Perustuu 8 tuuman piikarbidin yksikidekasvatusuuniteknologiaan

Piikarbidi on yksi ihanteellisista materiaaleista korkean lämpötilan, suurtaajuisten, suuritehoisten ja suurjännitelaitteiden valmistukseen. Tuotannon tehokkuuden parantamiseksi ja kustannusten alentamiseksi suurikokoisten piikarbidisubstraattien valmistus on tärkeä kehityssuunta. Tavoitteena prosessin vaatimukset8 tuuman piikarbidin (SIC) yksikidekasvatus, analysoitiin piikarbidin fyysisen höyrynsiirtomenetelmän (PVT) kasvumekanismi, lämmitysjärjestelmä (TaC-ohjainrengas, TaC Coated Crucible,TaC-pinnoitetut renkaat, TaC-päällystetty levy, TaC-päällystetty kolmiterälehtirengas, TaC-päällystetty kolmiterälehtinen upokas, TaC-päällystetty pidike, huokoinen grafiitti, pehmeä huopa, jäykkä huopa, piikarbidilla päällystetty kristallikasvusukeppi ja muutSiC Single Crystal Growth Prosessin varaosattarjoaa VeTek Semiconductor ), piikarbidin yksikidekasvatusuunin upokkaan kierto- ja prosessiparametrien ohjaustekniikkaa tutkittiin ja 8 tuuman kiteitä valmistettiin ja kasvatettiin menestyksekkäästi lämpökenttäsimulaatioanalyysin ja prosessikokeiden avulla.

0 Johdanto

Piikarbidi (SiC) on tyypillinen kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalien edustaja. Siinä on suorituskykyetuja, kuten suurempi kaistavälin leveys, suurempi läpilyöntisähkökenttä ja korkeampi lämmönjohtavuus. Se toimii hyvin korkean lämpötilan, korkean paineen ja korkean taajuuden kentissä, ja siitä on tullut yksi puolijohdemateriaalitekniikan tärkeimmistä kehityssuunnista. Sillä on laaja valikoima sovellustarpeita uusissa energiaajoneuvoissa, aurinkosähkön tuotannossa, rautatieliikenteessä, älykkäässä verkossa, 5G-viestinnässä, satelliiteissa, tutkaissa ja muilla aloilla. Tällä hetkellä piikarbidikiteiden teollisessa kasvussa käytetään pääasiassa fyysistä höyrynkuljetusta (PVT), johon liittyy monimutkaisia ​​monivaiheisen, monikomponenttisen, usean lämmön ja massasiirron sekä magnetosähköisen lämpövirtauksen vuorovaikutuksen monimutkaisia ​​monifysikaalisia kenttien kytkentäongelmia. Siksi PVT-kasvujärjestelmän suunnittelu on vaikeaa, ja prosessiparametrien mittaus ja ohjaus on vaikeaakiteen kasvuprosession vaikeaa, mikä johtaa vaikeuksiin hallita kasvaneiden piikarbidikiteiden laatuvirheitä ja pientä kidekokoa, joten piikarbidia substraattina käyttävien laitteiden kustannukset pysyvät korkeina.

Piikarbidin valmistuslaitteet ovat piikarbiditeknologian ja teollisen kehityksen perusta. Piikarbidin yksikidekasvatusuunin tekninen taso, prosessikyky ja itsenäinen takuu ovat avain piikarbidimateriaalien kehittämiseen suuren koon ja korkean tuoton suuntaan, ja ne ovat myös tärkeimmät tekijät, jotka ohjaavat kolmannen sukupolven puolijohdeteollisuutta kehittyä edullisimman ja suuren mittakaavan suuntaan. Tällä hetkellä suurjännite-, suurteho- ja suurtaajuuspiikarbidilaitteiden kehitys on edistynyt merkittävästi, mutta laitteiden tuotannon tehokkuudesta ja valmistelukustannuksista tulee tärkeä niiden kehitystä rajoittava tekijä. Puolijohdelaitteissa, joissa substraattina on piikarbidiyksikide, substraatin arvo on suurin osuus, noin 50 %. Suurikokoisten ja korkealaatuisten piikarbidikiteiden kasvatuslaitteiden kehittäminen, piikarbidin yksikidealustojen saannon ja kasvunopeuden parantaminen sekä tuotantokustannusten alentaminen ovat keskeisiä laitteita liittyvien laitteiden sovelluksen kannalta. Piikarbidisubstraattien koon laajentaminen on yksi tärkeimmistä tavoista lisätä tuotantokapasiteetin tarjontaa ja vähentää edelleen piikarbidilaitteiden keskimääräisiä kustannuksia. Tällä hetkellä kansainvälisen valtavirran piikarbidisubstraatin koko on 6 tuumaa, ja se on edennyt nopeasti 8 tuumaan.

