8 дюймдік кремний карбиді монокристалды өсіретін пеш технологиясына негізделген

Кремний карбиді жоғары температуралы, жоғары жиілікті, жоғары қуатты және жоғары вольтты құрылғыларды жасау үшін тамаша материалдардың бірі болып табылады. Өндіріс тиімділігін арттыру және шығындарды азайту үшін үлкен өлшемді кремний карбидті негіздерді дайындау маңызды даму бағыты болып табылады. процесінің талаптарына бағытталған8 дюймдік кремний карбиді (SIC) монокристалды өсінді, кремний карбидінің физикалық буларын тасымалдау (PVT) әдісінің өсу механизмі талданды, жылыту жүйесі (TaC бағыттаушы сақина, TaC қапталған тигель,TaC қапталған сақиналар, TaC қапталған тақтайша, TaC жабыны бар үш жапырақты сақина, TaC жабыны бар үш жапырақты тигель, TaC жабыны бар ұстағыш, кеуекті графит, жұмсақ киіз, қатты киіз SiC жабыны бар кристалды өсіретін сіңіргіш және т.б.SiC монокристалды өсу процесінің қосалқы бөлшектеріVeTek Semiconductor компаниясымен қамтамасыз етілген), кремний карбидінің монокристалды өсіретін пешінің тигельдің айналуын және технологиялық параметрлерін басқару технологиясы зерттелді және 8 дюймдік кристалдар термиялық өрісті имитациялық талдау және технологиялық тәжірибелер арқылы сәтті дайындалды және өсірілді.

0 Кіріспе

Кремний карбиді (SiC) үшінші буындағы жартылай өткізгіш материалдардың типтік өкілі болып табылады. Оның үлкенірек жолақ ені, жоғары бұзылатын электр өрісі және жоғары жылу өткізгіштік сияқты өнімділік артықшылықтары бар. Ол жоғары температурада, жоғары қысымда және жоғары жиілікті өрістерде жақсы жұмыс істейді және жартылай өткізгіш материал технологиясы саласындағы негізгі даму бағыттарының біріне айналды. Ол жаңа энергетикалық көліктерде, фотоэлектрлік электр энергиясын өндіруде, теміржол көлігінде, смарт желіде, 5G байланысында, спутниктерде, радарларда және басқа салаларда қолданудың кең ауқымына ие. Қазіргі уақытта кремний карбидінің кристалдарының өнеркәсіптік өсуі негізінен көп фазалы, көп компонентті, көп жылу және масса алмасу және магнитті-электрлік жылу ағынының өзара әрекеттесуінің күрделі көп физикалық өрісті біріктіру мәселелерін қамтитын физикалық бу тасымалдауды (PVT) пайдаланады. Сондықтан PVT өсу жүйесін жобалау қиын, ал процесс кезінде параметрлерді өлшеу және бақылаукристалдардың өсу процесіқиын, нәтижесінде өсірілген кремний карбиді кристалдарының сапа ақауларын және шағын кристалдық өлшемін бақылау қиынға соғады, осылайша субстрат ретінде кремний карбиді бар құрылғылардың құны жоғары болып қалады.

Кремний карбиді өндіруге арналған жабдық кремний карбиді технологиясы мен өнеркәсіптік дамудың негізі болып табылады. Кремний карбидті монокристалды өсіретін пештің техникалық деңгейі, технологиялық қабілеті және тәуелсіз кепілдігі кремний карбиді материалдарын үлкен өлшемді және жоғары өнімділік бағытында дамытудың кілті болып табылады, сонымен қатар үшінші буындағы жартылай өткізгіштер өнеркәсібін алға жылжытатын негізгі факторлар болып табылады. арзан және ауқымды бағытта дамиды. Қазіргі уақытта жоғары вольтты, жоғары қуатты және жоғары жиілікті кремний карбидті құрылғыларды жасау айтарлықтай прогреске қол жеткізді, бірақ өндіріс тиімділігі мен құрылғыларды дайындау құны олардың дамуын шектейтін маңызды факторға айналады. Субстрат ретінде кремний карбиді монокристалы бар жартылай өткізгіш құрылғыларда субстраттың мәні ең үлкен үлесті құрайды, шамамен 50%. Ірі өлшемді жоғары сапалы кремний карбиді кристалдарын өсіруге арналған жабдықты әзірлеу, кремний карбиді монокристалды негіздердің кірістілігін және өсу қарқынын жақсарту және өндіріс шығындарын азайту байланысты құрылғыларды қолдану үшін маңызды болып табылады. Өндірістік қуаттарды жеткізуді арттыру және кремний карбидті құрылғылардың орташа құнын одан әрі төмендету үшін кремний карбидті негіздердің көлемін кеңейту маңызды жолдардың бірі болып табылады. Қазіргі уақытта кремний карбидінің халықаралық негізгі мөлшері 6 дюймді құрайды және ол 8 дюймге дейін жылдам дамып келеді.

