Baseado na tecnologia de forno de crescimento de cristal único de carboneto de silício de 8 polegadas

O carboneto de silício é um dos materiais ideais para fabricar dispositivos de alta temperatura, alta frequência, alta potência e alta tensão. A fim de melhorar a eficiência da produção e reduzir custos, a preparação de substratos de carboneto de silício de grande porte é uma importante direção de desenvolvimento. Visando os requisitos do processo deCrescimento de cristal único de carboneto de silício (SIC) de 8 polegadas, o mecanismo de crescimento do método de transporte físico de vapor de carboneto de silício (PVT) foi analisado, o sistema de aquecimento (Anel Guia TaC, Cadinho Revestido TaC,Anéis revestidos com TaC, Placa revestida com TaC, anel de três pétalas revestido com TaC, cadinho de três pétalas revestido com TaC, suporte revestido com TaC, grafite poroso, feltro macio, susceptor de crescimento de cristal revestido com sic de feltro rígido e outrosPeças sobressalentes do processo de crescimento de cristal único SiCsão fornecidos pela VeTek Semiconductor), a rotação do cadinho e a tecnologia de controle de parâmetros de processo do forno de crescimento de cristal único de carboneto de silício foram estudadas, e cristais de 8 polegadas foram preparados e cultivados com sucesso por meio de análise de simulação de campo térmico e experimentos de processo.

0 Introdução

O carboneto de silício (SiC) é um representante típico dos materiais semicondutores de terceira geração. Possui vantagens de desempenho, como maior largura de bandgap, maior campo elétrico de ruptura e maior condutividade térmica. Ele tem um bom desempenho em campos de alta temperatura, alta pressão e alta frequência e se tornou uma das principais direções de desenvolvimento no campo da tecnologia de materiais semicondutores. Possui uma ampla gama de necessidades de aplicação em novos veículos de energia, geração de energia fotovoltaica, transporte ferroviário, rede inteligente, comunicação 5G, satélites, radares e outros campos. Atualmente, o crescimento industrial de cristais de carboneto de silício utiliza principalmente transporte físico de vapor (PVT), que envolve problemas complexos de acoplamento de campo multifísico de transferência multifásica, multicomponente, múltipla de calor e massa e interação de fluxo de calor magnetoelétrico. Portanto, o projeto do sistema de crescimento PVT é difícil, e a medição e controle dos parâmetros do processo durante oprocesso de crescimento de cristalé difícil, resultando na dificuldade de controlar os defeitos de qualidade dos cristais de carboneto de silício cultivados e o pequeno tamanho do cristal, de modo que o custo dos dispositivos com carboneto de silício como substrato permanece alto.

O equipamento de fabricação de carboneto de silício é a base da tecnologia de carboneto de silício e do desenvolvimento industrial. O nível técnico, a capacidade do processo e a garantia independente do forno de crescimento de cristal único de carboneto de silício são a chave para o desenvolvimento de materiais de carboneto de silício na direção de grande tamanho e alto rendimento, e também são os principais fatores que impulsionam a indústria de semicondutores de terceira geração a desenvolver na direção de baixo custo e grande escala. Actualmente, o desenvolvimento de dispositivos de carboneto de silício de alta tensão, alta potência e alta frequência tem feito progressos significativos, mas a eficiência de produção e o custo de preparação dos dispositivos tornar-se-ão um factor importante que restringe o seu desenvolvimento. Em dispositivos semicondutores com monocristalino de carboneto de silício como substrato, o valor do substrato é responsável pela maior proporção, cerca de 50%. O desenvolvimento de equipamentos de crescimento de cristais de carboneto de silício de grande porte e alta qualidade, melhorando o rendimento e a taxa de crescimento de substratos de cristal único de carboneto de silício e reduzindo os custos de produção são de importância fundamental para a aplicação de dispositivos relacionados. A fim de aumentar a oferta da capacidade de produção e reduzir ainda mais o custo médio dos dispositivos de carboneto de silício, expandir o tamanho dos substratos de carboneto de silício é uma das formas importantes. Atualmente, o tamanho do substrato de carboneto de silício convencional internacional é de 6 polegadas e tem avançado rapidamente para 8 polegadas.

As principais tecnologias que precisam ser resolvidas no desenvolvimento de fornos de crescimento de cristal único de carboneto de silício de 8 polegadas incluem: 1) Projeto de estrutura de campo térmico de grande porte para obter um gradiente de temperatura radial menor e um gradiente de temperatura longitudinal maior adequado para o crescimento de cristais de carboneto de silício de 8 polegadas. 2) Rotação do cadinho de grande porte e mecanismo de movimento de levantamento e abaixamento da bobina, de modo que o cadinho gire durante o processo de crescimento do cristal e se mova em relação à bobina de acordo com os requisitos do processo para garantir a consistência do cristal de 8 polegadas e facilitar o crescimento e espessura . 3) Controle automático dos parâmetros do processo sob condições dinâmicas que atendem às necessidades do processo de crescimento de cristal único de alta qualidade.

