Berdasarkan teknologi tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8 inci

Silikon karbida adalah salah satu bahan yang ideal untuk membuat perangkat bersuhu tinggi, frekuensi tinggi, berdaya tinggi, dan bertegangan tinggi. Untuk meningkatkan efisiensi produksi dan mengurangi biaya, persiapan substrat silikon karbida berukuran besar merupakan arah pengembangan yang penting. Bertujuan pada persyaratan prosesPertumbuhan kristal tunggal silikon karbida (SIC) 8 inci, mekanisme pertumbuhan metode transportasi uap fisik silikon karbida (PVT) dianalisis, sistem pemanas (TaC Guide Ring, TaC Coated Crucible,Cincin Dilapisi TaC, Pelat Berlapis TaC, Cincin Tiga Kelopak Berlapis TaC, Wadah Tiga Kelopak Berlapis TaC, Tempat Berlapis TaC, Grafit Berpori, Felt Lembut, Susceptor Pertumbuhan Kristal Berlapis SiC Felt Kaku dan lainnyaSuku Cadang Proses Pertumbuhan Kristal Tunggal SiCdisediakan oleh VeTek Semiconductor), rotasi wadah dan teknologi kontrol parameter proses tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida dipelajari, dan kristal 8 inci berhasil disiapkan dan ditanam melalui analisis simulasi medan termal dan eksperimen proses.

0 Pendahuluan

Silikon karbida (SiC) adalah perwakilan khas bahan semikonduktor generasi ketiga. Ia memiliki keunggulan kinerja seperti lebar celah pita yang lebih besar, medan listrik tembus yang lebih tinggi, dan konduktivitas termal yang lebih tinggi. Ia bekerja dengan baik di bidang suhu tinggi, tekanan tinggi dan frekuensi tinggi, dan telah menjadi salah satu arah pengembangan utama di bidang teknologi material semikonduktor. Ini memiliki beragam kebutuhan aplikasi dalam kendaraan energi baru, pembangkit listrik fotovoltaik, transportasi kereta api, jaringan pintar, komunikasi 5G, satelit, radar, dan bidang lainnya. Saat ini, pertumbuhan industri kristal silikon karbida terutama menggunakan transportasi uap fisik (PVT), yang melibatkan masalah penggabungan medan multi-fisik yang kompleks dari multi-fase, multi-komponen, perpindahan panas dan massa ganda, serta interaksi aliran panas magneto-listrik. Oleh karena itu, desain sistem pertumbuhan PVT sulit dilakukan, serta pengukuran dan pengendalian parameter proses selama proses tersebutproses pertumbuhan kristalsulit, mengakibatkan kesulitan dalam mengendalikan cacat kualitas kristal silikon karbida yang tumbuh dan ukuran kristal yang kecil, sehingga biaya perangkat dengan silikon karbida sebagai substratnya tetap tinggi.

Peralatan manufaktur silikon karbida adalah fondasi teknologi silikon karbida dan pengembangan industri. Tingkat teknis, kemampuan proses, dan jaminan independen tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida adalah kunci pengembangan bahan silikon karbida menuju ukuran besar dan hasil tinggi, dan juga merupakan faktor utama yang mendorong industri semikonduktor generasi ketiga ke arah berkembang ke arah biaya rendah dan skala besar. Saat ini, pengembangan perangkat silikon karbida bertegangan tinggi, berdaya tinggi, dan frekuensi tinggi telah mengalami kemajuan yang signifikan, namun efisiensi produksi dan biaya persiapan perangkat akan menjadi faktor penting yang membatasi pengembangannya. Pada perangkat semikonduktor dengan kristal tunggal silikon karbida sebagai substrat, nilai substrat menyumbang proporsi terbesar, sekitar 50%. Pengembangan peralatan pertumbuhan kristal silikon karbida berkualitas tinggi berukuran besar, meningkatkan hasil dan laju pertumbuhan substrat kristal tunggal silikon karbida, dan mengurangi biaya produksi merupakan hal yang sangat penting dalam penerapan perangkat terkait. Untuk meningkatkan pasokan kapasitas produksi dan selanjutnya mengurangi biaya rata-rata perangkat silikon karbida, memperluas ukuran substrat silikon karbida adalah salah satu cara yang penting. Saat ini, ukuran substrat silikon karbida arus utama internasional adalah 6 inci, dan telah berkembang pesat menjadi 8 inci.

