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

Cacbua silic là một trong những vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị nhiệt độ cao, tần số cao, công suất cao và điện áp cao. Để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí, việc chuẩn bị chất nền cacbua silic kích thước lớn là một hướng phát triển quan trọng. Hướng tới yêu cầu của quá trìnhTăng trưởng đơn tinh thể silicon cacbua (SIC) 8 inch, cơ chế tăng trưởng của phương pháp vận chuyển hơi vật lý cacbua silic (PVT) đã được phân tích, hệ thống gia nhiệt (Vòng dẫn hướng TaC, Nồi nấu kim loại tráng TaC,Nhẫn tráng TaC, Tấm tráng TaC, Vòng ba cánh được phủ TaC, Nồi nấu kim loại ba cánh được phủ TaC, Giá đỡ được phủ TaC, Than chì xốp, Nỉ mềm, Chất cảm ứng tăng trưởng tinh thể được phủ SiC bằng phớt cứng và các loại khácPhụ tùng thay thế cho quá trình tăng trưởng tinh thể đơn SiCđược cung cấp bởi VeTek Semiconductor), công nghệ kiểm soát tham số quy trình và quay nồi nấu kim loại của lò tăng trưởng đơn tinh thể silicon cacbua đã được nghiên cứu và các tinh thể 8 inch đã được điều chế và phát triển thành công thông qua các thí nghiệm xử lý và phân tích mô phỏng trường nhiệt.

0 Giới thiệu

Cacbua silic (SiC) là đại diện tiêu biểu của vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba. Nó có những ưu điểm về hiệu suất như độ rộng vùng cấm lớn hơn, điện trường đánh thủng cao hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn. Nó hoạt động tốt trong 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. Nó có nhiều nhu cầu ứng dụng trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới, sản xuất năng lượng quang điện, vận tải đường sắt, lưới điện thông minh, liên lạc 5G, vệ tinh, radar và các lĩnh vực khác. Hiện nay, sự phát triển công nghiệp của tinh thể cacbua silic chủ yếu sử dụng vận chuyển hơi vật lý (PVT), liên quan đến các vấn đề ghép trường đa vật lý phức tạp của nhiều pha, đa thành phần, truyền nhiệt và khối lượng và tương tác dòng nhiệt điện từ. Do đó, việc thiết kế hệ thống tăng trưởng PVT rất khó khăn và việc đo lường cũng như kiểm soát thông số quy trình trong quá trìnhquá trình phát triển tinh thểrất khó khăn, dẫn đến khó khăn trong việc kiểm soát các khiếm khuyết về chất lượng của tinh thể cacbua silic phát triển và kích thước tinh thể nhỏ, do đó giá thành của các thiết bị sử dụng cacbua silic làm chất nền vẫn cao.

Thiết bị sản xuất cacbua silic là nền tảng của công nghệ cacbua silic và phát triển công nghiệp. Trình độ kỹ thuật, khả năng xử lý và sự đảm bảo độc lập của lò tăng trưởng đơn tinh thể cacbua silic là chìa khóa cho sự phát triển của vật liệu cacbua silic theo hướng kích thước lớn và năng suất cao, đồng thời cũng là những yếu tố chính thúc đẩy ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba phát triển. phát triển theo hướng chi phí thấp và quy mô lớn. Hiện nay, sự phát triển của các thiết bị cacbua silic điện áp cao, công suất cao và tần số cao đã đạt được tiến bộ đáng kể, nhưng hiệu quả sản xuất và chi phí chuẩn bị của thiết bị sẽ trở thành yếu tố quan trọng hạn chế sự phát triển của chúng. Trong các thiết bị bán dẫn có tinh thể đơn silicon cacbua làm chất nền, giá trị chất nền chiếm tỷ trọng lớn nhất, khoảng 50%. Việc phát triển thiết bị tăng trưởng tinh thể cacbua silic chất lượng cao kích thước lớn, cải thiện năng suất và tốc độ tăng trưởng của chất nền đơn tinh thể cacbua silic và giảm chi phí sản xuất có ý nghĩa quan trọng đối với việc ứng dụng các thiết bị liên quan. Để tăng khả năng cung cấp năng lực sản xuất và giảm hơn nữa chi phí trung bình của các thiết bị cacbua silic, việc mở rộng kích thước của chất nền cacbua silic là một trong những cách quan trọng. Hiện nay, kích thước nền cacbua silic chính thống quốc tế là 6 inch và đang nhanh chóng tăng lên 8 inch.

