Oparta na 8-calowych krzemowych węglikach z pojedynczym kryształowym piecem

       Krzemowy węglik jest jednym z idealnych materiałów do wytwarzania urządzeń o wysokiej temperaturze, wysokiej częstotliwości, wysokiej mocy i wysokiego napięcia. W celu poprawy wydajności produkcji i zmniejszenia kosztów, przygotowanie dużych substratów z węglików krzemowych jest ważnym kierunkiem rozwoju. Dążenie do wymagań procesu8-calowy wzrost węgla krzemu (SIC) pojedynczy kryształ, analizowano mechanizm wzrostu silikonowej metody transportu pary fizycznej (PVT), układ grzewczy (Pierścień prowadzący TAC, tygle powlekane TAC, tygle, tygle,Pierścienie pokryte TAC, Płyta pokryta TAC, TAC powlekany TAC TRZEGO PIERŚCIEŃ TRZY PETAL, TRZECI PETAL CLEY, TAC POWATERA, PORIOPOWY GRAFITE, MYLKO FILL, Sztywne Filtrowe Zakres Krystaliczne i inneSIC Pojedyncze kryształowy proces wzrostu części zamiennychsą dostarczane przez półprzewodnik VETEK), obrót tytka i kontrolę parametrów procesowych badano technologię pieca wzrostu z węglika krzemu, a 8-calowe kryształy z powodzeniem przygotowano i hodowano poprzez analizę symulacji pola termicznego i eksperymenty procesowe.

Wstęp

      Krzem krzemowy (SIC) jest typowym przedstawicielem materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji. Ma zalety wydajności, takie jak większa szerokość bandgap, wyższe pola elektryczne i wyższa przewodność cieplna. Dobrze działa w polach wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia i wysokiej częstotliwości i stał się jednym z głównych kierunków rozwoju w dziedzinie technologii materiału półprzewodnikowego.  Obecnie wzrost przemysłowy kryształów węgla krzemu wykorzystuje głównie fizyczny transport pary (PVT), który obejmuje złożone wieloszyczne problemy z sprzężeniem pola wielofazowego, wieloskładnikowego, wielokrotnego przenoszenia ciepła i masy oraz interakcji przepływu ciepła magneto-elektrycznego. Dlatego projektowanie systemu wzrostu PVT jest trudne, a pomiar i kontrola parametrów procesu podczasProces wzrostu kryształówjest trudne, co powoduje trudność w kontrolowaniu wysokiej jakości wad kryształów węgla krzemu i małego kryształu, tak że koszt urządzeń z węglikiem krzemu, ponieważ podłoże pozostaje wysokie.

      Sprzęt do produkcji węglików krzemowych jest podstawą technologii węglików krzemowych i rozwoju przemysłowego. Poziom techniczny, zdolność procesu i niezależna gwarancja pojedynczego kryształu pieca wzrostu z węglików krzemionowych są kluczem do opracowania materiałów węglowodanów krzemowych w kierunku dużych wielkości i wysokiej wydajności, a także głównymi czynnikami napędzającymi przemysł półprzewodnikowy trzeciej generacji do rozwoju w kierunku niskiej kosztów i dużej skali. W urządzeniach półprzewodnikowych z pojedynczym kryształem węgla krzemu jako substrat wartość substratu stanowi największy odsetek, około 50%. Opracowanie wysokiej jakości wysokiej jakości sprzętu do wzrostu kryształów krzemowych, poprawiając wydajność i szybkość wzrostu węgliku krzemowego pojedynczego kryształu oraz zmniejszenie kosztów produkcji ma kluczowe znaczenie dla zastosowania powiązanych urządzeń. W celu zwiększenia podaży zdolności produkcyjnych i dalszego zmniejszenia średniego kosztu urządzeń z węglika krzemu, rozszerzenie wielkości substratów z węglików krzemionowych jest jednym z ważnych sposobów. Obecnie międzynarodowy rozmiar węgla węglika z głównego nurtu wynosi 6 cali i szybko się rozwija do 8 cali.

