8인치 탄화규소 단결정 성장로 기술 기반

탄화 규소는 고온, 고주파, 고전력 및 고전압 장치를 만드는 데 이상적인 재료 중 하나입니다. 생산 효율을 높이고 비용을 절감하기 위해서는 대형 탄화 규소 기판을 준비하는 것이 중요한 개발 방향입니다. 프로세스 요구 사항을 목표로8인치 실리콘카바이드(SIC) 단결정 성장, 탄화규소 PVT(물리적 증기 수송) 방식의 성장 메커니즘을 분석하고, 가열 시스템(TaC Guide Ring, TaC Coated Crucible,TaC 코팅 링, TaC 코팅 플레이트, TaC 코팅 3장 꽃잎 링, TaC 코팅 3장 꽃잎 도가니, TaC 코팅 홀더, 다공성 흑연, 소프트 펠트, 리지드 펠트 SiC 코팅 결정 성장 지지체 및 기타SiC 단결정 성장 공정 예비 부품VeTek Semiconductor 제공) 탄화규소 단결정 성장로의 도가니 회전 및 공정 변수 제어 기술을 연구하고, 열장 시뮬레이션 분석 및 공정 실험을 통해 8인치 결정체 제조 및 성장에 성공했습니다.

0 소개

실리콘카바이드(SiC)는 3세대 반도체 소재의 대표적인 대표 물질이다. 이는 더 큰 밴드갭 폭, 더 높은 항복 전기장, 더 높은 열 전도성과 같은 성능 이점을 가지고 있습니다. 고온, 고압, 고주파 분야에서 우수한 성능을 발휘하며 반도체 소재 기술 분야의 주요 발전 방향 중 하나로 자리 잡았습니다. 신에너지 차량, 태양광 발전, 철도 운송, 스마트 그리드, 5G 통신, 위성, 레이더 및 기타 분야에서 광범위한 응용 요구 사항을 가지고 있습니다. 현재 탄화규소 결정의 산업적 성장은 다상, 다성분, 다중 열 및 물질 전달, 자기-전기 열 흐름 상호 작용의 복잡한 다중 물리장 결합 문제를 포함하는 물리적 증기 수송(PVT)을 주로 사용합니다. 따라서 PVT 성장 시스템의 설계가 어렵고 공정 매개변수 측정 및 제어가 어렵습니다.결정 성장 과정이는 성장된 탄화규소 결정의 품질 결함과 작은 결정 크기를 제어하는 ​​데 어려움을 초래하여 탄화규소를 기판으로 사용하는 장치의 비용이 여전히 높습니다.

탄화규소 제조 장비는 탄화규소 기술과 산업 발전의 기초입니다. 탄화규소 단결정 성장로의 기술수준, 공정능력, 독자적인 보장은 탄화규소 소재를 대형화, 고수율화 방향으로 발전시키는 핵심이자 3세대 반도체 산업을 저비용, 대규모화 방향으로 발전한다. 현재 고전압, 고전력, 고주파 실리콘 카바이드 소자의 개발은 상당한 진전을 이루었지만 소자의 생산 효율성과 준비 비용은 개발을 제한하는 중요한 요소가 될 것입니다. 탄화규소 단결정을 기판으로 사용하는 반도체 소자에서 기판의 가치는 약 50%로 가장 큰 비중을 차지합니다. 대형 고품질 탄화규소 결정 성장 장비의 개발, 탄화규소 단결정 기판의 수율 및 성장 속도 향상, 생산 비용 절감은 관련 장치의 응용에 있어 핵심적인 의미를 갖습니다. 생산 능력 공급을 늘리고 탄화 규소 장치의 평균 비용을 더욱 낮추기 위해서는 탄화 규소 기판의 크기를 확장하는 것이 중요한 방법 중 하나입니다. 현재 국제 주류 실리콘 카바이드 기판 크기는 6인치이며, 8인치로 빠르게 발전하고 있다.

8인치 탄화규소 단결정 성장로 개발에서 해결해야 할 주요 기술은 다음과 같다. 1) 성장에 적합한 더 작은 반경 방향 온도 구배와 더 큰 종방향 온도 구배를 얻기 위한 대형 열장 구조 설계 8인치 실리콘 카바이드 결정체. 2) 대형 도가니 회전 및 코일 승강 운동 메커니즘으로 결정 성장 과정에서 도가니가 회전하고 프로세스 요구 사항에 따라 코일을 기준으로 이동하여 8인치 결정의 일관성을 보장하고 성장과 두께를 촉진합니다. . 3) 고품질 단결정 성장 공정의 요구 사항을 충족하는 동적 조건에서 공정 매개변수를 자동으로 제어합니다.

