كيفية تحقيق نمو بلوري عالي الجودة؟ - فرن النمو الكريستال كذا

1. ما هو المبدأ الأساسي لفرن نمو بلورات كربيد السيليكون؟

مبدأ العمل لفرن نمو بلورات كربيد السيليكون هو التسامي البدني (PVT). تعتبر طريقة PVT واحدة من أكثر الطرق كفاءة لتنمية بلورات SIC ذات النقاء العالي. من خلال التحكم الدقيق في المجال الحراري والمعلمات في الغلاف الجوي والنمو ، يمكن أن يعمل فرن نمو بلورات كربيد السيليكون بشكل ثابت في درجات حرارة عالية لإكمال التسامي ونقل طور الغاز وعملية تكثيف عملية التكثيف منمسحوق كذا.

1.1 مبدأ العمل لفرن النمو

● طريقة الجندي

يتمثل جوهر طريقة PVT في تسامي مسحوق كربيد السيليكون في مكونات غازية في درجات حرارة عالية ، والتكثيف على بلورة البذور من خلال انتقال طور الغاز لتشكيل بنية بلورية واحدة. هذه الطريقة لها مزايا كبيرة في إعداد بلورات عالية الحجم.

● العملية الأساسية للنمو البلوري

✔ التسامي: يتم تسامي مسحوق SIC في البوتقة إلى مكونات غازية مثل Si و C2 و SIC2 عند درجة حرارة عالية أعلى من 2000 ℃.

✔ النقل: تحت عمل التدرج الحراري ، تنتقل المكونات الغازية من منطقة درجة الحرارة المرتفعة (منطقة المسحوق) إلى منطقة درجة الحرارة المنخفضة (سطح بلورة البذور).

✔ تبلور التكثيف: مكونات متطايرة تترسب على سطح بلوري البذور وتنمو على طول اتجاه الشبكة لتشكيل بلورة واحدة.

1.2 مبادئ محددة لنمو البلورة

تنقسم عملية نمو بلورات كربيد السيليكون إلى ثلاث مراحل ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض وتؤثر على الجودة النهائية للكريستال.

✔ مسحوق المسحوق: في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة ، سيتم تسامي SIC الصلب (كربيد السيليكون) في السيليكون الغازي (SI) والكربون الغازي (C) ، والتفاعل كما يلي:

sic (s) → si (g) + c (g)

وردود فعل ثانوية أكثر تعقيدًا لتوليد مكونات غازية متقلبة (مثل SIC2). ارتفاع درجة الحرارة هي حالة ضرورية لتعزيز تفاعلات التسامي.

✔ نقل مرحلة الغاز: يتم نقل المكونات الغازية من منطقة التسامي في البوتقة إلى منطقة البذور تحت محرك التدرج درجة الحرارة. يحدد استقرار تدفق الغاز توحيد الترسب.

✔ تبلور التكثيف: في درجات الحرارة المنخفضة ، تتحد المكونات الغازية المتطايرة مع سطح بلورة البذور لتشكيل بلورات صلبة. تتضمن هذه العملية آليات معقدة للديناميكا الحرارية والبلورات.

1.3 المعلمات الرئيسية لنمو بلورة كربيد السيليكون

تتطلب بلورات SIC عالية الجودة تحكمًا دقيقًا في المعلمات التالية:

درجة الحرارة: يجب الاحتفاظ بمنطقة التسامي فوق 2000 ℃ لضمان التحلل التام للمسحوق. يتم التحكم في درجة حرارة منطقة البذور عند 1600-1800 ℃ لضمان معدل ترسب معتدل.

✔ الضغط: عادة ما يتم نمو النمو الجندي في بيئة منخفضة الضغط من 10-20 TORR للحفاظ على استقرار نقل طور الغاز. سيؤدي الضغط المرتفع أو المنخفض للغاية إلى معدل نمو بلوري سريع للغاية أو زيادة العيوب.

✔ الجو: استخدم الأرجون عالي النقاء كغاز حامل لتجنب تلوث الشوائب أثناء عملية التفاعل. نقاء الغلاف الجوي أمر بالغ الأهمية لقمع العيوب البلورية.

✔ الوقت: عادة ما يصل وقت نمو البلورة إلى عشرات الساعات لتحقيق نمو موحد وسمك مناسب.

2. ما هي بنية فرن النمو الكريستالي للسيليكون؟

يركز تحسين هيكل فرن النمو البلوري للسيليكون بشكل أساسي على التدفئة عالية الحرارة ، والتحكم في الجو ، وتصميم حقل درجة الحرارة ومراقبة نظام المراقبة.