Teknologi utama yang perlu diselesaikan dalam pengembangan tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8 inci meliputi: 1) Desain struktur medan termal ukuran besar untuk mendapatkan gradien suhu radial yang lebih kecil dan gradien suhu memanjang yang lebih besar yang sesuai untuk pertumbuhan dari kristal silikon karbida 8 inci. 2) Rotasi wadah berukuran besar dan mekanisme gerakan mengangkat dan menurunkan kumparan, sehingga wadah berputar selama proses pertumbuhan kristal dan bergerak relatif terhadap kumparan sesuai dengan persyaratan proses untuk memastikan konsistensi kristal 8 inci dan memfasilitasi pertumbuhan dan ketebalan . 3) Kontrol otomatis parameter proses dalam kondisi dinamis yang memenuhi kebutuhan proses pertumbuhan kristal tunggal berkualitas tinggi.

1 Mekanisme pertumbuhan kristal PVT

Metode PVT adalah menyiapkan kristal tunggal silikon karbida dengan menempatkan sumber SiC di bagian bawah wadah grafit padat berbentuk silinder, dan benih kristal SiC ditempatkan di dekat penutup wadah. Wadah dipanaskan hingga 2.300~2.400 ℃ dengan induksi atau resistansi frekuensi radio, dan diisolasi dengan bahan grafit ataugrafit berpori. Zat utama yang diangkut dari sumber SiC ke kristal benih adalah molekul Si, Si2C dan SiC2. Suhu pada kristal benih dikontrol agar sedikit lebih rendah dibandingkan pada bubuk mikro yang lebih rendah, dan gradien suhu aksial terbentuk dalam wadah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, bubuk mikro silikon karbida menyublim pada suhu tinggi untuk membentuk gas reaksi dari komponen fase gas yang berbeda, yang mencapai kristal benih dengan suhu lebih rendah di bawah penggerak gradien suhu dan mengkristal di atasnya untuk membentuk silinder ingot silikon karbida.

Reaksi kimia utama pertumbuhan PVT adalah:

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)

Ciri-ciri pertumbuhan PVT kristal tunggal SiC adalah:

1) Ada dua antarmuka gas-padat: satu adalah antarmuka bubuk gas-SiC, dan yang lainnya adalah antarmuka gas-kristal.

2) Fase gas terdiri dari dua jenis zat: satu adalah molekul inert yang dimasukkan ke dalam sistem; yang lainnya adalah komponen fase gas SimCn yang dihasilkan oleh dekomposisi dan sublimasibubuk SiC. Komponen fase gas SimCn berinteraksi satu sama lain, dan bagian dari komponen fase gas kristal SimCn yang memenuhi persyaratan proses kristalisasi akan tumbuh menjadi kristal SiC.

3) Pada serbuk silikon karbida padat akan terjadi reaksi fasa padat antar partikel yang belum bersublimasi, antara lain beberapa partikel membentuk badan keramik berpori melalui sintering, beberapa partikel membentuk butiran dengan ukuran partikel tertentu dan morfologi kristalografi melalui reaksi kristalisasi, dan beberapa partikel silikon karbida berubah menjadi partikel kaya karbon atau partikel karbon karena dekomposisi dan sublimasi non-stoikiometri.

4) Selama proses pertumbuhan kristal, akan terjadi dua perubahan fasa: pertama adalah transformasi partikel bubuk silikon karbida padat menjadi komponen fase gas SimCn melalui dekomposisi dan sublimasi non-stoikiometri, dan yang lainnya adalah transformasi komponen fase gas SimCn menjadi partikel kisi melalui kristalisasi.

