente de temperatura axial entre o cristal de semente e o pó no cadinho e formando um gradiente de temperatura radial razoável no cristal do carbido de silício.

2.2 Mecanismo de rotação cadinho 

      Durante o crescimento de de grande portecristais únicos de carboneto de silício, o cadinho no ambiente a vácuo da cavidade é mantido girando de acordo com os requisitos do processo, e o campo térmico do gradiente e o estado de baixa pressão na cavidade precisam ser mantidos estáveis. Como mostrado na Figura 5, um par de engrenagens acionadas por motor é usado para obter rotação estável do cadinho. Uma estrutura de vedação de líquido magnética é usada para atingir a vedação dinâmica do eixo rotativo. A vedação do fluido magnético usa um circuito de campo magnético rotativo formado entre o ímã, o sapato magnético e a manga magnética para adsorver firmemente o líquido magnético entre a ponta do sapato e a manga para formar um anel de líquido do tipo O-ringue, bloqueando completamente a folga para alcançar o objetivo de vedação. When the rotational motion is transmitted from the atmosphere to the vacuum chamber, the liquid O-ring dynamic sealing device is used to overcome the disadvantages of easy wear and low life in solid sealing, and the liquid magnetic fluid can fill the entire sealed space, thereby blocking all channels that can leak air, and achieving zero leakage in the two processes of crucible movement and stopping. O líquido magnético e o suporte cadinho adotam uma estrutura de resfriamento de água para garantir a aplicabilidade de alta temperatura do líquido magnético e o suporte cadinho e alcançar a estabilidade do estado de campo térmico.

2.3 Mecanismo de elevação da tampa inferior

     O mecanismo de elevação da tampa inferior consiste em um motor de acionamento, um parafuso de bola, uma guia linear, um suporte de elevação, uma tampa do forno e um suporte de tampa do forno. O motor aciona o suporte da tampa do forno conectado ao par de guia de parafuso através de um redutor para realizar o movimento para cima e para baixo da tampa inferior.

     O mecanismo de elevação da tampa inferior facilita a colocação e a remoção de cadinhos de tamanho grande e, mais importante, garante a confiabilidade de vedação da cobertura do forno inferior. Durante todo o processo, a câmara possui estágios de mudança de pressão, como vácuo, alta pressão e baixa pressão. O estado de compressão e vedação da cobertura inferior afeta diretamente a confiabilidade do processo. Uma vez que a vedação falhar sob alta temperatura, todo o processo será descartado. Através do controle do servo e do dispositivo de limite de servo, o aperto do conjunto da tampa inferior e a câmara é controlada para obter o melhor estado de compressão e vedação do anel de vedação da câmara do forno para garantir a estabilidade da pressão do processo, como mostra a Figura 6.

2.4 Sistema de controle elétrico 

      Durante o crescimento dos cristais de carboneto de silício, o sistema de controle elétrico precisa controlar com precisão diferentes parâmetros de processo, incluindo principalmente a altura da posição da bobina, taxa de rotação do cadinho, potência e temperatura de aquecimento, diferentes fluxo de ingestão de gás e a abertura da válvula proporcional.

      Conforme mostrado na Figura 7, o sistema de controle usa um controlador programável como servidor, que é conectado ao driver servo através do barramento para realizar o controle de movimento da bobina e do CRUCULCE; Ele está conectado ao controlador de temperatura e ao controlador de fluxo através do MOBUSRTU padrão para obter controle em tempo real da temperatura, pressão e fluxo de gás de processo especial. Ele estabelece comunicação com o software de configuração através da Ethernet, troca informações do sistema em tempo real e exibe várias informações de parâmetros do processo no computador host. Operadores, pessoal de processo e gerentes trocam informações com o sistema de controle através da interface humana-máquina.

     O sistema de controle executa toda a coleta de dados de campo, análise do status operacional de todos os atuadores e a relação lógica entre os mecanismos. O controlador programável recebe as instruções do computador host e conclui o controle de cada atuador do sistema. A estratégia de execução e segurança do menu de processos automáticos é executada pelo controlador programável. A estabilidade do controlador programável garante a estabilidade e a confiabilidade da segurança da operação do menu do processo.

