Basé sur la technologie de fournaise de croissance monocristalline de carbure de silicium 8 pouces

       Le carbure de silicium est l'un des matériaux idéaux pour fabriquer des dispositifs 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 est une direction de développement importante. Visant les exigences du processus deCroissance monocristalline en carbure de silicium (sic) de 8 pouces (sic), le mécanisme de croissance de la méthode du transport physique de vapeur en carbure de silicium (PVT) a été analysé, le système de chauffage (anneau de guidage TAC, creuset enduit TAC,Bagues en revêtement, Plaque revêtue de TAC, anneau à trois petal enduit de TAC, Crictible à trois pétenles enrobée de TAProcédé de croissance monocristalline SICsont fournis par Vetek Semiconductor), la rotation du creuset et la technologie de contrôle des paramètres de processus du four à croissance monocristalline de carbure de silicium ont été étudiées, et des cristaux de 8 pouces ont été préparés avec succès et cultivés par analyse de simulation de champ thermique et expériences de processus.

Introduction

      Le carbure de silicium (SIC) est un représentant typique des matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Il présente des avantages de performance tels que la plus grande largeur de bande interdite, le champ électrique de dégradation plus élevé et la conductivité thermique plus élevée. Il fonctionne bien dans des champs à haute température, à haute pression et à haute fréquence, et est devenu l'une des principales directions de développement dans le domaine de la technologie des matériaux semi-conducteurs.  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 champ multi-physiques d'interaction multi-phases, multi-composants, de chaleur multiple et de transfert de masse 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 de processusprocessus de croissance cristallineest difficile, entraînant la difficulté de contrôler les défauts de qualité des cristaux de carbure de silicium cultivés et la petite taille de cristal, de sorte que le coût des appareils avec du carbure de silicium car le substrat reste élevé.

      L'équipement de fabrication de carbure de silicium est le fondement de la technologie du carbure de silicium et du développement industriel. Le niveau technique, la capacité de processus et la garantie indépendante du four à croissance monocusstal en carbure de silicium sont la clé du développement de matériaux en carbure de silicium dans le sens de grande taille et de grande taille, et sont également les principaux facteurs qui conduisent l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération à se développer dans le sens du faible coût et de la grande échelle. Dans les dispositifs semi-conducteurs à carbure de silicium monocusstal en tant que substrat, la valeur du substrat représente la plus grande proportion, environ 50%. Le développement de l'équipement de croissance en cristal de carbure de silicium de haute qualité de grande qualité, l'amélioration du rendement et du taux de croissance des substrats monocristaux en carbure de silicium et la réduction des coûts de production sont d'une importance clé pour l'application d'appareils apparentés. Afin d'augmenter l'offre de capacité de production et de réduire davantage le coût moyen des appareils en carbure de silicium, l'élargissement de la taille des substrats en carbure de silicium est l'un des moyens importants. À l'heure actuelle, la taille internationale du substrat en carbure de silicium traditionnel est de 6 pouces, et elle a rapidement progressé à 8 pouces.

       Les principales technologies qui doivent être résolues dans le développement de fours à croissance monocristalline de carbure de silicium de 8 pouces comprennent: (1) la 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 grand adapté à la croissance des cristaux de carbure de silicium de 8 pouces en silicium. (2) Mécanisme de mouvement de rotation et de bobine de grande taille de taille et abaissement, de sorte que le creuset tourne pendant le processus de croissance des cristaux et se déplace par rapport à la bobine en fonction des exigences du processus pour assurer la cohérence du cristal de 8 pouces et faciliter la croissance et l'épaisseur. (3) Contrôle automatique des paramètres de processus dans des conditions dynamiques qui répondent aux besoins du processus de croissance monocristalliste de haute qualité.

1 mécanisme de croissance des cristaux Pvt

       La méthode PVT consiste à préparer des monocristaux en carbure de silicium en plaçant la source SIC au fond d'un creuset en graphite dense cylindrique, et le cristal de graine SIC est placé près du couvercle du creuset. Le creuset est chauffé à 2 300 ~ 2 400 ℃ par induction ou résistance à la radiofréquence, et est isolé par le graphite en feutre ougraphite poreux. Les principales substances transportées de la source SIC vers le cristal de graines sont SI, les molécules SI2C et SIC2. La température au niveau du cristal des graines est contrôlée pour être légèrement inférieure à celle de la micro-poudre inférieure, et un gradient de température axial se forme dans le creuset. Comme le montre la figure 1, la micro-poudre en carbure de silicium sublimate à haute température pour former des gaz de réaction de différents composants de phase gazeuse, qui atteignent le cristal de graines avec une température plus basse sous le volant du gradient de température et cristallisent dessus pour former un lingot de carbure de silicium cylindrique.

