8 인치 실리콘 탄화물 단결정 성장 용광로 기술 기반

       실리콘 카바이드는 고온, 고주파, 고전력 및 고전압 장치를 만드는 데 이상적인 재료 중 하나입니다. 생산 효율을 향상시키고 비용을 줄이기 위해 대형 실리콘 카바이드 기판의 준비는 중요한 개발 방향입니다. 프로세스 요구 사항을 목표로합니다8 인치 실리콘 카바이드 (SIC) 단결정 성장, 실리콘 카바이드 물리 증기 수송 (PVT) 방법의 성장 메커니즘을 분석하였고, 가열 시스템 (TAC 가이드 링, TAC 코팅 도가니,TAC 코팅 링, TAC 코팅 플레이트, TAC 코팅 된 3- 페탈 링, TAC 코팅 된 3- 페탈 도가니, TAC 코팅 홀더, 다공성 흑연, 소프트 펠트, 강성 펠트 SIC 코팅 크리스탈 성장 감수자 및 기타SIC 단결정 성장 공정 예비 부품Vetek semiconductor)에 의해 제공됨), 도가니 회전 및 공정 파라미터 제어 기술이 연구되었고, 8 인치 결정은 열 필드 시뮬레이션 분석 및 공정 실험을 통해 성공적으로 준비 및 성장시켰다.

소개

      실리콘 카바이드 (SIC)는 3 세대 반도체 재료의 전형적인 대표자입니다. 밴드 갭 폭이 큰 성능 장점, 더 높은 고장 전기장 및 더 높은 열전도율이 있습니다. 고온, 고압 및 고주파 필드에서 잘 작동하며 반도체 재료 기술 분야의 주요 개발 방향 중 하나가되었습니다.  현재, 실리콘 카바이드 결정의 산업적 성장은 주로 물리 증기 수송 (PVT)을 사용하며, 여기에는 다중 상, 다중 성분, 다중 열 및 질량 전달 및 자기 전기 열 흐름 상호 작용의 복잡한 다 물리적 필드 커플 링 문제가 포함됩니다. 따라서 PVT 성장 시스템의 설계는 어렵고 프로세스 매개 변수 측정 및 제어는결정 성장 과정성장한 실리콘 카바이드 결정의 품질 결함과 작은 결정 크기의 품질 결함을 제어하는 ​​데 어려움을 겪으므로 기판이 높을 때 실리콘 카바이드가있는 장치의 비용이 여전히 높아집니다.

      실리콘 카바이드 제조 장비는 실리콘 카바이드 기술 및 산업 개발의 ​​기초입니다. 실리콘 탄화물 단결정 성장 용광로의 기술 수준, 공정 기능 및 독립적 인 보증은 대형 크기 및 고수익 방향으로 실리콘 카바이드 재료의 개발의 핵심이며, 3 세대 반도체 산업이 저렴한 비용 및 대규모 스케일의 방향으로 개발하도록 이끄는 주요 요인이기도합니다. 기질로서 실리콘 카바이드 단결정을 갖는 반도체 장치에서, 기판 값은 최대 비율의 약 50%를 차지한다. 대형 고품질의 실리콘 탄화물 크리스탈 성장 장비의 개발, 실리콘 카바이드 단결정 기판의 수율 및 성장 속도를 개선하고 생산 비용을 줄이는 것이 관련 장치의 적용에 중요한 의미가 있습니다. 생산 능력 공급을 늘리고 실리콘 카바이드 장치의 평균 비용을 더욱 줄이기 위해 실리콘 카바이드 기판의 크기를 확장하는 것이 중요한 방법 중 하나입니다. 현재 국제 주류 실리콘 카바이드 기판 크기는 6 인치이며 8 인치로 빠르게 발전하고 있습니다.

