Dựa trên công nghệ lò tăng trưởng tinh thể đơn silicon 8 inch

       Carbide silicon là một trong những vật liệu lý tưởng để tạo ra các thiết bị nhiệt độ cao, tần số cao, công suất cao và điện áp cao. Để cải thiện hiệu quả sản xuất và giảm chi phí, việc chuẩn bị chất nền cacbua silicon có kích thước lớn là một hướng phát triển quan trọng. Nhằm vào các yêu cầu quá trình của8 inch silicon cacbua (sic) Tăng trưởng tinh thể đơn, Cơ chế tăng trưởng của phương pháp vận chuyển hơi vật lý silicon cacbua (PVT) đã được phân tích, hệ thống sưởi ấm (vòng hướng dẫn TAC, TAC được phủ nồi nấu kim loại,Vòng phủ TAC, Tấm phủ TAC, vòng ba cánh tac phủ TAC, TAC phủ ba cánh, giá đỡ lớp phủ TAC, than chì xốp, cảm giác mềm, cảm giác cứng nhắc của SICSICđược cung cấp bởi chất bán dẫn vetek), công nghệ kiểm soát thông số và xoay vòng của lò nung của lò nung tinh thể silicon cacbua đã được nghiên cứu, và các tinh thể 8 inch đã được chuẩn bị thành công và phát triển thông qua phân tích mô phỏng trường nhiệt và các thí nghiệm xử lý.

Giới thiệu

      Carbide silicon (SIC) là một đại diện điển hình của các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba. Nó có các lợi thế về hiệu suất như chiều rộng băng tần lớn hơn, điện trường phá vỡ cao hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn. Nó hoạt động tốt ở các trường nhiệt độ cao, áp suất cao và tần số cao, và đã trở thành một trong những hướng phát triển chính trong lĩnh vực công nghệ vật liệu bán dẫn.  Hiện tại, sự tăng trưởng công nghiệp của các tinh thể cacbua silicon chủ yếu sử dụng vận chuyển hơi vật lý (PVT), liên quan đến các vấn đề khớp nối trường đa vật lý phức tạp của nhiều pha, đa thành phần, nhiều nhiệt và truyền khối và tương tác lưu lượng nhiệt điện. Do đó, việc thiết kế hệ thống tăng trưởng PVT là khó khăn và việc đo lường và kiểm soát tham số quá trình trong quá trìnhQuá trình tăng trưởng tinh thểlà khó khăn, dẫn đến khó khăn trong việc kiểm soát các khiếm khuyết chất lượng của các tinh thể cacbua silic đã trồng và kích thước tinh thể nhỏ, do đó chi phí của các thiết bị có cacbua silicon khi chất nền vẫn cao.

      Thiết bị sản xuất cacbua Silicon là nền tảng của công nghệ cacbua silicon và phát triển công nghiệp. Mức độ kỹ thuật, khả năng xử lý và bảo đảm độc lập của lò tăng trưởng tinh thể đơn silicon là chìa khóa cho sự phát triển của vật liệu cacbua silicon theo hướng kích thước lớn và năng suất cao, và cũng là yếu tố chính thúc đẩy ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba phát triển theo hướng chi phí thấp và quy mô lớn. Trong các thiết bị bán dẫn với tinh thể đơn cacbua silicon làm chất nền, giá trị của chất nền chiếm tỷ lệ lớn nhất, khoảng 50%. Sự phát triển của thiết bị tăng trưởng tinh thể cacbua silicon chất lượng cao có kích thước lớn, cải thiện năng suất và tốc độ tăng trưởng của các chất tinh thể đơn silicon cacbua và giảm chi phí sản xuất có ý nghĩa quan trọng đối với việc áp dụng các thiết bị liên quan. Để tăng cung cấp năng lực sản xuất và giảm thêm chi phí trung bình của các thiết bị cacbua silicon, mở rộng kích thước của chất nền silicon cacbua là một trong những cách quan trọng. Hiện tại, kích thước cơ chất cacbua silicon chính quốc tế là 6 inch, và nó đã nhanh chóng tiến lên 8 inch.