Les principales réactions chimiques de la croissance du PVT sont:

Sic (s) ⇌ si (g) + c (s)

2SIC ⇌ et₂C (g) + c (s)

2SIC ⇌ SIC2 (G) + Si (L, G)

Sic (s) ⇌ sic (g)

Les caractéristiques de la croissance en Pvt des monocristaux SIC sont:

1) Il y a deux interfaces solides au gaz: l'une est l'interface de poudre de gaz-sic, et l'autre est l'interface de cristal de gaz.

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

3) Dans la poudre de carbure de silicium solide, des réactions en phase solide se produiront entre des particules qui n'ont pas sublimées, y compris certaines particules formant des corps en céramique poreux par le frittage, certaines particules formant des grains avec une certaine taille de particules et une morphologie cristallographique et des réactions de cristallisation, et certaines particules de carbure de silicium et des particules de carbone à carbon sublimation.

4) Pendant le processus de croissance des cristaux, deux changements de phases se produiront: l'une est que les particules de poudre de carbure de silicium solide sont transformées en composants de phase gazeuse SIMCN par décomposition et sublimation non stoechiométriques, et l'autre est que les composants de phase gazeuse SIMCN sont transformés en particules de lattice par cristallisation.

2 conception d'équipement 

      Comme le montre la figure 2, la fournaise de croissance monocristalline en carbure de silicium comprend principalement: l'ensemble de la couverture supérieure, l'assemblage de la chambre, le système de chauffage, le mécanisme de rotation du creuset, le mécanisme de levage de couvercle inférieur et le système de contrôle électrique.

2.1 Système de chauffage 

     Comme le montre la figure 3, le système de chauffage adopte le chauffage d'induction et est composé d'une bobine d'induction, unCrucible en graphite, une couche d'isolation (feutre rigide, feutre doux), etc. Étant donné que le matériau de crucible en graphite de haute pureté a une bonne conductivité, un courant induit est généré sur le mur de creuset, formant un courant de Foucault. Sous l'action de la force de Lorentz, le courant induit finira par converger sur la paroi extérieure du creuset (c'est-à-dire l'effet cutané) et s'affaiblit progressivement le long de la direction radiale. En raison de l'existence de courants de Foucault, la chaleur de Joule est générée sur la paroi extérieure du creuset, devenant la source de chauffage du système de croissance. La taille et la distribution de la chaleur de 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 supérieur et inférieur. La majeure partie de la perte de chaleur électrique de l'ensemble du système de chauffage est supportée par la bobine et le refroidissement forcé doit être effectué. La bobine est enroulée avec un tube en cuivre et refroidie par l'eau à l'intérieur. La plage de fréquence du courant induit est de 8 à 12 kHz. La fréquence du chauffage d'induction détermine la profondeur de pénétration du champ électromagnétique dans le creuset en graphite. Le mécanisme de mouvement de la bobine utilise un mécanisme de paire de vis entraîné par moteur. La bobine d'induction coopère avec l'alimentation à induction pour chauffer le creuset graphite interne pour 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 cristal de graine inférieur à celle au niveau du micro-poudre inférieur, formant un gradient de température axial entre le cristal de graines et la poudre dans le creuset, et formant un gradient de température radial raisonnable au niveau du cristal de carbure de carbure en silicium.

2.2 Mécanisme de rotation du creuset 

      Pendant la croissance de grande tailleSilicon en carbure de cristaux, le creuset dans l'environnement sous vide de la cavité est maintenu en rotation en fonction des exigences du processus, et le champ thermique du gradient et l'état à basse pression dans la cavité doivent être gardés stables. Comme le montre la figure 5, une paire d'engrenages à moteur est utilisée pour obtenir une rotation stable du creuset. Une structure d'étanchéité du liquide magnétique est utilisée pour obtenir un scellage dynamique de l'arbre rotatif. Le joint de liquide magnétique utilise un circuit de champ magnétique rotatif formé entre l'aimant, la chaussure de poteau magnétique et le manchon magnétique pour adsorber fermement le liquide magnétique entre la pointe de la chaussure de poteau et le manchon pour former un anneau fluide en forme de joint torique, bloquant complètement l'espace pour atteindre le but de la scellage. Lorsque le mouvement de rotation est transmis de l'atmosphère à la chambre à vide, le dispositif d'étanchéité dynamique du joint torique liquide est utilisé pour surmonter les inconvénients de l'usure facile et de la faible durée de vie en scellage solide, et le liquide magnétique liquide peut remplir l'ensemble de l'espace scellé, bloquant ainsi tous les canaux qui peuvent fuir l'air et s'arrêter. Le liquide magnétique et le support de creuset adoptent une structure de refroidissement par eau pour assurer l'applicabilité à haute température du liquide magnétique et du support de creuset et atteindre la stabilité de l'état de champ thermique.