       8 인치 실리콘 탄화물 단결정 성장 용광로의 개발에서 해결 해야하는 주요 기술에는 다음이 포함됩니다. (1) 더 작은 방사형 온도 구배 및 8 인치 실리콘 카르 바이드 결정의 성장에 적합한 더 큰 방사형 온도 구배 및 더 큰 종 방향 온도 그라디언트의 설계. (2) 대형 크기의 도가니 회전 및 코일 리프팅 및 하강 운동 메커니즘을 통해 도가니가 결정 성장 과정에서 회전하고 8 인치 크리스탈의 일관성을 보장하고 성장과 두께를 용이하게하기위한 공정 요구 사항에 따라 코일에 비해 코일에 비해 움직입니다. (3) 고품질 단결정 성장 공정의 요구를 충족시키는 동적 조건 하에서 공정 매개 변수의 자동 제어.

1 PVT 결정 성장 메커니즘

       PVT 방법은 원통형 조밀 한 흑연 도가니의 바닥에 SIC 소스를 배치하여 실리콘 카바이드 단결정을 준비하는 것이며, SIC 시드 크리스탈은 Crucible 커버 근처에 배치됩니다. 도가니는 무선 주파수 유도 또는 저항에 의해 2 300 ~ 2 400으로 가열되며 흑연 펠트 또는다공성 흑연. SiC 공급원에서 종자 결정으로 전달되는 주요 물질은 Si, Si2C 분자 및 SIC2입니다. 종자 결정의 온도는 하부 마이크로 파우더의 온도보다 약간 낮은 것으로 제어되며 축 방향 온도 구배는 도가니에서 형성된다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 실리콘 카바이드 마이크로 파이퍼는 고온에서 승화하여 상이한 기체 상 성분의 반응 가스를 형성하는데, 이는 온도 구배의 구동 하에서 더 낮은 온도로 종자 결정에 도달하고이를 결정화하여 원통형 실리콘 카바이드 잉곳을 형성한다.

PVT 성장의 주요 화학 반응은 다음과 같습니다.

sic (s)) si (g)+c (s)

2SIC. 및₂C (G)+C (S)

2SIC ic SIC2 (G)+SI (L, G)

sic (s)) sic (g)

SIC 단결정의 PVT 성장의 특성은 다음과 같습니다.

1) 두 가지 가스-고체 인터페이스가 있습니다. 하나는 가스 Sic 파우더 인터페이스이고 다른 하나는 가스 결정 인터페이스입니다.

2) 기체상은 두 ​​가지 유형의 물질로 구성됩니다. 하나는 시스템에 도입 된 불활성 분자입니다. 다른 하나는 분해 및 승화에 의해 생성 된 기상 성분 Simcn입니다.sic 파우더. 가스 상 성분 Simcn은 서로 상호 작용하며, 결정화 공정의 요구 사항을 충족하는 소위 결정질 가스 상 성분 SIMCN의 일부가 SIC 결정으로 성장할 것입니다.

3) 고체 실리콘 카바이드 분말에서, 고체 상 반응은 소결을 통해 다공성 세라믹 신체를 형성하는 일부 입자, 일부 입자 크기 및 결정화 반응을 통한 입자 및 결정화 입자 입자 및 비정형 탈출로 인한 탄소 입자로 변형 된 일부 입자 입자를 형성하는 일부 입자를 포함하여 승화되지 않은 입자 사이에서 발생할 것이다.

4) 결정 성장 공정 동안, 2 상 변화가 발생할 것이다. 하나는 고체 실리콘 탄화물 분말 입자가 비 기질 측정법 분해 및 승화를 통해 SIMCN으로 변형된다는 것이며, 다른 하나는 기상 성분 SIMCN이 결정화를 통해 석재 입자로 변형된다는 것이다.

2 장비 설계 

      도 2에 도시 된 바와 같이, 실리콘 탄화물 단결정 성장 용광로는 주로 상단 덮개 어셈블리, 챔버 어셈블리, 가열 시스템, 도가니 회전 메커니즘, 하부 커버 리프팅 메커니즘 및 전기 제어 시스템을 포함한다.

