Batay sa 8-pulgada na silikon na karbida solong teknolohiya ng paglago ng kristal

       Ang Silicon Carbide ay isa sa mga perpektong materyales para sa paggawa ng mataas na temperatura, mataas na dalas, mataas na kapangyarihan at mga aparato na may mataas na boltahe. Upang mapagbuti ang kahusayan ng produksyon at mabawasan ang mga gastos, ang paghahanda ng malaking laki ng mga substrate na silikon na karbida ay isang mahalagang direksyon ng pag-unlad. Naglalayong sa mga kinakailangan sa proseso ng8-pulgada na silikon carbide (sic) solong paglago ng kristal, Ang mekanismo ng paglago ng pamamaraan ng Silicon Carbide Physical Vapor Transport (PVT) ay nasuri, ang sistema ng pag -init (TAC Guide Ring, TAC Coated Crucible,TAC na pinahiran na singsing.Sic solong kristal na proseso ng paglaki ng mga ekstrang bahagiay ibinigay ng Vetek semiconductor), ang pag-ikot ng pag-ikot at proseso ng control ng proseso ng teknolohiya ng silikon na karbida solong kristal na paglago ng kristal ay pinag-aralan, at ang 8-pulgada na mga kristal ay matagumpay na inihanda at lumago sa pamamagitan ng pagsusuri ng simulation ng thermal field at mga eksperimento sa proseso.

Panimula

      Ang Silicon Carbide (SIC) ay isang pangkaraniwang kinatawan ng mga third-generation semiconductor na materyales. Mayroon itong mga bentahe sa pagganap tulad ng mas malaking lapad ng bandgap, mas mataas na breakdown electric field, at mas mataas na thermal conductivity. Ito ay gumaganap nang maayos sa mataas na temperatura, mataas na presyon at mataas na dalas na patlang, at naging isa sa mga pangunahing direksyon ng pag -unlad sa larangan ng teknolohiyang materyal ng semiconductor.  Sa kasalukuyan, ang pang-industriya na paglago ng silikon na mga kristal na karbida ay pangunahing gumagamit ng pisikal na transportasyon ng singaw (PVT), na nagsasangkot ng mga kumplikadong mga problema sa pagsasama ng multi-physical field ng multi-phase, multi-component, maraming init at paglipat ng masa at pag-ugnay ng daloy ng pag-agos ng pag-akit. Samakatuwid, ang disenyo ng sistema ng paglago ng PVT ay mahirap, at ang pagsukat at kontrol ng parameter ng proseso sa panahon ngproseso ng paglago ng kristalay mahirap, na nagreresulta sa kahirapan sa pagkontrol sa mga kalidad na mga depekto ng lumalaking silikon na karbida ng mga kristal at ang maliit na laki ng kristal, upang ang gastos ng mga aparato na may silikon na karbida habang ang substrate ay nananatiling mataas.

      Ang kagamitan sa pagmamanupaktura ng carbide ng silikon ay ang pundasyon ng teknolohiya ng silikon na karbida at pag -unlad ng industriya. Ang antas ng teknikal, kakayahan sa proseso at independiyenteng garantiya ng silikon na karbida na solong kristal na paglaki ng kristal ay ang susi sa pag-unlad ng mga materyales na silikon na karbida sa direksyon ng malaking sukat at mataas na ani, at din ang pangunahing mga kadahilanan na nagmamaneho sa industriya ng semiconductor ng ikatlong henerasyon upang mabuo sa direksyon ng mababang gastos at malaking sukat. Sa mga aparato ng semiconductor na may silikon na karbida na solong kristal bilang substrate, ang halaga ng mga account sa substrate para sa pinakamalaking proporsyon, tungkol sa 50%. Ang pag-unlad ng malaking sukat na mataas na kalidad na kagamitan sa paglago ng kristal na karbida, pagpapabuti ng ani at rate ng paglago ng silikon na karbida na solong kristal na mga substrate, at ang pagbabawas ng mga gastos sa produksyon ay may pangunahing kabuluhan 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 aparato ng silikon na karbida, ang pagpapalawak ng laki ng mga substrate ng silikon na karbida ay isa sa mga mahahalagang paraan. Sa kasalukuyan, ang international mainstream silikon na karbida na laki ng substrate ay 6 pulgada, at mabilis itong sumulong sa 8 pulgada.