       Các công nghệ chính cần được giải quyết trong sự phát triển của các lò tăng trưởng tinh thể đơn silicon 8 inch bao gồm: (1) Thiết kế cấu trúc trường nhiệt kích thước lớn để có được độ dốc nhiệt độ xuyên tâm nhỏ hơn và độ dốc nhiệt độ dọc lớn hơn phù hợp với sự phát triển của các tinh thể cacbua silic 8 inch. . (3) Kiểm soát tự động các tham số quá trình trong các điều kiện động đáp ứng nhu cầu của quá trình tăng trưởng tinh thể đơn chất lượng cao.

1 cơ chế tăng trưởng tinh thể PVT

       Phương pháp PVT là chuẩn bị các tinh thể đơn cacbua silicon bằng cách đặt nguồn SiC ở dưới cùng của một lò than chì dày đặc hình trụ, và tinh thể hạt sic được đặt gần nắp nồi nấu kim loại. Kim nấu có thể được làm nóng đến 2 300 ~ 2 400 bằng cảm ứng hoặc điện trở tần số vô tuyến, và được cách ly bằng cảm giác than chì hoặcthan chì xốp. Các chất chính được vận chuyển từ nguồn sic đến tinh thể hạt là Si, Si2c phân tử và SIC2. Nhiệt độ tại tinh thể hạt được kiểm soát thấp hơn một chút so với ở mức vi mô thấp hơn và độ dốc nhiệt độ trục được hình thành trong nồi nấu kim loại. Như được hiển thị trong Hình 1, bột vi mô cacro silicon thăng hoa ở nhiệt độ cao để tạo thành khí phản ứng của các thành phần pha khí khác nhau, đạt đến tinh thể hạt có nhiệt độ thấp hơn dưới ổ đĩa nhiệt độ và kết tinh trên nó để tạo thành thỏi cacbua silicon hình trụ.

Các phản ứng hóa học chính của tăng trưởng PVT là:

Sic (s) Si (g)+c (s)

2SIC và₂C (g)+C (s)

2SIC ⇌ sic2 (g)+si (l, g)

Sic (s) sic (g)

Các đặc điểm của sự tăng trưởng PVT của các tinh thể đơn SIC là:

1) Có hai giao diện chắc chắn khí: một là giao diện bột khí-SIC và cái còn lại là giao diện tinh thể khí.

2) Pha khí bao gồm hai loại chất: một là các phân tử trơ được đưa vào hệ thống; khác là thành phần pha khí SIMCN được tạo ra bởi sự phân hủy và thăng hoa củaBột sic. Các thành phần pha khí SIMCN tương tác với nhau và một phần của các thành phần pha khí tinh thể được gọi là các yêu cầu của quá trình kết tinh sẽ phát triển thành tinh thể SIC.

3) Trong bột cacbua silic rắn, các phản ứng pha rắn sẽ xảy ra giữa các hạt chưa được thăng hoa, bao gồm một số hạt tạo thành thân gốm xốp thông qua thiêu kết, một số hạt tạo thành các hạt với kích thước hạt và các hạt cacbon.

4) Trong quá trình tăng trưởng tinh thể, hai thay đổi pha sẽ xảy ra: một là các hạt bột cacbua silicon rắn được chuyển thành các thành phần pha khí SIMCN thông qua sự phân hủy và thăng hoa không stoichiometric, và một là các thành phần pha khí được biến đổi thành các hạt lip.

2 Thiết kế thiết bị 

      Như được hiển thị trong Hình 2, lò tăng trưởng tinh thể đơn cacbua silicon chủ yếu bao gồm: lắp ráp nắp trên, lắp ráp buồng, hệ thống sưởi, cơ chế quay vòng, cơ chế nâng thấp hơn và hệ thống điều khiển điện.

