Basé sur la technologie de four de croissance monocristallin en carbure de silicium de 8 pouces

Le carbure de silicium est l'un des matériaux idéaux pour fabriquer des appareils à haute température, haute fréquence, haute puissance et haute tension. Afin d'améliorer l'efficacité de la production et de réduire les coûts, la préparation de substrats en carbure de silicium de grande taille constitue une direction de développement importante. Visant aux exigences du processus deCroissance monocristalline en carbure de silicium (SIC) de 8 pouces, le mécanisme de croissance de la méthode de transport physique de vapeur(PVT) au carbure de silicium a été analysé, le système de chauffage(anneau de guidage TaC, creuset revêtu de TaC,Anneaux revêtus de TaC, plaque enduite de TaC, anneau à trois pétales enduit de TaC, creuset à trois pétales enduit de TaC, support enduit de TaC, graphite poreux, feutre doux, feutre rigide, suscepteur de croissance cristalline enduit de SiC et autresPièces de rechange pour le processus de croissance monocristallin SiCsont fournis par VeTek Semiconductor), la rotation du creuset et la technologie de contrôle des paramètres de processus du four de croissance monocristallin en carbure de silicium ont été étudiées, et des cristaux de 8 pouces ont été préparés et cultivés avec succès grâce à une analyse de simulation de champ thermique et à des expériences de processus.

0 Présentation

Le carbure de silicium (SiC) est un représentant typique des matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Il présente des avantages en termes de performances, tels qu'une plus grande largeur de bande interdite, un champ électrique de claquage plus élevé et une conductivité thermique plus élevée. Il fonctionne bien dans les champs à haute température, haute pression et haute fréquence et est devenu l'une des principales orientations de développement dans le domaine de la technologie des matériaux semi-conducteurs. Il a un large éventail de besoins d'application dans les véhicules à énergies nouvelles, la production d'énergie photovoltaïque, le transport ferroviaire, les réseaux intelligents, la communication 5G, les satellites, les radars et d'autres domaines. À l'heure actuelle, la croissance industrielle des cristaux de carbure de silicium utilise principalement le transport physique de vapeur (PVT), qui implique des problèmes complexes de couplage de champs multi-physiques de transferts de chaleur et de masse multiphasés, multi-composants et multiples et d'interaction de flux de chaleur magnéto-électrique. Par conséquent, la conception du système de croissance PVT est difficile, et la mesure et le contrôle des paramètres du processus pendant laprocessus de croissance cristallineest difficile, ce qui entraîne la difficulté de contrôler les défauts de qualité des cristaux de carbure de silicium développés et la petite taille des cristaux, de sorte que le coût des dispositifs comportant du carbure de silicium comme substrat reste élevé.

Les équipements de fabrication de carbure de silicium constituent le fondement de la technologie du carbure de silicium et du développement industriel. Le niveau technique, la capacité du processus et la garantie indépendante du four de croissance monocristallin en carbure de silicium sont la clé du développement des matériaux en carbure de silicium dans le sens d'une grande taille et d'un rendement élevé, et sont également les principaux facteurs qui poussent l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération à évoluer dans le sens d’un faible coût et d’une grande échelle. À l'heure actuelle, le développement de dispositifs en carbure de silicium à haute tension, haute puissance et haute fréquence a fait des progrès significatifs, mais l'efficacité de la production et le coût de préparation des dispositifs deviendront un facteur important limitant leur développement. Dans les dispositifs semi-conducteurs avec un monocristal de carbure de silicium comme substrat, la valeur du substrat représente la plus grande proportion, environ 50 %. Le développement d'équipements de grande taille et de haute qualité pour la croissance de cristaux de carbure de silicium, l'amélioration du rendement et du taux de croissance des substrats monocristallins en carbure de silicium et la réduction des coûts de production sont d'une importance capitale pour l'application de dispositifs associés. Afin d'augmenter l'offre de capacité de production et de réduire davantage le coût moyen des dispositifs en carbure de silicium, l'augmentation de la taille des substrats en carbure de silicium est l'un des moyens importants. À l'heure actuelle, la taille du substrat en carbure de silicium courant international est de 6 pouces, et elle a rapidement progressé jusqu'à 8 pouces.

Les principales technologies qui doivent être résolues dans le développement de fours de croissance monocristallins en carbure de silicium de 8 pouces comprennent : 1) Conception d'une structure de champ thermique de grande taille pour obtenir un gradient de température radial plus petit et un gradient de température longitudinal plus important adapté à la croissance. de cristaux de carbure de silicium de 8 pouces. 2) Rotation du creuset de grande taille et mécanisme de mouvement de levage et d'abaissement de la bobine, de sorte que le creuset tourne pendant le processus de croissance des cristaux et se déplace par rapport à la bobine selon les exigences du processus pour assurer la cohérence du cristal de 8 pouces et faciliter la croissance et l'épaisseur. . 3) Contrôle automatique des paramètres du processus dans des conditions dynamiques qui répondent aux besoins du processus de croissance monocristalline de haute qualité.