Tärkeimmät teknologiat, jotka on ratkaistava 8 tuuman piikarbidin yksikiteisten kasvatusuunien kehittämisessä, ovat: 1) Suurikokoisen lämpökenttärakenteen suunnittelu pienemmän radiaalisen lämpötilagradientin ja suuremman pitkittäisen kasvuun sopivan lämpötilagradientin saamiseksi. 8 tuuman piikarbidikiteistä. 2) Suurikokoinen upokkaan pyöritys ja kelan nosto- ja laskuliikemekanismi, jotta upokas pyörii kiteen kasvuprosessin aikana ja liikkuu kelaan nähden prosessivaatimusten mukaisesti varmistaakseen 8 tuuman kiteen johdonmukaisuuden ja helpottaakseen kasvua ja paksuutta . 3) Prosessiparametrien automaattinen ohjaus dynaamisissa olosuhteissa, jotka vastaavat korkealaatuisen yksikidekasvatusprosessin tarpeita.

1 PVT-kidekasvumekanismi

PVT-menetelmä on valmistaa piikarbidin yksikiteitä asettamalla piikarbidin lähde sylinterimäisen tiheän grafiittiupokkaan pohjalle ja piikarbidin siemenkide sijoitetaan upokkaan kannen lähelle. Upokas kuumennetaan 2 300 ~ 2 400 ℃ lämpötilaan radiotaajuisella induktiolla tai vastuksella, ja se on eristetty grafiittihuovalla taihuokoinen grafiitti. Tärkeimmät piikarbidin lähteestä siemenkiteeseen kuljetettavat aineet ovat Si, Si2C-molekyylit ja SiC2. Siemenkiteen lämpötila säädetään hieman alhaisemmaksi kuin alemmassa mikrojauheessa, ja upokkaan muodostuu aksiaalinen lämpötilagradientti. Kuten kuvassa 1 näkyy, piikarbidi-mikrojauhe sublimoituu korkeassa lämpötilassa muodostaen eri kaasufaasikomponenttien reaktiokaasuja, jotka saavuttavat siemenkiteen alhaisemmassa lämpötilassa lämpötilagradientin ohjauksen alaisena ja kiteytyvät sen päälle muodostaen sylinterimäisen. piikarbidiharkko.

PVT:n kasvun tärkeimmät kemialliset reaktiot ovat:

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)

SiC-yksikiteiden PVT-kasvun ominaisuudet ovat:

1) Kaasu-kiinteä-rajapintoja on kaksi: toinen on kaasu-SiC-jauherajapinta ja toinen kaasu-kiderajapinta.

2) Kaasufaasi koostuu kahden tyyppisistä aineista: toinen on järjestelmään tuotuja inerttejä molekyylejä; toinen on kaasufaasikomponentti SimCn, joka on tuotettu hajoamalla ja sublimoitumallaSiC jauhe. Kaasufaasikomponentit SimCn ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja osa kiteytysprosessin vaatimukset täyttävistä ns. kiteisistä kaasufaasikomponenteista SimCn kasvaa piikarbidikiteeksi.

3) Kiinteässä piikarbidijauheessa tapahtuu kiinteän faasin reaktioita hiukkasten välillä, jotka eivät ole sublimoituneet, mukaan lukien jotkut hiukkaset, jotka muodostavat huokoisia keraamisia kappaleita sintraamalla, jotkut hiukkaset muodostavat rakeita, joilla on tietty hiukkaskoko ja kristallografinen morfologia kiteytysreaktioiden kautta, ja jotkut hiukkaset piikarbidihiukkaset, jotka muuttuvat hiilipitoisiksi hiukkasiksi tai hiilihiukkasiksi ei-stoikiometrisen hajoamisen ja sublimoitumisen seurauksena.

4) Kiteen kasvuprosessin aikana tapahtuu kaksi faasimuutosta: toinen on se, että kiinteät piikarbidijauhehiukkaset muunnetaan kaasufaasikomponenteiksi SimCn ei-stoikiometrisen hajoamisen ja sublimoinnin avulla, ja toinen on, että kaasufaasikomponentit SimCn muunnetaan. hilahiukkasiksi kiteytymisen kautta.