       Ang mga pangunahing teknolohiya na kailangang malutas sa pag-unlad ng 8-pulgada na silikon na karbida na solong kristal na paglaki ng mga hurno ay kinabibilangan ng: (1) Ang disenyo ng malaking sukat na istraktura ng thermal field upang makakuha ng isang mas maliit na gradient ng temperatura ng radial at isang mas malaking paayon na temperatura ng gradient na angkop para sa paglaki ng 8-pulgada na silikon na mga kristal. . (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 kristal.

1 mekanismo ng paglago ng kristal ng PVT

       Ang pamamaraan ng PVT ay upang maghanda ng silikon na carbide solong mga kristal sa pamamagitan ng paglalagay ng pinagmulan ng SIC sa ilalim ng isang cylindrical siksik na grapayt na crucible, at ang kristal ng sic seed ay inilalagay malapit sa takip na takip. Ang crucible ay pinainit sa 2 300 ~ 2 400 ℃ sa pamamagitan ng radio frequency induction o paglaban, at insulated ng graphite nadama oporous grapayt. Ang mga pangunahing sangkap na dinala mula sa pinagmulan ng SIC hanggang sa kristal ng binhi ay ang mga molekula ng SI, SI2C at SIC2. Ang temperatura sa kristal ng binhi ay kinokontrol na bahagyang mas mababa kaysa sa mas mababang micro-powder, at ang isang axial temperatura gradient ay nabuo sa crucible. Tulad ng ipinapakita sa Figure 1, ang silikon na karbida micro-powder sublimates sa mataas na temperatura upang mabuo ang mga reaksyon ng gas ng iba't ibang mga sangkap ng gas phase, na umaabot sa buto ng kristal na may mas mababang temperatura sa ilalim ng drive ng temperatura gradient at mala-kristal dito upang makabuo ng isang cylindrical silikon na karbida ingot.

Ang pangunahing reaksyon ng kemikal ng paglago ng PVT ay:

Sic (s) ⇌ Si (g)+c (s)

2SIC ⇌ at₂C (g)+c (s)

2SIC ⇌ sic2 (g)+si (l, g)

Sic (s) ⇌ sic (g)

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

1) Mayroong dalawang mga interface ng gas-solid na mga interface: ang isa ay ang interface ng gas-sic powder, at ang iba pa ay ang interface ng gas-crystal.

2) Ang phase ng gas ay binubuo ng dalawang uri ng mga sangkap: ang isa ay ang mga molekulang molekula na ipinakilala sa system; Ang iba pa ay ang sangkap ng gas phase na SIMCN na ginawa ng agnas at pagbagsak ngSic powder. Ang mga sangkap ng gas phase SIMCN ay nakikipag-ugnay sa bawat isa, at isang bahagi ng tinatawag na crystalline gas phase na mga sangkap na SIMCN na nakakatugon sa mga kinakailangan ng proseso ng pagkikristal ay lalago sa SIC crystal.

3) Sa solidong silicon carbide powder, ang mga reaksyon ng solid-phase ay magaganap sa pagitan ng Sublimation.

4) Sa panahon ng proseso ng paglago ng kristal, ang dalawang pagbabago sa phase ay magaganap: ang isa ay ang solidong mga particle ng pulbos na silikon na karbida ay binago sa mga sangkap ng gas phase SIMCN sa pamamagitan ng hindi stoichiometric na agnas at pagbagsak, at ang iba pa ay ang mga sangkap ng gas phase SIMCN ay binago sa mga particle ng lattice sa pamamagitan ng crystallization.

2 disenyo ng kagamitan 

      Tulad ng ipinapakita sa Figure 2, ang silikon na karbida na solong kristal na paglaki ng kristal ay kasama ang: itaas na takip ng pagpupulong, pagpupulong ng silid, sistema ng pag -init, mekanismo ng pag -ikot ng crucible, mas mababang mekanismo ng pag -aangat ng takip, at sistema ng kontrol ng elektrikal.