1 mecanismo de crescimento de cristal PVT

O método PVT consiste em preparar monocristais de carboneto de silício colocando a fonte de SiC no fundo de um cadinho cilíndrico de grafite denso, e o cristal de semente de SiC é colocado próximo à tampa do cadinho. O cadinho é aquecido a 2 300 ~ 2 400 ℃ por indução ou resistência de radiofrequência e é isolado por feltro de grafite ougrafite poroso. As principais substâncias transportadas da fonte de SiC para o cristal semente são Si, moléculas de Si2C e SiC2. A temperatura no cristal semente é controlada para ser ligeiramente inferior à do micropó inferior, e um gradiente de temperatura axial é formado no cadinho. Conforme mostrado na Figura 1, o micropó de carboneto de silício sublima em alta temperatura para formar gases de reação de diferentes componentes da fase gasosa, que atingem o cristal semente com uma temperatura mais baixa sob o impulso do gradiente de temperatura e cristalizam nele para formar um cilindro cilíndrico lingote de carboneto de silício.

As principais reações químicas do crescimento do PVT são:

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)

As características do crescimento PVT de monocristais de SiC são:

1) Existem duas interfaces gás-sólido: uma é a interface gás-pó de SiC e a outra é a interface gás-cristal.

2) A fase gasosa é composta por dois tipos de substâncias: uma são as moléculas inertes introduzidas no sistema; o outro é o componente de fase gasosa SimCn produzido pela decomposição e sublimação deSiC em pó. Os componentes da fase gasosa SimCn interagem entre si, e uma parte dos chamados componentes da fase gasosa cristalina SimCn que atendem aos requisitos do processo de cristalização crescerá no cristal SiC.

3) No pó de carboneto de silício sólido, ocorrerão reações em fase sólida entre partículas que não foram sublimadas, incluindo algumas partículas formando corpos cerâmicos porosos por meio de sinterização, algumas partículas formando grãos com determinado tamanho de partícula e morfologia cristalográfica por meio de reações de cristalização, e alguns partículas de carboneto de silício transformando-se em partículas ricas em carbono ou partículas de carbono devido à decomposição e sublimação não estequiométrica.

4) Durante o processo de crescimento do cristal, ocorrerão duas mudanças de fase: uma é que as partículas sólidas de pó de carboneto de silício são transformadas em componentes da fase gasosa SimCn por meio de decomposição e sublimação não estequiométrica, e a outra é que os componentes da fase gasosa SimCn são transformados em partículas de rede através da cristalização.

2 Projeto do equipamento Conforme mostrado na Figura 2, o forno de crescimento de cristal único de carboneto de silício inclui principalmente: conjunto da tampa superior, conjunto da câmara, sistema de aquecimento, mecanismo de rotação do cadinho, mecanismo de levantamento da tampa inferior e sistema de controle elétrico.

2.1 Sistema de Aquecimento Conforme mostrado na Figura 3, o sistema de aquecimento adota aquecimento por indução e é composto por uma bobina de indução, umcadinho de grafite, uma camada de isolamento (feltro rígido, feltro macio), etc. Quando a corrente alternada de média frequência passa pela bobina de indução multivoltas que envolve a parte externa do cadinho de grafite, um campo magnético induzido da mesma frequência será formado no cadinho de grafite, gerando uma força eletromotriz induzida. Como o material do cadinho de grafite de alta pureza tem boa condutividade, uma corrente induzida é gerada na parede do cadinho, formando uma corrente parasita. Sob a ação da força de Lorentz, a corrente induzida acabará por convergir para a parede externa do cadinho (ou seja, o efeito pelicular) e enfraquecerá gradualmente ao longo da direção radial. Devido à existência de correntes parasitas, o calor Joule é gerado na parede externa do cadinho, tornando-se a fonte de aquecimento do sistema de crescimento. O tamanho e a distribuição do calor Joule determinam diretamente o campo de temperatura no cadinho, o que por sua vez afeta o crescimento do cristal.