     A configuração superior mantém a troca de dados com o controlador programável em tempo real e exibe dados de campo. Está equipado com interfaces de operação, como controle de aquecimento, controle de pressão, controle do circuito de gás e controle do motor, e os valores de configuração de vários parâmetros podem ser modificados na interface. Monitoramento em tempo real dos parâmetros de alarme, fornecendo exibição de alarme da tela, registrando o tempo e os dados detalhados da ocorrência e recuperação de alarme. Registro em tempo real de todos os dados do processo, conteúdo de operação da tela e tempo de operação. O controle de fusão de vários parâmetros de processo é realizado através do código subjacente dentro do controlador programável e um máximo de 100 etapas de processo pode ser realizado. Cada etapa inclui mais de uma dúzia de parâmetros de processo, como tempo de operação do processo, potência alvo, pressão alvo, fluxo de argônio, fluxo de nitrogênio, fluxo de hidrogênio, posição crucolista e taxa de cadinho.

3 Análise de simulação de campo térmico

    O modelo de análise de simulação de campo térmico é estabelecido. A Figura 8 é o mapa da nuvem de temperatura na câmara de crescimento cadinho. Para garantir a faixa de temperatura de crescimento de um cristal único 4H-SiC, a temperatura central do cristal de semente é calculada em 2200 ℃ e a temperatura da borda é 2205.4 ℃. Nesse momento, a temperatura central do topo do cadinho é 2167,5 ℃, e a temperatura mais alta da área de pó (lado para baixo) é 2274.4 ℃, formando um gradiente de temperatura axial.

       A distribuição do gradiente radial do cristal é mostrada na Figura 9. O gradiente de temperatura lateral inferior da superfície do cristal de semente pode melhorar efetivamente a forma do crescimento do cristal. A diferença de temperatura inicial calculada de corrente é de 5,4 ℃, e a forma geral é quase plana e ligeiramente convexa, o que pode atender aos requisitos de precisão e uniformidade do controle de temperatura radial da superfície do cristal de semente.

       A curva de diferença de temperatura entre a superfície da matéria -prima e a superfície do cristal de semente é mostrada na Figura 10. A temperatura central da superfície do material é 2210 ℃ e um gradiente longitudinal de temperatura de 1 ℃/cm é formado entre a superfície do material e a superfície do cristal de semente, que está dentro de uma faixa razoável.

      A taxa de crescimento estimada é mostrada na Figura 11. A taxa de crescimento muito rápida pode aumentar a probabilidade de defeitos como polimorfismo e deslocamento. A taxa de crescimento estimada atual é próxima de 0,1 mm/h, que está dentro de um intervalo razoável.

     Através da análise e cálculo da simulação de campo térmico, verificou -se que a temperatura central e a temperatura da borda do cristal de semente atendem ao gradiente de temperatura radial do cristal de 8 polegadas. Ao mesmo tempo, a parte superior e inferior do cadinho formam um gradiente de temperatura axial adequado para o comprimento e a espessura do cristal. O método de aquecimento atual do sistema de crescimento pode atender ao crescimento de cristais únicos de 8 polegadas.

4 Teste experimental

     Usando issoforno de crescimento de cristal único de carboneto de silício, com base no gradiente de temperatura da simulação de campo térmico, ajustando os parâmetros como a temperatura superior do cadinho, a pressão da cavidade, a velocidade de rotação do crisol e a posição relativa das bobinas superior e inferior, foi realizado um teste de crescimento de cristal de carboneto de silício e um cristal de carboneto de 8 polegadas foi obtido (na figura 12).

5 Conclusão

     Foram estudados as principais tecnologias para o crescimento de cristais únicos de carboneto de silício de 8 polegadas, como campo térmico de gradiente, mecanismo de movimento cadinho e controle automático dos parâmetros do processo. O campo térmico na câmara de crescimento cadinho foi simulado e analisado para obter o gradiente de temperatura ideal. Após o teste, o método de aquecimento de indução de bobina dupla pode atender ao crescimento de de grande porteCristais de carboneto de silício. A pesquisa e o desenvolvimento dessa tecnologia fornecem tecnologia de equipamentos para obter cristais de carboneto de 8 polegadas e fornece base de equipamentos para a transição da industrialização do carboneto de silício de 6 polegadas para 8 polegadas, melhorando a eficiência de crescimento dos materiais de carboneto de silício e reduzindo os custos.