2 Desain Peralatan Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, tungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida terutama meliputi: rakitan penutup atas, rakitan ruang, sistem pemanas, mekanisme rotasi wadah, mekanisme pengangkatan penutup bawah, dan sistem kontrol listrik.

2.1 Sistem Pemanas Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, sistem pemanas mengadopsi pemanasan induksi dan terdiri dari koil induksi, awadah grafit, lapisan insulasi(terasa kaku, terasa lembut), dll. Ketika arus bolak-balik frekuensi menengah melewati kumparan induksi multi-putaran yang mengelilingi bagian luar wadah grafit, medan magnet induksi dengan frekuensi yang sama akan terbentuk di wadah grafit, menghasilkan gaya gerak listrik yang diinduksi. Karena bahan wadah grafit dengan kemurnian tinggi memiliki konduktivitas yang baik, arus induksi dihasilkan pada dinding wadah, membentuk arus eddy. Di bawah aksi gaya Lorentz, arus induksi pada akhirnya akan menyatu di dinding luar wadah (yaitu efek kulit) dan secara bertahap melemah sepanjang arah radial. Karena adanya arus eddy, panas Joule dihasilkan di dinding luar wadah, menjadi sumber pemanas sistem pertumbuhan. Ukuran dan distribusi panas Joule secara langsung menentukan medan suhu dalam wadah, yang selanjutnya mempengaruhi pertumbuhan kristal.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, koil induksi adalah bagian penting dari sistem pemanas. Ini mengadopsi dua set struktur kumparan independen dan masing-masing dilengkapi dengan mekanisme gerak presisi atas dan bawah. Sebagian besar kehilangan panas listrik dari seluruh sistem pemanas ditanggung oleh koil, dan pendinginan paksa harus dilakukan. Kumparan dililitkan dengan tabung tembaga dan didinginkan dengan air di dalamnya. Rentang frekuensi arus induksi adalah 8~12 kHz. Frekuensi pemanasan induksi menentukan kedalaman penetrasi medan elektromagnetik dalam wadah grafit. Mekanisme gerak kumparan menggunakan mekanisme pasangan sekrup yang digerakkan oleh motor. Kumparan induksi bekerja sama dengan catu daya induksi untuk memanaskan wadah grafit internal untuk mencapai sublimasi bubuk. Pada saat yang sama, kekuatan dan posisi relatif dari dua set kumparan dikontrol untuk membuat suhu pada kristal benih lebih rendah daripada suhu pada bubuk mikro yang lebih rendah, membentuk gradien suhu aksial antara kristal benih dan bubuk di dalamnya. wadah, dan membentuk gradien suhu radial yang wajar pada kristal silikon karbida.

2.2 Mekanisme Rotasi Wadah Pada masa pertumbuhan berukuran besarkristal tunggal silikon karbida, wadah di lingkungan vakum rongga tetap berputar sesuai dengan persyaratan proses, dan medan termal gradien serta keadaan tekanan rendah di rongga harus dijaga stabil. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, sepasang roda gigi yang digerakkan motor digunakan untuk mencapai putaran wadah yang stabil. Struktur penyegelan cairan magnetik digunakan untuk mencapai penyegelan dinamis pada poros yang berputar. Segel cairan magnetik menggunakan sirkuit medan magnet berputar yang terbentuk antara magnet, sepatu kutub magnet, dan selongsong magnet untuk menyerap dengan kuat cairan magnetik antara ujung sepatu kutub dan selongsong untuk membentuk cincin cairan seperti cincin-O, yang sepenuhnya menghalangi celah untuk mencapai tujuan penyegelan. Ketika gerakan rotasi ditransmisikan dari atmosfer ke ruang vakum, perangkat penyegel dinamis cincin-O cair digunakan untuk mengatasi kelemahan dari keausan yang mudah dan umur yang rendah dalam penyegelan padat, dan cairan magnetik cair dapat mengisi seluruh ruang tertutup, sehingga memblokir semua saluran yang dapat mengeluarkan udara, dan mencapai nol kebocoran dalam dua proses pergerakan dan penghentian wadah. Cairan magnetik dan penyangga wadah mengadopsi struktur pendingin air untuk memastikan penerapan suhu tinggi dari cairan magnetik dan penyangga wadah serta mencapai stabilitas keadaan medan termal.

