Basado en la tecnología de horno de crecimiento monocristalino de carburo de silicio de 8 pulgadas

El carburo de silicio es uno de los materiales ideales para fabricar dispositivos de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y alto voltaje. Para mejorar la eficiencia de la producción y reducir los costos, la preparación de sustratos de carburo de silicio de gran tamaño es una dirección de desarrollo importante. Apuntando a los requisitos del proceso deCrecimiento monocristalino de carburo de silicio (SIC) de 8 pulgadas, se analizó el mecanismo de crecimiento del método de transporte físico de vapor (PVT) de carburo de silicio, el sistema de calentamiento (anillo guía de TaC, crisol recubierto de TaC,Anillos recubiertos de TaC, Placa recubierta de TaC, Anillo de tres pétalos recubierto de TaC, Crisol de tres pétalos recubierto de TaC, Soporte recubierto de TaC, Grafito poroso, Fieltro blando, Fieltro rígido Susceptor de crecimiento de cristal recubierto de SiC y otrosPiezas de repuesto para el proceso de crecimiento de cristal único de SiCson proporcionados por VeTek Semiconductor), se estudió la rotación del crisol y la tecnología de control de parámetros de proceso del horno de crecimiento monocristalino de carburo de silicio, y se prepararon y cultivaron con éxito cristales de 8 pulgadas mediante análisis de simulación de campo térmico y experimentos de proceso.

0 Introducción

El carburo de silicio (SiC) es un representante típico de los materiales semiconductores de tercera generación. Tiene ventajas de rendimiento como mayor ancho de banda prohibida, mayor campo eléctrico de ruptura y mayor conductividad térmica. Funciona bien en campos de alta temperatura, alta presión y alta frecuencia, y se ha convertido en una de las principales direcciones de desarrollo en el campo de la tecnología de materiales semiconductores. Tiene una amplia gama de necesidades de aplicación en vehículos de nueva energía, generación de energía fotovoltaica, transporte ferroviario, redes inteligentes, comunicaciones 5G, satélites, radares y otros campos. En la actualidad, el crecimiento industrial de los cristales de carburo de silicio utiliza principalmente el transporte físico de vapor (PVT), que implica complejos problemas de acoplamiento de campos multifísicos de transferencia de masa y calor multifase, multicomponente, múltiple e interacción de flujo de calor magnetoeléctrico. Por lo tanto, el diseño del sistema de crecimiento PVT es difícil y la medición y control de los parámetros del proceso durante el proceso.proceso de crecimiento de cristaleses difícil, lo que resulta en la dificultad para controlar los defectos de calidad de los cristales de carburo de silicio crecidos y el pequeño tamaño del cristal, de modo que el costo de los dispositivos con carburo de silicio como sustrato sigue siendo alto.

Los equipos de fabricación de carburo de silicio son la base de la tecnología y el desarrollo industrial del carburo de silicio. El nivel técnico, la capacidad de proceso y la garantía independiente del horno de crecimiento monocristalino de carburo de silicio son la clave para el desarrollo de materiales de carburo de silicio hacia un gran tamaño y alto rendimiento, y también son los principales factores que impulsan a la industria de semiconductores de tercera generación a desarrollarse hacia el bajo costo y la gran escala. En la actualidad, el desarrollo de dispositivos de carburo de silicio de alto voltaje, alta potencia y alta frecuencia ha logrado avances significativos, pero la eficiencia de producción y el costo de preparación de los dispositivos se convertirán en un factor importante que restringirá su desarrollo. En los dispositivos semiconductores con monocristal de carburo de silicio como sustrato, el valor del sustrato representa la mayor proporción, alrededor del 50%. El desarrollo de equipos de crecimiento de cristales de carburo de silicio de gran tamaño y alta calidad, la mejora del rendimiento y la tasa de crecimiento de los sustratos monocristalinos de carburo de silicio y la reducción de los costos de producción son de importancia clave para la aplicación de dispositivos relacionados. Para aumentar el suministro de capacidad de producción y reducir aún más el costo promedio de los dispositivos de carburo de silicio, una de las formas importantes es expandir el tamaño de los sustratos de carburo de silicio. En la actualidad, el tamaño del sustrato de carburo de silicio convencional a nivel internacional es de 6 pulgadas y ha avanzado rápidamente a 8 pulgadas.

Las principales tecnologías que deben resolverse en el desarrollo de hornos de crecimiento monocristalino de carburo de silicio de 8 pulgadas incluyen: 1) Diseño de una estructura de campo térmico de gran tamaño para obtener un gradiente de temperatura radial más pequeño y un gradiente de temperatura longitudinal más grande adecuado para el crecimiento. de cristales de carburo de silicio de 8 pulgadas. 2) Mecanismo de movimiento de elevación y descenso de la bobina y rotación del crisol de gran tamaño, de modo que el crisol gire durante el proceso de crecimiento del cristal y se mueva en relación con la bobina de acuerdo con los requisitos del proceso para garantizar la consistencia del cristal de 8 pulgadas y facilitar el crecimiento y el espesor. . 3) Control automático de los parámetros del proceso en condiciones dinámicas que satisfacen las necesidades del proceso de crecimiento de monocristales de alta calidad.