8 дюймдік кремний карбидті монокристалды өсіретін пештерді әзірлеуде шешуді қажет ететін негізгі технологияларға мыналар жатады: 1) өсу үшін қолайлы кішірек радиалды температура градиентін және үлкенірек бойлық температура градиентін алу үшін үлкен өлшемді жылу өрісінің құрылымын жобалау. 8 дюймдік кремний карбиді кристалдарынан. 2) Тигель 8 дюймдік кристалдың консистенциясын қамтамасыз ету және өсуі мен қалыңдығын жеңілдету үшін кристалдың өсу процесі кезінде айналатын және орамға қатысты процестің талаптарына сәйкес қозғалатындай үлкен өлшемді тигельді айналдыру және орамды көтеру және түсіру қозғалыс механизмі . 3) Жоғары сапалы монокристалды өсу процесінің қажеттіліктерін қанағаттандыратын динамикалық жағдайларда технологиялық процестердің параметрлерін автоматты басқару.

1 PVT кристалының өсу механизмі

ПВТ әдісі кремний карбидінің монокристалдарын SiC көзін цилиндрлік тығыз графит тигельдің түбіне қою арқылы дайындау болып табылады, ал SiC тұқымдық кристалы тигель қақпағының жанына орналастырылады. Тигель радиожиілік индукциясы немесе кедергісі арқылы 2 300 ~ 2 400 ℃ дейін қызады және графит киізбен немесекеуекті графит. SiC көзінен тұқымдық кристалға тасымалданатын негізгі заттар Si, Si2C молекулалары және SiC2. Тұқымдық кристалдағы температура төменгі микроұнтақтағыдан сәл төмен болуы үшін бақыланады және тигельде осьтік температура градиенті қалыптасады. 1-суретте көрсетілгендей кремний карбиді микроұнтағы жоғары температурада сублимацияланып, әртүрлі газ фазасының құрамдас бөліктерінің реакциялық газдарын түзеді, олар температура градиентінің жетегінде төмен температурада тұқымдық кристалға жетеді және оның үстінде кристалданады және цилиндрлік пішінді құрайды. кремний карбиді құймасы.

PVT өсуінің негізгі химиялық реакциялары:

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 монокристалдарының PVT өсу сипаттамалары:

1) Екі газ-қатты интерфейс бар: бірі - газ-SiC ұнтақ интерфейсі, екіншісі - газ-кристалдық интерфейс.

2) Газ фазасы екі түрлі заттардан тұрады: бірі жүйеге енгізілген инертті молекулалар; екіншісі - ыдырау және сублимация нәтижесінде алынған SimCn газ фазасының компонентіSiC ұнтағы. SimCn газ фазасының құрамдас бөліктері бір-бірімен әрекеттеседі және кристалдану процесінің талаптарына сәйкес келетін SimCn деп аталатын кристалды газ фазасының құрамдас бөлігі SiC кристалына өседі.

3) Қатты кремний карбиді ұнтағында сублимацияланбаған бөлшектер арасында қатты фазалық реакциялар жүреді, оның ішінде агломерация арқылы кеуекті керамикалық денелерді түзетін кейбір бөлшектер, кристалдану реакциялары арқылы белгілі бір бөлшектердің өлшемі мен кристаллографиялық морфологиясы бар түйіршіктер түзетін кейбір бөлшектер; стехиометриялық емес ыдырау мен сублимация нәтижесінде көміртегіге бай бөлшектерге немесе көміртегі бөлшектеріне айналатын кремний карбиді бөлшектері.

4) Кристалдың өсу процесінде екі фазалық өзгерістер орын алады: бірі - қатты кремний карбиді ұнтағы бөлшектері стехиометриялық емес ыдырау және сублимация арқылы SimCn газ фазасының құрамдастарына айналады, екіншісі - газ фазасының компоненттері SimCn түрленеді. кристалдану арқылы торлы бөлшектерге айналады.

