Comment obtenir une croissance cristalline de haute qualité? - Fournace de croissance cristalline SIC

1. Quel est le principe de base de la fournaise de croissance des cristaux en carbure de silicium?

Le principe de travail de la fournaise de croissance des cristaux en carbure de silicium est la sublimation physique (PVT). La méthode PVT est l'une des méthodes les plus efficaces pour développer des monocristaux SIC de haute pureté. Grâce à un contrôle précis du champ thermique, de l'atmosphère et des paramètres de croissance, le four de croissance en cristal de carbure de silicium peut fonctionner de manière stable à des températures élevées pour compléter la sublimation, la transmission de phase gazeuse et le processus de cristallisation de la condensation du processus de cristallisation du processus de cristallisation du processus de cristallisation du processus de cristallisation du processus de cristallisation dePoudre de sic.

1.1 Principe de travail du four de croissance

● Méthode PVT

Le noyau de la méthode PVT est de sublimer la poudre de carbure de silicium en composants gazeux à des températures élevées, et de se condenser sur le cristal de graine par la transmission de la phase gazeuse pour former une structure monocristalline. Cette méthode présente des avantages importants dans la préparation des cristaux de grande pureté et de grande taille.

● Processus de base de la croissance des cristaux

✔ Sublimation: La poudre SIC dans le creuset est sublimée en composants gazeux tels que Si, C2 et SIC2 à une température élevée supérieure à 2000 ℃.

✔ Transport: Sous l'action du gradient thermique, les composants gazeux sont transmis de la zone de température élevée (zone de poudre) à la zone à basse température (surface cristalline des graines).

✔ cristallisation de la condensation: Les composants volatils précipitent sur la surface du cristal de graine et se développent le long de la direction du réseau pour former un seul cristal.

1.2 Principes spécifiques de la croissance des cristaux

Le processus de croissance des cristaux de carbure de silicium est divisé en trois étapes, qui sont étroitement liées les unes aux autres et affectent la qualité finale du cristal.

✔ SIC SUBLIMATION POUDRE: Dans des conditions à haute température, le SIC solide (carbure de silicium) sublimera le silicium gazeux (Si) et le carbone gazeux (C), et la réaction est la suivante:

Sic (s) → si (g) + c (g)

Et des réactions secondaires plus complexes pour générer des composants gazeux volatils (tels que SIC2). Une température élevée est une condition nécessaire pour favoriser les réactions de sublimation.

✔ Transport en phase gazeuse: Les composants gazeux sont transportés de la zone de sublimation du creuset à la zone de graines sous l'entraînement du gradient de température. La stabilité du débit de gaz détermine l'uniformité du dépôt.

✔ cristallisation de la condensation: À des températures plus basses, les composants gazeux volatils se combinent avec la surface du cristal de graines pour former des cristaux solides. Ce processus implique des mécanismes complexes de thermodynamique et de cristallographie.

1.3 Paramètres clés pour la croissance des cristaux en carbure de silicium

Les cristaux SIC de haute qualité nécessitent un contrôle précis des paramètres suivants:

✔ Température: La zone de sublimation doit être maintenue au-dessus de 2000 ℃ pour assurer la décomposition complète de la poudre. La température de la zone de graines est contrôlée à 1600-1800 ℃ pour assurer un taux de dépôt modéré.

✔ Pression: La croissance du PVT est généralement réalisée dans un environnement à basse pression de 10-20 Torr pour maintenir la stabilité du transport de phase gazeuse.Too Haute ou trop basse pression entraînera un taux de croissance cristallin trop rapide ou une augmentation des défauts.

✔ atmosphère: Utilisez l'argon de haute pureté comme gaz porteur pour éviter la contamination des impuretés pendant le processus de réaction. La pureté de l'atmosphère est cruciale pour la suppression des défauts cristallins.

✔ Temps: Le temps de croissance des cristaux est généralement jusqu'à des dizaines d'heures pour atteindre une croissance uniforme et une épaisseur appropriée.