1 mecanismo de crecimiento de cristales PVT

El método PVT consiste en preparar monocristales de carburo de silicio colocando la fuente de SiC en el fondo de un crisol de grafito denso cilíndrico, y el cristal semilla de SiC se coloca cerca de la cubierta del crisol. El crisol se calienta a 2 300 ~ 2 400 ℃ mediante inducción o resistencia de radiofrecuencia y está aislado con fieltro de grafito ografito poroso. Las principales sustancias transportadas desde la fuente de SiC al cristal semilla son las moléculas de Si, Si2C y SiC2. La temperatura en el cristal semilla se controla para que sea ligeramente inferior a la del micropolvo inferior, y se forma un gradiente de temperatura axial en el crisol. Como se muestra en la Figura 1, el micropolvo de carburo de silicio se sublima a alta temperatura para formar gases de reacción de diferentes componentes en fase gaseosa, que alcanzan el cristal semilla con una temperatura más baja bajo el impulso del gradiente de temperatura y cristalizan en él para formar un cilindro. Lingote de carburo de silicio.

Las principales reacciones químicas del crecimiento de PVT son:

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)

Las características del crecimiento PVT de monocristales de SiC son:

1) Hay dos interfaces gas-sólido: una es la interfaz gas-polvo de SiC y la otra es la interfaz gas-cristal.

2) La fase gaseosa está compuesta por dos tipos de sustancias: una son las moléculas inertes introducidas en el sistema; el otro es el componente en fase gaseosa SimCn producido por la descomposición y sublimación depolvo de sic. Los componentes en fase gaseosa SimCn interactúan entre sí, y una parte de los llamados componentes cristalinos en fase gaseosa SimCn que cumplen con los requisitos del proceso de cristalización crecerán hasta convertirse en cristales de SiC.

3) En el polvo de carburo de silicio sólido, se producirán reacciones en fase sólida entre partículas que no se han sublimado, incluidas algunas partículas que forman cuerpos cerámicos porosos mediante sinterización, algunas partículas que forman granos con un cierto tamaño de partícula y morfología cristalográfica mediante reacciones de cristalización, y algunas partículas de carburo de silicio que se transforman en partículas ricas en carbono o partículas de carbono debido a descomposición y sublimación no estequiométrica.

4) Durante el proceso de crecimiento del cristal, se producirán dos cambios de fase: uno es que las partículas de polvo de carburo de silicio sólido se transforman en componentes en fase gaseosa SimCn mediante descomposición no estequiométrica y sublimación, y el otro es que los componentes en fase gaseosa SimCn se transforman. en partículas reticulares mediante cristalización.

2 Diseño del equipo Como se muestra en la Figura 2, el horno de crecimiento monocristalino de carburo de silicio incluye principalmente: conjunto de cubierta superior, conjunto de cámara, sistema de calentamiento, mecanismo de rotación del crisol, mecanismo de elevación de la cubierta inferior y sistema de control eléctrico.

2.1 Sistema de calefacción Como se muestra en la Figura 3, el sistema de calefacción adopta calentamiento por inducción y está compuesto por una bobina de inducción, uncrisol de grafito, una capa aislante (fieltro rígido, fieltro suave), etc. Cuando la corriente alterna de frecuencia media pasa a través de la bobina de inducción de múltiples vueltas que rodea el exterior del crisol de grafito, se formará un campo magnético inducido de la misma frecuencia en el crisol de grafito, generando una fuerza electromotriz inducida. Dado que el material del crisol de grafito de alta pureza tiene buena conductividad, se genera una corriente inducida en la pared del crisol, formando una corriente parásita. Bajo la acción de la fuerza de Lorentz, la corriente inducida eventualmente convergerá en la pared exterior del crisol (es decir, el efecto piel) y se debilitará gradualmente a lo largo de la dirección radial. Debido a la existencia de corrientes parásitas, el calor Joule se genera en la pared exterior del crisol, convirtiéndose en la fuente de calor del sistema de crecimiento. El tamaño y la distribución del calor Joule determinan directamente el campo de temperatura en el crisol, lo que a su vez afecta el crecimiento del cristal.