2.1 난방 시스템 

     도 3에 도시 된 바와 같이, 가열 시스템은 유도 가열을 채택하고 유도 코일, a로 구성된다.흑연 도가니, 절연 층 (단단한 느낌, 소프트 펠트) 등. 중간 주파수가 교대로 전류가 흑연 도가니의 외부를 둘러싼 다중 전환 유도 코일을 통과 할 때, 동일한 주파수의 유도 자기장이 흑연 도가니에 형성되어 유도 된 전자 유전자 전력을 생성 할 것이다. 고순도 흑연 도가니 물질은 양호성이 우수하기 때문에 도가니 벽에 유도 된 전류가 생성되어 와전류를 형성합니다. 로렌츠 힘의 작용하에, 유도 된 전류는 결국 도가니의 외벽 (즉, 피부 효과)에 수렴하고 방사형 방향을 따라 점차 약화 될 것이다. 에디 전류의 존재로 인해 도가니의 외벽에 Joule 열이 생성되어 성장 시스템의 가열원이됩니다. Joule 열의 크기와 분포는 Crucible의 온도 필드를 직접 결정하여 결정의 성장에 영향을 미칩니다.

     도 4에 도시 된 바와 같이, 유도 코일은 가열 시스템의 핵심 부분이다. 두 세트의 독립 코일 구조를 채택하며 각각 상부 및 하부 정밀 모션 메커니즘이 장착되어 있습니다. 전체 가열 시스템의 전기 열 손실의 대부분은 코일에 의해 부담되며 강제 냉각을 수행해야합니다. 코일은 구리 튜브로 상처를 입히고 내부의 물로 냉각됩니다. 유도 된 전류의 주파수 범위는 8 ~ 12kHz입니다. 유도 가열의 주파수는 흑연 도가니에서 전자기장의 침투 깊이를 결정합니다. 코일 모션 메커니즘은 모터 구동 나사 쌍 메커니즘을 사용합니다. 유도 코일은 유도 전원 공급 장치와 협력하여 내부 흑연 도가니를 가열하여 분말의 승화를 달성합니다. 동시에, 두 코일 세트의 전력 및 상대 위치는 종자의 온도를 낮은 마이크로 파우더의 온도보다 낮게 만들기 위해 제어되고, 도가니에서 종자 결정과 분말 사이의 축 온도 구배를 형성하고, 실리콘 카바이드 결정에서 합리적인 방사형 온도 구배를 형성한다.

2.2 도가니 회전 메커니즘 

      대형 성장 중에실리콘 탄화물 단결정, 공정의 진공 환경에서의 도가니는 공정 요구 사항에 따라 계속 회전하며, 구배 열 장과 공동의 저압 상태는 안정적으로 유지되어야한다. 도 5에 도시 된 바와 같이, 모터 구동 기어 쌍은 도가니의 안정적인 회전을 달성하는데 사용된다. 자기 유체 밀봉 구조는 회전 샤프트의 동적 밀봉을 달성하기 위해 사용됩니다. 자기 유체 씰은 자석, 자기 극 슈 및 자기 슬리브 사이에 형성된 회전 자기장 회로를 사용하여 극 팁과 슬리브 사이의 자기 액체를 단단히 흡수하여 O- 링 같은 유체 고리를 형성하여 씰링 목적을 달성하기 위해 간격을 완전히 차단합니다. 회전 운동이 대기에서 진공 챔버로 전달 될 때, 액체 O- 링 다이나믹 밀봉 장치는 단단한 밀봉에서 쉬운 마모와 낮은 수명의 단점을 극복하는 데 사용되며, 액체 자기 유체는 전체 밀봉 된 공간을 채울 수 있으며, 따라서 공기를 누출 할 수있는 모든 채널을 차단할 수 있으며, 두 가지 과정에서 제로 누출을 막을 수 있습니다. 자기 유체 및 도가니 지지대는 자기 유체의 고온 적용 가능성과 도가니 지지체의 고온 적용 가능성을 보장하고 열 필드 상태의 안정성을 달성하기 위해 수냉식 구조를 채택합니다.