1 mécanisme de croissance cristalline PVT

La méthode PVT consiste à préparer des monocristaux de carbure de silicium en plaçant la source de SiC au fond d'un creuset cylindrique en graphite dense, et le cristal germe de SiC est placé près du couvercle du creuset. Le creuset est chauffé à 2 300 ~ 2 400 ℃ par induction ou résistance radiofréquence, et est isolé par un feutre de graphite ougraphite poreux. Les principales substances transportées de la source de SiC vers le cristal germe sont le Si, les molécules Si2C et le SiC2. La température au niveau du germe cristallin est contrôlée pour être légèrement inférieure à celle de la micro-poudre inférieure, et un gradient de température axial est formé dans le creuset. Comme le montre la figure 1, la micropoudre de carbure de silicium se sublime à haute température pour former des gaz de réaction de différents composants en phase gazeuse, qui atteignent le cristal germe avec une température plus basse sous l'action du gradient de température et cristallisent dessus pour former un cristal cylindrique. lingot de carbure de silicium.

Les principales réactions chimiques de la croissance du PVT sont :

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)

Les caractéristiques de la croissance PVT des monocristaux de SiC sont :

1) Il existe deux interfaces gaz-solide : l’une est l’interface gaz-poudre de SiC et l’autre est l’interface gaz-cristal.

2) La phase gazeuse est composée de deux types de substances : l’une est constituée de molécules inertes introduites dans le système ; l'autre est le composant en phase gazeuse SimCn produit par la décomposition et la sublimation dePoudre de SiC. Les composants en phase gazeuse SimCn interagissent les uns avec les autres, et une partie des composants dits en phase gazeuse cristalline SimCn qui répondent aux exigences du processus de cristallisation se développeront en cristal de SiC.

3) Dans la poudre de carbure de silicium solide, des réactions en phase solide se produiront entre les particules qui ne se sont pas sublimées, y compris certaines particules formant des corps céramiques poreux par frittage, certaines particules formant des grains avec une certaine taille de particule et une certaine morphologie cristallographique par des réactions de cristallisation, et certaines les particules de carbure de silicium se transforment en particules riches en carbone ou en particules de carbone en raison d'une décomposition et d'une sublimation non stœchiométriques.

4) Au cours du processus de croissance cristalline, deux changements de phase se produiront : l'un est que les particules de poudre de carbure de silicium solide sont transformées en composants en phase gazeuse SimCn par décomposition non stœchiométrique et sublimation, et l'autre est que les composants en phase gazeuse SimCn sont transformés. en particules de réseau par cristallisation.

2 Conception de l'équipement Comme le montre la figure 2, le four de croissance monocristallin en carbure de silicium comprend principalement : l'ensemble couvercle supérieur, l'ensemble chambre, le système de chauffage, le mécanisme de rotation du creuset, le mécanisme de levage du couvercle inférieur et le système de commande électrique.

2.1 Système de chauffage Comme le montre la figure 3, le système de chauffage adopte un chauffage par induction et est composé d'une bobine d'induction, d'uncreuset en graphite, une couche isolante (feutre rigide, feutre doux), etc. Lorsque le courant alternatif moyenne fréquence traverse la bobine d'induction multitours entourant l'extérieur du creuset en graphite, un champ magnétique induit de la même fréquence se forme dans le creuset en graphite, générant une force électromotrice induite. Étant donné que le matériau du creuset en graphite de haute pureté a une bonne conductivité, un courant induit est généré sur la paroi du creuset, formant un courant de Foucault. Sous l’action de la force de Lorentz, le courant induit finira par converger vers la paroi externe du creuset (c’est-à-dire l’effet de peau) et s’affaiblira progressivement dans la direction radiale. En raison de l'existence de courants de Foucault, de la chaleur Joule est générée sur la paroi externe du creuset, devenant ainsi la source de chaleur du système de croissance. La taille et la répartition de la chaleur Joule déterminent directement le champ de température dans le creuset, ce qui affecte à son tour la croissance du cristal.

