استنادًا إلى تقنية فرن النمو الكريستال الفردي بحجم 8 بوصات

       يعد كربيد السيليكون أحد المواد المثالية لصنع أجهزة عالية التردد ، عالي التردد ، عالي الطاقة وأجهزة عالية الجهد. من أجل تحسين كفاءة الإنتاج وتقليل التكاليف ، يعد إعداد ركائز كربيد السيليكون كبيرة الحجم اتجاهًا مهمًا للتطوير. تهدف إلى متطلبات عملية8 بوصات كربيد السيليكون (SIC) النمو الكريستالي الفردي، تم تحليل آلية النمو لطريقة نقل البخار المادي للسيليكون (PVT) ، نظام التدفئة (حلقة دليل TAC ، بوتقة مطلية TAC ،حلقات TAC المطلية، صفيحة مطلية TAC ، حلقة ثلاثية الأطباء مغلفة بـ TAC ، بوتقة ثلاثية الأطباق مغلفة بـ TAC ، حامل مغلف TAC ، الجرافيت المسامي ، شعر ناعم ، مصنفة تنمو بلورية مصنوعة من ذلك.SIC SIC واحدة من عملية الفراغ النمو الكريستاليتم توفيرها من قبل أشباه الموصلات Vetek) ، وتمت دراسة تقنية التناوب والتحكم في المعلمة من Silicon Carbide فرن النمو الكريستالي الفردي ، وتم تحضير بلورات 8 بوصة بنجاح ونموها من خلال تحليل محاكاة المجال الحراري وتجارب العملية.

مقدمة

      كربيد السيليكون (SIC) هو ممثل نموذجي لمواد أشباه الموصلات الجيل الثالث. لديها مزايا الأداء مثل عرض فجوة النطاق الأكبر ، والحقل الكهربائي العالي انهيار ، والتوصيل الحراري الأعلى. إنه يؤدي بشكل جيد في درجات الحرارة العالية والضغط العالي وحقول التردد العالية ، وأصبحت واحدة من اتجاهات التطوير الرئيسية في مجال تكنولوجيا مواد أشباه الموصلات.  في الوقت الحاضر ، يستخدم النمو الصناعي لبلورات كربيد السيليكون بشكل أساسي نقل البخار المادي (PVT) ، والذي يتضمن مشاكل معقدة في اقتران المجال متعدد الفيزياء من التفاعل بين المراحل متعددة المراحل ومتعددة المكونات ومتعددة للحرارة والكتلة وتفاعل تدفق الحرارة المغنطيسي. لذلك ، فإن تصميم نظام نمو PVT صعب ، وقياس المعلمة والتحكم خلالها أثناءعملية نمو البلورةمن الصعب ، مما يؤدي إلى صعوبة السيطرة على عيوب الجودة في بلورات كربيد السيليكون المزروعة وحجم البلورة الصغيرة ، بحيث لا تزال تكلفة الأجهزة باستخدام كربيد السيليكون كركيزة عالية.

      معدات تصنيع كربيد السيليكون هي أساس تكنولوجيا كربيد السيليكون والتنمية الصناعية. يعد المستوى الفني ، والقدرة على العملية ، والضمان المستقل لفرن النمو الكريستالي الفردي للسيليكون ، هو مفتاح تطوير مواد كربيد السيليكون في اتجاه الحجم الكبير والعائد العالي ، كما أنها العوامل الرئيسية التي تدفع صناعة أشباه الموصلات الجيل الثالث لتطوير في اتجاه التكلفة المنخفضة ونطاق كبير. في أجهزة أشباه الموصلات ذات الكريستال المفردة للسيليكون كركيزة ، تمثل قيمة الركيزة أكبر نسبة ، حوالي 50 ٪. إن تطوير معدات نمو بلورات كربيد السيليكون عالية الجودة عالية الجودة ، مما يؤدي إلى تحسين معدلات العائد ونمو الركائز البلورية الفردية للسيليكون ، وخفض تكاليف الإنتاج ذات أهمية رئيسية لتطبيق الأجهزة ذات الصلة. من أجل زيادة إمدادات القدرات الإنتاجية وزيادة تقليل متوسط ​​تكلفة أجهزة كربيد السيليكون ، فإن توسيع حجم ركائز كربيد السيليكون هو أحد الطرق المهمة. في الوقت الحاضر ، يبلغ حجم الركيزة الدولي للسيليكون كربيد 6 بوصات ، وقد تتقدم بسرعة إلى 8 بوصات.

