بر اساس فناوری کوره رشد تک کریستال کاربید 8 اینچی سیلیکون 8 اینچی

       کاربید سیلیکون یکی از مواد ایده آل برای ساخت دستگاه های با درجه حرارت بالا ، با فرکانس بالا ، با قدرت بالا و ولتاژ بالا است. به منظور بهبود بهره وری تولید و کاهش هزینه ها ، تهیه بسترهای کاربید با اندازه بزرگ یک جهت توسعه مهم است. با هدف نیازهای فرآیندرشد تک کریستالی 8 اینچی سیلیکون (SIC)، مکانیسم رشد روش حمل و نقل بخار فیزیکی کاربید سیلیکون (PVT) ، سیستم گرمایش (حلقه راهنمای TAC ، Crucible با پوشش TAC ،حلقه های روکش شده TAC، صفحه پوشش داده شده TAC ، حلقه سه گلبرگ با پوشش TAC ، پوشش سه گلبرگ با پوشش TAC ، نگهدارنده پوشش داده شده ، گرافیت متخلخل ، احساس نرم ، احساس سفتقطعات یدکی فرآیند رشد کریستال تک sicتوسط نیمه هادی Vetek ارائه شده است) ، چرخش قابل چرخش و فناوری کنترل پارامتر فرآیند کوره رشد کریستالی سیلیکون کاربید مورد بررسی قرار گرفت و کریستال های 8 اینچی با موفقیت از طریق تجزیه و تحلیل شبیه سازی میدان حرارتی و آزمایش های فرآیند تهیه و رشد کردند.

مقدمه

      کاربید سیلیکون (SIC) نماینده معمولی از مواد نیمه هادی نسل سوم است. این دارای مزایای عملکردی مانند عرض باند بزرگتر ، میدان الکتریکی با شکست بالاتر و هدایت حرارتی بالاتر است. در زمینه های درجه حرارت بالا ، فشار بالا و فرکانس بالا عملکرد خوبی دارد و به یکی از مسیرهای اصلی توسعه در زمینه فناوری مواد نیمه هادی تبدیل شده است.  در حال حاضر ، رشد صنعتی کریستال های کاربید سیلیکون عمدتاً از حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT) استفاده می کند ، که شامل مشکلات پیچیده اتصال میدان چند فیزیکی چند فاز ، چند مؤلفه ، گرمای متعدد و انتقال جرم و تعامل جریان گرمای مغناطیسی است. بنابراین ، طراحی سیستم رشد PVT دشوار است ، و اندازه گیری و کنترل پارامتر فرآیند در طولروند رشد کریستالدشوار است و در نتیجه مشکل در کنترل نقص کیفیت کریستال های کاربید سیلیکون رشد یافته و اندازه کریستال کوچک ایجاد می شود ، به طوری که هزینه دستگاه های دارای کاربید سیلیکون به عنوان بستر بالا باقی می ماند.

      تجهیزات تولید کاربید سیلیکون پایه و اساس فناوری کاربید سیلیکون و توسعه صنعتی است. سطح فنی ، توانایی فرآیند و ضمانت مستقل کوره رشد کریستالی کاربید سیلیکون ، کلید توسعه مواد کاربید سیلیکون در جهت اندازه بزرگ و عملکرد بالا است و همچنین عوامل اصلی هدایت صنعت نیمه هادی نسل سوم برای توسعه در جهت کم هزینه و مقیاس بزرگ است. در دستگاه های نیمه هادی با کریستال تک کاربید سیلیکون به عنوان بستر ، ارزش بستر بیشترین نسبت ، حدود 50 ٪ را تشکیل می دهد. توسعه تجهیزات رشد کریستالی کاربید با کیفیت بالا با کیفیت بزرگ ، بهبود عملکرد و رشد بسترهای کریستالی تک کاربید سیلیکون و کاهش هزینه های تولید از اهمیت اساسی در استفاده از دستگاه های مرتبط برخوردار است. به منظور افزایش عرضه ظرفیت تولید و کاهش بیشتر هزینه متوسط ​​دستگاه های کاربید سیلیکون ، گسترش اندازه بسترهای کاربید سیلیکون یکی از روشهای مهم است. در حال حاضر ، اندازه بستر بین المللی کاربید سیلیکون بین المللی 6 اینچ است و به سرعت در حال پیشرفت به 8 اینچ است.