2.1 المكونات الرئيسية لفرن النمو

● نظام التدفئة عالية درجة الحرارة

✔ تسخين المقاومة: استخدم سلك المقاومة عالية درجة الحرارة (مثل الموليبدينوم ، التنغستن) لتوفير الطاقة الحرارية مباشرة. الميزة هي دقة التحكم في درجة الحرارة المرتفعة ، ولكن الحياة محدودة في درجة حرارة عالية.

✔ التدفئة الحثية: يتم إنشاء تسخين تيار الدوامة في البوتقة من خلال ملف التعريفي. لديها مزايا عالية الكفاءة وعدم الاتصال ، ولكن تكلفة المعدات مرتفعة نسبيا.

● محطة الجرافيت بوتقة وركيزة ببذور الركيزة

✔ يضمن بوتقة الجرافيت عالية النقاء الاستقرار في درجات الحرارة العالية.

✔ يجب أن يأخذ تصميم محطة البذور في الاعتبار كل من توحيد تدفق الهواء والتوصيل الحراري.

● جهاز التحكم في الجو

✔ مزود بنظام توصيل الغاز عالي النقاء وصمام تنظيم الضغط لضمان نقاء واستقرار بيئة التفاعل.

● تصميم توحيد حقل درجة الحرارة

✔ من خلال تحسين سماكة الجدار البوتقة ، وتوزيع عنصر التدفئة وهيكل درع الحرارة ، يتم تحقيق التوزيع الموحد لحقل درجة الحرارة ، مما يقلل من تأثير الإجهاد الحراري على البلورة.

2.2 درجة الحرارة وتصميم التدرج الحراري

✔ أهمية التوحيد في مجال درجة الحرارة: سيؤدي مجال درجة الحرارة غير المتكافئ إلى معدلات نمو محلية مختلفة وعيوب داخل الكريستال. يمكن تحسين توحيد مجال درجة الحرارة بشكل كبير من خلال تصميم التماثل الحلقي وتحسين درع الحرارة.

✔ التحكم الدقيق في التدرج الحراري: اضبط توزيع الطاقة للسخانات واستخدم الدروع الحرارية لفصل مناطق مختلفة لتقليل فروق درجة الحرارة. لأن التدرجات الحرارية لها تأثير مباشر على سمك البلورة وجودة السطح.

2.3 نظام المراقبة لعملية نمو البلورة

✔ مراقبة درجة الحرارة: استخدم مستشعرات درجة حرارة الألياف البصرية لمراقبة درجة حرارة الوقت الفعلي لمنطقة التسامي ومنطقة البذور. يمكن لنظام ملاحظات البيانات ضبط طاقة التدفئة تلقائيًا.

✔ مراقبة معدل النمو: استخدم قياس التداخل بالليزر لقياس معدل نمو سطح البلورة. الجمع بين بيانات المراقبة مع خوارزميات النمذجة لتحسين العملية ديناميكيًا.

3. ما هي الصعوبات الفنية لفرن نمو بلورات كربيد السيليكون؟

تتركز الاختناقات التقنية لفرن نمو بلورات كربيد السيليكون بشكل رئيسي في مواد درجات الحرارة العالية ، والتحكم في مجال درجة الحرارة ، وقمع العيوب وتوسع الحجم.

3.1 اختيار وتحديات المواد ذات درجة الحرارة العالية

الجرافيتيتأكسد بسهولة في درجات حرارة عالية للغاية ، وطلاء كذايحتاج إلى إضافة لتحسين مقاومة الأكسدة. تؤثر جودة الطلاء بشكل مباشر على حياة الفرن.

عمر عنصر التدفئة وحد درجة الحرارة. تحتاج أسلاك المقاومة عالية الحرارة إلى مقاومة عالية التعب. تحتاج معدات التدفئة الحثية إلى تحسين تصميم تبديد حرارة الملف.

3.2 التحكم الدقيق في درجة الحرارة والحقل الحراري

سيؤدي تأثير المجال الحراري غير الموحد إلى زيادة في أخطاء التراص والخلع. يجب تحسين نموذج محاكاة المجال الحراري للفرن للكشف عن المشكلات مقدمًا.

موثوقية معدات مراقبة درجات الحرارة العالية. يجب أن تكون أجهزة استشعار درجة الحرارة العالية مقاومة للإشعاع والصدمة الحرارية.

