Adhedhasar teknologi tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8 inci

Silicon carbide minangka salah sawijining bahan sing cocog kanggo nggawe piranti suhu dhuwur, frekuensi dhuwur, daya dhuwur lan voltase dhuwur. Kanggo nambah efisiensi produksi lan nyuda biaya, persiapan substrat karbida silikon ukuran gedhe minangka arah pangembangan sing penting. Ngarahke ing syarat proses saka8-inch silikon karbida (SIC) pertumbuhan kristal tunggal, mekanisme pertumbuhan silikon karbida transportasi uap fisik (PVT) metode dianalisis, sistem pemanas (TaC Guide Ring, TaC Coated Crucible,TaC Coated Rings, 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 lan liyaneSuku Cadang Proses Pertumbuhan Kristal Tunggal SiCdiwenehake dening VeTek Semiconductor), rotasi crucible lan teknologi kontrol parameter proses silikon karbida tungku pertumbuhan kristal tunggal diteliti, lan kristal 8-inch kasil disiapake lan ditanam liwat analisis simulasi lapangan termal lan eksperimen proses.

0 Pambuka

Silicon carbide (SiC) minangka wakil khas saka bahan semikonduktor generasi katelu. Nduwe kaluwihan kinerja kayata lebar bandgap sing luwih gedhe, medan listrik rusak sing luwih dhuwur, lan konduktivitas termal sing luwih dhuwur. Iki nindakake kanthi apik ing suhu dhuwur, tekanan dhuwur lan lapangan frekuensi dhuwur, lan wis dadi salah sawijining arah pangembangan utama ing bidang teknologi bahan semikonduktor. Nduwe macem-macem kabutuhan aplikasi ing kendaraan energi anyar, pembangkit listrik fotovoltaik, transportasi rel, kothak cerdas, komunikasi 5G, satelit, radar lan lapangan liyane. Saiki, wutah industri kristal silikon karbida utamane nggunakake transportasi uap fisik (PVT), sing kalebu masalah kopling lapangan multi-fisik kompleks multi-phase, multi-komponen, pirang-pirang transfer panas lan massa lan interaksi aliran panas magneto-listrik. Mulane, desain sistem wutah PVT angel, lan pangukuran parameter proses lan kontrol sakproses wutah kristalangel, asil ing kangelan ing Ngontrol cacat kualitas saka thukul silikon karbida kristal lan ukuran kristal cilik, supaya biaya piranti karo silikon karbida minangka landasan tetep dhuwur.

Peralatan manufaktur silikon karbida minangka dhasar teknologi karbida silikon lan pangembangan industri. Tingkat teknis, kemampuan proses lan jaminan independen saka tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida minangka kunci pangembangan bahan karbida silikon ing arah ukuran gedhe lan ngasilake dhuwur, lan uga minangka faktor utama sing nyopir industri semikonduktor generasi katelu kanggo berkembang ing arah biaya murah lan skala gedhe. Saiki, pangembangan piranti karbida silikon voltase dhuwur, daya dhuwur lan frekuensi dhuwur wis ngalami kemajuan sing signifikan, nanging efisiensi produksi lan biaya persiapan piranti bakal dadi faktor penting sing mbatesi pangembangane. Ing piranti semikonduktor kanthi kristal tunggal silikon karbida minangka landasan, nilai substrat minangka proporsi paling gedhe, kira-kira 50%. Pangembangan peralatan wutah kristal silikon karbida ukuran gedhe, ningkatake asil lan tingkat pertumbuhan substrat kristal tunggal silikon karbida, lan nyuda biaya produksi penting banget kanggo aplikasi piranti sing gegandhengan. Kanggo nambah pasokan kapasitas produksi lan luwih nyuda biaya rata-rata piranti karbida silikon, ngembangake ukuran substrat karbida silikon minangka salah sawijining cara sing penting. Saiki, ukuran substrat silikon karbida internasional yaiku 6 inci, lan wis cepet maju nganti 8 inci.