Conforme mostrado na Figura 4, a bobina de indução é uma parte fundamental do sistema de aquecimento. Adota dois conjuntos de estruturas de bobina independentes e é equipado com mecanismos de movimento de precisão superior e inferior, respectivamente. A maior parte da perda de calor elétrico de todo o sistema de aquecimento é suportada pela bobina, e o resfriamento forçado deve ser realizado. A bobina é enrolada com um tubo de cobre e resfriada com água em seu interior. A faixa de frequência da corrente induzida é de 8 a 12 kHz. A frequência do aquecimento por indução determina a profundidade de penetração do campo eletromagnético no cadinho de grafite. O mecanismo de movimento da bobina usa um mecanismo de par de parafusos acionado por motor. A bobina de indução coopera com a fonte de alimentação de indução para aquecer o cadinho interno de grafite para conseguir a sublimação do pó. Ao mesmo tempo, a potência e a posição relativa dos dois conjuntos de bobinas são controladas para tornar a temperatura no cristal semente mais baixa do que no micropó inferior, formando um gradiente de temperatura axial entre o cristal semente e o pó no cadinho e formando um gradiente de temperatura radial razoável no cristal de carboneto de silício.

2.2 Mecanismo de rotação do cadinho durante o crescimento de grandes dimensõesmonocristais de carboneto de silício, o cadinho no ambiente de vácuo da cavidade é mantido girando de acordo com os requisitos do processo, e o campo térmico gradiente e o estado de baixa pressão na cavidade precisam ser mantidos estáveis. Conforme mostrado na Figura 5, um par de engrenagens acionadas por motor é usado para obter uma rotação estável do cadinho. Uma estrutura de vedação de fluido magnético é usada para obter vedação dinâmica do eixo rotativo. A vedação de fluido magnético usa um circuito de campo magnético rotativo formado entre o ímã, a sapata do pólo magnético e a luva magnética para adsorver firmemente o líquido magnético entre a ponta da sapata do pólo e a luva para formar um anel de fluido semelhante a um O-ring, bloqueando completamente a lacuna para atingir o objetivo de vedação. Quando o movimento rotacional é transmitido da atmosfera para a câmara de vácuo, o dispositivo de vedação dinâmica de anel de vedação líquido é usado para superar as desvantagens de fácil desgaste e baixa vida útil na vedação sólida, e o fluido magnético líquido pode preencher todo o espaço selado, bloqueando assim todos os canais que podem vazar ar e alcançando vazamento zero nos dois processos de movimento e parada do cadinho. O fluido magnético e o suporte do cadinho adotam uma estrutura de resfriamento de água para garantir a aplicabilidade em alta temperatura do fluido magnético e do suporte do cadinho e alcançar a estabilidade do estado do campo térmico.

2.3 Mecanismo de levantamento da tampa inferior

O mecanismo de elevação da tampa inferior consiste em um motor de acionamento, um parafuso esférico, uma guia linear, um suporte de elevação, uma tampa do forno e um suporte da tampa do forno. O motor aciona o suporte da tampa do forno conectado ao par de guias de parafuso através de um redutor para realizar o movimento para cima e para baixo da tampa inferior.

O mecanismo de levantamento da tampa inferior facilita a colocação e remoção de cadinhos de grande porte e, mais importante, garante a confiabilidade da vedação da tampa inferior do forno. Durante todo o processo, a câmara possui estágios de mudança de pressão como vácuo, alta pressão e baixa pressão. O estado de compressão e vedação da tampa inferior afeta diretamente a confiabilidade do processo. Assim que a vedação falhar sob alta temperatura, todo o processo será descartado. Através do servocontrole do motor e do dispositivo de limite, a estanqueidade do conjunto da tampa inferior e da câmara é controlada para atingir o melhor estado de compressão e vedação do anel de vedação da câmara do forno para garantir a estabilidade da pressão do processo, conforme mostrado na Figura 6 .

2.4 Sistema de controle elétrico Durante o crescimento de cristais de carboneto de silício, o sistema de controle elétrico precisa controlar com precisão diferentes parâmetros do processo, incluindo principalmente a altura da posição da bobina, taxa de rotação do cadinho, potência e temperatura de aquecimento, diferentes fluxos de entrada de gás especial e abertura de a válvula proporcional.

Conforme mostrado na Figura 7, o sistema de controle utiliza um controlador programável como servidor, que é conectado ao servo driver através do barramento para realizar o controle de movimento da bobina e do cadinho; ele é conectado ao controlador de temperatura e ao controlador de fluxo por meio do MobusRTU padrão para realizar o controle em tempo real da temperatura, pressão e fluxo de gás de processo especial. Ele estabelece comunicação com o software de configuração através de Ethernet, troca informações do sistema em tempo real e exibe diversas informações de parâmetros de processo no computador host. Operadores, pessoal de processo e gerentes trocam informações com o sistema de controle através da interface homem-máquina.