3.3 التحكم في العيوب البلورية

تعتبر الأخطاء والخلع والهجينة متعددة الأشكال هي أنواع العيوب الرئيسية. يساعد تحسين المجال الحراري والجو على تقليل كثافة العيوب.

السيطرة على مصادر الشوائب. يعد استخدام المواد عالية النقاء وختم الفرن أمرًا بالغ الأهمية لقمع الشوائب.

3.4 تحديات النمو الكريستالي كبير الحجم

متطلبات توحيد المجال الحراري لتوسيع الحجم. عندما يتم توسيع حجم البلورة من 4 بوصات إلى 8 بوصات ، يجب ترقية تصميم توحيد حقل درجة الحرارة بالكامل.

حل للمشاكل والتشفير. تقليل تشوه البلورة عن طريق تقليل تدرج الإجهاد الحراري.

4. ما هي المواد الخام لزراعة بلورات SIC عالية الجودة؟

طورت أشباه الموصلات الفيتيكية مادة كريستال خام واحدة جديدة -ارتفاع نقاء الأمراض القلبية الوعائية كذا المواد الخام. يملأ هذا المنتج الفجوة المحلية وهو أيضًا على المستوى الرائد على مستوى العالم ، وسيكون في وضع رائد طويل الأجل في المنافسة. يتم إنتاج المواد الخام للسيليكون التقليدية كربيد من خلال تفاعل السيليكون والجرافيت عالي النقاء ، والتي تكون عالية التكلفة ، منخفضة في النقاء والصغيرة في الحجم.

تستخدم تقنية الفراش المميتة من أشباه الموصلات الفيتينية ميثيل تريكلوروسيلان لتوليد المواد الخام كربيد السيليكون من خلال ترسب البخار الكيميائي ، والمنتج الثانوي الرئيسي هو حمض الهيدروكلوريك. يمكن أن يشكل حمض الهيدروكلوريك أملاح من خلال التحييد مع القلويات ، ولن يسبب أي تلوث للبيئة. 

في الوقت نفسه ، يعد Methyltrichlorosilane غازًا صناعيًا يستخدم على نطاق واسع ذو تكلفة منخفضة ومصادر واسعة ، وخاصة الصين هي المنتج الرئيسي لـ Methyltrichlorosilane. لذلك ، نقاء أشباه الموصلات النقش النقشCVD SIC المواد الخاملديه القدرة التنافسية الدولية من حيث التكلفة والجودة. نقاء المواد الخام عالية النقاء CVD SIC أعلى من 99.9995 ٪.

✔ حجم كبير وكثافة عالية: يبلغ متوسط ​​حجم الجسيمات حوالي 4-10 ملم ، وحجم الجسيمات للمواد الخام الأشيسون المحلية <2.5 مم. يمكن أن يحمل البوتقة ذات الحجم نفسه أكثر من 1.5 كجم من المواد الخام ، وهو ما يفضي إلى حل مشكلة عدم كفاية إمدادات مواد النمو الكريستال ذات الحجم الكبير ، مما يخفف من الرسوم البيانية للمواد الخام ، مما يقلل من غلاف الكربون وتحسين جودة البلورة.

✔ نسبة SI/C منخفضة: إنه أقرب إلى 1: 1 من المواد الخام Acheson لطريقة التعبير الذاتي ، والتي يمكن أن تقلل من العيوب الناجمة عن زيادة الضغط الجزئي SI.

✔ قيمة الإخراج العالية: لا تزال المواد الخام المزروعة تحافظ على النموذج الأولي ، وتقلل من إعادة التبلور ، وتقليل الرسوم البيانية للمواد الخام ، وتقليل عيوب تغليف الكربون ، وتحسين جودة البلورات.

✔ نقاء أعلى: إن نقاء المواد الخام التي تنتجها طريقة الأمراض القلبية الوعائية أعلى من مواد Acheson الخام لطريقة عمليات العرض الذاتي. وصل محتوى النيتروجين إلى 0.09ppm دون تنقية إضافية. يمكن أن تلعب هذه المادة الخام أيضًا دورًا مهمًا في مجال شبه العسل.

✔ انخفاض التكلفة: يسهل معدل التبخر الموحد للعملية ومراقبة جودة المنتج ، مع تحسين معدل استخدام المواد الخام (معدل الاستخدام> 50 ٪ ، المواد الخام 4.5 كيلوجرام تنتج 3.5 كيلوجرام من سبائك) ، مما يقلل من التكاليف.

✔ معدل الخطأ البشري المنخفض: ترسب البخار الكيميائي يتجنب الشوائب التي أدخلتها العملية البشرية.