Batay sa 8-inch silicon carbide single crystal growth furnace na teknolohiya

Ang Silicon carbide ay isa sa mga mainam na materyales para sa paggawa ng mga high-temperature, high-frequency, high-power at high-voltage device. Upang mapabuti ang kahusayan ng produksyon at mabawasan ang mga gastos, ang paghahanda ng malalaking sukat na silicon carbide substrates ay isang mahalagang direksyon sa pag-unlad. Naglalayon sa mga kinakailangan sa proseso ng8-inch silicon carbide(SIC) solong paglaki ng kristal, nasuri ang mekanismo ng paglago ng paraan ng physical vapor transport(PVT) ng silicon carbide, ang sistema ng pag-init(TaC Guide Ring, TaC Coated Crucible,Mga Singsing na Pinahiran ng TaC, TaC Coated Plate, TaC Coated Three-petal Ring, TaC Coated Three-petal Crucible, TaC Coated Holder, Porous Graphite, Soft Felt, Rigid Felt SiC-coated Crystal Growth Susceptor at iba paMga Spare Part ng SiC Single Crystal Growth Processay ibinigay ng VeTek Semiconductor ), pinag-aralan ang crucible rotation at process parameter control technology ng silicon carbide single crystal growth furnace, at matagumpay na naihanda at napalago ang mga 8-inch na kristal sa pamamagitan ng thermal field simulation analysis at mga eksperimento sa proseso.

0 Panimula

Ang Silicon carbide (SiC) ay isang tipikal na kinatawan ng mga third-generation semiconductor na materyales. Ito ay may mga pakinabang sa pagganap tulad ng mas malaking bandgap width, mas mataas na breakdown electric field, at mas mataas na thermal conductivity. Ito ay mahusay na gumaganap sa mataas na temperatura, mataas na presyon at mataas na dalas na mga patlang, at naging isa sa mga pangunahing direksyon ng pag-unlad sa larangan ng teknolohiya ng materyal na semiconductor. Mayroon itong malawak na hanay ng mga pangangailangan sa aplikasyon sa mga bagong sasakyang pang-enerhiya, photovoltaic power generation, rail transport, smart grid, 5G communication, satellite, radar at iba pang larangan. Sa kasalukuyan, ang industriyal na paglago ng mga silicon carbide crystal ay pangunahing gumagamit ng physical vapor transport (PVT), na kinabibilangan ng mga kumplikadong multi-physical field coupling na problema ng multi-phase, multi-component, multiple heat at mass transfer at magneto-electric heat flow interaction. Samakatuwid, ang disenyo ng sistema ng paglago ng PVT ay mahirap, at ang pagsukat ng parameter ng proseso at kontrol sa panahon ngproseso ng paglago ng kristalay mahirap, na nagreresulta sa kahirapan sa pagkontrol sa mga depekto sa kalidad ng mga lumaki na kristal na silicon carbide at ang maliit na sukat ng kristal, upang ang halaga ng mga device na may silicon carbide bilang substrate ay nananatiling mataas.

Ang kagamitan sa pagmamanupaktura ng Silicon carbide ay ang pundasyon ng teknolohiya ng silicon carbide at pag-unlad ng industriya. Ang teknikal na antas, kakayahan sa proseso at independiyenteng garantiya ng silicon carbide single crystal growth furnace ay ang susi sa pagbuo ng mga silicon carbide na materyales sa direksyon ng malaking sukat at mataas na ani, at ito rin ang mga pangunahing salik na nagtutulak sa ikatlong henerasyong industriya ng semiconductor upang bumuo sa direksyon ng mababang gastos at malakihan. Sa kasalukuyan, ang pagbuo ng mga high-voltage, high-power at high-frequency na silicon carbide na aparato ay gumawa ng makabuluhang pag-unlad, ngunit ang kahusayan sa produksyon at paghahanda ng mga aparato ay magiging isang mahalagang kadahilanan na naghihigpit sa kanilang pag-unlad. Sa mga aparatong semiconductor na may silikon carbide solong kristal bilang substrate, ang halaga ng substrate ay nagkakahalaga ng pinakamalaking proporsyon, mga 50%. Ang pagbuo ng malalaking sukat na mataas na kalidad na kagamitan sa paglago ng kristal na silicon carbide, pagpapabuti ng ani at rate ng paglago ng mga substrate ng silicon carbide na solong kristal, at pagbabawas ng mga gastos sa produksyon ay mahalagang kahalagahan sa aplikasyon ng mga kaugnay na aparato. Upang madagdagan ang supply ng kapasidad ng produksyon at higit na mabawasan ang average na gastos ng mga aparatong silikon karbid, ang pagpapalawak ng laki ng mga substrate ng silikon karbid ay isa sa mga mahahalagang paraan. Sa kasalukuyan, ang laki ng pang-internasyonal na pangunahing silicon carbide substrate ay 6 na pulgada, at mabilis itong umaasenso sa 8 pulgada.