2. Quelle est la structure de la fournaise de croissance en cristal en carbure de silicium?

L'optimisation de la structure de la fournaise de croissance des cristaux de carbure de silicium se concentre principalement sur le chauffage à haute température, le contrôle de l'atmosphère, la conception du champ de température et le système de surveillance.

2.1 Composants principaux du four de croissance

● Système de chauffage à haute température

✔ Chauffage de résistance: Utilisez un fil de résistance à haute température (comme le molybdène, le tungstène) pour fournir directement de l'énergie thermique. L'avantage est une précision élevée de contrôle de la température, mais la durée de vie est limitée à haute température.

✔ Chauffage d'induction: le chauffage du courant de Foucault est généré dans le creuset à travers une bobine d'induction. Il présente les avantages d'une grande efficacité et sans contact, mais le coût de l'équipement est relativement élevé.

● Crucible en graphite et station de semences de substrat

✔ Crucible en graphite de haute pureté assure une stabilité à haute température.

✔ La conception de la station de semence doit prendre en compte à la fois l'uniformité du débit d'air et la conductivité thermique.

● Dispositif de contrôle de l'atmosphère

✔ Équipé d'un système de livraison de gaz à haute pureté et d'une vanne de régulation de pression pour assurer la pureté et la stabilité de l'environnement de réaction.

● Conception d'uniformité du champ de température

✔ En optimisant l'épaisseur de la paroi du creuset, la distribution des éléments de chauffage et la structure du bouclier thermique, la distribution uniforme du champ de température est obtenue, réduisant l'impact de la contrainte thermique sur le cristal.

2.2 Champ de température et conception de gradient thermique

✔ Importance de l'uniformité du champ de température: Le champ de température inégal entraînera différents taux de croissance locaux et défauts à l'intérieur du cristal. L'uniformité du champ de température peut être considérablement améliorée grâce à la conception de symétrie annulaire et à l'optimisation du bouclier thermique.

✔ Contrôle précis du gradient thermique: Ajustez la distribution de puissance des radiateurs et utilisez des boucliers thermiques pour séparer les différentes zones pour réduire les différences de température. Parce que les gradients thermiques ont un impact direct sur l'épaisseur des cristaux et la qualité de la surface.

2.3 Système de surveillance du processus de croissance des cristaux

✔ Surveillance de la température: Utilisez des capteurs de température à fibre optique pour surveiller la température en temps réel de la zone de sublimation et de la zone de graines. Le système de rétroaction des données peut ajuster automatiquement la puissance de chauffage.

✔ Surveillance du taux de croissance: Utilisez l'interférométrie laser pour mesurer le taux de croissance de la surface cristalline. Combinez des données de surveillance avec des algorithmes de modélisation pour optimiser dynamiquement le processus.

3. Quelles sont les difficultés techniques du four de croissance en cristal en carbure de silicium?

Les goulets d'étranglement techniques du four à croissance en cristal de carbure de silicium sont principalement concentrés dans les matériaux à haute température, le contrôle du champ de température, la suppression des défauts et l'expansion de la taille.

3.1 Sélection et défis des matériaux à haute température

Graphiteest facilement oxydé à des températures extrêmement élevées, etRevêtement sicdoit être ajouté pour améliorer la résistance à l'oxydation. La qualité du revêtement affecte directement la durée de vie de la fournaise.

Life de vie et limite de température des éléments chauffants. Les fils de résistance à haute température doivent avoir une résistance élevée à la fatigue. L'équipement de chauffage à induction doit optimiser la conception de dissipation de la chaleur de la bobine.

3.2 Contrôle précis de la température et du champ thermique

L'influence du champ thermique non uniforme entraînera une augmentation des défauts et des dislocations d'empilement. Le modèle de simulation de champ thermique du four doit être optimisé pour détecter les problèmes à l'avance.