Comme le montre la figure 4, la bobine d'induction est un élément clé du système de chauffage. Il adopte deux ensembles de structures de bobines indépendantes et est équipé respectivement de mécanismes de mouvement de précision supérieure et inférieure. La majeure partie des pertes de chaleur électrique de l'ensemble du système de chauffage est supportée par le serpentin et un refroidissement forcé doit être effectué. La bobine est enroulée avec un tube de cuivre et refroidie par l'eau à l'intérieur. La plage de fréquences du courant induit est de 8 à 12 kHz. La fréquence du chauffage par induction détermine la profondeur de pénétration du champ électromagnétique dans le creuset en graphite. Le mécanisme de mouvement de la bobine utilise un mécanisme à paire de vis entraîné par moteur. La bobine d'induction coopère avec l'alimentation à induction pour chauffer le creuset interne en graphite afin de réaliser la sublimation de la poudre. Dans le même temps, la puissance et la position relative des deux ensembles de bobines sont contrôlées pour rendre la température au niveau du germe cristallin inférieure à celle de la micro-poudre inférieure, formant ainsi un gradient de température axial entre le germe cristallin et la poudre dans le creuset, et formant un gradient de température radial raisonnable au niveau du cristal de carbure de silicium.

2.2 Mécanisme de rotation du creuset Durant la croissance de grandesmonocristaux de carbure de silicium, le creuset dans l'environnement sous vide de la cavité continue de tourner en fonction des exigences du processus, et le champ thermique du gradient et l'état de basse pression dans la cavité doivent rester stables. Comme le montre la figure 5, une paire d'engrenages entraînés par un moteur est utilisée pour obtenir une rotation stable du creuset. Une structure d'étanchéité fluide magnétique est utilisée pour obtenir une étanchéité dynamique de l'arbre rotatif. Le joint fluide magnétique utilise un circuit de champ magnétique rotatif formé entre l'aimant, le sabot polaire magnétique et le manchon magnétique pour adsorber fermement le liquide magnétique entre la pointe du sabot polaire et le manchon pour former un anneau fluide en forme de joint torique, bloquant complètement L'écart pour atteindre l'objectif d'étanchéité. Lorsque le mouvement de rotation est transmis de l'atmosphère à la chambre à vide, le dispositif d'étanchéité dynamique à joint torique liquide est utilisé pour surmonter les inconvénients d'une usure facile et d'une faible durée de vie dans l'étanchéité solide, et le fluide magnétique liquide peut remplir tout l'espace scellé, bloquant ainsi tous les canaux susceptibles de laisser échapper de l'air et obtenant une fuite nulle dans les deux processus de mouvement et d'arrêt du creuset. Le fluide magnétique et le support de creuset adoptent une structure de refroidissement par eau pour garantir l'applicabilité à haute température du fluide magnétique et du support de creuset et obtenir la stabilité de l'état du champ thermique.

2.3 Mécanisme de levage du couvercle inférieur

Le mécanisme de levage du couvercle inférieur se compose d'un moteur d'entraînement, d'une vis à billes, d'un guide linéaire, d'un support de levage, d'un couvercle de four et d'un support de couvercle de four. Le moteur entraîne le support du couvercle du four connecté à la paire de guides de vis via un réducteur pour réaliser le mouvement de haut en bas du couvercle inférieur.

Le mécanisme de levage du couvercle inférieur facilite le placement et le retrait des creusets de grande taille et, plus important encore, garantit la fiabilité de l'étanchéité du couvercle inférieur du four. Pendant tout le processus, la chambre comporte des étapes de changement de pression telles que le vide, la haute pression et la basse pression. L'état de compression et d'étanchéité du couvercle inférieur affecte directement la fiabilité du processus. Une fois que le joint échoue à haute température, l’ensemble du processus sera abandonné. Grâce au dispositif de commande et de limite d'asservissement du moteur, l'étanchéité de l'ensemble couvercle inférieur et de la chambre est contrôlée pour obtenir le meilleur état de compression et d'étanchéité de la bague d'étanchéité de la chambre du four afin d'assurer la stabilité de la pression du processus, comme le montre la figure 6. .

2.4 Système de contrôle électrique Pendant la croissance des cristaux de carbure de silicium, le système de contrôle électrique doit contrôler avec précision différents paramètres de processus, notamment la hauteur de la position de la bobine, la vitesse de rotation du creuset, la puissance et la température de chauffage, les différents débits d'admission de gaz spéciaux et l'ouverture de la vanne proportionnelle.

Comme le montre la figure 7, le système de contrôle utilise un contrôleur programmable comme serveur, qui est connecté au servomoteur via le bus pour réaliser le contrôle de mouvement de la bobine et du creuset ; il est connecté au contrôleur de température et au contrôleur de débit via le MobusRTU standard pour réaliser un contrôle en temps réel de la température, de la pression et du débit de gaz de traitement spécial. Il établit la communication avec le logiciel de configuration via Ethernet, échange des informations système en temps réel et affiche diverses informations sur les paramètres du processus sur l'ordinateur hôte. Les opérateurs, le personnel du processus et les gestionnaires échangent des informations avec le système de contrôle via l'interface homme-machine.

