Basado en tecnología de horno de un solo cristal de carburo de silicio de 8 pulgadas

       El carburo de silicio es uno de los materiales ideales para hacer dispositivos de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y alto voltaje. Para mejorar la eficiencia de producción y reducir los costos, la preparación de sustratos de carburo de silicio de gran tamaño es una dirección de desarrollo importante. Apuntando a los requisitos del proceso deCrecimiento de un solo cristal de carburo de silicio de 8 pulgadas (SIC), Se analizó el mecanismo de crecimiento del método de transporte de vapor físico de carburo de silicio (PVT), el sistema de calentamiento (anillo de guía TAC, crisol recubierto de TAC, crisolAnillos recubiertos de TAC, Placa recubierta de TAC, anillo de tres pátulas recubierto de TAC, crisol de tres pádicos recubierto de TAC, soporte recubierto de TAC, grafito poroso, fieltro suave, susceptor de crecimiento de cristal recubierto de SIC de fieltro rígido y otrosSic Partes de repuesto de Sic Proceso de crecimiento de cristal únicoson proporcionados por el semiconductor de Vetek), se estudiaron la tecnología de control de parámetros de la rotación del proceso y los parámetros del proceso del horno de crecimiento de un solo cristal de carburo de silicio, y los cristales de 8 pulgadas se prepararon y cultivaron con éxito a través del análisis de simulación de campo térmico y experimentos de procesos.

Introducción

      El carburo de silicio (SIC) es un representante típico de los materiales semiconductores de tercera generación. Tiene ventajas de rendimiento, como un ancho de banda de banda más grande, un campo eléctrico de ruptura más alto y una mayor conductividad térmica. Se desempeña bien en campos de alta temperatura, alta presión y alta frecuencia, y se ha convertido en una de las principales direcciones de desarrollo en el campo de la tecnología de materiales semiconductores.  En la actualidad, el crecimiento industrial de los cristales de carburo de silicio utiliza principalmente el transporte de vapor físico (PVT), que implica problemas complejos de acoplamiento de campo multi-físico de la interacción de flujo de calor de calor multi-eléctrico múltiple, múltiples componentes, múltiples múltiples e interacción de flujo de calor magnetoeléctrico. Por lo tanto, el diseño del sistema de crecimiento PVT es difícil, y la medición y control de los parámetros del proceso durante elproceso de crecimiento de cristaleses difícil, lo que resulta en la dificultad de controlar los defectos de calidad de los cristales de carburo de silicio cultivados y el pequeño tamaño de cristal, de modo que el costo de los dispositivos con carburo de silicio como sustrato permanece alto.

      Silicon Carbide Manufacturing Equipment es la base de la tecnología de carburo de silicio y el desarrollo industrial. El nivel técnico, la capacidad de proceso y la garantía independiente del horno de crecimiento de un solo cristal de carburo de silicio son la clave para el desarrollo de materiales de carburo de silicio en la dirección de gran tamaño y alto rendimiento, y también son los principales factores que impulsan la industria semiconductora de tercera generación para desarrollarse en dirección a bajo costo y gran escala. En dispositivos semiconductores con cristal único de carburo de silicio como sustrato, el valor del sustrato representa la mayor proporción, aproximadamente el 50%. El desarrollo de equipos de crecimiento de cristal de carburo de silicio de alta calidad de gran tamaño, mejorando el rendimiento y la tasa de crecimiento de los sustratos de cristal único de carburo de silicio y la reducción de los costos de producción son de importancia clave para la aplicación de dispositivos relacionados. Para aumentar el suministro de capacidad de producción y reducir aún más el costo promedio de los dispositivos de carburo de silicio, expandir el tamaño de los sustratos de carburo de silicio es una de las formas importantes. En la actualidad, el tamaño internacional del sustrato de carburo de silicio convencional es de 6 pulgadas, y ha avanzado rápidamente a 8 pulgadas.

       Las principales tecnologías que deben resolverse en el desarrollo de hornos de crecimiento de un solo cristal de carburo de silicio de 8 pulgadas incluyen: (1) diseño de una estructura de campo térmico de gran tamaño para obtener un gradiente de temperatura radial más pequeño y un gradiente de temperatura longitudinal más grande adecuado para el crecimiento de cristales de carburo de silicio de 8 pulgadas. (2) Rotación crisada de gran tamaño y levantamiento de la bobina y mecanismo de movimiento de disminución, de modo que el crisol gira durante el proceso de crecimiento del cristal y se mueve en relación con la bobina de acuerdo con los requisitos del proceso para garantizar la consistencia del cristal de 8 pulgadas y facilitar el crecimiento y el grosor. (3) Control automático de los parámetros del proceso en condiciones dinámicas que satisfacen las necesidades del proceso de crecimiento de cristal único de alta calidad.