Các công nghệ chính cần được giải quyết trong quá trình phát triển lò tăng trưởng đơn tinh thể cacbua silic 8 inch bao gồm: 1) Thiết kế cấu trúc trường nhiệt kích thước lớn để thu được gradient nhiệt độ xuyên tâm nhỏ hơn và gradient nhiệt độ dọc lớn hơn phù hợp cho sự phát triển tinh thể cacbua silic 8 inch. 2) Cơ chế chuyển động xoay và hạ cuộn nồi nấu kim loại kích thước lớn, để nồi nấu kim loại quay trong quá trình phát triển tinh thể và di chuyển tương đối với cuộn dây theo yêu cầu của quy trình để đảm bảo tính nhất quán của tinh thể 8 inch và tạo điều kiện cho sự phát triển và độ dày . 3) Điều khiển tự động các thông số quy trình trong điều kiện động đáp ứng nhu cầu của quá trình tăng trưởng tinh thể đơn chất lượng cao.

1 Cơ chế phát triển tinh thể PVT

Phương pháp PVT là chuẩn bị các tinh thể đơn cacbua silic bằng cách đặt nguồn SiC ở đáy nồi nấu bằng than chì dày đặc hình trụ và tinh thể hạt SiC được đặt gần nắp nồi nấu kim loại. Nồi nấu kim loại được làm nóng đến 2 300 ~ 2 400oC bằng cảm ứng hoặc điện trở tần số vô tuyến và được cách nhiệt bằng nỉ than chì hoặcthan chì xốp. Các chất chính được vận chuyển từ nguồn SiC đến tinh thể hạt là Si, phân tử Si2C và SiC2. Nhiệt độ ở tinh thể mầm được kiểm soát thấp hơn một chút so với nhiệt độ ở bột vi mô thấp hơn và gradient nhiệt độ dọc trục được hình thành trong nồi nấu kim loại. Như được hiển thị trong Hình 1, vi bột cacbua silic thăng hoa ở nhiệt độ cao để tạo thành khí phản ứng của các thành phần pha khí khác nhau, tiếp cận tinh thể hạt có nhiệt độ thấp hơn dưới sự điều khiển của gradient nhiệt độ và kết tinh trên đó để tạo thành một hình trụ thỏi silicon cacbua.

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

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)

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

1) Có hai giao diện khí-rắn: một là giao diện bột khí-SiC và giao diện còn lại là giao diện khí-tinh thể.

2) Pha khí gồm có hai loại chất: một là các phân tử trơ được đưa vào hệ thống; còn lại 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 cái gọi là thành phần pha khí kết tinh SimCn đáp ứng 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 thăng hoa, bao gồm một số hạt tạo thành thân gốm xốp thông qua quá trình thiêu kết, một số hạt tạo thành hạt có kích thước hạt và hình thái tinh thể nhất định thông qua phản ứng kết tinh, và một số các hạt cacbua silic biến đổi thành các hạt giàu carbon hoặc các hạt carbon do sự phân hủy và thăng hoa không cân bằng hóa học.

4) Trong quá trình phát triển tinh thể, sẽ xảy ra hai thay đổi pha: một là các hạt bột cacbua silic rắn được biến đổi thành các thành phần pha khí SimCn thông qua quá trình phân hủy và thăng hoa không cân bằng hóa học, và hai là các thành phần pha khí SimCn được biến đổi thành các hạt mạng thông qua quá trình kết tinh.

2 Thiết kế thiết bị Như trong Hình 2, lò tăng trưởng đơn tinh thể silicon cacbua chủ yếu bao gồm: cụm nắp trên, cụm buồng, hệ thống gia nhiệt, cơ cấu quay nồi nấu kim loại, cơ cấu nâng nắp dưới và hệ thống điều khiển điện.

2.1 Hệ thống sưởi Như thể hiện trong Hình 3, hệ thống sưởi sử dụng hệ thống sưởi cảm ứng và bao gồm một cuộn dây cảm ứng, mộtnồi nấu than chì, lớp cách nhiệt (nỉ cứng nhắc, nỉ mềm), v.v. Khi dòng điện xoay chiều tần số trung bình đi qua cuộn dây cảm ứng nhiều vòng bao quanh bên ngoài nồi nấu kim loại, một từ trường cảm ứng có cùng tần số sẽ được hình thành trong nồi nấu kim loại, tạo ra một suất điện động cảm ứng. Do vật liệu nồi nấu bằng than chì có độ tinh khiết cao có độ dẫn điện tốt nên một dòng điện cảm ứng được tạo ra trên thành nồi nấu kim loại, tạo thành dòng điện xoáy. Dưới tác dụng của lực Lorentz, dòng điện cảm ứng cuối cùng sẽ hội tụ ở thành ngoài của nồi nấu kim loại (tức là hiệu ứng bề mặt) và dần dần suy yếu 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 nhiệt của hệ thống tăng trưởng. Kích thước và sự phân bố nhiệt Joule quyết định trực tiếp trường nhiệt độ trong nồi nấu kim loại, từ đó ảnh hưởng đến sự phát triển của tinh thể.