2.1 System ng Pag -init 

     Tulad ng ipinapakita sa Figure 3, ang sistema ng pag -init ay nagpatibay ng pag -init ng induction at binubuo ng isang induction coil, aGraphite Crucible, isang layer ng pagkakabukod (Rigid nadama, Malambot na nadama). Dahil ang materyal na may mataas na grapayt na graphic na may mahusay na conductivity, ang isang sapilitan na kasalukuyang ay nabuo sa pader na crucible, na bumubuo ng isang eddy kasalukuyang. Sa ilalim ng pagkilos ng Lorentz Force, ang sapilitan na kasalukuyang ay kalaunan ay makakasama sa panlabas na pader ng crucible (i.e., ang epekto ng balat) at unti -unting humina sa direksyon ng radial. Dahil sa pagkakaroon ng mga eddy currents, ang Joule Heat ay nabuo sa panlabas na pader ng crucible, na nagiging mapagkukunan ng pag -init ng sistema ng paglago. Ang laki at pamamahagi ng init ng joule ay direktang matukoy ang patlang ng temperatura sa Crucible, na kung saan ay nakakaapekto sa paglaki ng kristal.

     Tulad ng ipinapakita sa Figure 4, ang induction coil ay isang pangunahing bahagi ng sistema ng pag -init. Pinagtibay nito ang dalawang hanay ng mga independiyenteng istruktura ng coil at nilagyan ng itaas at mas mababang mga mekanismo ng paggalaw ng katumpakan ayon sa pagkakabanggit. Karamihan sa mga electric heat loss ng buong sistema ng pag -init ay nadadala ng likid, at dapat gawin ang sapilitang paglamig. Ang coil ay sugat na may isang tanso na tubo at pinalamig ng tubig sa loob. Ang dalas na saklaw ng sapilitan kasalukuyang ay 8 ~ 12 kHz. Ang dalas ng pag -init ng induction ay tumutukoy sa lalim ng pagtagos ng larangan ng electromagnetic sa grapayt na crucible. Ang mekanismo ng paggalaw ng coil ay gumagamit ng mekanismo ng pares ng screw na hinihimok ng motor. Ang induction coil ay nakikipagtulungan sa induction power supply upang mapainit ang panloob na grapayt na crucible upang makamit ang sublimation ng pulbos. 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 isang axial temperatura gradient sa pagitan ng seed crystal at ang pulbos sa crucible, at bumubuo ng isang makatwirang temperatura ng gradient ng radial sa silicon carbide crystal.

2.2 mekanismo ng pag -ikot ng crucible 

      Sa panahon ng paglaki ng malalaking lakiSilicon carbide solong kristal. Tulad ng ipinapakita sa Figure 5, ang isang pares ng gear na hinihimok ng motor ay ginagamit upang makamit ang matatag na pag-ikot ng crucible. Ang isang magnetic fluid sealing istraktura ay ginagamit upang makamit ang mga dynamic na sealing ng umiikot na baras. Ang magnetic fluid seal ay gumagamit ng isang umiikot na magnetic field circuit na nabuo sa pagitan ng magnet, ang magnetic poste na sapatos at ang magnetic manggas upang mahigpit na i-adsorb ang magnetic likido sa pagitan ng tip ng sapatos ng poste at ang manggas upang makabuo ng isang o-tulad ng likido na singsing, ganap na hinaharangan ang agwat upang makamit ang layunin ng pagbubuklod. Kapag ang pag-ikot ng paggalaw ay ipinapadala mula sa kapaligiran hanggang sa silid ng vacuum, ang likidong aparato ng o-singsing na sealing ay ginagamit upang malampasan ang mga kawalan ng madaling suot at mababang buhay sa solidong pagbubuklod, at ang likidong magnetic fluid ay maaaring punan ang buong selyadong puwang, sa gayon hinaharangan ang lahat ng mga channel na maaaring tumagas ng hangin, at pagkamit ng zero na pagtagas sa dalawang proseso ng pag-iingat na paggalaw at paghinto. Ang magnetic fluid at crucible na suporta ay nagpatibay ng isang istraktura ng pag-cool ng tubig upang matiyak ang mataas na temperatura na kakayahang magamit ng magnetic fluid at crucible na suporta at makamit ang katatagan ng estado ng thermal field.