       Główne technologie, które należy rozwiązać w opracowywaniu 8-calowych węglików krzemowych pojedynczych kryształowych pieców wzrostu, obejmują: (1) projekt struktury pola termicznego o dużej wielkości w celu uzyskania mniejszego gradientu temperatury promieniowej i większego gradientu temperatury podłużnej odpowiedniego do wzrostu 8-calowego silikonowego kryształów karbidowych. (2) Mechanizm obrotu tytka i mechanizmu podnoszenia cewki i zmniejszania cewki, tak że tygiel obraca się podczas procesu wzrostu kryształów i porusza się w stosunku do cewki zgodnie z wymaganiami procesu w celu zapewnienia spójności 8-calowego kryształu oraz ułatwianie wzrostu i grubości. (3) Automatyczna kontrola parametrów procesu w warunkach dynamicznych, które spełniają potrzeby wysokiej jakości procesu wzrostu pojedynczego kryształu.

1 mechanizm wzrostu kryształów PVT

       Metodą PVT jest przygotowanie pojedynczych kryształów z węglika krzemu poprzez umieszczenie źródła SIC na dole cylindrycznego gęstego tygla grafitowego, a kryształ nasion SIC umieszcza się w pobliżu pokrywy tyczelnej. Tygla jest ogrzewana do 2 300 ~ 2 400 ℃ przez indukcję częstotliwości radiowej lub rezystancję i jest izolowany od filcu grafitu lubporowaty grafit. Głównymi substancjami transportowanymi ze źródła SIC do kryształu nasion są cząsteczki SI, SI2C i SIC2. Temperatura na krysztale nasion jest kontrolowana, aby była nieco niższa niż w dolnym mikro-przepopie, a w tyglu powstaje gradient temperatury osiowej. Jak pokazano na rycinie 1, mikroczarka z węglika krzemu sublimaty w wysokiej temperaturze w celu utworzenia gazów reakcyjnych różnych składników fazy gazowej, które docierają do kryształu nasion o niższej temperaturze pod napędem gradientu temperatury i krystalizują na nim, tworząc cylindryczny krzemowa kartaż.

Główne reakcje chemiczne wzrostu PVT to:

Sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2Sic ⇌ i₂C (g)+c (s)

2Sic ⇌ sic2 (g)+si (l, g)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Charakterystyka wzrostu PVT pojedynczych kryształów SIC to:

1) Istnieją dwa interfejsy gazowe: jeden to interfejs proszkowy gazowy, a drugi to interfejs gazowy.

2) Faza gazowa składa się z dwóch rodzajów substancji: jedna to obojętne cząsteczki wprowadzone do systemu; Drugi to składnik fazy gazowej Simcn wytwarzany przez rozkład i sublimacjęSic proszek. Składniki fazy gazowej Simcn oddziałują ze sobą, a część tak zwanych składników fazy gazowej krystalicznej, które spełniają wymagania procesu krystalizacji, wzrośnie w kryształ SIC.

3) W stałym krzemowym proszku węgla węglika wystąpią reakcje w fazie stałej między cząsteczkami, które nie zostały sublimowane, w tym niektóre cząsteczki tworzące porowate ciała ceramiczne poprzez spiekanie, niektóre cząsteczki tworzące ziaren z pewną wielkości cząstek i morfologii krystalograficznej poprzez reakcje krystalizacyjne, a niektóre silikonowe cząsteczki przekształcające się w cząsteczki węglowe.

4) Podczas procesu wzrostu kryształów wystąpią dwie zmiany fazowe: Jedna z nich jest to, że cząstki proszku stałego krzemowego karencji są przekształcane w komponenty fazy gazowej SIMCN poprzez nieposłuszeniowe rozkład i sublimację, a drugą jest to, że komponenty fazy gazowej Simcn są przekształcane w cząsteczki sieci przez krystalizację.

2 Projektowanie sprzętu 

      Jak pokazano na ryc. 2, piec z pojedynczym kryształem węgliku krzemu obejmuje głównie: Zespół górnego pokrywy, zespół komory, układ grzewczy, mechanizm obrotu tygla, mechanizm podnoszenia dolnej pokrywy i układ kontroli elektrycznej.

