¿Cómo lograr un crecimiento cristalino de alta calidad? - horno de crecimiento de cristal sic

1. ¿Cuál es el principio básico del horno de crecimiento de cristal de carburo de silicio?

El principio de funcionamiento del horno de crecimiento de cristal de carburo de silicio es la sublimación física (PVT). El método PVT es uno de los métodos más eficientes para cultivar cristales individuales SIC de alta pureza. A través de un control preciso del campo térmico, la atmósfera y los parámetros de crecimiento, el horno de crecimiento de cristal de carburo de silicio puede funcionar de manera estable a altas temperaturas para completar la sublimación, la transmisión de la fase gaseosa y el proceso de cristalización de la condensación dePolvo de sic.

1.1 Principio de trabajo del horno de crecimiento

● Método PVT

El núcleo del método PVT es sublimar el polvo de carburo de silicio en componentes gaseosos a altas temperaturas y condensarse en el cristal de semillas a través de la transmisión de fase gaseosa para formar una sola estructura cristalina. Este método tiene ventajas significativas en la preparación de cristales de gran tamaño y de gran tamaño.

● Proceso básico de crecimiento de cristales

✔ Sublimación: El polvo SIC en el crisol se subliman en componentes gaseosos como Si, C2 y Sic2 a una temperatura alta por encima de 2000 ℃.

✔ Transporte: Bajo la acción del gradiente térmico, los componentes gaseosos se transmiten desde la zona de alta temperatura (zona de polvo) hasta la zona de baja temperatura (superficie del cristal de semillas).

✔ Cristalización de condensación: Los componentes volátiles precipitan en la superficie del cristal de semillas y crecen a lo largo de la dirección de la red para formar un solo cristal.

1.2 Principios específicos del crecimiento de los cristales

El proceso de crecimiento de los cristales de carburo de silicio se divide en tres etapas, que están estrechamente relacionadas entre sí y afectan la calidad final del cristal.

✔ Sublimación en polvo sic: En condiciones de alta temperatura, SIC sólido (carburo de silicio) se sublimará en silicio gaseoso (SI) y carbono gaseoso (C), y la reacción es la siguiente:

Sic (s) → si (g) + c (g)

Y reacciones secundarias más complejas para generar componentes gaseosos volátiles (como SIC2). La alta temperatura es una condición necesaria para promover reacciones de sublimación.

✔ Transportee de fase gaseosa: Los componentes gaseosos se transportan desde la zona de sublimación del crisol hasta la zona de semillas bajo el impulso del gradiente de temperatura. La estabilidad del flujo de gas determina la uniformidad de la deposición.

✔ Cristalización de condensación: A temperaturas más bajas, los componentes gaseosos volátiles se combinan con la superficie del cristal de semillas para formar cristales sólidos. Este proceso implica mecanismos complejos de termodinámica y cristalografía.

1.3 Parámetros clave para el crecimiento de cristal de carburo de silicio

Los cristales SIC de alta calidad requieren un control preciso de los siguientes parámetros:

✔ Temperatura: La zona de sublimación debe mantenerse por encima de 2000 ℃ para garantizar la descomposición completa del polvo. La temperatura de la zona de semillas se controla a 1600-1800 ℃ para garantizar una tasa de deposición moderada.

✔ Presión: El crecimiento de la PVT generalmente se lleva a cabo en un entorno de baja presión de 10-20 Torr para mantener la estabilidad del transporte de fase gaseosa. La presión demasiado baja o demasiado baja conducirá a una tasa de crecimiento cristalino demasiado rápida o a mayores defectos.

✔ Ambiente: Use el argón de alta pureza como un gas portador para evitar la contaminación por impureza durante el proceso de reacción. La pureza de la atmósfera es crucial para la supresión de los defectos cristales.

✔ Tiempo: El tiempo de crecimiento de los cristales suele ser hasta decenas de horas para lograr un crecimiento uniforme y un grosor apropiado.

