Berdasarkan teknologi relau pertumbuhan kristal silikon 8 inci

       Silicon Carbide adalah salah satu bahan yang ideal untuk membuat suhu tinggi, frekuensi tinggi, kuasa tinggi dan voltan tinggi. Untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran dan mengurangkan kos, penyediaan substrat karbida silikon bersaiz besar adalah arah pembangunan yang penting. Mensasarkan keperluan prosesPertumbuhan kristal tunggal silikon (sic) 8 inci, Mekanisme pertumbuhan kaedah pengangkutan wap fizikal silikon karbida (PVT) dianalisis, sistem pemanasan (cincin panduan TAC, TAC bersalut crucible,Cincin bersalut TAC, Plat bersalut TAC, TAC cincin tiga-petal, TAC bersalut tiga-peletan crucible, pemegang bersalut TAC, grafit berliang, lembut dirasakan, tegar merasakan SIC bersalut pertumbuhan kristal dan lain-lainAlat ganti pertumbuhan kristal tunggaldisediakan oleh Vetek Semiconductor), putaran putaran dan proses kawalan parameter proses silikon karbida silikon karbida tunggal relau telah dikaji, dan kristal 8 inci berjaya disediakan dan ditanam melalui analisis simulasi medan haba dan eksperimen proses.

Pengenalan

      Silicon Carbide (SIC) adalah wakil khas bahan semikonduktor generasi ketiga. Ia mempunyai kelebihan prestasi seperti lebar bandgap yang lebih besar, medan elektrik kerosakan yang lebih tinggi, dan kekonduksian terma yang lebih tinggi. Ia berfungsi dengan baik dalam suhu tinggi, tekanan tinggi dan bidang frekuensi tinggi, dan telah menjadi salah satu arah pembangunan utama dalam bidang teknologi bahan semikonduktor.  Pada masa ini, pertumbuhan perindustrian kristal karbida silikon terutamanya menggunakan pengangkutan wap fizikal (PVT), yang melibatkan masalah gandingan medan pelbagai fizikal kompleks pelbagai fasa, pelbagai komponen, pelbagai haba dan pemindahan jisim dan interaksi aliran haba magneto-elektrik. Oleh itu, reka bentuk sistem pertumbuhan PVT adalah sukar, dan pengukuran dan kawalan parameter proses semasaProses pertumbuhan kristaladalah sukar, mengakibatkan kesukaran mengawal kecacatan kualiti kristal karbida silikon yang ditanam dan saiz kristal kecil, supaya kos peranti dengan karbida silikon sebagai substrat tetap tinggi.

      Peralatan pembuatan karbida silikon adalah asas teknologi silikon karbida dan pembangunan perindustrian. Tahap teknikal, keupayaan proses dan jaminan bebas silikon karbida silikon pertumbuhan kristal tunggal adalah kunci kepada pembangunan bahan-bahan karbida silikon ke arah saiz yang besar dan hasil yang tinggi, dan juga faktor utama yang memacu industri semikonduktor generasi ketiga untuk berkembang ke arah kos rendah dan berskala besar. Dalam peranti semikonduktor dengan kristal tunggal karbida silikon sebagai substrat, nilai substrat menyumbang bahagian terbesar, kira -kira 50%. Perkembangan peralatan pertumbuhan kristal silikon karbida berkualiti tinggi, meningkatkan hasil dan pertumbuhan substrat kristal tunggal karbida silikon, dan mengurangkan kos pengeluaran adalah penting bagi penerapan peranti yang berkaitan. Untuk meningkatkan bekalan kapasiti pengeluaran dan seterusnya mengurangkan kos purata peranti silikon karbida, memperluaskan saiz substrat karbida silikon adalah salah satu cara penting. Pada masa ini, saiz substrat silikon karbida arus perdana antarabangsa adalah 6 inci, dan ia telah berkembang pesat hingga 8 inci.