Teknologi utama sing kudu ditanggulangi ing pangembangan tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8-inci kalebu: 1) Desain struktur lapangan termal ukuran gedhe kanggo entuk gradien suhu radial sing luwih cilik lan gradien suhu longitudinal sing luwih gedhe sing cocog kanggo pertumbuhan. saka kristal silikon karbida 8-inch. 2) Gedhe-ukuran rotasi crucible lan coil ngangkat lan Mudhunake mekanisme gerakan, supaya crucible muter sak proses wutah kristal lan gerakane relatif kanggo coil miturut syarat proses kanggo mesthekake konsistensi saka kristal 8-inch lan nggampangake wutah lan kekandelan . 3) Kontrol otomatis paramèter proses ing kahanan dinamis sing nyukupi kabutuhan proses pertumbuhan kristal tunggal sing berkualitas tinggi.

1 mekanisme wutah kristal PVT

Cara PVT yaiku nyiyapake kristal tunggal silikon karbida kanthi nempatake sumber SiC ing ngisor wadah grafit padhet silinder, lan kristal wiji SiC diselehake ing cedhak tutup crucible. Crucible digawe panas kanggo 2 300 ~ 2 400 ℃ dening prabawa frekuensi radio utawa resistance, lan terisolasi dening grafit felt utawagrafit keropos. Zat utama sing diangkut saka sumber SiC menyang kristal wiji yaiku Si, molekul Si2C lan SiC2. Suhu ing kristal wiji dikontrol dadi rada luwih murah tinimbang ing bubuk mikro ngisor, lan gradien suhu aksial dibentuk ing crucible. Minangka ditampilake ing Figure 1, silikon carbide micro-powder sublimates ing suhu dhuwur kanggo mbentuk gas reaksi saka komponen phase gas beda, kang tekan kristal wiji karo suhu ngisor ing drive saka gradien suhu lan crystallize ing kanggo mbentuk silinder. ingot silikon karbida.

Reaksi kimia utama pertumbuhan PVT yaiku:

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)

Karakteristik pertumbuhan PVT kristal tunggal SiC yaiku:

1) Ana rong antarmuka gas-padat: siji antarmuka bubuk gas-SiC, lan liyane antarmuka gas-kristal.

2) Fase gas dumadi saka rong jinis zat: siji yaiku molekul inert sing dilebokake ing sistem; liyane iku komponen phase gas SimCn diprodhuksi dening bosok lan sublimation sakabubuk SiC. Komponen fase gas SimCn sesambungan karo saben liyane, lan bagean saka komponen fase gas kristal sing disebut SimCn sing nyukupi syarat proses kristalisasi bakal tuwuh dadi kristal SiC.

3) Ing wêdakakêna silikon karbida padhet, reaksi fase padhet bakal kedadeyan ing antarane partikel sing durung disublimasi, kalebu sawetara partikel sing mbentuk badan keramik keropos liwat sintering, sawetara partikel mbentuk biji-bijian kanthi ukuran partikel tartamtu lan morfologi kristalografi liwat reaksi kristalisasi, lan sawetara partikel silikon karbida ngowahi dadi partikel sing sugih karbon utawa partikel karbon amarga dekomposisi lan sublimasi non-stoikiometri.

4) Sajrone proses pertumbuhan kristal, rong owah-owahan fase bakal kelakon: siji yaiku partikel bubuk silikon karbida sing padhet diowahi dadi komponen fase gas SimCn liwat dekomposisi lan sublimasi non-stoikiometri, lan liyane yaiku komponen fase gas SimCn diowahi. menyang partikel kisi liwat kristalisasi.

2 Desain Peralatan Kaya sing dituduhake ing Gambar 2, tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida utamane kalebu: perakitan tutup ndhuwur, perakitan kamar, sistem pemanas, mekanisme rotasi crucible, mekanisme angkat tutup ngisor, lan sistem kontrol listrik.