Ang mga pangunahing teknolohiya na kailangang lutasin sa pagbuo ng 8-pulgadang silicon carbide na single crystal growth furnace ay kinabibilangan ng: 1) Disenyo ng malalaking sukat na istraktura ng thermal field upang makakuha ng mas maliit na radial temperature gradient at mas malaking longitudinal temperature gradient na angkop para sa paglago ng 8-pulgadang silicon carbide crystals. 2) Malaking laki ng crucible rotation at coil lifting at lowering motion mechanism, upang ang crucible ay umiikot sa panahon ng proseso ng paglaki ng kristal at gumagalaw na may kaugnayan sa coil ayon sa mga kinakailangan sa proseso upang matiyak ang pagkakapare-pareho ng 8-inch na kristal at mapadali ang paglaki at kapal . 3) Awtomatikong kontrol ng mga parameter ng proseso sa ilalim ng mga dynamic na kondisyon na nakakatugon sa mga pangangailangan ng de-kalidad na proseso ng paglago ng solong kristal.

1 PVT crystal growth na mekanismo

Ang pamamaraan ng PVT ay upang maghanda ng mga solong kristal ng silicon carbide sa pamamagitan ng paglalagay ng SiC source sa ilalim ng isang cylindrical siksik na graphite crucible, at ang SiC seed crystal ay inilalagay malapit sa crucible cover. Ang crucible ay pinainit sa 2 300~2 400 ℃ sa pamamagitan ng radio frequency induction o resistance, at insulated ng graphite felt obuhaghag na grapayt. Ang mga pangunahing sangkap na dinadala mula sa pinagmulan ng SiC hanggang sa kristal ng binhi ay Si, Si2C molecule at SiC2. Ang temperatura sa seed crystal ay kinokontrol na bahagyang mas mababa kaysa sa mas mababang micro-powder, at isang axial temperature gradient ay nabuo sa crucible. Tulad ng ipinapakita sa Figure 1, ang silicon carbide micro-powder ay nag-sublimate sa mataas na temperatura upang bumuo ng mga reaksyong gas ng iba't ibang bahagi ng gas phase, na umaabot sa seed crystal na may mas mababang temperatura sa ilalim ng drive ng gradient ng temperatura at nag-kristal dito upang bumuo ng isang cylindrical silicon carbide ingot.

Ang mga pangunahing kemikal na reaksyon ng paglago ng PVT ay:

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)

Ang mga katangian ng paglago ng PVT ng mga solong kristal ng SiC ay:

1) Mayroong dalawang gas-solid na interface: ang isa ay ang gas-SiC powder interface, at ang isa ay ang gas-crystal interface.

2) Ang bahagi ng gas ay binubuo ng dalawang uri ng mga sangkap: ang isa ay ang mga inert molecule na ipinakilala sa system; ang isa pa ay ang bahagi ng gas na SimCn na ginawa ng agnas at sublimation ngSiC powder. Ang mga bahagi ng gas phase na SimCn ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa, at ang isang bahagi ng tinatawag na crystalline gas phase na mga bahagi na SimCn na nakakatugon sa mga kinakailangan ng proseso ng crystallization ay lalago sa SiC crystal.

3) Sa solidong silicon carbide powder, magaganap ang mga solid-phase na reaksyon sa pagitan ng mga particle na hindi nag-sublimate, kabilang ang ilang mga particle na bumubuo ng mga porous na ceramic na katawan sa pamamagitan ng sintering, ilang mga particle na bumubuo ng mga butil na may partikular na laki ng particle at crystallographic morphology sa pamamagitan ng mga reaksyon ng crystallization, at ilang mga particle ng silicon carbide na nagiging mga particle na mayaman sa carbon o mga particle ng carbon dahil sa non-stoichiometric decomposition at sublimation.

4) Sa panahon ng proseso ng paglaki ng kristal, dalawang yugto ng pagbabago ang magaganap: ang isa ay ang solidong silicon carbide powder na mga particle ay binago sa mga bahagi ng gas na SimCn sa pamamagitan ng non-stoichiometric decomposition at sublimation, at ang isa pa ay ang mga bahagi ng gas phase na SimCn ay binago. sa lattice particle sa pamamagitan ng crystallization.