O sistema de controle realiza toda a coleta de dados de campo, análise do estado de funcionamento de todos os atuadores e do relacionamento lógico entre os mecanismos. O controlador programável recebe as instruções do computador host e completa o controle de cada atuador do sistema. A estratégia de execução e segurança do menu de processo automático é toda executada pelo controlador programável. A estabilidade do controlador programável garante a estabilidade e confiabilidade da operação do menu de processo.

A configuração superior mantém a troca de dados com o controlador programável em tempo real e exibe os dados de campo. É equipado com interfaces de operação como controle de aquecimento, controle de pressão, controle de circuito de gás e controle de motor, e os valores de configuração de vários parâmetros podem ser modificados na interface. Monitoramento em tempo real dos parâmetros de alarme, proporcionando exibição de alarme na tela, registrando o tempo e dados detalhados de ocorrência e recuperação de alarme. Gravação em tempo real de todos os dados do processo, conteúdo de operação da tela e tempo de operação. O controle de fusão de vários parâmetros do processo é realizado através do código subjacente dentro do controlador programável, e um máximo de 100 etapas do processo podem ser realizadas. Cada etapa inclui mais de uma dúzia de parâmetros de processo, como tempo de operação do processo, potência alvo, pressão alvo, fluxo de argônio, fluxo de nitrogênio, fluxo de hidrogênio, posição do cadinho e taxa do cadinho.

3 Análise de simulação de campo térmico

O modelo de análise de simulação de campo térmico é estabelecido. A Figura 8 é o mapa da nuvem de temperatura na câmara de crescimento do cadinho. A fim de garantir a faixa de temperatura de crescimento do cristal único 4H-SiC, a temperatura central do cristal semente é calculada em 2.200 ℃ e a temperatura da borda é 2.205,4 ℃. Neste momento, a temperatura central do topo do cadinho é 2.167,5°C, e a temperatura mais alta da área do pó (lado para baixo) é 2.274,4°C, formando um gradiente de temperatura axial.

A distribuição do gradiente radial do cristal é mostrada na Figura 9. O gradiente de temperatura lateral inferior da superfície do cristal semente pode efetivamente melhorar a forma de crescimento do cristal. A diferença de temperatura inicial calculada atualmente é de 5,4 ℃, e a forma geral é quase plana e ligeiramente convexa, o que pode atender aos requisitos de precisão e uniformidade do controle de temperatura radial da superfície do cristal de semente.

A curva de diferença de temperatura entre a superfície da matéria-prima e a superfície do cristal de semente é mostrada na Figura 10. A temperatura central da superfície do material é 2210°C, e um gradiente de temperatura longitudinal de 1°C/cm é formado entre a superfície do material e a semente. superfície de cristal, que está dentro de uma faixa razoável.

A taxa de crescimento estimada é mostrada na Figura 11. Uma taxa de crescimento muito rápida pode aumentar a probabilidade de defeitos como polimorfismo e deslocamento. A atual taxa de crescimento estimada está próxima de 0,1 mm/h, o que está dentro de uma faixa razoável.

Através da análise e cálculo de simulação de campo térmico, verifica-se que a temperatura central e a temperatura da borda do cristal semente atendem ao gradiente de temperatura radial do cristal de 8 polegadas. Ao mesmo tempo, a parte superior e inferior do cadinho formam um gradiente de temperatura axial adequado ao comprimento e espessura do cristal. O atual método de aquecimento do sistema de crescimento pode atender ao crescimento de monocristais de 8 polegadas.

4 Teste experimental

Usando issoforno de crescimento de cristal único de carboneto de silício, com base no gradiente de temperatura da simulação do campo térmico, ajustando parâmetros como temperatura superior do cadinho, pressão da cavidade, velocidade de rotação do cadinho e posição relativa das bobinas superior e inferior, foi realizado um teste de crescimento de cristal de carboneto de silício , e um cristal de carboneto de silício de 8 polegadas foi obtido (conforme mostrado na Figura 12).

5. Conclusão

As principais tecnologias para o crescimento de monocristais de carboneto de silício de 8 polegadas, como campo térmico gradiente, mecanismo de movimento do cadinho e controle automático de parâmetros de processo, foram estudadas. O campo térmico na câmara de crescimento do cadinho foi simulado e analisado para obtenção do gradiente de temperatura ideal. Após o teste, o método de aquecimento por indução de bobina dupla pode atender ao crescimento de grandes dimensõescristais de carboneto de silício. A pesquisa e desenvolvimento desta tecnologia fornece tecnologia de equipamentos para obtenção de cristais de carboneto de silício de 8 polegadas e fornece base de equipamentos para a transição da industrialização de carboneto de silício de 6 polegadas para 8 polegadas, melhorando a eficiência de crescimento dos materiais de carboneto de silício e reduzindo custos.