2.3 Mécanisme de levage du couvercle inférieur

     Le mécanisme de soulèvement 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'une couverture de fournaise et d'un support de couverture de fournaise. Le moteur entraîne le support de couverture du four connecté à la paire de guides à vis à travers un réducteur pour réaliser le mouvement de haut en bas de la couverture inférieure.

     Le mécanisme de levage de couvercle inférieur facilite le placement et l'élimination des creusets de grande taille et, plus important encore, assure la fiabilité d'étanchéité de la couverture inférieure du four. Pendant tout le processus, la chambre a des étapes de changement de pression telles que le vide, la haute pression et la basse pression. L'état de compression et d'étanchéité de la couverture inférieure affecte directement la fiabilité du processus. Une fois que le joint échoue à haute température, l'ensemble du processus sera supprimé. Grâce au dispositif de contrôle et de limite du servo moteur, l'étanchéité de l'ensemble de la couverture inférieure et de la chambre est contrôlée pour atteindre le meilleur état de compression et d'étanchéité de l'anneau d'étanchéité de la chambre de fourne pour assurer la stabilité de la pression de 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, comprenant principalement la hauteur de la position de la bobine, le taux de rotation du creuset, la puissance de chauffage et la température, différents débits d'admission de gaz spéciaux et l'ouverture de la valve proportionnelle.

      Comme le montre la figure 7, le système de contrôle utilise un contrôleur programmable en tant que serveur, qui est connecté au pilote servo 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 le contrôle en temps réel de la température, de la pression et du flux de gaz spécial. Il établit la communication avec le logiciel de configuration via Ethernet, échange les informations système en temps réel et affiche diverses informations de paramètre de processus sur l'ordinateur hôte. Les opérateurs, le personnel de processus et les gestionnaires échangent des informations avec le système de contrôle via l'interface humaine-machine.

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

     La configuration supérieure maintient l'échange de données avec le contrôleur programmable en temps réel et affiche des données de champ. 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 d'écran, enregistrant le temps et les données détaillées de l'occurrence et de la récupération des alarmes. Enregistrement en temps réel de toutes les données de processus, le contenu de l'opération d'écran et le temps de fonctionnement. Le contrôle de la 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 réalisés. Chaque étape comprend plus d'une douzaine de paramètres de processus tels que le temps de fonctionnement du processus, la puissance cible, la pression cible, l'écoulement de l'argon, l'écoulement de l'azote, le débit d'hydrogène, la position de creuset et le taux de 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 du creuset. Afin d'assurer la plage de température de croissance de 4H-SIC monocristal, la température centrale du cristal de graine est calculée à 2200 ℃ et la température du bord est de 2205,4 ℃. À l'heure actuelle, la température centrale du sommet du creuset est de 2167,5 ℃, et la température la plus élevée de la zone de poudre (côté vers le bas) est de 2274,4 ℃, 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 cristalline des graines peut améliorer efficacement la forme de croissance des cristaux. La différence de température initiale calculée actuelle est de 5,4 ℃, et la forme globale est presque plate et légèrement convexe, ce qui peut répondre aux exigences de précision de contrôle de la température radiale et d'uniformité de la surface du cristal des graines.

       La courbe de différence de température entre la surface de la matière première et la surface du cristal de graine est illustrée à la figure 10. La température centrale de la surface du matériau est de 2210 ℃, et un gradient de température longitudinal de 1 ℃ / cm est formé entre la surface du matériau et la surface cristalline des graines, qui se trouve dans une plage raisonnable.

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

     Grâce à l'analyse et au calcul de la simulation du champ thermique, il est constaté que la température centrale et la température du bord du cristal de graines rencontrent le gradient de température radiale du cristal de 8 pouces. Dans le 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 respecter la croissance de monocristaux de 8 pouces.

4 test expérimental

     En utilisant ceFournace de croissance monocristalline 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 supérieures et inférieures, un test de croissance en cristal de carbure de silicium a été effectué (comme le montre la figure 12).

5 Conclusion

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