       Teknologi utama yang perlu diselesaikan dalam pembangunan relau pertumbuhan kristal silikon 8 inci termasuk: (1) Reka bentuk struktur medan terma bersaiz besar untuk mendapatkan kecerunan suhu radial yang lebih kecil dan kecerunan suhu longitudinal yang lebih besar yang sesuai untuk pertumbuhan kristal karbida silikon 8-inci. (2) Putaran besar dan mengangkat gegelung besar dan menurunkan mekanisme gerakan, supaya crucible berputar semasa proses pertumbuhan kristal dan bergerak relatif kepada gegelung mengikut keperluan proses untuk memastikan konsistensi kristal 8 inci dan memudahkan pertumbuhan dan ketebalan. (3) Kawalan automatik parameter proses di bawah keadaan dinamik yang memenuhi keperluan proses pertumbuhan kristal tunggal yang berkualiti tinggi.

1 mekanisme pertumbuhan kristal PVT

       Kaedah PVT adalah untuk menyediakan kristal tunggal karbida silikon dengan meletakkan sumber SIC di bahagian bawah grafit padat silinder yang boleh dikurangkan, dan kristal benih SIC diletakkan berhampiran penutup yang boleh dipasang. Crucible dipanaskan hingga 2 300 ~ 2 400 ℃ oleh induksi kekerapan radio atau rintangan, dan dilindungi oleh grafit yang dirasakan ataugrafit berliang. Bahan -bahan utama yang diangkut dari sumber SIC ke kristal benih adalah Si, molekul Si2c dan SIC2. Suhu di kristal benih dikawal menjadi sedikit lebih rendah daripada itu pada serbuk mikro yang lebih rendah, dan kecerunan suhu paksi terbentuk dalam kritikal. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, sublimat mikro-serbuk karbida silikon pada suhu tinggi untuk membentuk gas reaksi komponen fasa gas yang berlainan, yang mencapai kristal benih dengan suhu yang lebih rendah di bawah pemacu kecerunan suhu dan mengkristal di atasnya untuk membentuk ingot karbida silikon 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)

Ciri -ciri pertumbuhan PVT kristal tunggal SIC adalah:

1) Terdapat dua antara muka gas-pepejal: satu adalah antara muka serbuk gas-SIC, dan yang lain adalah antara muka gas kristal.

2) Fasa gas terdiri daripada dua jenis bahan: satu adalah molekul lengai yang diperkenalkan ke dalam sistem; Yang lain adalah komponen fasa gas SIMCN yang dihasilkan oleh penguraian dan penyejatanSerbuk sic. Komponen fasa gas SIMCN berinteraksi antara satu sama lain, dan sebahagian daripada komponen fasa gas kristal yang dipanggil SIMCN yang memenuhi keperluan proses penghabluran akan berkembang menjadi kristal SIC.

3) Dalam serbuk karbida silikon pepejal, tindak balas fasa pepejal akan berlaku di antara zarah-zarah yang tidak disahbaikan, termasuk beberapa zarah yang membentuk badan seramik berliang melalui sintering, sesetengah zarah yang membentuk bijirin dengan saiz zarah tertentu dan morfologi kristalografi melalui reaksi-zarah karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon yang beralih ke karbon ke dalam keretapi penguraian dan sublimasi.

4) Semasa proses pertumbuhan kristal, dua perubahan fasa akan berlaku: satu adalah bahawa zarah serbuk karbida silikon pepejal diubah menjadi komponen fasa gas SIMCN melalui penguraian bukan stoikiometrik dan sublimasi, dan yang lain adalah komponen fasa gas SIMCN diubah menjadi zarah-zarah kisi melalui penghabluran.

2 Reka Bentuk Peralatan 

      Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, relau pertumbuhan kristal tunggal karbida silikon terutamanya termasuk: perhimpunan penutup atas, pemasangan ruang, sistem pemanasan, mekanisme putaran yang boleh dipisahkan, mekanisme pengangkatan penutup yang lebih rendah, dan sistem kawalan elektrik.

