8 inçlik silikon karbür tek kristal büyüme fırını teknolojisine dayanmaktadır

       Silikon karbür, yüksek sıcaklık, yüksek frekanslı, yüksek güç ve yüksek voltajlı cihazlar yapmak için ideal malzemelerden biridir. Üretim verimliliğini artırmak ve maliyetleri azaltmak için, büyük boyutlu silikon karbür substratlarının hazırlanması önemli bir geliştirme yönüdür. Süreç gereksinimlerini hedeflemek8 inç silikon karbür (sic) tek kristal büyüme, Silikon Karbür Fiziksel Buhar Taşımacılığı (PVT) yönteminin büyüme mekanizması analiz edildi, Isıtma Sistemi (TAC kılavuz halkası, TAC kaplamalı pota,TAC kaplı halkalar, TAC kaplı plaka, TAC kaplı üç-petal halka, TAC kaplı üç-petal pota, TAC kaplı tutucu, gözenekli grafit, yumuşak keçe, sert keçe sic kaplı kristal büyüme suskun ve diğerSic tek kristal büyüme işlemi yedek parçalarıVetek Semiconductor tarafından sağlanır), silikon karbür tek kristal büyüme fırınının potansiyel rotasyonu ve proses parametre kontrol teknolojisi incelenmiştir ve 8 inç kristaller, termal alan simülasyon analizi ve proses deneyleri ile başarıyla hazırlanmış ve büyütülmüştür.

giriiş

      Silikon karbür (sic), üçüncü nesil yarı iletken malzemelerin tipik bir temsilcisidir. Daha büyük bant aralığı genişliği, daha yüksek arıza elektrik alanı ve daha yüksek termal iletkenlik gibi performans avantajlarına sahiptir. Yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve yüksek frekans alanlarında iyi performans gösterir ve yarı iletken malzeme teknolojisi alanındaki ana geliştirme yönlerinden biri haline gelmiştir.  Şu anda, silikon karbür kristallerinin endüstriyel büyümesi, esas olarak çok fazlı, çok bileşenli, çoklu ısı ve kütle transferi ve manyeto-elektrikli ısı akış etkileşiminin karmaşık çoklu fiziksel alan birleştirme problemlerini içeren fiziksel buhar taşınması (PVT) kullanır. Bu nedenle, PVT büyüme sisteminin tasarımı zordur ve proses parametresi ölçümü ve kontrolükristal büyüme sürecizordur, bu da yetişkin silikon karbür kristallerinin ve küçük kristal boyutunun kalite kusurlarının kontrol edilmesinde zorluğa neden olur, böylece substrat olarak silikon karbür olan cihazların maliyeti yüksek kalır.

      Silikon karbür üretim ekipmanı, silikon karbür teknolojisinin ve endüstriyel gelişimin temelidir. Teknik seviyesi, süreç kapasitesi ve silikon karbür tek kristal büyüme fırınının bağımsız garantisi, silikon karbür malzemelerinin büyük boyut ve yüksek verim yönünde geliştirilmesinin anahtarıdır ve aynı zamanda üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin düşük maliyet ve büyük ölçekte gelişmesini sağlayan ana faktörlerdir. Substrat olarak silikon karbür tek kristalli yarı iletken cihazlarda, substratın değeri en büyük oranı yaklaşık%50'dir. Büyük boyutlu yüksek kaliteli silikon karbür kristal büyüme ekipmanının geliştirilmesi, silikon karbür tek kristal substratların verimini ve büyüme oranını iyileştirmesi ve üretim maliyetlerini azaltması, ilgili cihazların uygulanması için önemli bir öneme sahiptir. Üretim kapasitesi arzını artırmak ve silikon karbür cihazlarının ortalama maliyetini daha da azaltmak için silikon karbür substratlarının boyutunu genişletmek önemli yollardan biridir. Şu anda, uluslararası ana akım silikon karbür substrat boyutu 6 inçtir ve hızla 8 inç'e yükselmektedir.