2. ¿Cuál es la estructura del horno de crecimiento de cristal de carburo de silicio?

La optimización de la estructura del horno de crecimiento de cristal de carburo de silicio se centra principalmente en la calefacción de alta temperatura, el control de la atmósfera, el diseño de campo de temperatura y el sistema de monitoreo.

2.1 Componentes principales del horno de crecimiento

● Sistema de calefacción a alta temperatura

✔ Calentamiento de resistencia: use alambre de resistencia a alta temperatura (como el molibdeno, el tungsteno) para proporcionar directamente la energía térmica. La ventaja es la precisión de control de temperatura de alta temperatura, pero la vida es limitada a alta temperatura.

✔ Calentamiento de inducción: el calentamiento de corriente deult se genera en el crisol a través de una bobina de inducción. Tiene las ventajas de alta eficiencia y sin contacto, pero el costo del equipo es relativamente alto.

● Estación de semillas de crisol y sustrato de grafito

✔ El crisol de grafito de alta pureza garantiza la estabilidad de alta temperatura.

✔ El diseño de la estación de semillas debe tener en cuenta tanto la uniformidad del flujo de aire como la conductividad térmica.

● Dispositivo de control de atmósfera

✔ Equipado con un sistema de administración de gas de alta pureza y una válvula de regulación de presión para garantizar la pureza y estabilidad del entorno de reacción.

● Diseño de uniformidad de campo de temperatura

✔ Al optimizar el grosor de la pared crisol, la distribución del elemento de calentamiento y la estructura del escudo térmico, se logra la distribución uniforme del campo de temperatura, reduciendo el impacto del estrés térmico en el cristal.

2.2 Diseño de campo de temperatura y gradiente térmico

✔ Importancia de la uniformidad de campo de temperatura: El campo de temperatura desigual conducirá a diferentes tasas de crecimiento y defectos locales dentro del cristal. La uniformidad del campo de temperatura se puede mejorar enormemente a través del diseño de simetría anular y la optimización del escudo térmico.

✔ Control preciso del gradiente térmico: Ajuste la distribución de energía de los calentadores y use escudos de calor para separar diferentes áreas para reducir las diferencias de temperatura. Porque los gradientes térmicos tienen un impacto directo en el grosor del cristal y la calidad de la superficie.

2.3 Sistema de monitoreo para el proceso de crecimiento de cristales

✔ Monitoreo de temperatura: Use sensores de temperatura de fibra óptica para monitorear la temperatura en tiempo real de la zona de sublimación y la zona de semillas. El sistema de retroalimentación de datos puede ajustar automáticamente la potencia de calefacción.

✔ Monitoreo de la tasa de crecimiento: Use la interferometría láser para medir la tasa de crecimiento de la superficie del cristal. Combine los datos de monitoreo con algoritmos de modelado para optimizar dinámicamente el proceso.

3. ¿Cuáles son las dificultades técnicas del horno de crecimiento de cristal de carburo de silicio?

Los cuellos de botella técnicos del horno de crecimiento de cristal de carburo de silicio se concentran principalmente en materiales de alta temperatura, control de campo de temperatura, supresión de defectos y expansión del tamaño.

3.1 Selección y desafíos de materiales de alta temperatura

Grafitose oxida fácilmente a temperaturas extremadamente altas yRecubrimiento sicDebe agregarse para mejorar la resistencia a la oxidación. La calidad del recubrimiento afecta directamente la vida útil del horno.

Límite de vida y temperatura del elemento de calentamiento. Los cables de resistencia a alta temperatura deben tener una alta resistencia a la fatiga. El equipo de calefacción de inducción necesita optimizar el diseño de disipación de calor de la bobina.

3.2 Control preciso de la temperatura y el campo térmico

La influencia del campo térmico no uniforme conducirá a un aumento en las fallas y dislocaciones de apilamiento. El modelo de simulación de campo térmico del horno debe optimizarse para detectar problemas de antemano.