Fiabilité de l'équipement de surveillance à haute température. Les capteurs à haute température doivent être résistants aux rayonnements et aux chocs thermiques.

3.3 Contrôle des défauts de cristal

Les défauts d'empilement, les dislocations et les hybrides polymorphes sont les principaux types de défauts. L'optimisation du champ thermique et de l'atmosphère contribue à réduire la densité des défauts.

Contrôle des sources d'impuretés. L'utilisation de matériaux de haute pureté et le scellement du four sont cruciales pour la suppression des impuretés.

3.4 Défis de la croissance des cristaux de grande taille

Les exigences d'uniformité du champ thermique pour l'expansion de la taille. Lorsque la taille des cristaux est étendue de 4 pouces à 8 pouces, la conception d'uniformité du champ de température doit être entièrement mise à niveau.

Solution pour se fissurer et déformer les problèmes. Réduire la déformation cristalline en réduisant le gradient de contrainte thermique.

4. Quelles sont les matières premières pour cultiver des cristaux SIC de haute qualité?

Vetek Semiconductor a développé une nouvelle matière première monocristalline SIC -Matière première CVD SIC à haute pureté. Ce produit comble l'écart intérieur et est également au niveau du premier plan dans le monde, et sera dans une position de premier plan à long terme dans la compétition. Les matières premières traditionnelles en carbure de silicium sont produites par la réaction du silicium de haute pureté et du graphite, qui sont à un coût élevé, faible en pureté et en petite taille.

La technologie du lit fluidisé de Vetek Semiconductor utilise le méthyllorosilane pour générer des matières premières en carbure de silicium par le dépôt de vapeur chimique, et le principal sous-produit est l'acide chlorhydrique. L'acide chlorhydrique peut former des sels en neutralisant avec de l'alcali et ne provoquera aucune pollution à l'environnement. 

Dans le même temps, le méthyllorosilane est un gaz industriel largement utilisé avec un coût à faible coût et à des sources larges, en particulier la Chine est le principal producteur de méthyllorosilane. Par conséquent, la haute pureté de Vetek SemiconductorCVD SIC Materiala une compétitivité internationale de premier plan en termes de coût et de qualité. La pureté de la matière première CVD SIC de haute pureté est supérieure à 99,9995%.

✔ grande taille et haute densité: La taille moyenne des particules est d'environ 4 à 10 mm et la taille des particules des matières premières domestiques Acheson est <2,5 mm. Le même creuset en volume peut contenir plus de 1,5 kg de matières premières, ce qui est propice à la résolution du problème de l'approvisionnement insuffisant de matériaux de croissance cristalline de grande taille, atténuant la graphitisation des matières premières, réduisant l'engagement du carbone et améliorant la qualité des cristaux.

✔ Ratio Si / C faible: Il est plus proche de 1: 1 que les matières premières Acheson de la méthode d'auto-copain, ce qui peut réduire les défauts induits par l'augmentation de la pression partielle de SI.

✔ Valeur de sortie élevée: Les matières premières cultivées maintiennent toujours le prototype, réduisent la recristallisation, réduisent la graphitisation des matières premières, réduisent les défauts d'emballage du carbone et améliorent la qualité des cristaux.

✔ Pure plus élevée: La pureté des matières premières produites par la méthode CVD est plus élevée que celle des matières premières Acheson de la méthode d'auto-propagation. La teneur en azote a atteint 0,09 ppm sans purification supplémentaire. Cette matière première peut également jouer un rôle important dans le domaine semi-isolant.

✔ Coût moindre: Le taux d'évaporation uniforme facilite le contrôle de la qualité du processus et du produit, tout en améliorant le taux d'utilisation des matières premières (taux d'utilisation> 50%, 4,5 kg de matières premières produit des lingots de 3,5 kg), réduisant les coûts.

✔ Faible taux d'erreur humain: Le dépôt de vapeur chimique évite les impuretés introduites par l'opération humaine.