       8 inçlik silikon karbür tek kristal büyüme fırınlarının geliştirilmesinde çözülmesi gereken ana teknolojiler şunları içerir: (1) daha küçük bir radyal sıcaklık gradyanı ve 8 inç silikon karbid kristallerinin büyümesine uygun daha büyük bir boylamsal sıcaklık gradyanı elde etmek için büyük boyutlu termal alan yapısının tasarımı. (2) Büyük boyutlu pota dönüşü ve bobin kaldırma ve düşürme hareket mekanizması, böylece pota kristal büyüme işlemi sırasında döner ve 8 inçlik kristalin kıvamını sağlamak ve büyüme ve kalınlığı kolaylaştırmak için işlem gereksinimlerine göre bobine göre hareket eder. (3) Yüksek kaliteli tek kristal büyüme sürecinin ihtiyaçlarını karşılayan dinamik koşullar altında işlem parametrelerinin otomatik kontrolü.

1 PVT kristal büyüme mekanizması

       PVT yöntemi, SIC kaynağını silindirik yoğun bir grafit potasının altına yerleştirerek silikon karbür tek kristalleri hazırlamaktır ve SIC tohum kristali pota kapağının yanına yerleştirilir. Varlık, radyo frekansı indüksiyonu veya direnci ile 2 300 ~ 2 400 ℃ olarak ısıtılır ve grafit keçe veyagözenekli grafit. SIC kaynağından tohum kristaline taşınan ana maddeler Si, Si2C molekülleri ve SIC2'dir. Tohum kristalindeki sıcaklık, alt mikro powder'dan biraz daha düşük olacak şekilde kontrol edilir ve potada bir eksenel sıcaklık gradyanı oluşur. Şekil 1'de gösterildiği gibi, silikon karbür mikro-powder, sıcaklık gradyanının sürücüsü altında daha düşük bir sıcaklık ile tohum kristaline ulaşan ve silindirik silikon karbür ingotu oluşturmak için kristalleşen farklı gaz fazı bileşenlerinin reaksiyon gazlarını oluşturmak için yüksek sıcaklıkta sublimasyonlar.

PVT büyümesinin ana kimyasal reaksiyonları şunlardır:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2Sic ⇌ ve₂C (G)+C (S)

2Sic ⇌ Sic2 (g)+Si (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

SIC tek kristallerinin PVT büyümesinin özellikleri:

1) İki gaz katı arayüzü vardır: biri gaz-SIC toz arayüzü, diğeri gaz kristal arayüzüdür.

2) gaz fazı iki tür maddeden oluşur: biri sisteme sokulan inert moleküllerdir; diğeri, ayrışması ve süblimasyonu ile üretilen gaz fazı bileşeni SIMCN'dir.Sic pudrası. Gaz fazı bileşenleri SIMCN birbirleriyle etkileşime girer ve kristalleştirme işleminin gereksinimlerini karşılayan kristalin gaz fazı bileşenlerinin bir kısmı SIC kristaline büyüyecektir.

3) Katı silikon karbür tozunda, sidterleme yoluyla gözenekli seramik cisimler oluşturan bazı parçacıklar, belirli bir parçacık boyutuna sahip taneler ve kristalleşme reaksiyonları yoluyla kristalografik morfoloji oluşturan bazı parçacıklar ve karbon-zengin parçacıklara ve karbik parçacıklara dönüştüren bazı parçacıklar arasında katı faz reaksiyonları meydana gelecektir.

4) Kristal büyüme işlemi sırasında iki faz değişikliği gerçekleşecektir: biri katı silikon karbür toz partiküllerinin, stokiyometrik olmayan ayrışma ve süblimasyon yoluyla gaz fazı bileşenlerine dönüştürülmesi, diğeri ise gaz fazı bileşenleri SIMCN'nin kristalleşme yoluyla kafes partiküllerine dönüştürülmesidir.

2 Ekipman Tasarımı 

      Şekil 2'de gösterildiği gibi, silikon karbür tek kristal büyüme fırını esas olarak şunları içerir: üst kapak düzeneği, oda montajı, ısıtma sistemi, pota dönme mekanizması, alt kapak kaldırma mekanizması ve elektrik kontrol sistemi.