2 Laitteen suunnittelu Kuten kuvasta 2 näkyy, piikarbidin yksikidekasvatusuuni sisältää pääasiassa: yläkansikokoonpanon, kammiokokoonpanon, lämmitysjärjestelmän, upokkaan pyöritysmekanismin, alakannen nostomekanismin ja sähköisen ohjausjärjestelmän.

2.1 Lämmitysjärjestelmä Kuten kuvasta 3 näkyy, lämmitysjärjestelmä käyttää induktiolämmitystä ja koostuu induktiokierukasta,grafiitti upokas, eristekerros (jäykkä huopa, pehmeä huopa) jne. Kun keskitaajuinen vaihtovirta kulkee grafiittiupokkaan ulkopuolta ympäröivän monikierrosinduktiokäämin läpi, grafiittiupokkaan muodostuu samantaajuinen indusoitunut magneettikenttä, joka tuottaa indusoituneen sähkömotorisen voiman. Koska erittäin puhtaalla grafiittiupokkaan materiaalilla on hyvä johtavuus, upokkaan seinämään muodostuu indusoitunut virta, joka muodostaa pyörrevirran. Lorentzin voiman vaikutuksesta indusoitunut virta suppenee lopulta upokkaan ulkoseinään (eli ihoilmiö) ja heikkenee vähitellen säteittäisessä suunnassa. Pyörrevirtojen olemassaolon vuoksi upokkaan ulkoseinään muodostuu Joule-lämpöä, josta tulee kasvujärjestelmän lämmityslähde. Joulen lämmön koko ja jakautuminen määräävät suoraan upokkaan lämpötilakentän, mikä puolestaan ​​vaikuttaa kiteen kasvuun.

Kuten kuvasta 4 näkyy, induktiokäämi on keskeinen osa lämmitysjärjestelmää. Siinä on kaksi itsenäistä kelarakennetta, ja se on varustettu ylemmällä ja alemmalla tarkkuusliikemekanismeilla. Suurin osa koko lämmitysjärjestelmän sähkölämpöhäviöstä on patterin vastuulla ja pakkojäähdytys on suoritettava. Kierukka on kierretty kupariputkella ja jäähdytetään sen sisällä olevalla vedellä. Indusoidun virran taajuusalue on 8-12 kHz. Induktiokuumennuksen taajuus määrittää sähkömagneettisen kentän tunkeutumissyvyyden grafiittiupokkaan. Kelan liikemekanismi käyttää moottorikäyttöistä ruuviparimekanismia. Induktiokela toimii yhteistyössä induktiovirtalähteen kanssa sisäisen grafiittiupokkaan lämmittämiseksi jauheen sublimoitumisen saavuttamiseksi. Samanaikaisesti kahden kelasarjan tehoa ja suhteellista asentoa ohjataan niin, että siemenkiteen lämpötila on alhaisempi kuin alemmassa mikrojauheessa, mikä muodostaa aksiaalisen lämpötilagradientin siemenkiteen ja jauheen välille. upokkaan ja muodostaa kohtuullisen radiaalisen lämpötilagradientin piikarbidikiteelle.

2.2 Upokkaan pyörimismekanismi Suurikokoisen kasvun aikanapiikarbidin yksikiteitä, upokas ontelon tyhjöympäristössä pidetään pyörimässä prosessivaatimusten mukaisesti, ja gradientin lämpökenttä ja ontelon matalapainetila on pidettävä vakaina. Kuten kuvassa 5 esitetään, moottorikäyttöistä hammaspyöräparia käytetään upokkaan vakaan pyörimisen saavuttamiseksi. Magneettista nestetiivisterakennetta käytetään pyörivän akselin dynaamiseen tiivistykseen. Magneettinen nestetiiviste käyttää pyörivää magneettikenttäpiiriä, joka on muodostettu magneetin, magneettinapakengän ja magneettiholkin väliin magneettisen nesteen tiukasti adsorboimiseksi napakengän kärjen ja holkin väliin muodostaen O-rengasmaisen nesterenkaan, joka estää täysin aukko tiivistyksen tarkoituksen saavuttamiseksi. Kun pyörimisliike välittyy ilmakehästä tyhjiökammioon, nestemäistä O-rengasta dynaamista tiivistyslaitetta käytetään poistamaan kiinteiden tiivisteiden helpon kulumisen ja lyhyen käyttöiän haitat, ja nestemäinen magneettinen neste voi täyttää koko suljetun tilan, siten tukkia kaikki kanavat, jotka voivat vuotaa ilmaa, ja saavuttaa nolla vuoto upokkaan liikkeen ja pysähtymisen kahdessa prosessissa. Magneettisessa nesteessä ja upokkaan alustassa on vesijäähdytysrakenne varmistaakseen magneettisen nesteen ja upokkaan tuen korkean lämpötilan soveltuvuuden ja saavuttaakseen lämpökentän tilan vakauden.