2.3 Mekanisme pengangkatan penutup bawah

Mekanisme pengangkatan penutup bawah terdiri dari motor penggerak, sekrup bola, pemandu linier, braket pengangkat, penutup tungku, dan braket penutup tungku. Motor menggerakkan braket penutup tungku yang terhubung ke pasangan pemandu sekrup melalui peredam untuk mewujudkan pergerakan penutup bawah ke atas dan ke bawah.

Mekanisme pengangkatan penutup bawah memfasilitasi penempatan dan pelepasan cawan lebur berukuran besar, dan yang lebih penting, memastikan keandalan penyegelan penutup tungku bawah. Selama keseluruhan proses, ruangan memiliki tahapan perubahan tekanan seperti vakum, tekanan tinggi, dan tekanan rendah. Keadaan kompresi dan penyegelan penutup bawah secara langsung mempengaruhi keandalan proses. Setelah segel rusak pada suhu tinggi, seluruh proses akan dibatalkan. Melalui kontrol servo motor dan perangkat pembatas, kekencangan rakitan penutup bawah dan ruang dikontrol untuk mencapai kondisi kompresi dan penyegelan terbaik dari cincin penyegel ruang tungku untuk memastikan stabilitas tekanan proses, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 .

2.4 Sistem kendali kelistrikan Selama pertumbuhan kristal silikon karbida, sistem kendali kelistrikan perlu mengontrol secara akurat berbagai parameter proses, terutama termasuk tinggi posisi kumparan, laju putaran wadah, daya dan suhu pemanasan, aliran masuk gas khusus yang berbeda, dan pembukaan katup proporsional.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, sistem kendali menggunakan pengontrol yang dapat diprogram sebagai server, yang dihubungkan ke driver servo melalui bus untuk mewujudkan kendali gerak kumparan dan wadah; itu terhubung ke pengontrol suhu dan pengontrol aliran melalui MobusRTU standar untuk mewujudkan kontrol suhu, tekanan, dan aliran gas proses khusus secara real-time. Ini menjalin komunikasi dengan perangkat lunak konfigurasi melalui Ethernet, bertukar informasi sistem secara real time, dan menampilkan berbagai informasi parameter proses pada komputer host. Operator, personel proses, dan manajer bertukar informasi dengan sistem kendali melalui antarmuka manusia-mesin.

Sistem kontrol melakukan semua pengumpulan data lapangan, analisis status operasi semua aktuator dan hubungan logis antar mekanisme. Pengontrol yang dapat diprogram menerima instruksi dari komputer host dan menyelesaikan kendali setiap aktuator sistem. Strategi eksekusi dan keamanan menu proses otomatis semuanya dijalankan oleh pengontrol yang dapat diprogram. Stabilitas pengontrol yang dapat diprogram memastikan stabilitas dan keandalan keselamatan pengoperasian menu proses.

Konfigurasi atas menjaga pertukaran data dengan pengontrol yang dapat diprogram secara real time dan menampilkan data lapangan. Dilengkapi dengan antarmuka operasi seperti kontrol pemanas, kontrol tekanan, kontrol sirkuit gas, dan kontrol motor, dan nilai pengaturan berbagai parameter dapat dimodifikasi pada antarmuka. Pemantauan parameter alarm secara real-time, menyediakan tampilan alarm di layar, mencatat waktu dan data terperinci tentang kejadian dan pemulihan alarm. Perekaman real-time dari semua data proses, konten pengoperasian layar, dan waktu pengoperasian. Kontrol fusi berbagai parameter proses diwujudkan melalui kode dasar di dalam pengontrol yang dapat diprogram, dan maksimal 100 langkah proses dapat direalisasikan. Setiap langkah mencakup lebih dari selusin parameter proses seperti waktu operasi proses, daya target, tekanan target, aliran argon, aliran nitrogen, aliran hidrogen, posisi wadah, dan laju wadah.