2.1 Hệ thống sưởi ấm 

     Như được hiển thị trong Hình 3, hệ thống sưởi ấm áp dụng hệ thống sưởi cảm ứng và bao gồm một cuộn cảm ứng, AGROTITE CRUMBULE, một lớp cách nhiệt (Cảm thấy cứng nhắc, Cảm giác mềm mại. Do vật liệu lò nướng than chì có độ tinh khiết cao có độ dẫn tốt, một dòng điện cảm ứng được tạo ra trên tường nồi nấu kim loại, tạo thành một dòng điện xoáy. Theo tác động của lực Lorentz, dòng điện cảm ứng cuối cùng sẽ hội tụ ở thành ngoài của nồi nấu kim loại (tức là, hiệu ứng da) và dần dần suy yếu dọc theo hướng xuyên tâm. Do sự tồn tại của dòng điện xoáy, nhiệt Joule được tạo ra ở thành ngoài của nồi nấu kim loại, trở thành nguồn sưởi ấm của hệ thống tăng trưởng. Kích thước và phân phối của nhiệt Joule trực tiếp xác định trường nhiệt độ trong nồi nấu kim loại, từ đó ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của tinh thể.

     Như được hiển thị trong Hình 4, cuộn cảm ứng là một phần quan trọng của hệ thống sưởi ấm. Nó áp dụng hai bộ cấu trúc cuộn độc lập và được trang bị các cơ chế chuyển động chính xác trên và dưới tương ứng. Hầu hết sự mất nhiệt điện của toàn bộ hệ thống sưởi được chịu bởi cuộn dây, và phải làm mát bắt buộc phải được thực hiện. Cuộn dây là vết thương với một ống đồng và được làm mát bằng nước bên trong. Dòng tần số của dòng điện cảm ứng là 8 ~ 12 kHz. Tần số của hệ thống sưởi cảm ứng xác định độ sâu thâm nhập của trường điện từ trong lò nướng than chì. Cơ chế chuyển động cuộn dây sử dụng cơ chế cặp trục vít điều khiển động cơ. Cuộn dây cảm ứng hợp tác với nguồn cung cấp năng lượng cảm ứng để làm nóng viên than chì bên trong để đạt được sự thăng hoa của bột. Đồng thời, vị trí công suất và tương đối của hai bộ cuộn dây được kiểm soát để làm cho nhiệt độ ở tinh thể hạt thấp hơn ở mức nhỏ hơn, tạo thành một gradient nhiệt độ trục giữa tinh thể hạt và bột trong nồi nấu kim loại, và tạo thành một gradient nhiệt độ hướng tâm hợp lý ở tinh thể cacbide silicon.

2.2 Cơ chế xoay vòng 

      Trong sự phát triển của kích thước lớnSilicon cacbua đơn tinh thể, nồi nấu kim loại trong môi trường chân không của khoang được tiếp tục xoay theo các yêu cầu của quá trình, và trường nhiệt gradient và trạng thái áp suất thấp trong khoang cần phải được giữ ổn định. Như được hiển thị trong Hình 5, một cặp bánh răng điều khiển động cơ được sử dụng để đạt được vòng quay ổn định của nồi nấu kim loại. Một cấu trúc niêm phong chất lỏng từ tính được sử dụng để đạt được niêm phong động của trục quay. Con dấu chất lỏng từ tính sử dụng mạch từ trường quay được hình thành giữa nam châm, giày cực từ và tay áo từ tính để hấp thụ chắc chắn chất lỏng từ tính giữa đầu giày cực và tay áo để tạo thành vòng chất lỏng giống như O, ngăn chặn hoàn toàn khoảng cách để đạt được mục đích. Khi chuyển động quay được truyền từ khí quyển đến buồng chân không, thiết bị niêm phong động vật O-vòng chất lỏng được sử dụng để khắc phục những nhược điểm của sự hao mòn dễ dàng và tuổi thọ thấp trong niêm phong rắn, và chất lỏng từ tính lỏng có thể lấp đầy toàn bộ không gian đóng kín, do đó chặn tất cả các kênh. Hỗ trợ chất lỏng từ tính và sự hỗ trợ trong việc áp dụng cấu trúc làm mát nước để đảm bảo khả năng ứng dụng nhiệt độ cao của chất lỏng từ tính và hỗ trợ đóng đinh và đạt được sự ổn định của trạng thái trường nhiệt.

2.3 Cơ chế nâng nắp thấp hơn

     Cơ chế nâng nắp thấp hơn bao gồm một động cơ truyền động, vít bóng, hướng dẫn tuyến tính, khung nâng, nắp lò và khung nắp lò. Động cơ điều khiển khung nắp lò được kết nối với cặp hướng dẫn vít thông qua một bộ giảm tốc để nhận ra chuyển động lên và xuống của nắp dưới.