Le système de contrôle effectue toutes les collectes de données sur le terrain, l'analyse de l'état de fonctionnement de tous les actionneurs et la relation logique entre les mécanismes. L'automate programmable reçoit les instructions de l'ordinateur hôte et complète le contrôle de chaque actionneur du système. L'exécution et la stratégie de sécurité du menu de processus automatique sont toutes exécutées par l'automate programmable. La stabilité du contrôleur programmable garantit la stabilité et la fiabilité du fonctionnement du menu de processus.

La configuration supérieure maintient l'échange de données avec l'automate programmable en temps réel et affiche les données de terrain. Il est équipé d'interfaces de fonctionnement telles que le contrôle du chauffage, le contrôle de la pression, le contrôle du circuit de gaz et le contrôle du moteur, et les valeurs de réglage de divers paramètres peuvent être modifiées sur l'interface. Surveillance en temps réel des paramètres d'alarme, fournissant un affichage d'alarme à l'écran, enregistrant l'heure et les données détaillées d'apparition et de récupération d'alarme. Enregistrement en temps réel de toutes les données de processus, du contenu du fonctionnement de l'écran et du temps de fonctionnement. Le contrôle de fusion de divers paramètres de processus est réalisé via le code sous-jacent à l'intérieur du contrôleur programmable, et un maximum de 100 étapes de processus peuvent être réalisées. Chaque étape comprend plus d'une douzaine de paramètres de processus tels que la durée de fonctionnement du processus, la puissance cible, la pression cible, le débit d'argon, le débit d'azote, le débit d'hydrogène, la position du creuset et le débit du creuset.

3 Analyse de simulation de champ thermique

Le modèle d'analyse de simulation de champ thermique est établi. La figure 8 est la carte des nuages ​​de température dans la chambre de croissance en creuset. Afin de garantir la plage de température de croissance du monocristal 4H-SiC, la température centrale du germe cristallin est calculée à 2 200 ℃ et la température de bord est de 2 205,4 ℃. À ce moment, la température centrale du dessus du creuset est de 2 167,5 ℃ et la température la plus élevée de la zone de poudre (côté vers le bas) est de 2 274,4 ℃, formant un gradient de température axial.

La distribution du gradient radial du cristal est illustrée à la figure 9. Le gradient de température latéral inférieur de la surface du germe cristallin peut améliorer efficacement la forme de croissance du cristal. La différence de température initiale actuellement calculée est de 5,4 ℃, et la forme globale est presque plate et légèrement convexe, ce qui peut répondre aux exigences de précision et d'uniformité du contrôle radial de la température de la surface des cristaux de germe.

La courbe de différence de température entre la surface de la matière première et la surface du cristal de germe est illustrée à la figure 10. La température centrale de la surface du matériau est de 2 210 ℃ et un gradient de température longitudinal de 1 ℃/cm est formé entre la surface du matériau et la graine. surface cristalline, qui se situe dans une plage raisonnable.

Le taux de croissance estimé est illustré à la figure 11. Un taux de croissance trop rapide peut augmenter la probabilité de défauts tels que le polymorphisme et la luxation. Le taux de croissance actuellement estimé est proche de 0,1 mm/h, ce qui se situe dans une fourchette raisonnable.

Grâce à l'analyse et au calcul de simulation de champ thermique, il s'avère que la température centrale et la température des bords du germe cristallin correspondent au gradient de température radial du cristal de 8 pouces. En même temps, le haut et le bas du creuset forment un gradient de température axial adapté à la longueur et à l'épaisseur du cristal. La méthode de chauffage actuelle du système de croissance peut répondre à la croissance de monocristaux de 8 pouces.

4 Test expérimental

Utiliser ceciFour de croissance monocristallin en carbure de silicium, sur la base du gradient de température de la simulation du champ thermique, en ajustant les paramètres tels que la température supérieure du creuset, la pression de la cavité, la vitesse de rotation du creuset et la position relative des bobines supérieure et inférieure, un test de croissance des cristaux de carbure de silicium a été effectué , et un cristal de carbure de silicium de 8 pouces a été obtenu (comme le montre la figure 12).

5. Conclusion

Les technologies clés pour la croissance de monocristaux de carbure de silicium de 8 pouces, telles que le champ thermique à gradient, le mécanisme de mouvement du creuset et le contrôle automatique des paramètres du processus, ont été étudiées. Le champ thermique dans la chambre de croissance en creuset a été simulé et analysé pour obtenir le gradient de température idéal. Après test, la méthode de chauffage par induction à double bobine peut répondre à la croissance des produits de grande taille.cristaux de carbure de silicium. La recherche et le développement de cette technologie fournissent une technologie d'équipement pour obtenir des cristaux de carbure de 8 pouces et fournissent une base d'équipement pour la transition de l'industrialisation du carbure de silicium de 6 pouces à 8 pouces, améliorant ainsi l'efficacité de croissance des matériaux en carbure de silicium et réduisant les coûts.