2.1 Sistem Pemanasan Kaya sing dituduhake ing Gambar 3, sistem pemanas nganggo pemanasan induksi lan kasusun saka kumparan induksi, agrafit crucible, lapisan isolasi (kaku felt, dirasa alus), lan liya-liyane. Nalika arus bolak-balik frekuensi medium ngliwati kumparan induksi multi-giliran sing ngubengi njaba crucible grafit, medan magnet sing diinduksi kanthi frekuensi sing padha bakal dibentuk ing crucible grafit, ngasilake gaya elektromotif. Wiwit materi crucible grafit kemurnian dhuwur nduweni konduktivitas sing apik, arus induksi diasilake ing tembok crucible, mbentuk arus eddy. Ing tumindak pasukan Lorentz, arus induksi pungkasanipun bakal converge ing tembok njaba saka crucible (i.e., efek kulit) lan mboko sithik weakened ing arah radial. Amarga anane arus eddy, panas Joule diasilake ing tembok njaba crucible, dadi sumber pemanasan sistem pertumbuhan. Ukuran lan distribusi saka panas Joule langsung nemtokake lapangan suhu ing crucible, kang siji mengaruhi wutah saka kristal.

Minangka ditampilake ing Figure 4, coil induksi minangka bagean penting saka sistem pemanas. Iki nganggo rong set struktur kumparan independen lan dilengkapi mekanisme gerakan presisi ndhuwur lan ngisor. Umume mundhut panas listrik kabeh sistem pemanasan ditanggung dening kumparan, lan pendinginan paksa kudu ditindakake. Koil kasebut ditabuh nganggo tabung tembaga lan adhem ing jero banyu. Range frekuensi saka arus induksi yaiku 8 ~ 12 kHz. Frekuensi pemanasan induksi nemtokake ambane penetrasi medan elektromagnetik ing crucible grafit. Mekanisme gerakan coil nggunakake mekanisme pasangan sekrup sing didorong motor. Koil induksi kerjo bareng karo sumber daya induksi kanggo panas crucible grafit internal kanggo entuk sublimasi bubuk. Ing wektu sing padha, daya lan posisi relatif saka rong set gulungan dikontrol kanggo nggawe suhu ing kristal wiji luwih murah tinimbang ing bubuk mikro ngisor, mbentuk gradien suhu aksial antarane kristal wiji lan bubuk ing crucible, lan mbentuk gradien suhu radial cukup ing kristal silikon karbida.

2.2 Mekanisme Rotasi Crucible Sajrone wutah saka gedhe-ukuransilikon karbida kristal tunggal, ing crucible ing lingkungan vakum saka growong katahan puteran miturut syarat proses, lan kolom termal gradien lan negara kurang-meksa ing growong kudu katahan stabil. Kaya sing dituduhake ing Gambar 5, pasangan gear sing didorong motor digunakake kanggo nggayuh rotasi crucible sing stabil. Struktur sealing adi magnetik digunakake kanggo entuk sealing dinamis saka poros puteran. Segel cairan Magnetik nggunakake sirkuit medan magnet sing puteran sing dibentuk ing antarane magnet, sepatu kutub magnet lan lengen magnet kanggo nyerep cairan magnetik ing antarane ujung sepatu kutub lan lengen kanggo mbentuk cincin cairan kaya O-ring, rampung mblokir longkangan kanggo entuk tujuan sealing. Nalika gerakan rotasi ditularaké saka atmosfer menyang kamar vakum, piranti sealing dinamis O-ring Cairan digunakake kanggo ngatasi cacat nyandhang gampang lan urip kurang ing sealing ngalangi, lan Cairan Magnetik Cairan bisa ngisi kabeh papan nutup, mangkono mblokir kabeh saluran sing bisa bocor online, lan entuk nul bocor ing loro pangolahan gerakan crucible lan mandheg. Dhukungan cairan magnetik lan crucible nganggo struktur pendinginan banyu kanggo mesthekake penerapan suhu dhuwur saka cairan magnetik lan dhukungan crucible lan entuk stabilitas negara lapangan termal.