Como se muestra en la Figura 4, la bobina de inducción es una parte clave del sistema de calefacción. Adopta dos conjuntos de estructuras de bobina independientes y está equipado con mecanismos de movimiento de precisión superior e inferior respectivamente. La mayor parte de la pérdida de calor eléctrico de todo el sistema de calefacción la soporta el serpentín y se debe realizar un enfriamiento forzado. La bobina se enrolla con un tubo de cobre y se enfría con agua en el interior. El rango de frecuencia de la corriente inducida es de 8~12 kHz. La frecuencia del calentamiento por inducción determina la profundidad de penetración del campo electromagnético en el crisol de grafito. El mecanismo de movimiento de la bobina utiliza un mecanismo de par de tornillos impulsado por un motor. La bobina de inducción coopera con la fuente de alimentación de inducción para calentar el crisol de grafito interno para lograr la sublimación del polvo. Al mismo tiempo, la potencia y la posición relativa de los dos conjuntos de bobinas se controlan para hacer que la temperatura en el cristal semilla sea más baja que la del micropolvo inferior, formando un gradiente de temperatura axial entre el cristal semilla y el polvo en el crisol, y formando un gradiente de temperatura radial razonable en el cristal de carburo de silicio.

2.2 Mecanismo de rotación del crisol Durante el crecimiento de grandes tamañosmonocristales de carburo de silicio, el crisol en el ambiente de vacío de la cavidad se mantiene girando de acuerdo con los requisitos del proceso, y el campo térmico gradiente y el estado de baja presión en la cavidad deben mantenerse estables. Como se muestra en la Figura 5, se utiliza un par de engranajes impulsados ​​por motor para lograr una rotación estable del crisol. Se utiliza una estructura de sellado de fluido magnético para lograr el sellado dinámico del eje giratorio. El sello de fluido magnético utiliza un circuito de campo magnético giratorio formado entre el imán, la zapata polar magnética y el manguito magnético para adsorber firmemente el líquido magnético entre la punta de la zapata polar y el manguito para formar un anillo de fluido similar a una junta tórica, bloqueando completamente la brecha para lograr el propósito de sellar. Cuando el movimiento de rotación se transmite desde la atmósfera a la cámara de vacío, el dispositivo de sellado dinámico con junta tórica líquida se utiliza para superar las desventajas de fácil desgaste y baja vida útil en el sellado sólido, y el fluido magnético líquido puede llenar todo el espacio sellado. bloqueando así todos los canales que puedan filtrar aire y logrando cero fugas en los dos procesos de movimiento y parada del crisol. El fluido magnético y el soporte del crisol adoptan una estructura de refrigeración por agua para garantizar la aplicabilidad a alta temperatura del fluido magnético y el soporte del crisol y lograr la estabilidad del estado del campo térmico.

2.3 Mecanismo de elevación de la cubierta inferior

El mecanismo de elevación de la cubierta inferior consta de un motor de accionamiento, un husillo de bolas, una guía lineal, un soporte de elevación, una cubierta del horno y un soporte de la cubierta del horno. El motor impulsa el soporte de la cubierta del horno conectado al par de guías de tornillo a través de un reductor para realizar el movimiento hacia arriba y hacia abajo de la cubierta inferior.

El mecanismo de elevación de la cubierta inferior facilita la colocación y extracción de crisoles de gran tamaño y, lo que es más importante, garantiza la fiabilidad del sellado de la cubierta inferior del horno. Durante todo el proceso, la cámara tiene etapas de cambio de presión como vacío, alta presión y baja presión. El estado de compresión y sellado de la cubierta inferior afecta directamente la confiabilidad del proceso. Una vez que el sello falla a altas temperaturas, todo el proceso se desechará. A través del dispositivo de límite y servocontrol del motor, se controla la estanqueidad del conjunto de la cubierta inferior y la cámara para lograr el mejor estado de compresión y sellado del anillo de sellado de la cámara del horno para garantizar la estabilidad de la presión del proceso, como se muestra en la Figura 6. .

2.4 Sistema de control eléctrico Durante el crecimiento de los cristales de carburo de silicio, el sistema de control eléctrico necesita controlar con precisión diferentes parámetros del proceso, incluyendo principalmente la altura de la posición de la bobina, la velocidad de rotación del crisol, la potencia y temperatura de calentamiento, los diferentes flujos de entrada de gas especial y la apertura de la válvula proporcional.

Como se muestra en la Figura 7, el sistema de control utiliza un controlador programable como servidor, que está conectado al servocontrolador a través del bus para realizar el control de movimiento de la bobina y el crisol; está conectado al controlador de temperatura y al controlador de flujo a través del MobusRTU estándar para realizar el control en tiempo real de la temperatura, la presión y el flujo de gas de proceso especial. Establece comunicación con el software de configuración a través de Ethernet, intercambia información del sistema en tiempo real y muestra información diversa de los parámetros del proceso en la computadora host. Los operadores, el personal de proceso y los gerentes intercambian información con el sistema de control a través de la interfaz hombre-máquina.