2.1 System grzewczy 

     Jak pokazano na rycinie 3, system grzewczy przyjmuje ogrzewanie indukcyjne i składa się z cewki indukcyjnej, atygla grafitowa, warstwa izolacyjna (Sztywne filc, Miękki filc), itp. Gdy prąd przemienny o średniej częstotliwości przechodzi przez cewkę indukcyjną wielu obrotów otaczających zewnętrzną tygle grafitowe, indukowane pole magnetyczne o tej samej częstotliwości powstanie w tyglu grafitowym, generując indukowaną siłę elektromotoryczną. Ponieważ grafitowy materiał tygla o wysokiej czystości ma dobrą przewodność, na ścianie tytki generowany jest prąd indukowany, tworząc prąd wirowy. Zgodnie z działaniem siły Lorentza prąd indukowany ostatecznie zbiega się na zewnętrznej ścianie tygla (tj. Efektu skóry) i stopniowo osłabia wzdłuż kierunku promieniowego. Ze względu na istnienie prądów wirowych generowane jest ciepło dżouliczne na zewnętrznej ścianie tygla, stając się źródłem ogrzewania systemu wzrostu. Rozmiar i rozkład ciepła Joule bezpośrednio określa pole temperatury w tyglu, co z kolei wpływa na wzrost kryształu.

     Jak pokazano na rycinie 4, cewka indukcyjna jest kluczową częścią układu grzewczego. Przyjmuje dwa zestawy niezależnych struktur cewek i jest wyposażone odpowiednio w górne i dolne mechanizmy ruchu precyzyjnego. Większość elektrycznej utraty ciepła całego systemu grzewczego jest ponoszona przez cewkę i należy wykonać przymusowe chłodzenie. Cewka jest ranowana miedzianą rurką i ochładza się wodą w środku. Zakres częstotliwości indukowanego prądu wynosi 8 ~ 12 kHz. Częstotliwość ogrzewania indukcyjnego określa głębokość penetracji pola elektromagnetycznego w tyglu grafitowym. Mechanizm ruchu cewki wykorzystuje mechanizm pary śrub napędzanych silnikiem. Cewka indukcyjna współpracuje z zasilaczem indukcyjnym w celu podgrzewania wewnętrznego tygla grafitu, aby osiągnąć sublimację proszku. Jednocześnie kontrolowane są moc i względna położenie dwóch zestawów cewek, aby utrzymać temperaturę w krysztale nasion niższą niż w dolnej mikro -czopera, tworząc osiowy gradient temperatury między kryształem nasion a proszkiem w tygle tygla, i tworząc rozsądny gradient temperatury promieniowej na krysztale węglowodanów krzemionowych.

2.2 Mechanizm obrotu tygla 

      Podczas wzrostu dużychpojedyncze kryształy z węglikiem krzemu, tygla w środowisku próżniowym wnęki obracają się zgodnie z wymaganiami procesu, a gradientowe pole termiczne i stan niskiego ciśnienia w jamie muszą być stabilne. Jak pokazano na rycinie 5, do osiągnięcia stabilnego obrotu tygla jest używana para przekładni silnikowych. Do osiągnięcia dynamicznego uszczelnienia wału obracającego się wału magnetycznego stosuje się. Uszczelnienie płynu magnetycznego wykorzystuje obracający się obwód pola magnetycznego utworzony między magnesem, buty z bieguna magnetycznego i rękaw magnetyczną, aby mocno adsorbować ciecz magnetyczną między końcówką butów i rękawem, aby utworzyć pierścień płynowy podobny do O-ring, całkowicie blokujący szczelinę, aby osiągnąć cel uszczelnienia. Gdy ruch obrotowy jest przenoszony z atmosfery do komory próżniowej, ciekłe urządzenie dynamiczne O-ring służy do przezwyciężenia wad łatwego zużycia i niskiej żywotności w uszczelnianiu stałym, a płyn ciekłego magnetycznego może wypełniać całą zamkniętą przestrzeń, blokując wszystkie kanały, które mogą wyciekać powietrze, oraz osiągając wyciek zero w dwóch procesach ruchu kruchy i zatrzymać się. Wsparcie płynu magnetycznego i tygla przyjmują strukturę chłodzącą wodę, aby zapewnić zastosowanie wysokiej temperatury wsparcia płynu magnetycznego i tygla oraz osiągnąć stabilność stanu pola termicznego.