     Cơ chế nâng nắp thấp hơn tạo điều kiện cho việc đặt và loại bỏ các cruccibles có kích thước lớn, và quan trọng hơn, đảm bảo độ tin cậy niêm phong của lớp phủ lò thấp hơn. Trong toàn bộ quá trình, buồng có các giai đoạn thay đổi áp suất như chân không, áp suất cao và áp suất thấp. Trạng thái nén và niêm phong của nắp thấp hơn ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của quá trình. Một khi con dấu thất bại dưới nhiệt độ cao, toàn bộ quá trình sẽ bị loại bỏ. Thông qua thiết bị điều khiển và giới hạn động cơ, độ kín của cụm nắp dưới và buồng được điều khiển để đạt được trạng thái nén và niêm phong tốt nhất của vòng niêm phong buồng lò để đảm bảo tính ổn định của áp suất quá trình, như trong Hình 6.

2.4 Hệ thống điều khiển điện 

      Trong sự phát triển của các tinh thể cacbua silicon, hệ thống điều khiển điện cần kiểm soát chính xác các thông số quy trình khác nhau, chủ yếu bao gồm chiều cao vị trí cuộn dây, tốc độ quay vòng, công suất sưởi và nhiệt độ, lưu lượng khí đặc biệt khác nhau và mở van tỷ lệ.

      Như được hiển thị trong Hình 7, hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển có thể lập trình làm máy chủ, được kết nối với trình điều khiển servo thông qua xe buýt để nhận ra điều khiển chuyển động của cuộn dây và nồi nấu kim loại; Nó được kết nối với bộ điều khiển nhiệt độ và bộ điều khiển dòng chảy thông qua mobusrtu tiêu chuẩn để nhận ra kiểm soát thời gian thực về nhiệt độ, áp suất và dòng khí quá trình đặc biệt. Nó thiết lập giao tiếp với phần mềm cấu hình thông qua Ethernet, trao đổi thông tin hệ thống trong thời gian thực và hiển thị thông tin tham số quy trình khác nhau trên máy tính chủ. Các nhà khai thác, nhân viên xử lý và người quản lý trao đổi thông tin với hệ thống điều khiển thông qua giao diện-máy.

     Hệ thống điều khiển thực hiện tất cả việc thu thập dữ liệu hiện trường, phân tích trạng thái hoạt động của tất cả các bộ truyền động và mối quan hệ logic giữa các cơ chế. Bộ điều khiển lập trình nhận được hướng dẫn của máy tính chủ và hoàn thành việc kiểm soát từng bộ truyền động của hệ thống. Chiến lược thực thi và an toàn của menu xử lý tự động đều được thực hiện bởi bộ điều khiển lập trình. Tính ổn định của bộ điều khiển lập trình đảm bảo độ ổn định và độ tin cậy an toàn của hoạt động menu quy trình.

     Cấu hình trên duy trì trao đổi dữ liệu với bộ điều khiển lập trình trong thời gian thực và hiển thị dữ liệu trường. Nó được trang bị các giao diện hoạt động như điều khiển sưởi, điều khiển áp suất, điều khiển mạch khí và điều khiển động cơ và các giá trị cài đặt của các tham số khác nhau có thể được sửa đổi trên giao diện. Giám sát thời gian thực của các tham số báo động, cung cấp hiển thị báo động màn hình, ghi lại thời gian và dữ liệu chi tiết về sự xuất hiện và phục hồi báo động. Ghi lại thời gian thực của tất cả dữ liệu quy trình, nội dung hoạt động màn hình và thời gian hoạt động. Kiểm soát phản ứng tổng hợp của các tham số quy trình khác nhau được thực hiện thông qua mã cơ bản bên trong bộ điều khiển lập trình và có thể nhận ra tối đa 100 bước của quá trình. Mỗi bước bao gồm hơn một chục tham số quá trình như thời gian vận hành quá trình, công suất mục tiêu, áp suất mục tiêu, dòng chảy argon, dòng nitơ, dòng hydro, vị trí nồi nấu kim và tốc độ quay vòng.