2.3 mas mababang mekanismo ng pag -aangat ng takip

     Ang mas mababang mekanismo ng pag -aangat ng takip ay binubuo ng isang motor ng drive, isang bola ng bola, isang gabay na gabay, isang nakakataas na bracket, isang takip ng pugon at isang takip ng takip ng hurno. Ang motor ay nagtutulak ng takip ng hurno na bracket na konektado sa pares ng gabay sa tornilyo sa pamamagitan ng isang reducer upang mapagtanto ang pataas at pababa na paggalaw ng mas mababang takip.

     Ang mas mababang mekanismo ng pag-aangat ng takip ay nagpapadali sa paglalagay at pag-alis ng mga malalaking laki ng mga crucibles, at mas mahalaga, tinitiyak ang pagiging maaasahan ng sealing ng takip ng mas mababang pugon. Sa buong proseso, ang silid ay may mga yugto ng pagbabago ng presyon tulad ng vacuum, mataas na presyon, at mababang presyon. Ang estado ng compression at sealing ng mas mababang takip ay direktang nakakaapekto sa pagiging maaasahan ng proseso. Kapag nabigo ang selyo sa ilalim ng mataas na temperatura, ang buong proseso ay mai -scrape. Sa pamamagitan ng Motor Servo Control at Limitahan ang aparato, ang higpit ng mas mababang takip ng takip at ang silid ay kinokontrol upang makamit ang pinakamahusay na estado ng compression at sealing ng singsing ng silid ng pugon upang matiyak ang katatagan ng presyon ng proseso, tulad ng ipinapakita sa Larawan 6.

2.4 Sistema ng Kontrol ng Elektriko 

      Sa panahon ng paglago ng mga kristal na silikon na karbida, ang sistema ng kontrol ng elektrikal ay kailangang tumpak na kontrolin ang iba't ibang mga parameter ng proseso, higit sa lahat kasama ang taas ng posisyon ng coil, rate ng pag -ikot ng crucible, lakas ng pag -init at temperatura, iba't ibang mga espesyal na daloy ng paggamit ng gas, at ang pagbubukas ng proporsyonal na balbula.

      Tulad ng ipinapakita sa Figure 7, ang control system ay gumagamit ng isang programmable controller bilang isang server, na konektado sa driver ng servo sa pamamagitan ng bus upang mapagtanto ang kontrol ng paggalaw ng coil at crucible; Ito ay konektado sa temperatura controller at daloy ng controller sa pamamagitan ng karaniwang mobusrtu upang mapagtanto ang real-time na kontrol ng temperatura, presyon at espesyal na daloy ng gasolina. Itinatag nito ang komunikasyon sa software ng pagsasaayos sa pamamagitan ng Ethernet, palitan ng impormasyon ng system sa real time, at nagpapakita ng iba't ibang impormasyon ng parameter ng proseso sa computer ng host. Ang mga operator, mga tauhan ng proseso at tagapamahala ay nagpapalitan ng impormasyon sa control system sa pamamagitan ng interface ng human-machine.

     Ang control system ay gumaganap ng lahat ng koleksyon ng data ng patlang, pagsusuri ng katayuan ng operating ng lahat ng mga actuators at ang lohikal na relasyon sa pagitan ng mga mekanismo. Ang programmable controller ay tumatanggap ng mga tagubilin ng computer ng host at nakumpleto ang kontrol ng bawat actuator ng system. Ang diskarte sa pagpapatupad at 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 operasyon ng menu ng proseso.

     Ang itaas na pagsasaayos ay nagpapanatili ng pagpapalitan ng data kasama ang programmable controller sa real time at nagpapakita ng data ng patlang. Nilagyan ito ng mga interface ng operasyon tulad ng control control, control control, control circuit control at kontrol ng motor, at ang mga setting ng mga halaga ng iba't ibang mga parameter ay maaaring mabago sa interface. Ang pagsubaybay sa real-time na mga parameter ng alarma, na nagbibigay ng display ng alarma sa screen, naitala ang oras at detalyadong data ng paglitaw ng alarma at pagbawi. Real-time na pag-record ng lahat ng data ng proseso, nilalaman ng operasyon ng screen at oras ng operasyon. Ang kontrol ng fusion ng iba't ibang mga parameter ng proseso ay natanto sa pamamagitan ng pinagbabatayan na code sa loob ng programmable controller, at ang isang maximum na 100 mga hakbang ng proseso ay maaaring maisakatuparan. Ang bawat hakbang ay nagsasama ng 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 sa crucible at rate ng crucible.