       فن آوری های اصلی که باید در توسعه کوره های رشد کریستالی 8 اینچی سیلیکون 8 اینچی حل شوند عبارتند از: (1) طراحی ساختار میدان حرارتی با اندازه بزرگ برای به دست آوردن یک گرادیان دمای شعاعی کوچکتر و شیب دمای طولی بزرگتر مناسب برای رشد کریستال های کاربید سیلیکون 8 اینچی. (2) چرخش قابل حمل و ارتکاب کویل و مکانیسم حرکتی در اندازه بزرگ ، به طوری که Crucible در طی فرآیند رشد کریستال می چرخد ​​و با توجه به نیازهای فرآیند نسبت به سیم پیچ حرکت می کند تا از قوام کریستال 8 اینچی اطمینان حاصل شود و رشد و ضخامت را تسهیل کند. (3) کنترل خودکار پارامترهای فرآیند در شرایط پویا که نیازهای فرآیند رشد کریستالی با کیفیت بالا را برآورده می کند.

1 مکانیسم رشد کریستال PVT

       روش PVT تهیه کریستال های تک کاربید سیلیکون با قرار دادن منبع SIC در انتهای یک گرافیت متراکم استوانه ای است که قابل Crucible است و کریستال بذر SIC در نزدیکی پوشش قابل حمل قرار می گیرد. Crucible با القاء یا مقاومت فرکانس رادیویی به 2 300 ~ 2 400 ℃ گرم می شود و توسط گرافیت احساس می شود یا عایق بندی می شودگرافیت متخلخلبشر مواد اصلی منتقل شده از منبع SIC به کریستال بذر عبارتند از: مولکول های Si ، SI2C و SIC2. دمای موجود در کریستال بذر کمی پایین تر از میزان میکرو پودر پایین کنترل می شود و یک گرادیان دمای محوری در Crucible تشکیل می شود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، میکرو پودر کاربید سیلیکون در دمای بالا تصویب می شود تا گازهای واکنش اجزای مختلف فاز گاز را تشکیل دهد ، که با دمای پایین تر در زیر شیب دما به کریستال بذر می رسند و بر روی آن متبلور می شوند تا یک کربید سیلیکون استوانه ای تشکیل دهند.

واکنشهای شیمیایی اصلی رشد PVT عبارتند از:

sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2Sic ⇌ و₂C (g)+c (s)

2Sic ⇌ Sic2 (g)+Si (L ، G)

sic (s) ⇌ sic (g)

ویژگی های رشد PvT کریستال های تک SIC عبارتند از:

1) دو رابط جامد گاز وجود دارد: یکی رابط پودر بنزین و دیگری رابط گاز کریستال.

2) فاز گاز از دو نوع مواد تشکیل شده است: یکی مولکول های بی اثر که به سیستم وارد می شوند. مورد دیگر اجزای فاز گاز SIMCN است که توسط تجزیه و تصویب از آن تولید می شودپودربشر اجزای فاز گاز SIMCN با یکدیگر تعامل دارند و بخشی از اجزای فاز گاز کریستالی به اصطلاح SIMCN که نیازهای فرآیند تبلور را برآورده می کند ، به کریستال SIC تبدیل می شوند.

3) در پودر کاربید سیلیکون جامد ، واکنشهای فاز جامد بین ذراتی که تحت تعقیب قرار نگرفته اند رخ می دهد ، از جمله برخی از ذرات تشکیل بدن سرامیکی متخلخل از طریق پخت ، برخی از ذرات که با اندازه ذرات خاص و مورفولوژی کریستالوگرافی از طریق واکنش های تبلور تشکیل می دهند ، و برخی از ذرات کاربید سیلیکون که به دلیل ذرات غیر کربن ذرات کربن یا کربن تبدیل می شوند ، ذرات کربن یا کربن را تبدیل می کنند.

4) در طی فرآیند رشد کریستال ، دو تغییر فاز رخ می دهد: یکی این که ذرات پودر کاربید سیلیکون جامد به اجزای فاز گاز Simcn از طریق تجزیه غیر استوکیومتری و تصعید تبدیل می شوند ، و دیگری این است که اجزای فاز گاز SIMCN از طریق کریستالیزاسیون به ذرات مشبک تبدیل می شوند.

2 طراحی تجهیزات 

      همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، کوره رشد کریستالی تک کاربید سیلیکون به طور عمده شامل موارد زیر است: مونتاژ پوشش فوقانی ، مونتاژ محفظه ، سیستم گرمایش ، مکانیسم چرخش قابل حمل ، مکانیسم بلند کردن پوشش تحتانی و سیستم کنترل الکتریکی.