1 PVT 결정 성장 메커니즘

PVT법은 원통형의 치밀한 흑연 도가니 바닥에 SiC 소스를 배치하고, 도가니 커버 근처에 SiC 종결정을 배치하여 탄화규소 단결정을 제조하는 방법이다. 도가니는 고주파 유도 또는 저항에 의해 2 300~2 400 ℃로 가열되고 흑연 펠트 또는다공성 흑연. SiC 소스에서 종자정으로 이동되는 주요 물질은 Si, Si2C 분자 및 SiC2입니다. 종자결정의 온도는 하부 미세분말의 온도보다 약간 낮게 조절되며, 도가니에는 축방향 온도구배가 형성된다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 탄화규소 미세 분말은 고온에서 승화하여 다양한 기상 성분의 반응 가스를 형성합니다. 이 반응 가스는 온도 구배에 따라 더 낮은 온도로 종결정에 도달하고 그 위에서 결정화되어 원통형을 형성합니다. 탄화규소 잉곳.

PVT 성장의 주요 화학 반응은 다음과 같습니다.

SiC(들)⇌Si(g)+C(들) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(1,g) (3)

SiC(들)⇌SiC(g) (4)

SiC 단결정의 PVT 성장 특성은 다음과 같습니다.

1) 두 가지 가스-고체 인터페이스가 있습니다. 하나는 가스-SiC 분말 인터페이스이고 다른 하나는 가스-결정 인터페이스입니다.

2) 기체상은 두 ​​가지 유형의 물질로 구성됩니다. 하나는 시스템에 도입되는 불활성 분자입니다. 다른 하나는 분해 및 승화에 의해 생성된 기상 성분 SimCn입니다.SiC 분말. 기상 구성 요소 SimCn은 서로 상호 작용하며, 결정화 공정의 요구 사항을 충족하는 소위 결정질 기상 구성 요소 SimCn의 일부가 SiC 결정으로 성장합니다.

3) 고체 탄화규소 분말은 승화되지 않은 입자 사이에 고상 반응이 일어나며, 일부 입자는 소결을 통해 다공성 세라믹체를 형성하고, 일부 입자는 결정화 반응을 통해 특정 입자 크기와 결정학적 형태를 갖는 입자를 형성하며, 일부 입자는 비화학양론적 분해 및 승화로 인해 탄소가 풍부한 입자 또는 탄소 입자로 변환되는 탄화규소 입자.

4) 결정 성장 과정에서 두 가지 상 변화가 발생합니다. 하나는 고체 탄화규소 분말 입자가 비화학양론적 분해 및 승화를 통해 기상 성분 SimCn으로 변환되는 것이고, 다른 하나는 기상 성분 SimCn이 변환된다는 것입니다. 결정화를 통해 격자 입자로 변합니다.

2 장비 설계 그림 2에서 볼 수 있듯이 탄화규소 단결정 성장로는 주로 상부 덮개 조립체, 챔버 조립체, 가열 시스템, 도가니 회전 메커니즘, 하부 덮개 리프팅 메커니즘 및 전기 제어 시스템을 포함합니다.

2.1 가열 시스템 그림 3과 같이 가열 시스템은 유도 가열을 채택하고 유도 코일,흑연 도가니, 절연층(딱딱한 펠트, 부드러운 느낌) 등 중주파 교류가 흑연 도가니 외부를 둘러싸는 다회전 유도 코일을 통과하면 흑연 도가니에 동일한 주파수의 유도 자기장이 형성되어 유도 기전력이 발생하게 된다. 고순도 흑연 도가니 재료는 전도성이 좋기 때문에 도가니 벽에 유도 전류가 발생하여 와전류를 형성합니다. 로렌츠 힘의 작용으로 유도 전류는 결국 도가니 외벽에 수렴하고(즉, 표피 효과) 반경 방향을 따라 점차 약해집니다. 와전류의 존재로 인해 도가니 외벽에 줄(Joule) 열이 발생하여 성장 시스템의 가열원이 됩니다. 줄 열의 크기와 분포는 도가니의 온도 장을 직접적으로 결정하며 이는 결국 결정의 성장에 영향을 미칩니다.

그림 4에서 볼 수 있듯이 유도 코일은 가열 시스템의 핵심 부분입니다. 두 세트의 독립 코일 구조를 채택하고 상부 및 하부 정밀 모션 메커니즘을 각각 갖추고 있습니다. 전체 난방시스템의 전기적 열손실의 대부분은 코일에서 발생하므로 강제냉방이 반드시 이루어져야 합니다. 코일은 구리관으로 감겨 있고 내부에 물로 냉각됩니다. 유도 전류의 주파수 범위는 8~12kHz입니다. 유도 가열의 빈도는 흑연 도가니 내 전자기장의 침투 깊이를 결정합니다. 코일 모션 메커니즘은 모터 구동 나사 쌍 메커니즘을 사용합니다. 유도 코일은 유도 전원 공급 장치와 협력하여 내부 흑연 도가니를 가열하여 분말을 승화시킵니다. 동시에 두 세트의 코일의 출력과 상대 위치가 제어되어 종자 결정의 온도가 하부 미세 분말의 온도보다 낮아지고 종자 결정과 분말 사이에 축 온도 구배가 형성됩니다. 도가니, 실리콘 카바이드 결정에서 합리적인 반경 방향 온도 구배를 형성합니다.