2 Жабдық конструкциясы 2-суретте көрсетілгендей, кремний карбиді монокристалды өсіретін пеш негізінен мыналарды қамтиды: үстіңгі қақпақ жинағы, камера жинағы, жылыту жүйесі, тигельді айналдыру механизмі, төменгі қақпақты көтеру механизмі және электрлік басқару жүйесі.

2.1 Жылыту жүйесі 3-суретте көрсетілгендей, жылыту жүйесі индукциялық қыздыруды қабылдайды және индукциялық катушкадан тұрады.графит тигель, оқшаулау қабаты(қатты киіз, жұмсақ киіз), т.б. Орташа жиілікті айнымалы ток графит тигельдің сыртын қоршап тұрған көп айналымды индукциялық катушка арқылы өткенде, графит тигельде индукцияланған электр қозғаушы күш тудыратын жиіліктегі бірдей индукцияланған магнит өрісі пайда болады. Жоғары таза графит тигель материалы жақсы өткізгіштікке ие болғандықтан, тигель қабырғасында құйынды ток түзетін индукциялық ток пайда болады. Лоренц күшінің әсерінен индукцияланған ток ақырында тигельдің сыртқы қабырғасына жиналады (яғни, тері әсері) және радиалды бағыт бойынша бірте-бірте әлсірейді. Құйынды токтардың болуына байланысты тигельдің сыртқы қабырғасында Джоуль жылуы түзіліп, өсу жүйесінің қыздыру көзіне айналады. Джоуль жылуының мөлшері мен таралуы тигельдегі температура өрісін тікелей анықтайды, бұл өз кезегінде кристалдың өсуіне әсер етеді.

4-суретте көрсетілгендей, индукциялық катушкалар жылыту жүйесінің негізгі бөлігі болып табылады. Ол екі тәуелсіз катушкалар құрылымын қабылдайды және сәйкесінше жоғарғы және төменгі дәлдіктегі қозғалыс механизмдерімен жабдықталған. Бүкіл жылыту жүйесінің электрлік жылу жоғалтуының көп бөлігі катушкаға жүктеледі және мәжбүрлі салқындату орындалуы керек. Орам мыс түтікпен оралып, ішіндегі сумен салқындатылады. Индукцияланған токтың жиілік диапазоны 8~12 кГц. Индукциялық қыздыру жиілігі графит тигельдегі электромагниттік өрістің ену тереңдігін анықтайды. Орамдық қозғалыс механизмі қозғалтқышпен басқарылатын бұрандалы жұп механизмін пайдаланады. Индукциялық катушкалар ұнтақтың сублимациясына жету үшін ішкі графит тигельді қыздыру үшін индукциялық қуат көзімен жұмыс істейді. Бұл ретте екі орам жинағының қуаты мен салыстырмалы орналасуы тұқымдық кристалдағы температураны төменгі микроұнтақтағыдан төмен етіп, тұқымдық кристал мен ұнтақ арасындағы осьтік температура градиентін құра отырып, бақыланады. тигель және кремний карбиді кристалында қолайлы радиалды температура градиентін құрайды.

2.2 Тигельдің айналу механизмі Үлкен өлшемді өсу кезіндекремний карбидінің монокристалдары, қуыстың вакуумдық ортасындағы тигель технологиялық талаптарға сәйкес айналады, ал қуыстағы градиенттік жылу өрісі мен төмен қысымды күйді тұрақты ұстау қажет. 5-суретте көрсетілгендей, тигельдің тұрақты айналуына қол жеткізу үшін қозғалтқышпен басқарылатын беріліс жұбы қолданылады. Айналмалы біліктің динамикалық тығыздалуына қол жеткізу үшін магниттік сұйықтықты тығыздау құрылымы қолданылады. Магниттік сұйықтық тығыздағышы магнит, магниттік полюстер және магниттік жең арасында пайда болған айналмалы магнит өрісінің тізбегін пайдаланады, ол полюстің ұшы мен жең арасындағы магниттік сұйықтықты мықтап адсорбциялау үшін O-сақина тәрізді сұйықтық сақинасын қалыптастырады, оны толығымен блоктайды. тығыздау мақсатына жету үшін саңылау. Айналмалы қозғалыс атмосферадан вакуумдық камераға жіберілген кезде, сұйық O-сақина динамикалық тығыздау құрылғысы қатты тығыздаудағы жеңіл тозу және аз қызмет ету мерзімінің кемшіліктерін еңсеру үшін қолданылады, ал сұйық магниттік сұйықтық бүкіл герметикалық кеңістікті толтыра алады, осылайша ауа ағып кетуі мүмкін барлық арналарды жауып, тигель қозғалысы мен тоқтаудың екі процесінде нөлдік ағып кетуге қол жеткізу. Магниттік сұйықтық пен тигель тірегі магниттік сұйықтық пен тигель тірегінің жоғары температурада қолданылуын қамтамасыз ету және жылу өрісі күйінің тұрақтылығына қол жеткізу үшін суды салқындату құрылымын қабылдайды.