2.3 Lower cover lifting mechanism

     Niższy mechanizm podnoszenia pokrycia składa się z silnika napędowego, śruby kulowej, liniowego przewodnika, wspornika podnoszenia, pokrywy pieca i wspornika pokrywki pieca. Silnik napędza wspornik pokrywy pieca podłączony do pary popierania śrubowego przez reduktor, aby zrealizować ruch w górę i w dół dolnej pokrywy.

     Niższy mechanizm podnoszenia pokrycia ułatwia umieszczenie i usuwanie dużych krzyżowców, a co ważniejsze, zapewnia niezawodność uszczelniania dolnego pokrywki pieca. Podczas całego procesu komora ma etapy zmiany ciśnienia, takie jak próżnia, wysokie ciśnienie i niskie ciśnienie. Stan kompresji i uszczelnienia dolnego pokrycia bezpośrednio wpływa na niezawodność procesu. Gdy uszczelka zawiedzie w wysokiej temperaturze, cały proces zostanie złomowany. Dzięki urządzeniu sterującym i ograniczaniem silnika szczelność dolnego zespołu pokrycia i komora jest kontrolowana w celu osiągnięcia najlepszego stanu kompresji i uszczelnienia pierścienia uszczelnienia komory pieca, aby zapewnić stabilność ciśnienia procesu, jak pokazano na rycinie 6.

2.4 System sterowania elektrycznego 

      Podczas wzrostu kryształów węgla krzemu, system kontroli elektrycznej musi dokładnie kontrolować różne parametry procesu, w tym głównie wysokość pozycji cewki, szybkość obrotu tygla, moc ogrzewania i temperaturę, inny specjalny przepływ spożycia gazu oraz otwarcie zaworu proporcjonalnego.

      Jak pokazano na rysunku 7, system sterowania wykorzystuje programowalny kontroler jako serwer, który jest podłączony do sterownika serwomechanizmu za pośrednictwem magistrali, aby zrealizować kontrolę ruchu cewki i tygla; Jest podłączony do kontrolera temperatury i kontrolera przepływu przez standardowy Mobusrtu, aby zrealizować kontrolę temperatury, ciśnienia i specjalnego przepływu gazu procesowego. Ustanawia komunikację z oprogramowaniem konfiguracyjnym za pośrednictwem Ethernet, wymienia informacje systemowe w czasie rzeczywistym i wyświetla różne informacje o parametrach procesu na komputerze hosta. Operatorzy, personel przetwarzający i menedżerowie wymieniają informacje z systemem sterowania za pośrednictwem interfejsu ludzkiego-maszyny.

     System sterowania wykonuje wszystkie gromadzenie danych pola, analizę statusu operacyjnego wszystkich siłowników i logiczny związek między mechanizmami. Programowalny kontroler otrzymuje instrukcje komputera hosta i uzupełnia kontrolę każdego siłownika systemu. Strategia wykonywania i bezpieczeństwa menu automatycznego procesu jest wykonywana przez programowalny kontroler. Stabilność programowalnego kontrolera zapewnia stabilność i niezawodność bezpieczeństwa działania menu procesu.