2.1 Sistem Pemanasan 

     Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, sistem pemanasan mengamalkan pemanasan induksi dan terdiri daripada gegelung induksi, aGraphite Crucible, lapisan penebat (Tegas terasa, Soft Felt), dan sebagainya. Apabila arus berselang frekuensi sederhana melalui gegelung induksi pelbagai giliran yang mengelilingi bahagian luar grafit yang boleh diselaraskan, medan magnet yang disebabkan oleh kekerapan yang sama akan dibentuk dalam grafit yang boleh dibina, menghasilkan daya elektromotif yang disebabkan. Oleh kerana bahan grafit yang tinggi kemuliaan mempunyai kekonduksian yang baik, arus terinduksi dihasilkan pada dinding yang boleh dibentuk, membentuk arus eddy. Di bawah tindakan daya Lorentz, arus yang diinduksi akhirnya akan berkumpul di dinding luar yang boleh dikurangkan (iaitu, kesan kulit) dan secara beransur -ansur melemahkan di sepanjang arah radial. Oleh kerana kewujudan arus eddy, haba joule dihasilkan di dinding luar yang boleh dibuang, menjadi sumber pemanasan sistem pertumbuhan. Saiz dan pengedaran haba joule secara langsung menentukan medan suhu dalam krim, yang seterusnya mempengaruhi pertumbuhan kristal.

     Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4, gegelung induksi adalah bahagian utama sistem pemanasan. Ia mengamalkan dua set struktur gegelung bebas dan dilengkapi dengan mekanisme gerakan ketepatan atas dan bawah masing -masing. Kebanyakan kehilangan haba elektrik keseluruhan sistem pemanasan ditanggung oleh gegelung, dan penyejukan paksa mesti dilakukan. Gegelung luka dengan tiub tembaga dan disejukkan oleh air di dalamnya. Julat kekerapan arus yang disebabkan ialah 8 ~ 12 kHz. Kekerapan pemanasan induksi menentukan kedalaman penembusan medan elektromagnet dalam grafit grafit. Mekanisme gerakan gegelung menggunakan mekanisme pasangan skru yang didorong oleh motor. Gegelung induksi bekerjasama dengan bekalan kuasa induksi untuk memanaskan grafit dalaman yang boleh dilepaskan untuk mencapai sublimasi serbuk. Pada masa yang sama, kuasa dan kedudukan relatif kedua-dua set gegelung dikawal untuk menjadikan suhu pada kristal benih lebih rendah daripada yang di bawah serbuk mikro yang lebih rendah, membentuk kecerunan suhu paksi di antara kristal benih dan serbuk di dalamnya crucible, dan membentuk kecerunan suhu radial yang munasabah pada kristal karbida silikon.

2.2 Mekanisme putaran yang boleh dilepaskan 

      Semasa pertumbuhan bersaiz besarkristal tunggal karbida silikon, yang boleh dikendalikan dalam persekitaran vakum rongga terus berputar mengikut keperluan proses, dan medan terma kecerunan dan keadaan tekanan rendah dalam rongga perlu disimpan stabil. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, pasangan gear yang didorong oleh motor digunakan untuk mencapai putaran yang stabil dari crucible. Struktur pengedap cecair magnet digunakan untuk mencapai pengedap dinamik aci berputar. Meterai cecair magnet menggunakan litar medan magnet berputar yang terbentuk di antara magnet, kasut tiang magnet dan lengan magnet untuk menyerap cecair magnet di antara hujung kasut tiang dan lengan untuk membentuk cincin cecair seperti O-ring, sepenuhnya menyekat jurang untuk mencapai tujuan pengeditan. Apabila gerakan putaran dihantar dari atmosfera ke ruang vakum, peranti pengedap dinamik O-ring cair digunakan untuk mengatasi kelemahan yang mudah dipakai dan kehidupan yang rendah dalam pengedap pepejal, dan cecair magnet cecair dapat mengisi seluruh ruang tertutup, dengan itu menyekat semua saluran yang dapat bocor udara, dan mencapai kebocoran sifar dalam dua proses yang boleh dibocorkan. Sokongan cecair magnet dan crucible mengguna pakai struktur penyejukan air untuk memastikan kebolehgunaan suhu tinggi cecair magnet dan sokongan kritikal dan mencapai kestabilan keadaan medan terma.