3 Analisis simulasi medan termal

Model analisis simulasi medan termal telah dibuat. Gambar 8 adalah peta awan suhu di ruang pertumbuhan wadah. Untuk memastikan kisaran suhu pertumbuhan kristal tunggal 4H-SiC, suhu tengah kristal benih dihitung menjadi 2200℃, dan suhu tepi adalah 2205,4℃. Pada saat ini, suhu tengah bagian atas wadah adalah 2167,5℃, dan suhu tertinggi area serbuk (sisi bawah) adalah 2274,4℃, sehingga membentuk gradien suhu aksial.

Distribusi gradien radial kristal ditunjukkan pada Gambar 9. Gradien suhu lateral yang lebih rendah dari permukaan kristal benih dapat secara efektif meningkatkan bentuk pertumbuhan kristal. Perbedaan suhu awal yang dihitung saat ini adalah 5,4℃, dan bentuk keseluruhannya hampir datar dan sedikit cembung, yang dapat memenuhi persyaratan akurasi kontrol suhu radial dan keseragaman permukaan kristal benih.

Kurva perbedaan suhu antara permukaan bahan mentah dan permukaan kristal benih ditunjukkan pada Gambar 10. Suhu tengah permukaan bahan adalah 2210℃, dan gradien suhu memanjang sebesar 1℃/cm terbentuk antara permukaan bahan dan benih. permukaan kristal, yang berada dalam kisaran yang wajar.

Perkiraan laju pertumbuhan ditunjukkan pada Gambar 11. Laju pertumbuhan yang terlalu cepat dapat meningkatkan kemungkinan terjadinya cacat seperti polimorfisme dan dislokasi. Perkiraan tingkat pertumbuhan saat ini mendekati 0,1 mm/jam, yang berada dalam kisaran yang wajar.

Melalui analisis dan perhitungan simulasi medan termal, ditemukan bahwa suhu pusat dan suhu tepi kristal benih memenuhi gradien suhu radial kristal sebesar 8 inci. Pada saat yang sama, bagian atas dan bawah wadah membentuk gradien suhu aksial yang sesuai dengan panjang dan ketebalan kristal. Metode pemanasan sistem pertumbuhan saat ini dapat memenuhi pertumbuhan kristal tunggal berukuran 8 inci.

4 Tes eksperimen

Menggunakan initungku pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, berdasarkan gradien suhu simulasi medan termal, dengan menyesuaikan parameter seperti suhu atas wadah, tekanan rongga, kecepatan putaran wadah, dan posisi relatif kumparan atas dan bawah, dilakukan uji pertumbuhan kristal silikon karbida. , dan kristal silikon karbida 8 inci diperoleh (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12).

5. Kesimpulan

Teknologi utama untuk pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida 8 inci, seperti medan termal gradien, mekanisme gerak wadah, dan kontrol otomatis parameter proses, dipelajari. Medan termal di ruang pertumbuhan wadah disimulasikan dan dianalisis untuk mendapatkan gradien suhu yang ideal. Setelah dilakukan pengujian, metode pemanasan induksi kumparan ganda dapat memenuhi pertumbuhan berukuran besarkristal silikon karbida. Penelitian dan pengembangan teknologi ini menyediakan teknologi peralatan untuk memperoleh kristal karbida 8 inci, dan menyediakan landasan peralatan untuk transisi industrialisasi silikon karbida dari 6 inci menjadi 8 inci, meningkatkan efisiensi pertumbuhan bahan silikon karbida dan mengurangi biaya.