       تشمل التقنيات الرئيسية التي تحتاج إلى حل في تطوير أفران النمو الكريستال المفردة من السيليكون بحجم 8 بوصات ما يلي: (1) تصميم هيكل المجال الحراري كبير الحجم للحصول على درجة حرارة شعاعية أصغر وتدرج درجة حرارة طولية أكبر مناسبة لنمو بلورات كرببة السيليكون 8 بوصات. (2) آلية الحركة ذات الحجم الكبير ورفع الملف وخفض الحركة ، بحيث يدور البوتقة أثناء عملية نمو البلورة ويتحرك بالنسبة للملف وفقًا لمتطلبات العملية لضمان اتساق البلورة 8 بوصة وتسهيل النمو والسمك. (3) التحكم التلقائي في معلمات العملية في ظل الظروف الديناميكية التي تلبي احتياجات عملية النمو البلوري الفردي عالي الجودة.

1 آلية النمو البلورية الجندي

       تتمثل طريقة PVT في تحضير بلورات واحدة من كربيد السيليكون عن طريق وضع مصدر SIC في الجزء السفلي من بوتقة الجرافيت الكثيفة الأسطوانية ، ويوضع بلورة بذرة SIC بالقرب من الغطاء البوتقة. يتم تسخين البوتقة إلى 2 300 ~ 2 400 ℃ عن طريق تحريض التردد الراديوي أو المقاومةالجرافيت المسامي. المواد الرئيسية المنقولة من مصدر SIC إلى بلورة البذور هي جزيئات SI و SI2C و SIC2. يتم التحكم في درجة الحرارة عند بلورة البذور لتكون أقل بقليل من تلك الموجودة في البوسل الدقيق السفلي ، ويتم تشكيل تدرج درجة الحرارة المحورية في البوتقة. كما هو مبين في الشكل 1 ، يتسامي البوسل الدقيق للسيليكون في درجة حرارة عالية لتشكيل غازات التفاعل من مكونات طور الغاز المختلفة ، والتي تصل إلى بلورة البذور مع انخفاض درجة حرارة تحت محرك التدرج درجة الحرارة وتبلورها لتشكيل غناء كربيد السيليكون الأسطواني.

التفاعلات الكيميائية الرئيسية لنمو PVT هي:

sic (s) ⇌ si (g)+c (s)

2SIC ⇌ و₂ج (ز)+ج (ق)

2SIC ⇌ SIC2 (G)+SI (L ، G)

sic (s) ⇌ sic (g)

خصائص النمو PVT من البلورات الفردية SIC هي:

1) هناك واجهتان صلبان للغاز: أحدهما هو واجهة مسحوق الغاز ، والآخر هو واجهة البلورة الغازية.

2) تتكون مرحلة الغاز من نوعين من المواد: أحدهما هو الجزيئات الخاملة التي يتم إدخالها في النظام ؛ والآخر هو مكون مرحلة الغاز SIMCN التي ينتجها التحلل والتساميمسحوق كذا. تتفاعل مكونات مرحلة الغاز SIMCN مع بعضها البعض ، وجزء من مكونات مرحلة الغاز البلورية المزعومة سوف تنمو SIMCN التي تلبي متطلبات عملية التبلور إلى بلورة SIC.

3) في مسحوق كربيد السيليكون الصلب ، ستحدث تفاعلات المرحلة الصلبة بين الجزيئات التي لم يتم تسويتها ، بما في ذلك بعض الجزيئات التي تشكل أجسامًا من السيراميك المسامية من خلال التلبد ، وبعض الجسيمات التي تشكل الحبوب ذات حجم جسيمات معين وموهبة بلورية من خلال تفاعلات التبلور.

4) أثناء عملية النمو البلوري ، ستحدث تغييران في الطور: أحدهما هو أن جزيئات مسحوق كربيد السيليكون الصلبة تتحول إلى مكونات طور الغاز SIMCN من خلال التحلل غير المعتدل والتسامي ، والآخر هو أن مكونات طور الغاز SIMCN تتحول إلى جزيئات شعرية من خلال التبلور.

2 تصميم المعدات 

      كما هو مبين في الشكل 2 ، يشمل فرن النمو الكريستالي المفرد كربيد السيليكون بشكل رئيسي: مجموعة الغطاء العلوي ، مجموعة الغرفة ، نظام التدفئة ، آلية دوران بوتقة ، آلية رفع الغطاء السفلية ، ونظام التحكم الكهربائي.