Như trong Hình 4, cuộn cảm ứng là bộ phận quan trọng của hệ thống sưởi. Nó sử dụng hai bộ cấu trúc cuộn dây độc lập và được trang bị các cơ chế chuyển động chính xác trên và dưới tương ứng. Phần lớn tổn thất nhiệt điện của toàn bộ hệ thống sưởi đều do cuộn dây sinh ra và phải thực hiện làm mát cưỡng bức. Cuộn dây được quấn bằng một ống đồng và làm mát bằng nước bên trong. Dải tần của dòng điện cảm ứng là 8 ~ 12 kHz. Tần số gia nhiệt cảm ứng xác định độ sâu thâm nhập của trường điện từ trong nồi nấu kim loại. Cơ cấu chuyển động cuộn dây sử dụng cơ cấu cặp trục vít điều khiển bằng động cơ. Cuộn dây cảm ứng phối hợp với nguồn điện cảm ứng để làm nóng nồi nấu bằng than chì bên trong để đạt được sự thăng hoa của bột. Đồng thời, công suất và vị trí tương đối của hai bộ cuộn dây được kiểm soát để làm cho nhiệt độ ở tinh thể hạt thấp hơn nhiệt độ ở bột vi mô phía dưới, tạo thành gradient nhiệt độ dọc trục giữa tinh thể hạt và bột trong nồi nấu kim loại và tạo thành một gradient nhiệt độ xuyên tâm hợp lý ở tinh thể cacbua silic.

2.2 Cơ chế quay nồi nấu kim loại Trong quá trình phát triển của kích thước lớntinh thể đơn cacbua silic, nồi nấu kim loại trong môi trường chân không của khoang được giữ quay theo yêu cầu của quy trình, đồng thời trường nhiệt gradient và trạng thái áp suất thấp trong khoang cần được giữ ổn định. Như được hiển thị trong Hình 5, một cặp bánh răng truyền động bằng động cơ được sử dụng để đạt được chuyển động quay ổn định của nồi nấu kim loại. Cấu trúc bịt kín chất lỏng từ tính được sử dụng để đạt được độ kín động của trục quay. Phớt chất lỏng từ tính sử dụng mạch từ trường quay được hình thành giữa nam châm, đế cực từ và ống bọc từ để hấp thụ chắc chắn chất lỏng từ tính giữa đầu đế cực và ống bọc để tạo thành vòng chất lỏng giống vòng chữ O, chặn hoàn toàn khoảng cách để đạt được mục đích niêm phong. Khi chuyển động quay được truyền từ khí quyển đến buồng chân không, thiết bị bịt kín động vòng chữ O lỏng được sử dụng để khắc phục nhược điểm dễ mài mòn và tuổi thọ thấp trong niêm phong rắn và chất lỏng từ tính lỏng có thể lấp đầy toàn bộ không gian kín, do đó chặn tất cả các kênh có thể rò rỉ không khí và đạt được độ rò rỉ bằng 0 trong hai quá trình chuyển động và dừng nồi nấu kim loại. Chất lỏng từ tính và giá đỡ nồi nấu kim loại sử dụng cấu trúc làm mát bằng nước để đảm bảo khả năng ứng dụng nhiệt độ cao của chất lỏng từ tính và giá đỡ nồi nấu kim loại và đạt được sự ổn định của trạng thái trường nhiệt.

2.3 Cơ cấu nâng nắp dưới

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

Cơ cấu nâng nắp dưới tạo điều kiện thuận lợi cho việc đặt và tháo các nồi nấu kim loại có kích thước lớn, và quan trọng hơn là đảm bảo độ tin cậy bịt kín của nắp lò phía dưới. 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 bịt kín của nắp dưới ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của quy trình. Một khi con dấu bị hỏng ở nhiệt độ cao, toàn bộ quá trình sẽ bị loại bỏ. Thông qua thiết bị điều khiển và giới hạn động cơ servo, độ kín của cụm nắp dưới và buồng được điều khiển để đạt được trạng thái nén và bịt kín tốt nhất của vòng đệm buồng lò nhằm đảm bảo sự ổn định của áp suất quá trình, như trên Hình 6 .

2.4 Hệ thống điều khiển điện Trong quá trình phát triển của tinh thể cacbua silic, 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 của nồi nấu kim loại, công suất gia nhiệt và nhiệt độ, lưu lượng khí nạp đặc biệt khác nhau và độ mở của van tỷ lệ.

Như được hiển thị trong Hình 7, hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển khả trình làm máy chủ, được kết nối với bộ điều khiển servo thông qua bus để thực hiện 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 lưu lượng thông qua MobusRTU tiêu chuẩn để thực hiện kiểm soát thời gian thực về nhiệt độ, áp suất và lưu lượng khí xử lý 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 các thông tin tham số quy trình khác nhau trên máy tính chủ. Người vận hành, nhân viên xử lý và người quản lý trao đổi thông tin với hệ thống điều khiển thông qua giao diện người-máy.