1 mecanismo de crecimiento de cristal PVT

       El método PVT es preparar cristales individuales de carburo de silicio colocando la fuente SIC en la parte inferior de un crisol de grafito denso cilíndrico, y el cristal de semilla SIC se coloca cerca de la cubierta de crisol. El crisol se calienta a 2 300 ~ 2 400 ℃ por inducción o resistencia de radiofrecuencia, y está aislado por fieltro de grafito ografito poroso. Las sustancias principales transportadas desde la fuente SIC al cristal de semillas son las moléculas Si2C y SIC2. La temperatura en el cristal de la semilla se controla para que sea ligeramente menor que la de la micro-poes inferior, y se forma un gradiente de temperatura axial en el crisol. Como se muestra en la Figura 1, el micro-polvor de carburo de silicio se sublima a alta temperatura para formar gases de reacción de diferentes componentes de fase gaseosa, que alcanzan el cristal de semillas con una temperatura más baja bajo el impulso del gradiente de temperatura y cristalizan para formar un lingote cilíndrico de carburo de silicio.

Las principales reacciones químicas del crecimiento de PVT son:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2sic ⇌ y₂C (G)+C (S)

2sic ⇌ sic2 (g)+si (l, g)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Las características del crecimiento de PVT de cristales individuales SIC son:

1) Hay dos interfaces sólidas de gas: una es la interfaz de polvo de gas-Si, y la otra es la interfaz de cristal de gas.

2) La fase gaseosa está compuesta por dos tipos de sustancias: una es las moléculas inertes introducidas en el sistema; El otro es el componente de fase gaseosa SIMCN producido por la descomposición y sublimación dePolvo de sic. Los componentes de la fase gaseosa SIMCN interactúan entre sí, y una parte de los llamados componentes de fase gaseosa cristalina SIMCN que cumplen con los requisitos del proceso de cristalización crecerán en el 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 sublimación.

4) Durante el proceso de crecimiento del cristal, se producirán dos cambios de fase: una es que las partículas de polvo de carburo de silicio sólido se transforman en componentes de fase gaseosa SIMCN a través de la descomposición y la sublimación no estatal, y la otra es que los componentes de fase gaseosa simcn se transforman en partículas de celosía a través de la cristalización.

2 diseño de equipos 

      Como se muestra en la Figura 2, el horno de crecimiento de un solo cristal de carburo de silicio incluye principalmente: conjunto de la cubierta superior, conjunto de cámara, sistema de calentamiento, mecanismo de rotación de crisol, mecanismo de elevación de la cubierta inferior y sistema de control eléctrico.

2.1 Sistema de calefacción 

     Como se muestra en la Figura 3, el sistema de calentamiento adopta el calentamiento de inducción y está compuesto por una bobina de inducción, uncrisol de grafito, una capa de aislamiento (fieltro rígido, fieltro suave), etc. Cuando la corriente alterna de frecuencia media pasa a través de la bobina de inducción múltiple que rodea el exterior del crisol de grafito, se formará un campo magnético inducido de la misma frecuencia en el crisol de grafito, generando una fuerza electromotriz inducida. Dado que el material crisol de grafito de alta pureza tiene una buena conductividad, se genera una corriente inducida en la pared de crisol, formando una corriente de Foucault. Bajo la acción de la fuerza Lorentz, la corriente inducida eventualmente convergerá en la pared externa del crisol (es decir, el efecto de la piel) y se debilitará gradualmente a lo largo de la dirección radial. Debido a la existencia de corrientes de Eddy, el calor Joule se genera en la pared exterior del crisol, convirtiéndose en la fuente de calefacción del sistema de crecimiento. El tamaño y la distribución del calor Joule determinan directamente el campo de temperatura en el crisol, lo que a su vez afecta el crecimiento del cristal.

     Como se muestra en la Figura 4, la bobina de inducción es una parte clave del sistema de calentamiento. Adopta dos conjuntos de estructuras de bobina independientes y está equipado con mecanismos de movimiento de precisión superior e inferior, respectivamente. La mayor parte de la pérdida de calor eléctrico de todo el sistema de calefacción es soportado por la bobina, y se debe realizar un enfriamiento forzado. La bobina se enrolla con un tubo de cobre y se enfría con agua en el interior. El rango de frecuencia de la corriente inducida es 8 ~ 12 kHz. La frecuencia del calentamiento de inducción determina la profundidad de penetración del campo electromagnético en el crisol de grafito. El mecanismo de movimiento de la bobina utiliza un mecanismo de par de tornillos impulsado por el motor. La bobina de inducción coopera con la fuente de alimentación de inducción para calentar el crisol de grafito interno para lograr la sublimación del polvo. Al mismo tiempo, la potencia y la posición relativa de los dos conjuntos de bobinas se controlan para hacer que la temperatura en el cristal de semillas sea más baja que la de la micro-poes inferior, formando un gradiente de temperatura axial entre el cristal de la semilla y el polvo en el crisol, y formando un gradiente de temperatura radial razonable en el cristal de carburo de silicio.