2.3 하단 커버 리프팅 메커니즘

     하단 커버 리프팅 메커니즘은 구동 모터, 볼 스크류, 선형 가이드, 리프팅 브래킷, 퍼니스 커버 및 퍼니스 커버 브래킷으로 구성됩니다. 모터는 하단 덮개의 위아래 이동을 실현하기 위해 감속기를 통해 스크류 가이드 쌍에 연결된 퍼니스 커버 브래킷을 구동합니다.

     하부 커버 리프팅 메커니즘은 대형 도가니의 배치 및 제거를 용이하게하며, 더 중요한 것은 하부 퍼니스 덮개의 밀봉 신뢰성을 보장합니다. 전체 과정에서 챔버는 진공, 고압 및 저압과 같은 압력 변화 단계가 있습니다. 하단 커버의 압축 및 밀봉 상태는 프로세스 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 씰이 고온에서 실패하면 전체 프로세스가 폐기됩니다. 모터 서보 제어 및 제한 장치를 통해, 하부 덮개 어셈블리 및 챔버의 압박감은 제어되어 퍼니스 챔버 밀봉 링의 압축 및 밀봉 상태를 달성하여도 6에 도시 된 바와 같이 공정 압력의 안정성을 보장한다.

2.4 전기 제어 시스템 

      실리콘 카바이드 결정의 성장 동안, 전기 제어 시스템은 주로 코일 위치 높이, 도가니 회전 속도, 가열 전력 및 온도, 다른 특수 가스 섭취 흐름 및 비례 밸브의 개방을 포함하여 다른 공정 매개 변수를 정확하게 제어해야합니다.

      도 7에 도시 된 바와 같이, 제어 시스템은 프로그램 가능한 컨트롤러를 서버로 사용하며, 이는 버스를 통해 서보 드라이버에 연결되어 코일과 도가니의 모션 제어를 실현한다. 온도, 압력 및 특수 공정 가스 흐름의 실시간 제어를 실현하기 위해 표준 Mobusrtu를 통해 온도 컨트롤러 및 유량 컨트롤러에 연결됩니다. 이더넷을 통해 구성 소프트웨어와의 통신을 설정하고 시스템 정보를 실시간으로 교환하며 호스트 컴퓨터에 다양한 프로세스 매개 변수 정보를 표시합니다. 운영자, 프로세스 직원 및 관리자는 휴먼 머신 인터페이스를 통해 제어 시스템과 정보를 교환합니다.

     제어 시스템은 모든 현장 데이터 수집, 모든 액추에이터의 작동 상태 분석 및 메커니즘 간의 논리적 관계를 수행합니다. 프로그래밍 가능한 컨트롤러는 호스트 컴퓨터의 지침을 수신하고 시스템의 각 액추에이터의 제어를 완료합니다. 자동 프로세스 메뉴의 실행 및 안전 전략은 모두 프로그래밍 가능한 컨트롤러에 의해 실행됩니다. 프로그래밍 가능한 컨트롤러의 안정성은 프로세스 메뉴 작동의 안정성 및 안전 안정성을 보장합니다.

     상단 구성은 프로그래밍 가능한 컨트롤러와 실시간으로 데이터 교환을 유지하고 필드 데이터를 표시합니다. 난방 제어, 압력 제어, 가스 회로 제어 및 모터 제어와 같은 작동 인터페이스가 장착되어 있으며 다양한 매개 변수의 설정 값을 인터페이스에서 수정할 수 있습니다. 경보 매개 변수의 실시간 모니터링, 화면 경보 디스플레이를 제공하고 경보 발생 및 복구의 시간 및 자세한 데이터를 기록합니다. 모든 프로세스 데이터, 화면 작동 컨텐츠 및 작동 시간의 실시간 녹음. 다양한 프로세스 매개 변수의 융합 제어는 프로그램 가능한 컨트롤러 내부의 기본 코드를 통해 실현되며 최대 100 단계의 프로세스를 실현할 수 있습니다. 각 단계에는 공정 작동 시간, 대상 전력, 대상 압력, 아르곤 흐름, 질소 흐름, 수소 흐름, 도가니 위치 및 도가니 속도와 같은 12 개 이상의 공정 매개 변수가 포함됩니다.