3 Phân tích mô phỏng trường nhiệt

    Mô hình phân tích mô phỏng trường nhiệt được thiết lập. Hình 8 là bản đồ đám mây nhiệt độ trong buồng tăng trưởng nồi nấu kim loại. Để đảm bảo phạm vi nhiệt độ tăng trưởng của tinh thể đơn 4H-SiC, nhiệt độ trung tâm của tinh thể hạt được tính là 2200 và nhiệt độ cạnh là 2205,4. Tại thời điểm này, nhiệt độ trung tâm của đỉnh Crucible là 2167,5, và nhiệt độ cao nhất của diện tích bột (bên cạnh) là 2274,4, tạo thành một gradient nhiệt độ dọc trục.

       Sự phân bố độ dốc xuyên tâm của tinh thể được thể hiện trong Hình 9. Độ dốc nhiệt độ bên thấp hơn của bề mặt tinh thể hạt có thể cải thiện hiệu quả hình dạng tăng trưởng tinh thể. Chênh lệch nhiệt độ ban đầu được tính toán hiện tại là 5,4, và hình dạng tổng thể gần như phẳng và hơi lồi, có thể đáp ứng độ chính xác và yêu cầu độ chính xác của nhiệt độ xuyên tâm của bề mặt tinh thể hạt.

       Đường cong chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt vật liệu thô và bề mặt tinh thể hạt được thể hiện trong Hình 10. Nhiệt độ trung tâm của bề mặt vật liệu là 2210 và độ dốc nhiệt độ dọc 1 ℃/cm được hình thành giữa bề mặt vật liệu và bề mặt tinh thể hạt, nằm trong phạm vi hợp lý.

      Tốc độ tăng trưởng ước tính được thể hiện trong Hình 11. Tốc độ tăng trưởng quá nhanh có thể làm tăng khả năng các khiếm khuyết như đa hình và trật khớp. Tốc độ tăng trưởng ước tính hiện tại gần 0,1 mm/h, nằm trong phạm vi hợp lý.

     Thông qua phân tích và tính toán mô phỏng trường nhiệt, người ta thấy rằng nhiệt độ trung tâm và nhiệt độ cạnh của tinh thể hạt đáp ứng độ dốc nhiệt độ xuyên tâm của tinh thể 8 inch. Đồng thời, phần trên và dưới cùng của nồi nấu kim loại tạo thành một gradient nhiệt độ trục phù hợp với chiều dài và độ dày của tinh thể. Phương pháp gia nhiệt hiện tại của hệ thống tăng trưởng có thể đáp ứng sự tăng trưởng của các tinh thể đơn 8 inch.

4 Thử nghiệm thử nghiệm

     Sử dụng điều nàyLò tăng trưởng tinh thể đơn silicon, dựa trên độ dốc nhiệt độ của mô phỏng trường nhiệt, bằng cách điều chỉnh các tham số như nhiệt độ trên cùng, áp suất khoang, tốc độ quay vòng và vị trí tương đối của cuộn dây trên và dưới, một thử nghiệm tăng trưởng tinh thể cacbua silicon đã được thực hiện, và một tinh thể cacbide silicon 8 inch đã được thu thập (trong hình 12).

5 Kết luận

     Các công nghệ chính cho sự phát triển của các tinh thể đơn cacbua silicon 8 inch, chẳng hạn như trường nhiệt độ dốc, cơ chế chuyển động quay vòng và điều khiển tự động các tham số quá trình, đã được nghiên cứu. Trường nhiệt trong buồng tăng trưởng được mô phỏng và phân tích để có được độ dốc nhiệt độ lý tưởng. Sau khi thử nghiệm, phương pháp gia nhiệt cảm ứng dây đôi có thể đáp ứng sự tăng trưởng của kích thước lớnTinh thể cacbua silicon. Nghiên cứu và phát triển công nghệ này cung cấp công nghệ thiết bị để có được các tinh thể cacbua 8 inch và cung cấp nền tảng thiết bị cho việc chuyển đổi công nghiệp hóa cacbua silicon từ 6 inch lên 8 inch, cải thiện hiệu quả tăng trưởng của vật liệu cacbua silicon và giảm chi phí.