Confiabilidad del equipo de monitoreo de alta temperatura. Los sensores de alta temperatura deben ser resistentes a la radiación y el choque térmico.

3.3 Control de defectos de cristal

Las fallas de apilamiento, dislocaciones e híbridos polimórficos son los principales tipos de defectos. La optimización del campo y la atmósfera térmica ayuda a reducir la densidad de defectos.

Control de fuentes de impureza. El uso de materiales de alta pureza y el sellado del horno son cruciales para la supresión de la impureza.

3.4 Desafíos del crecimiento de cristales de gran tamaño

Los requisitos de la uniformidad del campo térmico para la expansión del tamaño. Cuando el tamaño del cristal se amplía de 4 pulgadas a 8 pulgadas, el diseño de uniformidad de campo de temperatura debe actualizarse completamente.

Solución para grietas y problemas de deformación. Reduzca la deformación del cristal reduciendo el gradiente de estrés térmico.

4. ¿Cuáles son las materias primas para el crecimiento de cristales SIC de alta calidad?

Vetek Semiconductor ha desarrollado una nueva materia prima de cristal SIC -Materia prima CVD SIC de alta pureza. Este producto llena el vacío nacional y también está en el nivel principal a nivel mundial, y estará en una posición de liderazgo a largo plazo en la competencia. Las materias primas tradicionales de carburo de silicio se producen mediante la reacción de silicio y grafito de alta pureza, que tienen un costo alto, bajo en pureza y de tamaño pequeño.

La tecnología de lecho fluidizado del semiconductor de Vetek utiliza metiltriclorosilano para generar materias primas de carburo de silicio a través de la deposición química del vapor, y el subproducto principal es el ácido clorhídrico. El ácido clorhídrico puede formar sales neutralizándose con álcali, y no causará ninguna contaminación al medio ambiente. 

Al mismo tiempo, el metiltriclorosilano es un gas industrial ampliamente utilizado con fuentes de bajo costo y amplias, especialmente China es el principal productor de metiltriclorosilano. Por lo tanto, la alta pureza del semiconductor de VetekMateria prima CVD sictiene una competitividad líder internacional en términos de costo y calidad. La pureza de la materia prima CVD SIC de alta pureza es superior a 99.9995%.

✔ Gran tamaño y alta densidad: El tamaño promedio de partícula es de aproximadamente 4-10 mm, y el tamaño de partícula de las materias primas domésticas de Acheson es <2.5 mm. El mismo crisol de volumen puede contener más de 1,5 kg de materias primas, lo cual es propicio para resolver el problema del suministro insuficiente de materiales de crecimiento de cristales de gran tamaño, aliviando la grafitización de las materias primas, reduciendo el envoltura de carbono y la mejora de la calidad del cristal.

✔ Relación baja de Si/C: Está más cerca de 1: 1 que las materias primas Acheson del método de autopropagación, lo que puede reducir los defectos inducidos por el aumento de la presión parcial de Si.

✔ Valor de salida alto: Las materias primas cultivadas aún mantienen el prototipo, reducen la recristalización, reducen la grafitización de las materias primas, reducen los defectos de envoltura de carbono y mejoran la calidad de los cristales.

✔ Mayor pureza: La pureza de las materias primas producidas por el método CVD es mayor que la de las materias primas Acheson del método de autopropagación. El contenido de nitrógeno ha alcanzado 0.09ppm sin purificación adicional. Esta materia prima también puede desempeñar un papel importante en el campo semi-aislante.

✔ Mayor costo: La tasa de evaporación uniforme facilita el control del proceso y la calidad del producto, al tiempo que mejora la tasa de utilización de las materias primas (tasa de utilización> 50%, 4.5 kg de materias primas producen 3.5 kg lingotes), reduciendo los costos.

✔ Baja tasa de error humano: La deposición de vapor químico evita las impurezas introducidas por la operación humana.