3 열 필드 시뮬레이션 분석

    열 필드 시뮬레이션 분석 모델이 설정되었습니다. 그림 8은 Crucible Growth Chamber의 온도 클라우드 맵입니다. 4H-sic 단일 결정의 성장 온도 범위를 보장하기 위해, 종자 결정의 중심 온도는 2200 ℃로 계산되고, 가장자리 온도는 2205.4 ℃이다. 이 시점에서 도가니 상단의 중심 온도는 2167.5 ℃이고, 분말 영역의 가장 높은 온도 (측면 아래)는 2274.4 ℃로 축 온도 구배를 형성한다.

       결정의 방사상 구배 분포는도 9에 도시되어있다. 종자 결정 표면의 낮은 측면 온도 구배는 결정 성장 형태를 효과적으로 향상시킬 수있다. 현재 계산 된 초기 온도 차이는 5.4 ℃이며, 전체 형상은 거의 평평하고 약간 볼록하여 시드 결정 표면의 방사형 온도 제어 정확도 및 균일 성 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다.

       원료 표면과 종자 결정 표면 사이의 온도 차이 곡선은도 10에 도시되어있다. 물질 표면의 중심 온도는 2210 ℃이고, 1 ℃/cm의 종단 온도 구배는 재료 표면과 종자 결정 표면 사이에 형성되며, 이는 합리적인 범위 내에있다.

      추정 성장률은 그림 11에 나와 있습니다. 너무 빠른 성장률은 다형성 및 탈구와 같은 결함의 확률을 증가시킬 수 있습니다. 현재 추정 성장률은 0.1 mm/h에 가깝고 합리적인 범위 내에 있습니다.

     열 필드 시뮬레이션 분석 및 계산을 통해 종자 결정의 중심 온도 및 가장자리 온도는 8 인치의 결정의 방사상 온도 구배를 충족시키는 것으로 나타났습니다. 동시에, 도가니의 상부 및 하단은 결정의 길이와 두께에 적합한 축 온도 구배를 형성한다. 성장 시스템의 현재 가열 방법은 8 인치 단일 결정의 성장을 충족시킬 수 있습니다.

4 실험 테스트

     이것을 사용합니다실리콘 탄화물 단결정 성장 용광로, 열 전장 시뮬레이션의 온도 구배에 기초하여, 도가니 상단 온도, 공동 압력, 도가니 회전 속도 및 상부 코일의 상대 위치와 같은 매개 변수를 조정함으로써, 실리콘 탄화물 결정 성장 시험을 수행하고, 8 인치 실리콘 카바이드 결정을 수득 하였다 (도 12).

5 결론

     그라디언트 열전대, 도가니 운동 메커니즘 및 공정 매개 변수의 자동 제어와 같은 8 인치 실리콘 탄화물 단결정의 성장을위한 주요 기술을 연구했습니다. 도가니 성장 챔버의 열 장을 시뮬레이션하고 분석하여 이상적인 온도 구배를 얻었습니다. 테스트 후, 이중 코일 유도 가열 방법은 대형 크기의 성장을 충족시킬 수 있습니다.실리콘 카바이드 결정. 이 기술의 연구 및 개발은 8 인치 탄화물 크리스탈을 얻기위한 장비 기술을 제공하고, 실리콘 카바이드 산업화를 6 인치에서 8 인치로 전환하기위한 장비 기초를 제공하여 실리콘 탄화물 재료의 성장 효율을 향상시키고 비용을 절감합니다.