2 Disenyo ng Kagamitan Gaya ng ipinapakita sa Figure 2, ang silicon carbide single crystal growth furnace ay pangunahing kinabibilangan ng: upper cover assembly, chamber assembly, heating system, crucible rotation mechanism, lower cover lifting mechanism, at electrical control system.

2.1 Heating System Gaya ng ipinapakita sa Figure 3, ang heating system ay gumagamit ng induction heating at binubuo ng isang induction coil, isanggraphite crucible, isang layer ng pagkakabukod(matigas ang pakiramdam, malambot na nadama), atbp. Kapag ang medium frequency alternating current ay dumaan sa multi-turn induction coil na nakapalibot sa labas ng graphite crucible, isang induced magnetic field ng parehong frequency ang mabubuo sa graphite crucible, na bumubuo ng sapilitan na electromotive force. Dahil ang high-purity graphite crucible material ay may mahusay na conductivity, isang induced current ang nabubuo sa crucible wall, na bumubuo ng eddy current. Sa ilalim ng pagkilos ng puwersa ng Lorentz, ang sapilitan na kasalukuyang ay magsasama-sama sa panlabas na dingding ng tunawan (i.e., epekto sa balat) at unti-unting humina sa direksyon ng radial. Dahil sa pagkakaroon ng eddy currents, ang init ng Joule ay nabuo sa panlabas na dingding ng crucible, na nagiging pinagmumulan ng pag-init ng sistema ng paglago. Ang laki at pamamahagi ng init ng Joule ay direktang tumutukoy sa field ng temperatura sa tunawan, na nakakaapekto naman sa paglaki ng kristal.

Tulad ng ipinapakita sa Figure 4, ang induction coil ay isang mahalagang bahagi ng sistema ng pag-init. Gumagamit ito ng dalawang set ng mga independiyenteng istruktura ng coil at nilagyan ng upper at lower precision motion mechanisms ayon sa pagkakabanggit. Karamihan sa pagkawala ng init ng kuryente ng buong sistema ng pag-init ay dinadala ng coil, at dapat isagawa ang sapilitang paglamig. Ang coil ay nasugatan ng isang tansong tubo at pinalamig ng tubig sa loob. Ang frequency range ng induced current ay 8~12 kHz. Tinutukoy ng dalas ng induction heating ang lalim ng pagtagos ng electromagnetic field sa graphite crucible. Ang mekanismo ng paggalaw ng coil ay gumagamit ng mekanismo ng pares ng turnilyo na hinimok ng motor. Ang induction coil ay nakikipagtulungan sa induction power supply upang mapainit ang panloob na graphite crucible upang makamit ang sublimation ng powder. Kasabay nito, ang kapangyarihan at kamag-anak na posisyon ng dalawang hanay ng mga coils ay kinokontrol upang gawing mas mababa ang temperatura sa seed crystal kaysa sa mas mababang micro-powder, na bumubuo ng gradient ng temperatura ng axial sa pagitan ng seed crystal at powder sa crucible, at bumubuo ng isang makatwirang radial temperature gradient sa silicon carbide crystal.

2.2 Crucible Rotation Mechanism Sa panahon ng paglaki ng large-sizedsilikon carbide solong kristal, ang crucible sa vacuum environment ng cavity ay pinananatiling umiikot ayon sa mga kinakailangan sa proseso, at ang gradient thermal field at ang low-pressure state sa cavity ay kailangang panatilihing stable. Tulad ng ipinapakita sa Figure 5, ginagamit ang isang pares ng gear na pinaandar ng motor upang makamit ang matatag na pag-ikot ng crucible. Ang isang magnetic fluid sealing structure ay ginagamit upang makamit ang dynamic na sealing ng rotating shaft. Gumagamit ang magnetic fluid seal ng umiikot na magnetic field circuit na nabuo sa pagitan ng magnet, magnetic pole shoe at magnetic sleeve upang mahigpit na i-adsorb ang magnetic liquid sa pagitan ng pole shoe tip at manggas upang bumuo ng O-ring-like fluid ring, ganap na humaharang ang puwang upang makamit ang layunin ng pagbubuklod. Kapag ang rotational motion ay ipinadala mula sa atmospera patungo sa vacuum chamber, ang likidong O-ring na dynamic na sealing device ay ginagamit upang mapagtagumpayan ang mga disadvantages ng madaling pagkasuot at mababang buhay sa solid sealing, at ang likidong magnetic fluid ay maaaring punan ang buong selyadong espasyo, sa gayon ay hinaharangan ang lahat ng mga channel na maaaring tumagas ng hangin, at pagkamit ng zero leakage sa dalawang proseso ng paggalaw at paghinto ng crucible. Ang magnetic fluid at crucible support ay nagpapatibay ng water-cooling structure upang matiyak ang mataas na temperatura na applicability ng magnetic fluid at crucible support at makamit ang katatagan ng thermal field state.