Hệ thống điều khiển thực hiện tất cả việc thu thập dữ liệu hiện trường, phân tích trạng thái vận hành của tất cả các bộ truyền động và mối quan hệ logic giữa các cơ cấu. Bộ điều khiển khả trình nhận hướng dẫn của máy tính chủ và hoàn thành việc điều khiển từng bộ truyền động của hệ thống. Chiến lược thực thi và an toàn của menu quy trình tự động đều được thực thi bởi bộ điều khiển khả trình. Độ ổn định của bộ điều khiển khả 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 khả trình trong thời gian thực và hiển thị dữ liệu trường. Nó được trang bị các giao diện vận hành như điều khiển nhiệt, điều khiển áp suất, điều khiển mạch khí và điều khiển động cơ, và có thể sửa đổi các giá trị cài đặt của các thông số khác nhau trên giao diện. Giám sát thời gian thực các thông số cảnh báo, cung cấp màn hình hiển thị cảnh báo, ghi lại thời gian và dữ liệu chi tiết về sự xuất hiện và phục hồi cảnh báo. Ghi lại thời gian thực tất cả dữ liệu quy trình, nội dung thao tác màn hình và thời gian thao tác. Việc điều khiển tổng hợp các tham số quy trình khác nhau được thực hiện thông qua mã cơ bản bên trong bộ điều khiển khả trình và có thể thực hiện tối đa 100 bước quy trình. Mỗi bước bao gồm hơn chục thông số quy trình như thời gian vận hành quy trình, công suất mục tiêu, áp suất mục tiêu, dòng khí argon, dòng khí nitơ, dòng khí hydro, vị trí nồi nấu kim loại và tốc độ nồi nấu kim loại.

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 2200oC và nhiệt độ cạnh là 2205,4oC. Tại thời điểm này, nhiệt độ trung tâm của đỉnh nồi nấu kim loại là 2167,5oC và nhiệt độ cao nhất của vùng bột (hướng xuống) là 2274,4oC, tạo thành một gradient nhiệt độ dọc trục.

Sự phân bố gradient 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 phát triển của tinh thể. Chênh lệch nhiệt độ ban đầu được tính toán hiện tại là 5,4oC và hình dạng tổng thể gần như phẳng và hơi lồi, có thể đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và tính đồng nhất của kiểm soát nhiệt độ xuyên tâm của bề mặt tinh thể hạt giống.

Đường cong chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt nguyên liệu thô và bề mặt tinh thể hạt giống được thể hiện trong Hình 10. Nhiệt độ trung tâm của bề mặt vật liệu là 2210oC và độ dốc nhiệt độ dọc 1oC/cm được hình thành giữa bề mặt vật liệu và hạt giống bề mặt tinh thể, 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 xảy ra các khuyết tật như đa hình và trật khớp. Tốc độ tăng trưởng ước tính hiện tại là 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 gradient nhiệt độ xuyên tâm của tinh thể 8 inch. Đồng thời, mặt trên và mặt dưới của nồi nấu kim loại tạo thành một gradient nhiệt độ dọc 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 phát triển của các tinh thể đơn 8 inch.

4 Thử nghiệm thực nghiệm

Sử dụng cái nàylò tăng trưởng tinh thể đơn cacbua silic, dựa trên gradient nhiệt độ của mô phỏng trường nhiệt, bằng cách điều chỉnh các thông số như nhiệt độ trên cùng của nồi nấu kim loại, áp suất khoang, tốc độ quay của nồi nấu kim loại và vị trí tương đối của cuộn dây trên và dưới, thử nghiệm tăng trưởng tinh thể cacbua silic đã được thực hiện. , và thu được một tinh thể cacbua silic 8 inch (như trong Hình 12).

5. Kết luận

Các công nghệ chính cho sự phát triển của các tinh thể đơn cacbua silic 8 inch, chẳng hạn như trường nhiệt gradient, cơ chế chuyển động nồi nấu kim loại và điều khiển tự động các thông số quy trình, đã được nghiên cứu. Trường nhiệt trong buồng tăng trưởng nồi nấu kim loại được mô phỏng và phân tích để thu được gradient nhiệt độ lý tưởng. Sau khi thử nghiệm, phương pháp gia nhiệt cảm ứng cuộn dây đôi có thể đáp ứng sự phát triển của quy mô lớntinh thể cacbua silic. Nghiên cứu và phát triển công nghệ này cung cấp công nghệ thiết bị để thu được tinh thể cacbua 8 inch và cung cấp nền tảng thiết bị cho quá trình chuyển đổi công nghiệp hóa cacbua silic từ 6 inch lên 8 inch, nâng cao hiệu quả tăng trưởng của vật liệu cacbua silic và giảm chi phí.