2.3 Төменгі қақпақты көтеру механизмі

Төменгі қақпақты көтеру механизмі жетекші қозғалтқыштан, шарикті бұрандадан, сызықты бағыттаушыдан, көтеру кронштейнінен, пеш қақпағынан және пеш қақпағы кронштейнінен тұрады. Қозғалтқыш төменгі қақпақтың жоғары және төмен қозғалысын жүзеге асыру үшін бұрандалы бағыттаушы жұпқа жалғанған пеш қақпағының кронштейнін редуктор арқылы жүргізеді.

Төменгі қақпақты көтеру механизмі үлкен өлшемді тигельдерді орналастыруды және алуды жеңілдетеді, ең бастысы, пештің төменгі қақпағының тығыздалу сенімділігін қамтамасыз етеді. Бүкіл процесс кезінде камерада вакуум, жоғары қысым және төмен қысым сияқты қысымды өзгерту кезеңдері бар. Төменгі қақпақтың қысу және тығыздау күйі процестің сенімділігіне тікелей әсер етеді. Тығыздау жоғары температурада істен шыққаннан кейін бүкіл процесс жойылады. Мотор сервобасқару және шектеу құрылғысы арқылы 6-суретте көрсетілгендей технологиялық қысымның тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін пеш камерасының тығыздағыш сақинасын қысудың және тығыздаудың ең жақсы күйіне жету үшін төменгі қақпақ жинағының және камераның герметикалығы бақыланады. .

2.4 Электрлік басқару жүйесі Кремний карбидінің кристалдарының өсуі кезінде электрлік басқару жүйесі әртүрлі технологиялық параметрлерді, соның ішінде катушкалар күйінің биіктігін, тигельдің айналу жылдамдығын, қыздыру қуаты мен температурасын, әртүрлі арнайы газ қабылдау ағынын және ашылуын дәл бақылауы керек. пропорционалды клапан.

7-суретте көрсетілгендей, басқару жүйесі сервер ретінде бағдарламаланатын контроллерді пайдаланады, ол катушкалар мен тигельдің қозғалысын басқаруды жүзеге асыру үшін шиналар арқылы серво драйверіне қосылады; ол температураны, қысымды және арнайы технологиялық газ ағынын нақты уақыт режимінде басқаруды жүзеге асыру үшін стандартты MobusRTU арқылы температура реттегішіне және ағын реттегішіне қосылған. Ол Ethernet арқылы конфигурациялау бағдарламалық құралымен байланысты орнатады, нақты уақытта жүйелік ақпаратпен алмасады және негізгі компьютерде әртүрлі процесс параметрлері туралы ақпаратты көрсетеді. Операторлар, технологиялық персонал және менеджерлер адам мен машина интерфейсі арқылы басқару жүйесімен ақпарат алмасады.

Басқару жүйесі барлық өріс деректерін жинауды, барлық жетектердің жұмыс күйін талдауды және механизмдер арасындағы логикалық байланысты жүзеге асырады. Бағдарламаланатын контроллер негізгі компьютердің нұсқауларын алады және жүйенің әрбір жетектерін басқаруды аяқтайды. Автоматты процесс мәзірінің орындалуы мен қауіпсіздік стратегиясының барлығы бағдарламаланатын контроллермен орындалады. Бағдарламаланатын контроллердің тұрақтылығы технологиялық мәзір жұмысының тұрақтылығы мен қауіпсіздік сенімділігін қамтамасыз етеді.

Жоғарғы конфигурация нақты уақытта бағдарламаланатын контроллермен деректер алмасуды қамтамасыз етеді және өріс деректерін көрсетеді. Ол жылытуды басқару, қысымды басқару, газ тізбегін басқару және қозғалтқышты басқару сияқты жұмыс интерфейстерімен жабдықталған және интерфейсте әртүрлі параметрлердің орнату мәндерін өзгертуге болады. Дабыл параметрлерін нақты уақыт режимінде бақылау, экранда дабыл дисплейін қамтамасыз ету, дабылдың пайда болуы мен қалпына келтіру уақыты мен егжей-тегжейлі деректерін жазу. Барлық процесс деректерін, экран жұмысының мазмұнын және жұмыс уақытын нақты уақытта жазу. Түрлі процесс параметрлерін біріктіруді басқару бағдарламаланатын контроллердің ішіндегі негізгі код арқылы жүзеге асырылады және процестің ең көбі 100 қадамын жүзеге асыруға болады. Әрбір қадам технологиялық жұмыс уақыты, мақсатты қуат, мақсатты қысым, аргон ағыны, азот ағыны, сутегі ағыны, тигельдің орналасуы және тигель жылдамдығы сияқты оннан астам процестің параметрлерін қамтиды.