2.2 Mecanismo de rotación del crisol 

      Durante el crecimiento de gran tamañocristales individuales de carburo de silicio, el crisol en el entorno de vacío de la cavidad se mantiene girando de acuerdo con los requisitos del proceso, y el campo térmico de gradiente y el estado de baja presión en la cavidad deben mantenerse estables. Como se muestra en la Figura 5, se utiliza un par de engranajes impulsado por el motor para lograr una rotación estable del crisol. Se utiliza una estructura de sellado de fluido magnético para lograr un sellado dinámico del eje giratorio. El sello de fluido magnético utiliza un circuito de campo magnético giratorio formado entre el imán, el zapato de polo magnético y la manga magnética para adsorbir firmemente el líquido magnético entre la punta del zapato de la pole y la manga para formar un anillo de fluido similar a la junta tórica, bloqueando completamente el espacio para lograr el propósito de sellado. Cuando el movimiento de rotación se transmite desde la atmósfera a la cámara de vacío, el dispositivo de sellado dinámico de la junta tórica líquida se usa para superar las desventajas de la fácil desgaste y la baja vida en el sellado sólido, y el fluido magnético líquido puede llenar todo el espacio sellado, bloqueando así todos los canales que pueden fugas de aire, y logrando cero fuga en los dos procesos de movimiento crucible y detenerse. El fluido magnético y el soporte de crisol adoptan una estructura de refrigeración por agua para garantizar la aplicabilidad de alta temperatura del fluido magnético y el soporte de crisol y lograr la estabilidad del estado del campo térmico.

2.3 Mecanismo de elevación de la cubierta inferior

     El mecanismo de elevación de la cubierta inferior consiste en un motor de accionamiento, un tornillo de bola, una guía lineal, un soporte de elevación, una cubierta de horno y un soporte de cubierta del horno. El motor impulsa el soporte de la cubierta del horno conectado al par de la guía del tornillo a través de un reductor para realizar el movimiento hacia arriba y hacia abajo de la cubierta inferior.

     El mecanismo de elevación de la cubierta inferior facilita la colocación y eliminación de los crisoles de gran tamaño, y lo que es más importante, asegura la confiabilidad de sellado de la cubierta del horno inferior. Durante todo el proceso, la cámara tiene etapas de cambio de presión como vacío, alta presión y baja presión. El estado de compresión y sellado de la cubierta inferior afecta directamente la confiabilidad del proceso. Una vez que el sello falla a alta temperatura, todo el proceso será desechado. A través del servicio del servo y el dispositivo límite del motor, la opresión del conjunto de la cubierta inferior y la cámara se controla para lograr el mejor estado de compresión y sellado del anillo de sellado de la cámara del horno para garantizar la estabilidad de la presión del proceso, como se muestra en la Figura 6.

2.4 Sistema de control eléctrico 

      Durante el crecimiento de los cristales de carburo de silicio, el sistema de control eléctrico debe controlar con precisión los diferentes parámetros del proceso, principalmente incluyendo la altura de posición de la bobina, la velocidad de rotación crisol, la potencia y la temperatura de calentamiento, el flujo de admisión de gas especial y la apertura de la válvula proporcional.

      Como se muestra en la Figura 7, el sistema de control utiliza un controlador programable como servidor, que está conectado al controlador servo a través del bus para realizar el control de movimiento de la bobina y el crisol; Está conectado al controlador de temperatura y el controlador de flujo a través del mobusrtu estándar para realizar el control en tiempo real de la temperatura, la presión y el flujo de gas de proceso especial. Establece la comunicación con el software de configuración a través de Ethernet, intercambia información del sistema en tiempo real y muestra varias información de parámetros de proceso en la computadora host. Los operadores, el personal de procesos y los gerentes intercambian información con el sistema de control a través de la interfaz humana-máquina.

     El sistema de control realiza toda la recopilación de datos de campo, el análisis del estado operativo de todos los actuadores y la relación lógica entre los mecanismos. El controlador programable recibe las instrucciones de la computadora host y completa el control de cada actuador del sistema. La estrategia de ejecución y seguridad del menú de proceso automático es ejecutada por el controlador programable. La estabilidad del controlador programable garantiza la estabilidad y la confiabilidad de la seguridad de la operación del menú de proceso.