2.3 Mekanisme pengangkat perlindungan yang lebih rendah

     Mekanisme mengangkat penutup bawah terdiri daripada motor pemacu, skru bola, panduan linear, pendakap mengangkat, penutup relau dan pendakap penutup relau. Motor memacu pendakap penutup relau yang disambungkan ke pasangan panduan skru melalui pengurangan untuk merealisasikan pergerakan atas dan bawah penutup bawah.

     Mekanisme pengangkat penutup yang lebih rendah memudahkan penempatan dan penyingkiran crucibles bersaiz besar, dan yang lebih penting, memastikan kebolehpercayaan pengedap penutup relau yang lebih rendah. Sepanjang proses keseluruhan, ruang mempunyai tahap perubahan tekanan seperti vakum, tekanan tinggi, dan tekanan rendah. Keadaan mampatan dan pengedap penutup bawah secara langsung mempengaruhi kebolehpercayaan proses. Sebaik sahaja meterai gagal di bawah suhu tinggi, keseluruhan proses akan dibatalkan. Melalui kawalan servo motor dan had peranti, ketegangan pemasangan penutup bawah dan ruang dikawal untuk mencapai keadaan mampatan dan pengedap cincin pengedap ruang relau untuk memastikan kestabilan tekanan proses, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.

2.4 Sistem Kawalan Elektrik 

      Semasa pertumbuhan kristal karbida silikon, sistem kawalan elektrik perlu mengendalikan parameter proses yang berbeza, terutamanya termasuk ketinggian kedudukan gegelung, kadar putaran yang boleh dipakai, kuasa pemanasan dan suhu, aliran pengambilan gas khas yang berlainan, dan pembukaan injap berkadar.

      Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7, sistem kawalan menggunakan pengawal yang boleh diprogramkan sebagai pelayan, yang disambungkan ke pemandu servo melalui bas untuk merealisasikan kawalan gerakan gegelung dan crucible; Ia disambungkan kepada pengawal suhu dan pengawal aliran melalui Mobusrtu standard untuk merealisasikan kawalan masa nyata suhu, tekanan dan aliran gas proses khas. Ia mewujudkan komunikasi dengan perisian konfigurasi melalui Ethernet, menukar maklumat sistem dalam masa nyata, dan memaparkan pelbagai maklumat parameter proses pada komputer tuan rumah. Pengendali, kakitangan proses dan pengurus bertukar maklumat dengan sistem kawalan melalui antara muka mesin manusia.

     Sistem kawalan melakukan semua pengumpulan data medan, analisis status operasi semua penggerak dan hubungan logik antara mekanisme. Pengawal yang boleh diprogramkan menerima arahan komputer tuan rumah dan melengkapkan kawalan setiap penggerak sistem. Strategi pelaksanaan dan keselamatan menu proses automatik semuanya dilaksanakan oleh pengawal yang boleh diprogramkan. Kestabilan pengawal yang boleh diprogramkan memastikan kebolehpercayaan kestabilan dan keselamatan operasi menu proses.

     Konfigurasi atas mengekalkan pertukaran data dengan pengawal yang boleh diprogramkan dalam masa nyata dan memaparkan data medan. Ia dilengkapi dengan antara muka operasi seperti kawalan pemanasan, kawalan tekanan, kawalan litar gas dan kawalan motor, dan nilai penetapan pelbagai parameter boleh diubahsuai pada antara muka. Pemantauan masa nyata parameter penggera, menyediakan paparan penggera skrin, merakam masa dan data terperinci mengenai kejadian penggera dan pemulihan. Rakaman masa nyata bagi semua data proses, kandungan operasi skrin dan masa operasi. Kawalan gabungan pelbagai parameter proses direalisasikan melalui kod asas di dalam pengawal yang boleh diprogramkan, dan maksimum 100 langkah proses dapat direalisasikan. Setiap langkah merangkumi lebih daripada sedozen parameter proses seperti masa operasi proses, kuasa sasaran, tekanan sasaran, aliran argon, aliran nitrogen, aliran hidrogen, kedudukan yang boleh dipertahankan dan kadar yang boleh dipisahkan.