2.1 Isıtma Sistemi 

     Şekil 3'te gösterildiği gibi, ısıtma sistemi indüksiyon ısıtmasını benimser ve bir indüksiyon bobininden oluşur,grafit potası, bir yalıtım tabakası (katı keçe, yumuşak keçe), vb. Orta frekans alternatif akım, grafit potasının dışını çevreleyen çok dönüş indüksiyon bobininden geçtiğinde, aynı frekanslı indüklenmiş bir manyetik alan, grafit potasında oluşturulacak ve indüklenmiş bir elektromotif kuvvet üretilecektir. Yüksek saflıklı grafit pota malzemesi iyi iletkenliğe sahip olduğundan, pota duvarında indüklenmiş bir akım üretilir ve girdap akımı oluşturur. Lorentz kuvvetinin etkisi altında, indüklenen akım sonunda potanın dış duvarında (yani cilt etkisi) birleşecek ve radyal yön boyunca yavaş yavaş zayıflayacaktır. Eddy akımlarının varlığı nedeniyle, potanın dış duvarında joule ısı üretilir ve büyüme sisteminin ısıtma kaynağı haline gelir. Joule ısısının boyutu ve dağılımı, potadaki sıcaklık alanını doğrudan belirler, bu da kristalin büyümesini etkiler.

     Şekil 4'te gösterildiği gibi, indüksiyon bobini ısıtma sisteminin önemli bir parçasıdır. İki set bağımsız bobin yapısı benimser ve sırasıyla üst ve alt hassas hareket mekanizmaları ile donatılmıştır. Tüm ısıtma sisteminin elektrikli ısı kaybının çoğu bobin tarafından karşılanır ve zorla soğutma yapılmalıdır. Bobin bir bakır tüp ile sarılır ve içeride su ile soğutulur. İndüklenen akımın frekans aralığı 8 ~ 12 kHz'dir. İndüksiyon ısıtmasının frekansı, grafit potadaki elektromanyetik alanın penetrasyon derinliğini belirler. Bobin hareket mekanizması motorlu bir vida çifti mekanizması kullanır. İndüksiyon bobini, tozun yüceltilmesini sağlamak için iç grafit potasını ısıtmak için indüksiyon güç kaynağı ile işbirliği yapar. Aynı zamanda, iki bobin setinin gücü ve nispi konumu, tohum kristalindeki sıcaklığı alt mikro powder'dakinden daha düşük hale getirmek için kontrol edilir, tohum kristali ve pudra arasında bir eksenel sıcaklık gradyanı oluşturur ve silicon karbid kristalinde makul bir radyal sıcaklık gradyanı oluşturur.

2.2 Yürütme Rotasyon Mekanizması 

      Büyük boyutlu büyümesi sırasındasilikon karbür tek kristaller, boşluğun vakum ortamındaki pota işlem gereksinimlerine göre dönmeye devam eder ve gradyan termal alanı ve boşluktaki düşük basınçlı durumun sabit tutulması gerekir. Şekil 5'te gösterildiği gibi, potanın kararlı bir şekilde dönmesini sağlamak için motorlu bir dişli çifti kullanılır. Dönen şaftın dinamik sızdırmazlığını elde etmek için manyetik bir sıvı sızdırmazlık yapısı kullanılır. Manyetik sıvı contası, mıknatıs, manyetik kutup ayakkabı ve manyetik manşon arasında oluşan dönen bir manyetik alan devresi kullanır, kutup ayakkabı ucu ve manşet arasındaki manyetik sıvıyı, O-ring benzeri bir sıvı halkası oluşturmak için sıkıca adsorbbin eder, sızdırmazlık amacına ulaşmak için boşluğu tamamen bloke eder. Dönme hareketi atmosferden vakum odasına iletildiğinde, sıvı O-ring dinamik sızdırmazlık cihazı, katı sızdırmazlıkta kolay aşınma ve düşük yaşamın dezavantajlarının üstesinden gelmek için kullanılır ve sıvı manyetik sıvı, tüm kapalı alanı doldurabilir, böylece havanın iki işleminde iki akak elde edebilen ve durduran tüm kanalları bloke edebilir ve durdurulabilir. Manyetik sıvı ve pota desteği, manyetik sıvı ve pota desteğinin yüksek sıcaklık uygulanabilirliğini sağlamak ve termal alan durumunun stabilitesini elde etmek için bir su soğutma yapısı benimser.