2.3 Mekanisme ngangkat tutup ngisor

Mekanisme ngangkat tutup ngisor kasusun saka motor drive, sekrup bal, guide linear, krenjang angkat, tutup tungku lan krenjang tutup tungku. Motor drive krenjang tutup pawon disambungake menyang pasangan guide meneng liwat reducer kanggo éling gerakan munggah lan mudhun tutup ngisor.

Mekanisme ngangkat tutup ngisor nggampangake panggonan lan mbusak crucibles ukuran gedhe, lan liyane Jahwéh, njamin linuwih sealing tutup pawon ngisor. Sajrone proses kabeh, kamar duwe tahapan owah-owahan tekanan kayata vakum, tekanan dhuwur, lan tekanan rendah. Kompresi lan sealing negara tutup ngisor langsung mengaruhi linuwih proses. Sawise segel gagal ing suhu dhuwur, kabeh proses bakal scrapped. Liwat kontrol motor servo lan piranti watesan, tightness saka Déwan tutup ngisor lan kamar wis kontrol kanggo entuk negara paling saka komprèsi lan sealing ring sealing kamar pawon kanggo mesthekake stabilitas meksa proses, minangka ditampilake ing Figure 6 .

2.4 Sistem kontrol listrik Sajrone wutah saka kristal silikon karbida, sistem kontrol electrical kudu kanthi akurat ngontrol paramèter proses beda, utamané kalebu dhuwur posisi coil, tingkat rotasi crucible, daya panas lan suhu, aliran intake gas khusus beda, lan bukaan saka katup proporsional.

Minangka ditampilake ing Figure 7, sistem kontrol nggunakake controller programmable minangka server, kang disambungake menyang driver servo liwat bis kanggo éling kontrol gerakan saka coil lan crucible; disambungake menyang pengontrol suhu lan pengontrol aliran liwat MobusRTU standar kanggo ngerteni kontrol suhu, tekanan lan aliran gas proses khusus. Nggawe komunikasi karo piranti lunak konfigurasi liwat Ethernet, ijol-ijolan informasi sistem ing wektu nyata, lan nampilake macem-macem informasi parameter proses ing komputer inang. Operator, personel proses lan manajer ngganti informasi karo sistem kontrol liwat antarmuka manungsa-mesin.

Sistem kontrol nindakake kabeh koleksi data lapangan, analisis status operasi kabeh aktuator lan hubungan logis antarane mekanisme. Kontroler sing bisa diprogram nampa instruksi komputer host lan ngrampungake kontrol saben aktuator sistem. Strategi eksekusi lan safety menu proses otomatis kabeh dieksekusi dening pengontrol sing bisa diprogram. Stabilitas pengontrol sing bisa diprogram njamin stabilitas lan keandalan keamanan operasi menu proses.

Konfigurasi ndhuwur njaga ijol-ijolan data karo pengontrol sing bisa diprogram ing wektu nyata lan nampilake data lapangan. Iki dilengkapi antarmuka operasi kayata kontrol pemanasan, kontrol tekanan, kontrol sirkuit gas lan kontrol motor, lan nilai setelan saka macem-macem paramèter bisa diowahi ing antarmuka. Ngawasi paramèter weker wektu nyata, nyedhiyakake tampilan weker layar, ngrekam wektu lan data rinci babagan kedadeyan lan pemulihan weker. Rekaman wektu nyata kabeh data proses, konten operasi layar lan wektu operasi. Kontrol fusi saka macem-macem paramèter proses diwujudake liwat kode dhasar ing pengontrol sing bisa diprogram, lan maksimal 100 langkah proses bisa diwujudake. Saben langkah kalebu luwih saka rolas paramèter proses kayata wektu operasi proses, daya target, tekanan target, aliran argon, aliran nitrogen, aliran hidrogen, posisi crucible lan tingkat crucible.