     The upper configuration maintains data exchange with the programmable controller in real time and displays field data. Jest wyposażony w interfejsy operacyjne, takie jak kontrola ogrzewania, kontrola ciśnienia, kontrola obwodu gazowego i kontrola silnika, a wartości ustawienia różnych parametrów można modyfikować na interfejsie. Real-time monitoring of alarm parameters, providing screen alarm display, recording the time and detailed data of alarm occurrence and recovery. Real-time recording of all process data, screen operation content and operation time. Kontrola fuzji różnych parametrów procesu jest realizowana przez kod podstawowy wewnątrz programowalnego kontrolera i można zrealizować maksymalnie 100 kroków procesu. Każdy krok obejmuje kilkanaście parametrów procesu, takich jak czas pracy procesu, moc docelowa, ciśnienie docelowe, przepływ argonowy, przepływ azotu, przepływ wodoru, pozycja tygla i szybkość tygla.

3 Analiza symulacji pola termicznego

    Ustalono model analizy symulacji pola termicznego. Rycina 8 to mapa chmur temperatury w komorze wzrostu tygla. Aby zapewnić zakres temperatury wzrostu 4H-SIC pojedynczy kryształ, centralna temperatura kryształu nasion jest obliczana na 2200 ℃, a temperatura krawędzi wynosi 2205,4 ℃. W tym czasie centralna temperatura górnej części tygla wynosi 2167,5 ℃, a najwyższa temperatura powierzchni proszku (z boku) wynosi 2274,4 ℃, tworząc gradient temperatury osiowej.

       Rozkład gradientu promieniowego kryształu pokazano na rycinie 9. Dolny gradient temperatury bocznej powierzchni kryształu nasion może skutecznie poprawić kształt wzrostu kryształu. Obecna obliczona początkowa różnica temperatur wynosi 5,4 ℃, a ogólny kształt jest prawie płaski i nieznacznie wypukły, co może spełniać dokładność kontroli temperatury promieniowej i wymagania dotyczące jednolitości powierzchni kryształu nasion.

       Krzywa różnicy temperatury między powierzchnią surowca a powierzchnią kryształu nasion pokazano na rycinie 10. Środkowa temperatura powierzchni materiału wynosi 2210 ℃, a między powierzchnią materiału a powierzchnią kryształu nasion, która znajduje się w rozsądnym zakresie.

      Szacowana stopa wzrostu pokazano na rycinie 11. Zbyt szybka tempo wzrostu może zwiększyć prawdopodobieństwo wad, takich jak polimorfizm i zwichnięcie. Obecna szacowana stopa wzrostu jest blisko 0,1 mm/h, co jest w rozsądnym zakresie.

     Poprzez analizę i obliczenia symulacji pola termicznego stwierdzono, że środkowa temperatura i temperatura krawędzi kryształu nasion spełniają promieniowy gradient temperatury kryształu 8 cali. Jednocześnie górna i dolna tygle tworzą osiowy gradient temperatury odpowiedni dla długości i grubości kryształu. Obecna metoda ogrzewania systemu wzrostu może sprostać wzrostowi 8-calowych pojedynczych kryształów.

4 Test eksperymentalny

     Używając tegoKrzemowy piec z węglikiem silikonowym, w oparciu o gradient temperatury symulacji pola termicznego, dostosowując parametry, takie jak temperatura tygla, ciśnienie wnęki, prędkość obrotu tygla i względna pozycja górnych i dolnych cewek uzyskano, uzyskano test wzrostu kryształu węgla krzemu i uzyskano 8-calowy kryształ węgla silikonowego.

5 Wniosek

     Zbadano kluczowe technologie wzrostu 8-calowego krzemowego węgliku krzemowego, takich jak pole termiczne gradientu, mechanizm ruchu tygla i automatyczna kontrola parametrów procesu. Pole termiczne w komorze wzrostu tygla było symulowane i przeanalizowano w celu uzyskania idealnego gradientu temperatury. Po przetestowaniu metoda ogrzewania indukcyjnego podwójnego cewki może sprostać wzrostowi dużychKryształy z węglików krzemowych. Badania i rozwój tej technologii zapewniają technologię sprzętu do uzyskania 8-calowych kryształów węglika oraz zapewniają podwaliny podlegające przejściu industrializacji węgla krzemu z 6 cali do 8 cali, poprawiając wydajność wzrostu materiałów węglikowych silikonowych i zmniejszając koszty.