3 Thermal Field Simulation Analysis

    Ang modelo ng pagsusuri ng thermal field simulation ay itinatag. Ang Figure 8 ay ang mapa ng ulap ng temperatura sa silid ng paglaki ng crucible. Upang matiyak ang saklaw ng temperatura ng paglago ng 4H-SIC solong kristal, ang temperatura ng sentro ng kristal ng binhi ay kinakalkula na 2200 ℃, at ang temperatura ng gilid ay 2205.4 ℃. Sa oras na ito, ang temperatura ng sentro ng tuktok na tuktok ay 2167.5 ℃, at ang pinakamataas na temperatura ng lugar ng pulbos (gilid pababa) ay 2274.4 ℃, na bumubuo ng isang axial temperatura gradient.

       Ang radial gradient na pamamahagi ng kristal ay ipinapakita sa Larawan 9. Ang mas mababang pag -ilid ng temperatura ng gradient ng ibabaw ng kristal na ibabaw ay maaaring epektibong mapabuti ang hugis ng paglago ng kristal. Ang kasalukuyang kinakalkula na paunang pagkakaiba sa temperatura ay 5.4 ℃, at ang pangkalahatang hugis ay halos flat at bahagyang matambok, na maaaring matugunan ang katumpakan ng control ng temperatura ng radial at pagkakapareho ng mga kinakailangan ng binhi na kristal na ibabaw.

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

      Ang tinantyang rate ng paglago ay ipinapakita sa Larawan 11. Masyadong mabilis na rate ng paglago ay maaaring dagdagan ang 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 isang makatwirang saklaw.

     Sa pamamagitan ng thermal field simulation analysis at pagkalkula, natagpuan na ang temperatura ng sentro at temperatura ng gilid ng kristal ng binhi ay nakakatugon sa gradient ng radial temperatura ng kristal na 8 pulgada. Kasabay nito, ang tuktok at ilalim ng crucible ay bumubuo ng isang axial temperatura gradient 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 na eksperimentong pagsubok

     Gamit itoSilicon Carbide Single Crystal Growth Furnace, batay sa temperatura gradient ng thermal field simulation, sa pamamagitan ng pag-aayos ng mga parameter tulad ng crucible top temperatura, presyon ng lukab, bilis ng pag-ikot ng crucible, at ang kamag-anak na posisyon ng pagsubok sa itaas at mas mababang coil, isang silikon na karbida na kristal na pagsubok ay nakuha, at isang 8-pulgada na silikon na karbida na kristal ay nakuha (tulad ng ipinapakita sa Larawan 12).

5 Konklusyon

     Ang mga pangunahing teknolohiya para sa paglago ng 8-pulgada na silikon na karbida na solong kristal, tulad ng gradient thermal field, mekanismo ng paggalaw ng krus, at awtomatikong kontrol ng mga parameter ng proseso, ay pinag-aralan. Ang thermal field sa crucible growth chamber ay kunwa at nasuri upang makuha ang perpektong temperatura gradient. Pagkatapos ng pagsubok, ang paraan ng pag-init ng double-coil ay maaaring matugunan ang paglaki ng malalaking lakiSilicon carbide crystals. Ang pananaliksik at pag-unlad ng teknolohiyang ito ay nagbibigay ng teknolohiya ng kagamitan para sa pagkuha ng 8-pulgada na mga kristal na karbida, at nagbibigay ng pundasyon ng kagamitan para sa paglipat ng industriyalisasyong karbida ng silikon mula 6 pulgada hanggang 8 pulgada, pagpapabuti ng kahusayan ng paglago ng mga materyales na silikon na karbida at pagbabawas ng mga gastos.