El sistema de control realiza toda la recopilación de datos de campo, el análisis del estado operativo de todos los actuadores y la relación lógica entre los mecanismos. El controlador programable recibe las instrucciones de la computadora host y completa el control de cada actuador del sistema. La ejecución y la estrategia de seguridad del menú de proceso automático son ejecutadas por el controlador programable. La estabilidad del controlador programable garantiza la estabilidad y seguridad del funcionamiento del menú de proceso.

La configuración superior mantiene el intercambio de datos con el controlador programable en tiempo real y muestra datos de campo. Está equipado con interfaces de operación como control de calefacción, control de presión, control de circuito de gas y control de motor, y los valores de configuración de varios parámetros se pueden modificar en la interfaz. Monitoreo en tiempo real de los parámetros de alarma, proporcionando visualización de alarma en pantalla, registrando la hora y datos detallados de la ocurrencia y recuperación de la alarma. Registro en tiempo real de todos los datos del proceso, contenido de operación de la pantalla y tiempo de operación. El control de fusión de varios parámetros del proceso se realiza a través del código subyacente dentro del controlador programable, y se puede realizar un máximo de 100 pasos de proceso. Cada paso incluye más de una docena de parámetros del proceso, como el tiempo de operación del proceso, la potencia objetivo, la presión objetivo, el flujo de argón, el flujo de nitrógeno, el flujo de hidrógeno, la posición del crisol y la velocidad del crisol.

3 Análisis de simulación de campo térmico.

Se establece el modelo de análisis de simulación del campo térmico. La Figura 8 es el mapa de nubes de temperatura en la cámara de crecimiento del crisol. Para garantizar el rango de temperatura de crecimiento del monocristal de 4H-SiC, se calcula que la temperatura central del cristal semilla es de 2200 ℃ y la temperatura del borde es de 2205,4 ℃. En este momento, la temperatura central de la parte superior del crisol es de 2167,5 ℃ y la temperatura más alta del área del polvo (con el lado hacia abajo) es de 2274,4 ℃, formando un gradiente de temperatura axial.

La distribución del gradiente radial del cristal se muestra en la Figura 9. El gradiente de temperatura lateral más bajo de la superficie del cristal semilla puede mejorar efectivamente la forma de crecimiento del cristal. La diferencia de temperatura inicial calculada actualmente es de 5,4 ℃, y la forma general es casi plana y ligeramente convexa, lo que puede cumplir con los requisitos de uniformidad y precisión del control de temperatura radial de la superficie del cristal semilla.

La curva de diferencia de temperatura entre la superficie de la materia prima y la superficie del cristal semilla se muestra en la Figura 10. La temperatura central de la superficie del material es 2210 ℃ y se forma un gradiente de temperatura longitudinal de 1 ℃/cm entre la superficie del material y la semilla. superficie del cristal, que está dentro de un rango razonable.

La tasa de crecimiento estimada se muestra en la Figura 11. Una tasa de crecimiento demasiado rápida puede aumentar la probabilidad de defectos como polimorfismo y dislocación. La tasa de crecimiento estimada actual es cercana a 0,1 mm/h, lo que se encuentra dentro de un rango razonable.

Through thermal field simulation analysis and calculation, it is found that the center temperature and edge temperature of the seed crystal meet the radial temperature gradient of the crystal of 8 inches. At the same time, the top and bottom of the crucible form an axial temperature gradient suitable for the length and thickness of the crystal. The current heating method of the growth system can meet the growth of 8-inch single crystals.

4 prueba experimental

Usando estohorno de crecimiento monocristalino de carburo de silicio, basado en el gradiente de temperatura de la simulación del campo térmico, ajustando parámetros como la temperatura superior del crisol, la presión de la cavidad, la velocidad de rotación del crisol y la posición relativa de las bobinas superior e inferior, se llevó a cabo una prueba de crecimiento de cristales de carburo de silicio. , y se obtuvo un cristal de carburo de silicio de 8 pulgadas (como se muestra en la Figura 12).

5. Conclusión

Se estudiaron las tecnologías clave para el crecimiento de monocristales de carburo de silicio de 8 pulgadas, como el campo térmico gradiente, el mecanismo de movimiento del crisol y el control automático de los parámetros del proceso. Se simuló y analizó el campo térmico en la cámara de crecimiento del crisol para obtener el gradiente de temperatura ideal. Después de la prueba, el método de calentamiento por inducción de doble bobina puede satisfacer el crecimiento de grandes tamaños.cristales de carburo de silicio. La investigación y el desarrollo de esta tecnología proporciona tecnología de equipos para obtener cristales de carburo de 8 pulgadas y proporciona la base de equipos para la transición de la industrialización del carburo de silicio de 6 pulgadas a 8 pulgadas, mejorando la eficiencia de crecimiento de los materiales de carburo de silicio y reduciendo costos.