3 analisis simulasi medan terma

    Model analisis simulasi medan terma ditubuhkan. Rajah 8 adalah peta awan suhu di ruang pertumbuhan yang boleh dipisahkan. Untuk memastikan julat suhu pertumbuhan kristal tunggal 4H-SIC, suhu pusat kristal benih dikira menjadi 2200 ℃, dan suhu tepi adalah 2205.4 ℃. Pada masa ini, suhu pusat bahagian atas crucible adalah 2167.5 ℃, dan suhu tertinggi kawasan serbuk (sebelah bawah) ialah 2274.4 ℃, membentuk kecerunan suhu paksi.

       Pengagihan kecerunan radial kristal ditunjukkan dalam Rajah 9. Kecerunan suhu sisi bawah permukaan kristal benih dapat meningkatkan bentuk pertumbuhan kristal. Perbezaan suhu awal yang dikira semasa adalah 5.4 ℃, dan bentuk keseluruhannya hampir rata dan sedikit cembung, yang dapat memenuhi ketepatan kawalan suhu radial dan keperluan keseragaman permukaan kristal benih.

       Kurva perbezaan suhu di antara permukaan bahan mentah dan permukaan kristal benih ditunjukkan dalam Rajah 10.

      Kadar pertumbuhan yang dianggarkan ditunjukkan dalam Rajah 11. Kadar pertumbuhan yang terlalu cepat dapat meningkatkan kebarangkalian kecacatan seperti polimorfisme dan dislokasi. Kadar pertumbuhan anggaran semasa adalah hampir 0.1 mm/j, yang berada dalam julat yang munasabah.

     Melalui analisis dan pengiraan simulasi medan haba, didapati suhu pusat dan suhu tepi kristal benih memenuhi kecerunan suhu radial kristal 8 inci. Pada masa yang sama, bahagian atas dan bawah bentuk crucible kecerunan suhu paksi yang sesuai untuk panjang dan ketebalan kristal. Kaedah pemanasan semasa sistem pertumbuhan dapat memenuhi pertumbuhan kristal tunggal 8 inci.

4 Ujian Eksperimen

     Menggunakan inirelau pertumbuhan kristal tunggal karbida silikon, berdasarkan kecerunan suhu simulasi medan terma, dengan menyesuaikan parameter seperti suhu atas yang boleh dipisahkan, tekanan rongga, kelajuan putaran yang boleh diperolehi, dan kedudukan relatif gegelung atas dan bawah, ujian pertumbuhan kristal karbida silikon telah dijalankan, dan kristal silikon 8 inci diperolehi (seperti yang ditunjukkan dalam angka 12).

5 Kesimpulan

     Teknologi utama untuk pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8-inci, seperti medan terma kecerunan, mekanisme gerakan yang boleh dipertahankan, dan kawalan automatik parameter proses, telah dikaji. Bidang terma dalam ruang pertumbuhan yang crucible disimulasikan dan dianalisis untuk mendapatkan kecerunan suhu yang ideal. Selepas ujian, kaedah pemanasan induksi gegelung boleh memenuhi pertumbuhan bersaiz besarSilicon Carbide Crystals. Penyelidikan dan pembangunan teknologi ini menyediakan teknologi peralatan untuk mendapatkan kristal karbida 8 inci, dan menyediakan asas peralatan untuk peralihan perindustrian silikon karbida dari 6 inci hingga 8 inci, meningkatkan kecekapan pertumbuhan bahan karbida silikon dan mengurangkan kos.