2.3 Alakannen nostomekanismi

Alakannen nostomekanismi koostuu käyttömoottorista, kuularuuvista, lineaariohjaimesta, nostokannattimesta, uunin kannesta ja uunin kannen kannakkeesta. Moottori ajaa ruuvinohjainpariin liitettyä uunin kannen kannaketta supistimen läpi toteuttaakseen alakannen ylös- ja alasliikkeen.

Alakannen nostomekanismi helpottaa suurikokoisten upokkaiden sijoittamista ja poistamista ja mikä tärkeintä, varmistaa alemman uunin kannen tiivistysvarmuuden. Koko prosessin aikana kammiossa on paineenmuutosvaiheita, kuten tyhjiö, korkea paine ja matala paine. Alakannen puristus- ja tiivistystila vaikuttaa suoraan prosessin luotettavuuteen. Kun tiiviste epäonnistuu korkeassa lämpötilassa, koko prosessi romutetaan. Moottorin servon ohjaus- ja rajoituslaitteen avulla alemman kansikokoonpanon ja kammion tiiviyttä ohjataan, jotta saavutetaan uunikammion tiivisterenkaan paras puristus- ja tiivistystila prosessipaineen vakauden varmistamiseksi, kuten kuvassa 6. .

2.4 Sähköinen ohjausjärjestelmä Piikarbidikiteiden kasvun aikana sähköisen ohjausjärjestelmän on ohjattava tarkasti erilaisia ​​prosessiparametreja, mukaan lukien pääasiassa kelan asennon korkeus, upokkaan pyörimisnopeus, lämmitysteho ja lämpötila, erilainen erikoiskaasun imuvirtaus ja suhteellinen venttiili.

Kuten kuviossa 7 on esitetty, ohjausjärjestelmä käyttää palvelimena ohjelmoitavaa ohjainta, joka on kytketty servo-ohjaimeen väylän kautta kelan ja upokkaan liikeohjauksen toteuttamiseksi; se on yhdistetty lämpötilansäätimeen ja virtaussäätimeen standardin MobusRTU:n kautta lämpötilan, paineen ja erikoisprosessikaasuvirran reaaliaikaisen ohjauksen toteuttamiseksi. Se muodostaa yhteyden konfigurointiohjelmiston kanssa Ethernetin kautta, vaihtaa järjestelmätietoja reaaliajassa ja näyttää erilaisia ​​prosessiparametritietoja isäntätietokoneessa. Käyttäjät, prosessihenkilöstö ja johtajat vaihtavat tietoa ohjausjärjestelmän kanssa ihmisen ja koneen välisen rajapinnan kautta.

Ohjausjärjestelmä suorittaa kaiken kenttätiedon keräämisen, kaikkien toimilaitteiden toimintatilan analysoinnin ja mekanismien välisen loogisen suhteen. Ohjelmoitava ohjain vastaanottaa isäntätietokoneen ohjeet ja suorittaa järjestelmän jokaisen toimilaitteen ohjauksen. Ohjelmoitava ohjain suorittaa kaikki automaattisen prosessivalikon suoritus- ja turvallisuusstrategiat. Ohjelmoitavan ohjaimen vakaus varmistaa prosessivalikon toiminnan vakauden ja turvallisuuden.

Ylempi konfiguraatio ylläpitää tiedonvaihtoa ohjelmoitavan ohjaimen kanssa reaaliajassa ja näyttää kenttätiedot. Se on varustettu käyttöliitännöillä, kuten lämmityksen ohjaus, paineensäätö, kaasupiirin ohjaus ja moottorin ohjaus, ja eri parametrien asetusarvoja voidaan muuttaa rajapinnassa. Hälytysparametrien reaaliaikainen seuranta, näytön hälytysnäytön tarjoaminen, kellonajan tallentaminen ja hälytyksen esiintymisen ja palautumisen yksityiskohtaiset tiedot. Reaaliaikainen tallennus kaikista prosessitiedoista, näytön toimintasisällöstä ja käyttöajasta. Eri prosessiparametrien fuusioohjaus toteutetaan ohjelmoitavan ohjaimen sisällä olevan alla olevan koodin kautta, ja prosessin vaiheita voidaan toteuttaa enintään 100. Jokainen vaihe sisältää yli tusina prosessiparametria, kuten prosessin toiminta-aika, tavoiteteho, tavoitepaine, argonvirtaus, typen virtaus, vetyvirtaus, upokkaan sijainti ja upokkaan nopeus.