2.3 Alt kapak kaldırma mekanizması

     Alt kapak kaldırma mekanizması bir tahrik motoru, bir bilyalı vida, doğrusal bir kılavuz, bir kaldırma braketi, bir fırın örtüsü ve bir fırın örtüsü braketinden oluşur. Motor, alt kapağın yukarı ve aşağı hareketini gerçekleştirmek için vida kılavuzu çiftine bağlı fırın kapağı braketini bir redüktörden iter.

     Alt kapak kaldırma mekanizması, büyük boyutlu hükmelerin yerleştirilmesini ve çıkarılmasını kolaylaştırır ve daha da önemlisi, alt fırın örtüsünün sızdırmazlık güvenilirliğini sağlar. Tüm işlem boyunca, oda vakum, yüksek basınç ve düşük basınç gibi basınç değişikliği aşamalarına sahiptir. Alt kapağın sıkıştırma ve sızdırmazlık durumu, süreç güvenilirliğini doğrudan etkiler. Conta yüksek sıcaklık altında başarısız olduktan sonra, tüm işlem hurdaya çıkarılacaktır. Motor servo kontrolü ve sınır cihazı aracılığıyla, Şekil 6'da gösterildiği gibi, işlem basıncının stabilitesini sağlamak için fırın odası sızdırmazlık halkasının en iyi sıkıştırma ve sızdırmazlık durumunu elde etmek için alt kapak düzeneğinin ve odanın sıkışı kontrol edilir.

2.4 Elektrik Kontrol Sistemi 

      Silikon karbür kristallerinin büyümesi sırasında, elektrik kontrol sisteminin, esas olarak bobin konumu yüksekliği, pota dönme hızı, ısıtma gücü ve sıcaklığı, farklı özel gaz alım akışı ve orantılı valfin açılması dahil olmak üzere farklı işlem parametrelerini doğru bir şekilde kontrol etmesi gerekir.

      Şekil 7'de gösterildiği gibi, kontrol sistemi, bobin ve pota hareket kontrolünü gerçekleştirmek için veriyol üzerinden servo sürücüsüne bağlanan bir sunucu olarak programlanabilir bir denetleyici kullanır; Sıcaklık, basınç ve özel proses gaz akışının gerçek zamanlı kontrolünü gerçekleştirmek için standart MOBUSRTU aracılığıyla sıcaklık kontrolörüne ve akış kontrolörüne bağlanır. Ethernet aracılığıyla yapılandırma yazılımı ile iletişim kurar, sistem bilgilerini gerçek zamanlı olarak değiştirir ve ana bilgisayarda çeşitli işlem parametresi bilgilerini görüntüler. Operatörler, proses personeli ve yöneticileri, insan-makine arayüzü aracılığıyla kontrol sistemi ile bilgi alışverişinde bulunur.

     Kontrol sistemi tüm alan verileri toplama, tüm aktüatörlerin çalışma durumunun analizini ve mekanizmalar arasındaki mantıksal ilişkiyi gerçekleştirir. Programlanabilir kontrolör ana bilgisayarın talimatlarını alır ve sistemin her aktüatörünün kontrolünü tamamlar. Otomatik İşlem menüsünün yürütme ve güvenlik stratejisi, programlanabilir denetleyici tarafından yürütülür. Programlanabilir kontrolörün stabilitesi, işlem menüsü işleminin kararlılığını ve güvenlik güvenilirliğini sağlar.

     Üst yapılandırma, programlanabilir denetleyiciyle veri alışverişini gerçek zamanlı olarak tutar ve alan verilerini görüntüler. Isıtma kontrolü, basınç kontrolü, gaz devresi kontrolü ve motor kontrolü gibi çalışma arayüzleri ile donatılmıştır ve çeşitli parametrelerin ayar değerleri arayüzde değiştirilebilir. Alarm parametrelerinin gerçek zamanlı olarak izlenmesi, ekran alarm görüntüsünü sağlayan, alarm oluşumu ve kurtarmanın zamanını ve ayrıntılı verilerini kaydetmek. Tüm işlem verilerinin gerçek zamanlı kaydı, ekran işlem içeriği ve çalışma süresi. Çeşitli işlem parametrelerinin füzyon kontrolü, programlanabilir kontrolör içindeki temel kod aracılığıyla gerçekleştirilir ve maksimum 100 adım işlem gerçekleştirilebilir. Her adım, işlem süresi, hedef güç, hedef basınç, argon akışı, azot akışı, hidrojen akışı, pota konumu ve pota oranı gibi bir düzineden fazla işlem parametresi içerir.