2.1 سیستم گرمایشی 

     همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است ، سیستم گرمایش گرمایش القایی را اتخاذ می کند و از یک سیم پیچ القایی تشکیل شده است ،گرافیت صلیب، یک لایه عایق (احساس سفت و سخت, احساس نرم) ، و غیره هنگامی که جریان متناوب فرکانس متوسط ​​از سیم پیچ القایی چند چرخش اطراف قسمت بیرونی گرافیت عبور می کند ، یک میدان مغناطیسی ناشی از همان فرکانس در گرافیت قابلمه شکل می گیرد و یک نیروی الکتروموتوری ناشی از آن ایجاد می کند. از آنجا که ماده گرافیت با خلوص بالا دارای هدایت خوبی است ، یک جریان ناشی از آن بر روی دیواره قابل حمل ایجاد می شود و جریان ادی را تشکیل می دهد. تحت عمل نیروی لورنتز ، جریان ناشی از آن سرانجام بر روی دیواره بیرونی مصلوب (یعنی اثر پوستی) همگرا می شود و به تدریج در امتداد جهت شعاعی تضعیف می شود. با توجه به وجود جریانهای گردی ، گرمای ژول بر روی دیواره بیرونی Crucible ایجاد می شود و به منبع گرمایش سیستم رشد تبدیل می شود. اندازه و توزیع گرمای ژول به طور مستقیم میدان دما را در سطح قابل تعیین تعیین می کند ، که به نوبه خود بر رشد کریستال تأثیر می گذارد.

     همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ، سیم پیچ القایی بخش مهمی از سیستم گرمایش است. این دو مجموعه از ساختارهای سیم پیچ مستقل را اتخاذ می کند و به ترتیب به مکانیسم های حرکتی با دقت بالا و پایین مجهز است. بیشتر گرمای الکتریکی کل سیستم گرمایشی توسط سیم پیچ تحمل می شود و باید خنک کننده اجباری انجام شود. سیم پیچ با یک لوله مسی پیچیده شده و توسط آب داخل آن خنک می شود. دامنه فرکانس جریان القا شده 12 k 12 کیلوهرتز است. فرکانس گرمایش القایی عمق نفوذ میدان الکترومغناطیسی در گرافیت را تعیین می کند. مکانیسم حرکت سیم پیچ از مکانیسم جفت پیچ موتور محور استفاده می کند. سیم پیچ القایی با منبع تغذیه القایی برای گرم کردن گرافیت داخلی گرافیت داخلی برای دستیابی به تصعید پودر همکاری می کند. در همان زمان ، قدرت و موقعیت نسبی دو مجموعه سیم پیچ کنترل می شود تا درجه حرارت در کریستال بذر پایین تر از آن در میکرو پودر پایین تر باشد ، یک گرادیان دمای محوری بین کریستال بذر و پودر در Crucible تشکیل می دهد و یک شیب معقول شعاعی در کریستال کاربید سیلیکون تشکیل می دهد.

2.2 مکانیسم چرخش صلیب 

      در طول رشد اندازه بزرگکریستال های تک کاربید سیلیکون، قابل حمل در محیط خلاء حفره با توجه به نیاز فرآیند در حال چرخش است و میدان حرارتی شیب و حالت فشار کم در حفره باید پایدار نگه داشته شود. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است ، از یک جفت دنده موتور محور برای دستیابی به چرخش پایدار از Crucible استفاده می شود. از ساختار آب بندی مایع مغناطیسی برای دستیابی به آب بندی پویا شافت چرخان استفاده می شود. مهر و موم مایع مغناطیسی از یک مدار میدان مغناطیسی در حال چرخش که بین آهنربا تشکیل شده است ، کفش قطب مغناطیسی و آستین مغناطیسی برای جذب محکم مایع مغناطیسی بین نوک کفش قطب و آستین برای تشکیل یک حلقه سیال مانند O حلقه استفاده می کند ، و این شکاف را به طور کامل مسدود می کند تا به هدف آب بندی برسد. هنگامی که حرکت چرخشی از جو به محفظه خلاء منتقل می شود ، از دستگاه آب بندی پویا با حلقه O-Ring برای غلبه بر مضرات سایش آسان و کم زندگی در آب بندی جامد استفاده می شود و مایع مغناطیسی مایع می تواند کل فضای مهر و موم شده را پر کند ، از این طریق تمام کانال هایی را که می توانند هوا را نشت کنند ، مسدود می کند و در دو فرآیند حرکت صلیبی و متوقف کردن صفر به دست می آید. مایع مغناطیسی و پشتیبانی قابل حمل ، یک ساختار خنک کننده آب را برای اطمینان از کاربرد درجه حرارت بالا از مایع مغناطیسی و پشتیبانی قابل حمل و دستیابی به پایداری حالت میدان حرارتی اتخاذ می کند.