2.1 نظام التدفئة 

     كما هو مبين في الشكل 3 ، يتبنى نظام التدفئة تسخين الحث ويتكون من ملف التعريفي ، أبوتقة الجرافيت، طبقة العزل (شعر جامد, شعر ناعم) ، وما إلى ذلك عندما يمر التيار المتناوب المتوسط ​​المتوسط ​​عبر ملف التعريفي متعدد المنعطفات المحيطة بالخارج من بوتقة الجرافيت ، سيتم تشكيل مجال مغناطيسي مستحث بنفس التردد في بوتقة الجرافيت ، مما يولد قوة كهربائية مستحثة. نظرًا لأن المواد الجرافيتية عالية النقاء لها موصلية جيدة ، يتم إنشاء تيار مستحث على الجدار البوتقة ، ويشكل تيارًا دوامة. تحت عمل قوة Lorentz ، سوف يتقارب التيار المستحث في نهاية المطاف على الجدار الخارجي للبوتقة (أي تأثير الجلد) ويضعف تدريجياً على طول الاتجاه الشعاعي. نظرًا لوجود تيارات الدوامة ، يتم توليد حرارة Joule على الجدار الخارجي للبوتقة ، وتصبح مصدر التدفئة لنظام النمو. يحدد حجم وتوزيع حرارة جول مباشرة حقل درجة الحرارة في البوتقة ، مما يؤثر بدوره على نمو البلورة.

     كما هو مبين في الشكل 4 ، يعد ملف التعريفي جزءًا رئيسيًا من نظام التدفئة. يتبنى مجموعتين من هياكل الملف المستقلة ومجهزة بآليات حركة الدقة العلوية والسفلية على التوالي. يتحمل الملف معظم الفقدان الكهربائي لنظام التدفئة بأكمله بواسطة الملف ، ويجب إجراء التبريد القسري. يتم لف الملف مع أنبوب نحاسي وتبريده الماء في الداخل. نطاق تردد التيار المستحث هو 8 ~ 12 كيلو هرتز. يحدد تواتر تسخين الحث عمق اختراق المجال الكهرومغناطيسي في بوتقة الجرافيت. تستخدم آلية حركة الملف آلية زوج المسمار التي يحركها المحرك. يتعاون ملف التعريفي مع إمدادات الطاقة الحثية لتسخين بوتقة الجرافيت الداخلية لتحقيق تسامي المسحوق. في الوقت نفسه ، يتم التحكم في القوة والموضع النسبي للمجموعتين من الملفات لجعل درجة الحرارة عند بلورة البذور أقل من تلك الموجودة في البوسل الجزئي السفلي ، وتشكيل تدرج درجة حرارة محورية بين بلورة البذور والمسحوق في البوتقة ، وتشكيل تدرج درجة حرارة شعاعي معقولة عند بلورة كربريد السيليكون.

2.2 آلية دوران بوتقة 

      خلال نمو الحجم الكبيربلورات واحدة من كربيد السيليكون، يتم الحفاظ على البوتقة في بيئة الفراغ للتجويف تدور وفقًا لمتطلبات العملية ، ويجب الحفاظ على استقرار المجال الحراري المتدرج وحالة الضغط المنخفض في التجويف. كما هو مبين في الشكل 5 ، يتم استخدام زوج التروس الذي يحركه المحرك لتحقيق دوران مستقر من البوتقة. يتم استخدام بنية ختم السائل المغناطيسي لتحقيق الختم الديناميكي للعمود الدوار. يستخدم ختم السائل المغناطيسي دائرة حقل مغناطيسي دوارة تتشكل بين المغناطيس ، وحذاء القطب المغناطيسي والأكمام المغناطيسية لتمتصها بحزم السائل المغناطيسي بين طرف الحذاء القطب والأكمام لتشكيل حلقة سائل تشبه الحلقة O ، مما يمنع الفجوة تمامًا لتحقيق الغرض من الختم. عندما تنتقل الحركة الدورانية من الغلاف الجوي إلى غرفة الفراغ ، يتم استخدام جهاز الختم الديناميكي السائل O-Ring للتغلب على عيوب التآكل السهل والحياة المنخفضة في الختم الصلبة ، ويمكن للسائل المغناطيسي السائل ملء المساحة المغلقة بأكملها ، مما يمنع جميع القنوات التي يمكن أن تسرب الهواء ، وتحقيق تسرب Zero في الحركة المصابين. يتبنى السائل المغناطيسي والدعم بوتقة بنية تبريد المياه لضمان قابلية تطبيق السائل المغناطيسي العالي والدعم المتكامل وتحقيق استقرار حالة المجال الحراري.