3 Termal Alan Simülasyon Analizi

    Termal alan simülasyon analizi modeli kurulmuştur. Şekil 8, pota büyüme odasındaki sıcaklık bulut haritasıdır. 4H-inç tek kristalin büyüme sıcaklığı aralığını sağlamak için, tohum kristalinin orta sıcaklığı 2200 ℃ ve kenar sıcaklığı 2205.4 ℃ olarak hesaplanır. Şu anda, pota üstünün merkez sıcaklığı 2167.5 ℃'dir ve toz alanının (yan aşağı) en yüksek sıcaklığı 2274.4 ℃'dir ve eksenel sıcaklık gradyanı oluşturur.

       Kristalin radyal gradyan dağılımı Şekil 9'da gösterilmektedir. Tohum kristal yüzeyinin düşük lateral sıcaklık gradyanı kristal büyüme şeklini etkili bir şekilde iyileştirebilir. Mevcut hesaplanan başlangıç ​​sıcaklığı farkı 5.4 ℃'dir ve genel şekil neredeyse düz ve hafif dışbükeydir, bu da tohum kristal yüzeyinin radyal sıcaklık kontrol doğruluğunu ve tekdüzelik gereksinimlerini karşılayabilir.

       Hammadde yüzeyi ile tohum kristal yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı eğrisi Şekil 10'da gösterilmiştir. Malzeme yüzeyinin merkez sıcaklığı 2210 ℃'dir ve malzeme yüzeyi ile makul bir aralıkta olan tohum kristal yüzeyi arasında 1 ℃/cm'lik bir uzunlamasına sıcaklık gradyanı oluşur.

      Tahmini büyüme oranı Şekil 11'de gösterilmektedir. Çok hızlı büyüme oranı, polimorfizm ve çıkık gibi kusurların olasılığını artırabilir. Mevcut tahmini büyüme oranı, makul bir aralıkta olan 0.1 mm/s'ye yakındır.

     Termal alan simülasyon analizi ve hesaplaması yoluyla, tohum kristalinin merkez sıcaklığı ve kenar sıcaklığının 8 inçlik kristalin radyal sıcaklık gradyanını karşıladığı bulunmuştur. Aynı zamanda, potanın üst ve alt kısmı, kristalin uzunluğu ve kalınlığı için uygun bir eksenel sıcaklık gradyanı oluşturur. Büyüme sisteminin mevcut ısıtma yöntemi, 8 inçlik tek kristallerin büyümesini karşılayabilir.

4 Deneysel Test

     Bunu kullanmakSilikon karbür tek kristal büyüme fırını, Termal alan simülasyonunun sıcaklık gradyanına dayanarak, pota üst sıcaklığı, boşluk basıncı, pota dönme hızı ve üst ve alt bobinlerin göreceli pozisyonu, bir silikon karbür kristal büyüme testi yapıldı ve Şekil 12'de gösterildiği gibi 8 inç silikon karbür kristal elde edildi.

5 Sonuç

     Gradyan termal alanı, pota hareket mekanizması ve işlem parametrelerinin otomatik kontrolü gibi 8 inçlik silikon karbür tek kristallerinin büyümesi için temel teknolojiler incelenmiştir. Yoğun büyüme odasındaki termal alan simüle edildi ve ideal sıcaklık gradyanını elde etmek için analiz edildi. Testten sonra, çift bobin indüksiyon ısıtma yöntemi, büyük boyutlu büyümeyi karşılayabilirsilikon karbür kristalleri. Bu teknolojinin araştırılması ve geliştirilmesi, 8 inç karbür kristalleri elde etmek için ekipman teknolojisi sağlar ve silikon karbür sanayileşmesinin 6 inçten 8 inç'e geçmesi için ekipman temeli sağlar, silikon karbür malzemelerinin büyüme verimliliğini artırır ve maliyetleri azaltır.