3 Lämpökenttäsimulaatioanalyysi

Lämpökentän simulaatioanalyysimalli perustetaan. Kuva 8 on lämpötilapilvikartta upokkaan kasvatuskammiossa. 4H-SiC-yksikiteiden kasvulämpötila-alueen varmistamiseksi siemenkiteen keskilämpötilaksi lasketaan 2200 ℃ ja reunan lämpötilaksi 2205,4 ℃. Tällä hetkellä upokkaan yläosan keskilämpötila on 2167,5 ℃ ja jauhealueen korkein lämpötila (puoli alaspäin) on 2274,4 ℃, mikä muodostaa aksiaalisen lämpötilagradientin.

Kiteen säteittäinen gradienttijakauma on esitetty kuvassa 9. Siemenkiteen pinnan alempi lateraalinen lämpötilagradientti voi tehokkaasti parantaa kiteen kasvumuotoa. Nykyinen laskettu alkulämpötilaero on 5,4 ℃, ja yleinen muoto on lähes tasainen ja hieman kupera, mikä voi täyttää siemenkiteen pinnan säteittäisen lämpötilan säädön tarkkuus- ja tasaisuusvaatimukset.

Raaka-aineen pinnan ja siemenkiteen pinnan välinen lämpötilaerokäyrä on esitetty kuvassa 10. Materiaalipinnan keskilämpötila on 2210 ℃ ja materiaalipinnan ja siemenen välille muodostuu pitkittäinen lämpötilagradientti 1℃/cm. kidepinta, joka on kohtuullisella alueella.

Arvioitu kasvunopeus on esitetty kuvassa 11. Liian nopea kasvunopeus voi lisätä vikojen, kuten polymorfismin ja dislokaatioiden, todennäköisyyttä. Nykyinen arvioitu kasvunopeus on lähellä 0,1 mm/h, mikä on kohtuullisen alueen sisällä.

Lämpökenttäsimulaatioanalyysin ja -laskennan avulla havaitaan, että siemenkiteen keskilämpötila ja reunalämpötila vastaavat kiteen 8 tuuman radiaalista lämpötilagradienttia. Samalla upokkaan ylä- ja alaosa muodostavat aksiaalisen lämpötilagradientin, joka sopii kiteen pituuteen ja paksuuteen. Kasvujärjestelmän nykyinen lämmitysmenetelmä voi vastata 8 tuuman yksittäiskiteiden kasvuun.

4 Kokeellinen testi

Käyttämällä tätäpiikarbidin yksikidekasvatusuuni, perustuen lämpökentän simulaation lämpötilagradienttiin, säätämällä parametreja, kuten upokkaan ylälämpötilaa, ontelon painetta, upokkaan pyörimisnopeutta ja ylä- ja alakäämien suhteellista sijaintia, suoritettiin piikarbidin kiteiden kasvutesti. , ja saatiin 8 tuuman piikarbidikide (kuten kuvassa 12).

5. Päätelmät

Tutkimuksessa tutkittiin 8 tuuman piikarbidin yksikiteiden kasvun keskeisiä teknologioita, kuten gradienttilämpökenttä, upokkaan liikemekanismi ja prosessiparametrien automaattinen ohjaus. Lämpökenttä upokkaan kasvatuskammiossa simuloitiin ja analysoitiin ihanteellisen lämpötilagradientin saamiseksi. Testauksen jälkeen kaksikelainen induktiolämmitysmenetelmä voi vastata suurikokoisten kasvuunpiikarbidikiteet. Tämän teknologian tutkimus ja kehitys tarjoaa laiteteknologiaa 8 tuuman karbidikiteiden saamiseksi ja tarjoaa laitteiston perustan piikarbidin teollistumisen siirtymiselle 6 tuumasta 8 tuumaan, mikä parantaa piikarbidimateriaalien kasvutehokkuutta ja alentaa kustannuksia.