2.3 Mekanismo ng pag-aangat sa ibabang takip

Ang mekanismo ng pag-aangat sa ibabang takip ay binubuo ng isang drive motor, isang ball screw, isang linear guide, isang lifting bracket, isang furnace cover at isang furnace cover bracket. Ang motor ay nagtutulak sa furnace cover bracket na konektado sa screw guide pair sa pamamagitan ng isang reducer upang mapagtanto ang pataas at pababang paggalaw ng ibabang takip.

Ang mekanismo ng pag-aangat sa ibabang takip ay nagpapadali sa paglalagay at pag-alis ng malalaking sukat na crucibles, at higit sa lahat, tinitiyak ang pagiging maaasahan ng sealing ng lower furnace cover. Sa buong proseso, ang silid ay may mga yugto ng pagbabago ng presyon tulad ng vacuum, mataas na presyon, at mababang presyon. Ang compression at sealing state ng lower cover ay direktang nakakaapekto sa pagiging maaasahan ng proseso. Kapag ang selyo ay nabigo sa ilalim ng mataas na temperatura, ang buong proseso ay aalisin. Sa pamamagitan ng motor servo control at limit device, ang higpit ng lower cover assembly at ang chamber ay kinokontrol upang makamit ang pinakamahusay na estado ng compression at sealing ng furnace chamber sealing ring upang matiyak ang katatagan ng presyon ng proseso, tulad ng ipinapakita sa Figure 6 .

2.4 Electrical control system Sa panahon ng paglaki ng silicon carbide crystals, ang electrical control system ay kailangang tumpak na kontrolin ang iba't ibang mga parameter ng proseso, pangunahin kasama ang coil position height, crucible rotation rate, heating power at temperature, iba't ibang espesyal na gas intake flow, at ang pagbubukas ng ang proporsyonal na balbula.

Tulad ng ipinapakita sa Figure 7, ang control system ay gumagamit ng programmable controller bilang isang server, na konektado sa servo driver sa pamamagitan ng bus upang mapagtanto ang motion control ng coil at crucible; ito ay konektado sa temperatura controller at flow controller sa pamamagitan ng karaniwang MobusRTU upang mapagtanto real-time na kontrol ng temperatura, presyon at espesyal na proseso ng daloy ng gas. Nagtatatag ito ng komunikasyon sa software ng pagsasaayos sa pamamagitan ng Ethernet, nagpapalitan ng impormasyon ng system sa real time, at nagpapakita ng iba't ibang impormasyon ng parameter ng proseso sa host computer. Ang mga operator, mga tauhan ng proseso at mga tagapamahala ay nakikipagpalitan ng impormasyon sa control system sa pamamagitan ng interface ng tao-machine.

Ang control system ay gumaganap ng lahat ng field data collection, pagsusuri ng operating status ng lahat ng actuator at ang lohikal na relasyon sa pagitan ng mga mekanismo. Ang programmable controller ay tumatanggap ng mga tagubilin ng host computer at nakumpleto ang kontrol ng bawat actuator ng system. Ang pagpapatupad at diskarte sa kaligtasan ng menu ng awtomatikong proseso ay lahat ay isinasagawa ng programmable controller. Tinitiyak ng katatagan ng programmable controller ang katatagan at pagiging maaasahan ng kaligtasan ng pagpapatakbo ng menu ng proseso.

Ang itaas na configuration ay nagpapanatili ng data exchange sa programmable controller sa real time at nagpapakita ng field data. Ito ay nilagyan ng mga interface ng operasyon tulad ng heating control, pressure control, gas circuit control at motor control, at ang mga setting ng value ng iba't ibang parameter ay maaaring mabago sa interface. Real-time na pagsubaybay sa mga parameter ng alarma, pagbibigay ng screen alarm display, pagtatala ng oras at detalyadong data ng paglitaw ng alarma at pagbawi. Real-time na pag-record ng lahat ng data ng proseso, nilalaman ng pagpapatakbo ng screen at oras ng pagpapatakbo. Ang kontrol ng pagsasanib ng iba't ibang mga parameter ng proseso ay naisasakatuparan sa pamamagitan ng pinagbabatayan na code sa loob ng programmable controller, at ang maximum na 100 hakbang ng proseso ay maaaring maisakatuparan. Kasama sa bawat hakbang ang higit sa isang dosenang mga parameter ng proseso tulad ng oras ng pagpapatakbo ng proseso, target na kapangyarihan, target na presyon, daloy ng argon, daloy ng nitrogen, daloy ng hydrogen, posisyon ng crucible at rate ng crucible.