2.3 آلية رفع الغطاء السفلي

     تتكون آلية رفع الغطاء السفلي من محرك محرك ، ومسمار الكرة ، ودليل خطي ، وقوس الرفع ، وغطاء الفرن ، وقوس غطاء الفرن. يدفع المحرك قوس غطاء الفرن المتصل بزوج دليل المسمار من خلال مخفض لتحقيق حركة أعلى وأسفل للغطاء السفلي.

     تسهل آلية رفع الغطاء السفلي وضع وإزالة البوتقة الكبيرة الحجم ، والأهم من ذلك ، يضمن موثوقية الختم لغطاء الفرن السفلي. خلال العملية بأكملها ، تحتوي الغرفة على مراحل تغيير الضغط مثل الفراغ والضغط العالي والضغط المنخفض. تؤثر حالة الضغط وختم الغطاء السفلي بشكل مباشر على موثوقية العملية. بمجرد فشل الختم تحت درجة حرارة عالية ، سيتم إلغاء العملية بأكملها. من خلال جهاز التحكم في محرك المؤازرة وحدها ، يتم التحكم في ضيق مجموعة الغطاء السفلي والغرفة لتحقيق أفضل حالة من الضغط وختم حلقة ختم غرفة الفرن لضمان استقرار ضغط العملية ، كما هو مبين في الشكل 6.

2.4 نظام التحكم الكهربائي 

      أثناء نمو بلورات كربيد السيليكون ، يحتاج نظام التحكم الكهربائي إلى التحكم بدقة في معلمات العملية المختلفة ، بما في ذلك ارتفاع موضع الملف ، ومعدل الدوران البوتقة ، وطاقة التدفئة ودرجة الحرارة ، وتدفق غاز خاص مختلف ، وفتح الصمام النسبي.

      كما هو موضح في الشكل 7 ، يستخدم نظام التحكم وحدة تحكم قابلة للبرمجة كخادم ، وهو متصل بسائق المؤازرة من خلال الحافلة لتحقيق التحكم في الحركة للملف والمكانت ؛ يتم توصيله بوحدة تحكم درجة الحرارة ومراقبة التدفق من خلال Mobusrtu القياسية لتحقيق التحكم في الوقت الفعلي في درجة الحرارة والضغط وتدفق غاز العملية الخاصة. إنه ينشئ اتصالًا مع برنامج التكوين من خلال Ethernet ، وتبادل معلومات النظام في الوقت الفعلي ، ويعرض معلومات معلمة العملية المختلفة على الكمبيوتر المضيف. يقوم المشغلون وموظفي العملية والمديرين بتبادل المعلومات مع نظام التحكم من خلال واجهة الإنسان والآلة.

     يقوم نظام التحكم بجميع جمع بيانات الحقل ، وتحليل حالة التشغيل لجميع المشغلات والعلاقة المنطقية بين الآليات. يتلقى وحدة التحكم القابلة للبرمجة تعليمات الكمبيوتر المضيف وتتكمل التحكم في كل مشغل للنظام. يتم تنفيذ استراتيجية التنفيذ والسلامة لقائمة العملية الأوتوماتيكية بواسطة وحدة التحكم القابلة للبرمجة. يضمن استقرار وحدة التحكم القابلة للبرمجة استقرار وموثوقية السلامة لتشغيل قائمة العملية.

     يحافظ التكوين العلوي على تبادل البيانات مع وحدة التحكم القابلة للبرمجة في الوقت الفعلي ويعرض بيانات الحقل. وهو مزود بواجهات تشغيل مثل التحكم في التدفئة ، والتحكم في الضغط ، والتحكم في دائرة الغاز ، والتحكم في المحرك ، ويمكن تعديل قيم الإعداد للمعلمات المختلفة على الواجهة. في الوقت الفعلي لمراقبة معلمات الإنذار ، وتوفير عرض إنذار الشاشة ، وتسجيل الوقت والبيانات التفصيلية لحدوث الإنذار والاسترداد. في الوقت الحقيقي تسجيل جميع بيانات العملية ومحتوى تشغيل الشاشة ووقت التشغيل. يتم تحقيق التحكم في الانصهار لمعلمات العملية المختلفة من خلال الكود الأساسي داخل وحدة التحكم القابلة للبرمجة ، ويمكن تحقيق 100 خطوة كحد أقصى للعملية. تتضمن كل خطوة أكثر من عشرة معلمات للعملية مثل وقت تشغيل العملية ، والطاقة المستهدفة ، والضغط المستهدف ، وتدفق الأرجون ، وتدفق النيتروجين ، وتدفق الهيدروجين ، ووضع بوتقة ، ومعدل بوتقة.