2.3 مکانیسم بالابر تحت پوشش پایین

     مکانیسم بلند کردن پوشش پایین شامل یک موتور درایو ، پیچ توپ ، یک راهنمای خطی ، یک براکت بلند کردن ، یک پوشش کوره و یک براکت پوشش کوره است. موتور براکت پوشش کوره متصل به جفت راهنمای پیچ را از طریق یک کاهش دهنده هدایت می کند تا حرکت بالا و پایین پوشش تحتانی را تحقق بخشد.

     مکانیسم بلند کردن پوشش پایین ، قرار دادن و برداشتن صلیب های بزرگ را تسهیل می کند و از همه مهمتر ، قابلیت اطمینان آب بندی پوشش کوره تحتانی را تضمین می کند. در طی کل فرآیند ، محفظه مراحل تغییر فشار مانند خلاء ، فشار زیاد و فشار کم است. فشرده سازی و وضعیت آب بندی پوشش تحتانی به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان روند تأثیر می گذارد. هنگامی که مهر و موم در دمای بالا شکست خورد ، کل فرآیند از بین می رود. از طریق دستگاه کنترل موتور و دستگاه محدود ، سفتی مونتاژ پوشش پایین و محفظه برای دستیابی به بهترین حالت فشرده سازی و آب بندی حلقه آب بندی محفظه کوره برای اطمینان از پایداری فشار فرآیند ، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است ، کنترل می شود.

2.4 سیستم کنترل الکتریکی 

      در طول رشد کریستال های کاربید سیلیکون ، سیستم کنترل الکتریکی باید به طور دقیق پارامترهای فرآیند مختلف را کنترل کند ، به طور عمده از جمله ارتفاع موقعیت سیم پیچ ، میزان چرخش قابل حمل ، قدرت گرمایش و دما ، جریان ویژه مصرف گاز ویژه و باز کردن شیر متناسب.

      همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است ، سیستم کنترل از یک کنترلر قابل برنامه ریزی به عنوان سرور استفاده می کند ، که از طریق اتوبوس به درایور سروو وصل می شود تا کنترل حرکت سیم پیچ و صلیب را تحقق بخشد. از طریق MobusRTU استاندارد به کنترلر دما و کنترل کننده جریان متصل می شود تا کنترل زمان واقعی دما ، فشار و جریان گاز فرآیند ویژه را تحقق بخشد. این ارتباط با نرم افزار پیکربندی از طریق اترنت برقرار می شود ، اطلاعات سیستم را در زمان واقعی مبادله می کند و اطلاعات مختلف پارامتر فرآیند را در رایانه میزبان نمایش می دهد. اپراتورها ، پرسنل فرآیند و مدیران اطلاعات را با سیستم کنترل از طریق رابط انسان و ماشین تبادل می کنند.

     سیستم کنترل تمام جمع آوری داده های میدانی ، تجزیه و تحلیل وضعیت عملیاتی همه محرک ها و رابطه منطقی بین مکانیسم ها را انجام می دهد. کنترل کننده قابل برنامه ریزی دستورالعمل های رایانه میزبان را دریافت می کند و کنترل هر محرک سیستم را تکمیل می کند. اجرای و استراتژی ایمنی منوی فرآیند اتوماتیک همه توسط کنترلر قابل برنامه ریزی اجرا می شوند. پایداری کنترلر قابل برنامه ریزی ، پایداری و قابلیت اطمینان ایمنی عملکرد منوی فرآیند را تضمین می کند.

     پیکربندی فوقانی تبادل داده را با کنترلر قابل برنامه ریزی در زمان واقعی حفظ می کند و داده های فیلد را نمایش می دهد. این مجهز به رابط های عملیاتی مانند کنترل گرمایش ، کنترل فشار ، کنترل مدار گاز و کنترل موتور است و مقادیر تنظیم پارامترهای مختلف را می توان در رابط اصلاح کرد. نظارت بر زمان واقعی پارامترهای هشدار ، ارائه صفحه نمایش زنگ صفحه ، ضبط زمان و داده های دقیق از وقوع زنگ و بازیابی. ضبط در زمان واقعی کلیه داده های فرآیند ، محتوای عملکرد صفحه و زمان عملکرد. کنترل همجوشی پارامترهای مختلف فرآیند از طریق کد اساسی در داخل کنترلر قابل برنامه ریزی تحقق می یابد و حداکثر 100 مرحله فرآیند قابل تحقق است. هر مرحله شامل بیش از دوجین پارامتر فرآیند مانند زمان عملکرد فرآیند ، قدرت هدف ، فشار هدف ، جریان آرگون ، جریان نیتروژن ، جریان هیدروژن ، موقعیت قابل حمل و سرعت قابل حمل است.