3 Analisis simulasi lapangan termal

Model analisis simulasi lapangan termal ditetepake. Gambar 8 yaiku peta awan suhu ing ruang pertumbuhan crucible. Supaya kanggo mesthekake sawetara suhu wutah saka 4H-SiC kristal tunggal, suhu tengah kristal wiji wis diwilang dadi 2200 ℃, lan suhu pinggiran punika 2205,4 ℃. Ing wektu iki, suhu tengah ndhuwur crucible 2167,5 ℃, lan suhu paling dhuwur saka area bubuk (sisih mudhun) 2274,4 ℃, mbentuk gradien suhu sumbu.

Distribusi gradien radial saka kristal ditampilake ing Figure 9. Gradien suhu lateral ngisor saka lumahing kristal wiji bisa èfèktif nambah wangun wutah kristal. Prabédan suhu dhisikan sing diwilang saiki yaiku 5.4 ℃, lan wangun sakabèhé meh rata lan rada cembung, sing bisa nyukupi akurasi kontrol suhu radial lan syarat keseragaman permukaan kristal wiji.

Kurva prabédan suhu antarane lumahing bahan mentah lan lumahing kristal wiji ditampilake ing Figure 10. Suhu tengah lumahing materi punika 2210 ℃, lan gradien suhu longitudinal 1 ℃ / cm kawangun antarane lumahing materi lan wiji. lumahing kristal, kang ing sawetara cukup.

Tingkat pertumbuhan sing dikira-kira ditampilake ing Gambar 11. Tingkat pertumbuhan sing cepet banget bisa ningkatake kemungkinan cacat kayata polimorfisme lan dislokasi. Perkiraan tingkat pertumbuhan saiki cedhak karo 0,1 mm / jam, sing ana ing kisaran sing cukup.

Liwat analisis simulasi lapangan termal lan pitungan, ditemokake yen suhu tengah lan suhu pinggiran kristal wiji ketemu gradien suhu radial saka kristal 8 inci. Ing wektu sing padha, ndhuwur lan ngisor crucible mbentuk gradien suhu aksial cocok kanggo dawa lan kekandelan saka kristal. Cara pemanasan saiki sistem wutah bisa ketemu wutah saka 8-inch kristal siji.

4 Tes eksperimen

Nggunakake ikisilikon karbida tunggal kristal tungku pertumbuhan, adhedhasar gradien suhu simulasi lapangan termal, kanthi nyetel paramèter kayata suhu ndhuwur crucible, tekanan rongga, kacepetan rotasi crucible, lan posisi relatif gulungan ndhuwur lan ngisor, tes pertumbuhan kristal silikon karbida ditindakake. , lan kristal silikon karbida 8-inch dipikolehi (minangka ditampilake ing Figure 12).

5 Kesimpulan

Teknologi utama kanggo tuwuh kristal tunggal silikon karbida 8 inci, kayata medan termal gradien, mekanisme gerakan crucible, lan kontrol otomatis paramèter proses, diteliti. Lapangan termal ing ruang pertumbuhan crucible disimulasikan lan dianalisis kanggo entuk gradien suhu sing cocog. Sawise tes, metode pemanasan induksi dobel coil bisa tuwuh kanthi ukuran gedhekristal silikon karbida. Riset lan pangembangan teknologi iki nyedhiyakake teknologi peralatan kanggo entuk kristal karbida 8-inch, lan nyedhiyakake dhasar peralatan kanggo transisi industrialisasi silikon karbida saka 6 inci nganti 8 inci, ningkatake efisiensi pertumbuhan bahan karbida silikon lan ngurangi biaya.