3 تحليل محاكاة المجال الحراري

    تم إنشاء نموذج تحليل محاكاة المجال الحراري. الشكل 8 هو خريطة السحابة درجة الحرارة في غرفة النمو بوتقة. من أجل ضمان نطاق درجة حرارة النمو للكريستال الفردي 4H-SIC ، يتم حساب درجة حرارة الوسط للكريستال البذور على أنها 2200 ℃ ، ودرجة حرارة الحافة 2205.4 ℃. في هذا الوقت ، تكون درجة حرارة مركزية الجزء العلوي البوتقة 2167.5 ℃ ، وأعلى درجة حرارة في منطقة المسحوق (الجانب لأسفل) هي 2274.4 ℃ ، وتشكل درجة حرارة محورية.

       يظهر توزيع التدرج الشعاعي للبلورة في الشكل 9. يمكن أن يحسن التدرج في درجة الحرارة الجانبية السفلية لسطح البلورة البذور بشكل فعال شكل نمو البلورة. الفرق الحالي في درجة الحرارة المحسوبة هو 5.4 ℃ ، والشكل الكلي مسطح تقريبًا ومكتبًا قليلاً ، والذي يمكن أن يلبي دقة التحكم في درجة الحرارة الشعاعية ومتطلبات التوحيد لسطح بلورة البذور.

       يظهر منحنى فرق درجة الحرارة بين سطح المادة الخام وسطح البلورة البذور في الشكل 10. درجة الحرارة المركزية لسطح المادة هي 2210 ℃ ، ويتكون التدرج درجة الحرارة الطولية من 1 ℃/سم بين سطح المادة وسطح البلورة البذور ، وهو ضمن نطاق معقول.

      يظهر معدل النمو المقدر في الشكل 11. معدل النمو السريع للغاية يمكن أن يزيد من احتمال وجود عيوب مثل تعدد الأشكال والخلع. معدل النمو المقدر الحالي يقترب من 0.1 مم/ساعة ، وهو ضمن نطاق معقول.

     من خلال تحليل محاكاة المجال الحراري وحسابها ، وجد أن درجة حرارة الوسط ودرجة حرارة الحافة في بلورة البذور تلبي تدرج درجة الحرارة الشعاعية في بلورة 8 بوصات. في الوقت نفسه ، يشكل الجزء العلوي والسفلي من البوتقة تدرجًا محوريًا لدرجة الحرارة مناسبة لطول وسمك البلورة. يمكن أن تلبي طريقة التسخين الحالية لنظام النمو نمو بلورات واحدة بحجم 8 بوصات.

4 اختبار تجريبي

     باستخدام هذافرن النمو الكريستالي المفرد كربيد السيليكوناستنادًا إلى درجة حرارة التدرج في محاكاة المجال الحراري ، من خلال ضبط المعلمات مثل درجة الحرارة العليا البوتقة ، وضغط التجويف ، وسرعة الدوران البوتقة ، وتم إجراء الموضع النسبي للملفات العلوية والسفلية ، واختبار نمو بلورات كربيد السيليكون ، وتم الحصول على بلورة كربريد سيليكون 8 بوصة (كما هو موضح في الشكل 12).

5 الخاتمة

     تمت دراسة التقنيات الرئيسية لنمو بلورات واحدة من السيليكون الفردية للسيليكون ، مثل المجال الحراري المتدرج ، وآلية الحركة البوتقة ، والتحكم التلقائي في معلمات العملية. تم محاكاة المجال الحراري في غرفة النمو البوتقة وتحليله للحصول على التدرج المثالي لدرجة الحرارة. بعد الاختبار ، يمكن أن تلبي طريقة التسخين الحث المزدوج في نمو الحجم الكبيربلورات كربيد السيليكون. يوفر البحث وتطوير هذه التكنولوجيا تكنولوجيا المعدات للحصول على بلورات كربيد 8 بوصات ، ويوفر أساس المعدات لنقل تصنيع كربيد السيليكون من 6 بوصات إلى 8 بوصات ، مما يحسن كفاءة نمو مواد كربيد السيليكون وخفض تكاليفها.