3 تجزیه و تحلیل شبیه سازی میدان حرارتی

    مدل تجزیه و تحلیل شبیه سازی میدان حرارتی ایجاد شده است. شکل 8 نقشه ابر دما در محفظه رشد قابل حمل است. به منظور اطمینان از دامنه دمای رشد کریستال 4H-SIC ، دمای مرکزی کریستال بذر 2200 ℃ محاسبه می شود و دمای لبه 2205.4 است. در این زمان ، دمای مرکز بالای سطح قابل حمل 2167.5 ℃ و بالاترین دمای ناحیه پودر (سمت پایین) 2274.4 است که یک گرادیان دمای محوری تشکیل می دهد.

       توزیع شیب شعاعی کریستال در شکل 9 نشان داده شده است. گرادیان دمای جانبی پایین سطح کریستال بذر می تواند به طور موثری شکل رشد کریستال را بهبود بخشد. جریان محاسبه شده جریان اولیه محاسبه شده 5.4 ℃ و شکل کلی تقریباً مسطح و کمی محدب است که می تواند دقت کنترل دمای شعاعی و الزامات یکنواختی سطح کریستال بذر را برآورده کند.

       منحنی اختلاف دما بین سطح مواد اولیه و سطح کریستال بذر در شکل 10 نشان داده شده است. دمای مرکز سطح مواد 2210 ℃ و یک گرادیان دمای طولی 1 ℃/سانتی متر بین سطح مواد و سطح کریستال بذر تشکیل می شود که در محدوده معقول است.

      نرخ رشد تخمین زده شده در شکل 11 نشان داده شده است. سرعت رشد بیش از حد سریع می تواند احتمال نقص مانند پلی مورفیسم و ​​جابجایی را افزایش دهد. نرخ رشد تخمین زده شده فعلی نزدیک به 0.1 میلی متر در ساعت است که در محدوده معقول است.

     از طریق تجزیه و تحلیل شبیه سازی میدان حرارتی و محاسبه ، مشخص شده است که دمای مرکز و دمای لبه کریستال بذر گرادیان دمای شعاعی کریستال 8 اینچ را برآورده می کند. در عین حال ، بالا و پایین از سطح قابل حمل یک گرادیان دمای محوری مناسب برای طول و ضخامت کریستال تشکیل می شود. روش گرمایش فعلی سیستم رشد می تواند رشد کریستال های 8 اینچی را برآورده کند.

4 آزمایش آزمایشی

     با استفاده از اینکوره رشد تک کریستال کاربید سیلیکون، بر اساس گرادیان دما از شبیه سازی میدان حرارتی ، با تنظیم پارامترهایی مانند دمای بالای سطح قابل حمل ، فشار حفره ، سرعت چرخش قابل چرخش و موقعیت نسبی کویل های فوقانی و تحتانی ، یک تست رشد کریستال کاربید سیلیکون انجام شد و یک کریستال 8 اینچی سیلیکون کاربید انجام شد (همانطور که در شکل 12) نشان داده شد.

5 نتیجه گیری

     فن آوری های کلیدی برای رشد کریستال های تک کاربید سیلیکون 8 اینچی ، مانند میدان حرارتی شیب ، مکانیسم حرکت قابل حمل و کنترل خودکار پارامترهای فرآیند ، مورد بررسی قرار گرفت. میدان حرارتی در محفظه رشد قابل حمل برای به دست آوردن گرادیان دمای ایده آل شبیه سازی و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. پس از آزمایش ، روش گرمایش القایی دو سیم پیچ می تواند رشد اندازه بزرگ را برآورده کندکریستال های کاربید سیلیکونبشر تحقیق و توسعه این فناوری ، فناوری تجهیزات را برای به دست آوردن کریستال های 8 اینچی کاربید فراهم می کند و پایه و اساس تجهیزات انتقال صنعتی شدن کاربید سیلیکون از 6 اینچ به 8 اینچ را فراهم می کند و باعث بهبود راندمان رشد مواد کاربید سیلیکون و کاهش هزینه ها می شود.