3 Thermal field simulation analysis

Ang thermal field simulation analysis model ay itinatag. Ang Figure 8 ay ang temperature cloud map sa crucible growth chamber. Upang matiyak ang saklaw ng temperatura ng paglago ng 4H-SiC solong kristal, ang temperatura sa gitna ng seed crystal ay kinakalkula na 2200 ℃, at ang temperatura ng gilid ay 2205.4 ℃. Sa oras na ito, ang gitnang temperatura ng crucible top ay 2167.5 ℃, at ang pinakamataas na temperatura ng lugar ng pulbos (side down) ay 2274.4 ℃, na bumubuo ng axial temperature gradient.

Ang radial gradient distribution ng crystal ay ipinapakita sa Figure 9. Ang mas mababang lateral temperature gradient ng seed crystal surface ay maaaring epektibong mapabuti ang crystal growth shape. Ang kasalukuyang kinakalkula na inisyal na pagkakaiba sa temperatura ay 5.4 ℃, at ang kabuuang hugis ay halos flat at bahagyang matambok, na maaaring matugunan ang radial temperature control accuracy at pagkakapareho ng mga kinakailangan ng seed crystal surface.

Ang curve ng pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng ibabaw ng hilaw na materyal at ng ibabaw ng kristal ng binhi ay ipinapakita sa Figure 10. Ang temperatura sa gitna ng ibabaw ng materyal ay 2210 ℃, at ang isang paayon na gradient ng temperatura na 1 ℃/cm ay nabuo sa pagitan ng materyal na ibabaw at ng buto kristal na ibabaw, na nasa loob ng makatwirang saklaw.

Ang tinantyang rate ng paglago ay ipinapakita sa Figure 11. Ang masyadong mabilis na rate ng paglago ay maaaring magpataas ng posibilidad ng mga depekto tulad ng polymorphism at dislokasyon. Ang kasalukuyang tinantyang rate ng paglago ay malapit sa 0.1 mm/h, na nasa loob ng makatwirang saklaw.

Sa pamamagitan ng pagsusuri at pagkalkula ng thermal field simulation, napag-alaman na ang temperatura ng sentro at temperatura ng gilid ng seed crystal ay nakakatugon sa radial temperature gradient ng kristal na 8 pulgada. Kasabay nito, ang itaas at ibaba ng crucible ay bumubuo ng isang gradient ng temperatura ng ehe na angkop para sa haba at kapal ng kristal. Ang kasalukuyang paraan ng pag-init ng sistema ng paglago ay maaaring matugunan ang paglaki ng 8-pulgada na solong kristal.

4 Eksperimental na pagsubok

Gamit itosilicon carbide single crystal growth furnace, batay sa gradient ng temperatura ng thermal field simulation, sa pamamagitan ng pagsasaayos ng mga parameter tulad ng crucible top temperature, presyon ng lukab, bilis ng pag-ikot ng crucible, at ang relatibong posisyon ng upper at lower coils, isinagawa ang isang silicon carbide crystal growth test. , at isang 8-pulgada na silicon carbide crystal ang nakuha (tulad ng ipinapakita sa Figure 12).

5 Konklusyon

Ang mga pangunahing teknolohiya para sa paglaki ng 8-pulgadang silicon carbide na solong kristal, tulad ng gradient thermal field, mekanismo ng crucible motion, at awtomatikong kontrol ng mga parameter ng proseso, ay pinag-aralan. Ang thermal field sa crucible growth chamber ay ginagaya at sinuri upang makuha ang perpektong gradient ng temperatura. Pagkatapos ng pagsubok, ang double-coil induction heating method ay maaaring matugunan ang paglaki ng malalaking sukatmga kristal na silikon karbida. Ang pananaliksik at pagpapaunlad ng teknolohiyang ito ay nagbibigay ng teknolohiya ng kagamitan para sa pagkuha ng 8-pulgadang carbide crystals, at nagbibigay ng pundasyon ng kagamitan para sa paglipat ng industriyalisasyon ng silicon carbide mula 6 pulgada hanggang 8 pulgada, pagpapabuti ng kahusayan sa paglago ng mga materyales ng silicon carbide at pagbabawas ng mga gastos.