3 Жылу өрісін модельдеу талдауы

Термиялық өрісті имитациялық талдау моделі орнатылды. 8-суретте тигель өсу камерасындағы температуралық бұлт картасы берілген. 4H-SiC монокристалының өсу температурасының диапазонын қамтамасыз ету үшін тұқымдық кристалдың орталық температурасы 2200 ℃, ал шетінің температурасы 2205,4 ℃ болып есептеледі. Осы уақытта тигельдің жоғарғы температурасы 2167,5 ℃, ал ұнтақ аймағының ең жоғары температурасы (төмен қарай) 2274,4 ℃ болып, осьтік температура градиентін құрайды.

Кристаллдың радиалды градиентті таралуы 9-суретте көрсетілген. Тұқымдық кристалды бетінің төменгі бүйірлік температура градиенті кристалды өсу пішінін тиімді жақсарта алады. Ағымдағы есептелген бастапқы температура айырмашылығы 5,4 ℃, ал жалпы пішіні дерлік тегіс және сәл дөңес, ол радиалды температураны бақылау дәлдігі мен тұқым кристалының бетінің біркелкі талаптарын қанағаттандыра алады.

Шикізат беті мен тұқымның кристалды беті арасындағы температура айырмашылығы қисығы 10-суретте көрсетілген. Материал бетінің орталық температурасы 2210℃, ал материал беті мен тұқым арасында бойлық температура градиенті 1℃/см құрайды. кристалдық беті, ол ақылға қонымды диапазонда.

Болжалды өсу қарқыны 11-суретте көрсетілген. Тым жылдам өсу қарқыны полиморфизм және дислокация сияқты ақаулардың ықтималдығын арттыруы мүмкін. Ағымдағы болжамды өсу қарқыны 0,1 мм/сағ-қа жақын, бұл ақылға қонымды диапазонда.

Термиялық өрісті модельдеуді талдау және есептеу арқылы тұқымдық кристалдың орталық температурасы мен шеткі температурасы 8 дюймдік кристалдың радиалды температура градиентіне сәйкес келетіні анықталды. Сонымен бірге тигельдің үстіңгі және астыңғы жағы кристалдың ұзындығы мен қалыңдығына сәйкес келетін осьтік температура градиентін құрайды. Өсу жүйесінің қазіргі жылыту әдісі 8 дюймдік монокристалдардың өсуін қанағаттандыра алады.

4 Эксперименттік сынақ

Осыны пайдаланукремний карбиді монокристалды өсіретін пеш, термиялық өрісті модельдеудің температуралық градиенті негізінде тигельдің жоғарғы температурасы, қуыс қысымы, тигельдің айналу жылдамдығы және жоғарғы және төменгі катушкалардың салыстырмалы орналасуы сияқты параметрлерді реттеу арқылы кремний карбиді кристалының өсу сынағы жүргізілді. , және 8 дюймдік кремний карбиді кристалы алынды (12-суретте көрсетілгендей).

5 Қорытынды

Градиенттік термиялық өріс, тигель қозғалысы механизмі және процесс параметрлерін автоматты басқару сияқты 8 дюймдік кремний карбидінің монокристалдарын өсірудің негізгі технологиялары зерттелді. Тигель өсу камерасындағы жылу өрісі идеалды температура градиентін алу үшін модельденді және талданды. Тестілеуден кейін қос катушкалы индукциялық қыздыру әдісі үлкен өлшемді өсуді қанағаттандыра аладыкремний карбидінің кристалдары. Бұл технологияны зерттеу және дамыту 8 дюймдік карбид кристалдарын алуға арналған жабдық технологиясын қамтамасыз етеді және кремний карбидін индустрияландыруды 6 дюймден 8 дюймге дейін көшіру үшін жабдықтың негізін қамтамасыз етеді, кремний карбиді материалдарының өсу тиімділігін арттырады және шығындарды азайтады.