     La configuración superior mantiene el intercambio de datos con el controlador programable en tiempo real y muestra datos de campo. Está equipado con interfaces de operación como control de calentamiento, control de presión, control del circuito de gas y control del motor, y los valores de configuración de varios parámetros pueden modificarse en la interfaz. Monitoreo en tiempo real de los parámetros de alarma, proporcionando visualización de alarma de pantalla, registrando el tiempo y los datos detallados de la aparición y la recuperación. Grabación en tiempo real de todos los datos de proceso, contenido de operación de pantalla y tiempo de operación. El control de fusión de varios parámetros del proceso se realiza a través del código subyacente dentro del controlador programable, y se puede obtener un máximo de 100 pasos de proceso. Cada paso incluye más de una docena de parámetros de proceso, como el tiempo de operación del proceso, la potencia objetivo, la presión objetivo, el flujo de argón, el flujo de nitrógeno, el flujo de hidrógeno, la posición del crisol y la tasa de crisolas.

3 análisis de simulación de campo térmico

    Se establece el modelo de análisis de simulación de campo térmico. La Figura 8 es el mapa de nubes de temperatura en la cámara de crecimiento del crisol. Para garantizar el rango de temperatura de crecimiento del cristal único 4H-SIC, la temperatura central del cristal de semillas se calcula en 2200 ℃, y la temperatura del borde es de 2205.4 ℃. En este momento, la temperatura central de la parte superior del crisol es 2167.5 ℃, y la temperatura más alta del área de polvo (lateral hacia abajo) es 2274.4 ℃, formando un gradiente de temperatura axial.

       La distribución del gradiente radial del cristal se muestra en la Figura 9. El gradiente de temperatura lateral más bajo de la superficie del cristal de semillas puede mejorar efectivamente la forma del crecimiento del cristal. La diferencia de temperatura inicial calculada actual es de 5.4 ℃, y la forma general es casi plana y ligeramente convexa, lo que puede cumplir con la precisión del control de temperatura radial y los requisitos de uniformidad de la superficie del cristal de semillas.

       La curva de diferencia de temperatura entre la superficie de la materia prima y la superficie del cristal de semillas se muestra en la Figura 10. La temperatura central de la superficie del material es 2210 ℃, y se forma un gradiente de temperatura longitudinal de 1 ℃/cm entre la superficie del material y la superficie del cristal de semillas, que está dentro de un rango razonable.

      La tasa de crecimiento estimada se muestra en la Figura 11. La tasa de crecimiento demasiado rápida puede aumentar la probabilidad de defectos como el polimorfismo y la dislocación. La tasa de crecimiento estimada actual es cercana a 0.1 mm/h, que está dentro de un rango razonable.

     A través del análisis y el cálculo de la simulación de campo térmico, se encuentra que la temperatura central y la temperatura del borde del cristal de semillas cumplen con el gradiente de temperatura radial del cristal de 8 pulgadas. Al mismo tiempo, la parte superior e inferior del crisol forman un gradiente de temperatura axial adecuado para la longitud y el grosor del cristal. El método de calentamiento actual del sistema de crecimiento puede cumplir con el crecimiento de cristales individuales de 8 pulgadas.

4 Prueba experimental

     Usando estohorno de crecimiento de un solo cristal de carburo de silicio, según el gradiente de temperatura de la simulación del campo térmico, ajustando los parámetros, como la temperatura superior crisol, la presión de la cavidad, la velocidad de rotación de crisol y la posición relativa de las bobinas superiores e inferiores, se llevó a cabo una prueba de crecimiento de cristal de carburo de silicio y se llevó a cabo un cristal de carburo de silicio de 8 pulgadas (como se mostró en la Figura 12).

5 conclusión

     Se estudiaron las tecnologías clave para el crecimiento de cristales individuales de carburo de silicio de 8 pulgadas, como el campo térmico de gradiente, el mecanismo de movimiento crisol y el control automático de los parámetros del proceso. El campo térmico en la cámara de crecimiento crisol se simuló y analizó para obtener el gradiente de temperatura ideal. Después de las pruebas, el método de calentamiento de inducción de doble bobina puede cumplir con el crecimiento decristales de carburo de silicio. La investigación y el desarrollo de esta tecnología proporciona tecnología de equipos para obtener cristales de carburo de 8 pulgadas, y proporciona base de equipos para la transición de la industrialización de carburo de silicio de 6 pulgadas a 8 pulgadas, mejorando la eficiencia de crecimiento de los materiales de carburo de silicio y la reducción de los costos.