2.2 대형 성장 시 도가니 회전 메커니즘탄화 규소 단결정, 캐비티의 진공 환경에서 도가니는 공정 요구 사항에 따라 계속 회전하고 캐비티의 경사 열장과 저압 상태는 안정적으로 유지되어야 합니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 도가니의 안정적인 회전을 달성하기 위해 모터 구동 기어 쌍이 사용됩니다. 자성유체 밀봉 구조를 사용하여 회전축의 동적 밀봉을 실현합니다. 자성유체씰은 자석과 자극슈, 자석슬리브 사이에 형성된 회전자기장 회로를 이용하여 폴슈 팁과 슬리브 사이에 자성액체를 견고하게 흡착시켜 O링 형태의 유체링을 형성하여 완전히 차단하는 장치입니다. 밀봉의 목적을 달성하기 위한 간격. 회전운동이 대기에서 진공챔버로 전달될 때 액체 오링 동적 밀봉 장치를 사용하여 고체 밀봉 시 마모가 쉽고 수명이 짧은 단점을 극복하고 밀봉 공간 전체를 액체 자성유체로 채울 수 있으며, 이를 통해 공기가 누출될 수 있는 모든 채널을 차단하고 도가니 이동과 정지의 두 가지 과정에서 누출 제로를 달성합니다. 자성유체 및 도가니 지지대는 수냉식 구조를 채택하여 자성유체 및 도가니 지지대의 고온 적용성을 보장하고 열장 상태의 안정성을 달성합니다.

2.3 하부커버 리프팅 메커니즘

하부 커버 리프팅 메커니즘은 구동 모터, 볼 스크류, 선형 가이드, 리프팅 브래킷, 퍼니스 커버 및 퍼니스 커버 브래킷으로 구성됩니다. 모터는 감속기를 통해 나사 가이드 쌍에 연결된 퍼니스 커버 브래킷을 구동하여 하부 커버의 상하 이동을 실현합니다.

하부 커버 리프팅 메커니즘은 대형 도가니의 배치 및 제거를 용이하게 하며, 더 중요한 것은 하부 퍼니스 커버의 밀봉 신뢰성을 보장합니다. 전체 공정 동안 챔버에는 진공, 고압, 저압과 같은 압력 변화 단계가 있습니다. 하부 커버의 압축 및 밀봉 상태는 공정 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 고온에서 밀봉이 실패하면 전체 공정이 폐기됩니다. 모터 서보 제어 및 제한 장치를 통해 하부 커버 어셈블리와 챔버의 견고성을 제어하여 그림 6과 같이 공정 압력의 안정성을 보장하기 위해 퍼니스 챔버 밀봉 링의 최상의 압축 및 밀봉 상태를 달성합니다. .

2.4 전기 제어 시스템 탄화규소 결정이 성장하는 동안 전기 제어 시스템은 주로 코일 위치 높이, 도가니 회전 속도, 가열 전력 및 온도, 다양한 특수 가스 흡입 흐름 및 입구 개방을 포함한 다양한 공정 매개변수를 정확하게 제어해야 합니다. 비례 밸브.

그림 7에 표시된 것처럼 제어 시스템은 프로그래밍 가능한 컨트롤러를 서버로 사용하며 버스를 통해 서보 드라이버에 연결되어 코일과 도가니의 모션 제어를 실현합니다. 표준 MobusRTU를 통해 온도 컨트롤러 및 유량 컨트롤러에 연결되어 온도, 압력 및 특수 공정 가스 흐름의 실시간 제어를 실현합니다. 이더넷을 통해 구성 소프트웨어와 통신을 설정하고 실시간으로 시스템 정보를 교환하며 호스트 컴퓨터에 다양한 프로세스 매개변수 정보를 표시합니다. 운영자, 프로세스 담당자 및 관리자는 인간-기계 인터페이스를 통해 제어 시스템과 정보를 교환합니다.

제어 시스템은 모든 현장 데이터 수집, 모든 액추에이터의 작동 상태 분석 및 메커니즘 간의 논리적 관계를 수행합니다. 프로그래머블 컨트롤러는 호스트 컴퓨터의 명령을 받아 시스템의 각 액츄에이터의 제어를 완료합니다. 자동 공정 메뉴의 실행 및 안전 전략은 모두 프로그래밍 가능한 컨트롤러에 의해 실행됩니다. 프로그래머블 컨트롤러의 안정성은 프로세스 메뉴 작동의 안정성과 안전성을 보장합니다.

상위 구성은 프로그래머블 컨트롤러와 실시간으로 데이터 교환을 유지하고 필드 데이터를 표시합니다. 가열 제어, 압력 제어, 가스 회로 제어, 모터 제어 등의 작동 인터페이스를 갖추고 있으며 인터페이스에서 다양한 매개변수의 설정 값을 수정할 수 있습니다. 알람 매개변수의 실시간 모니터링, 화면 알람 표시 제공, 알람 발생 및 복구 시간 및 세부 데이터 기록. 모든 공정 데이터, 화면 동작 내용, 동작 시간을 실시간으로 기록합니다. 다양한 프로세스 매개변수의 융합 제어는 프로그래머블 컨트롤러 내부의 기본 코드를 통해 구현되며 최대 100단계의 프로세스를 구현할 수 있습니다. 각 단계에는 공정 작동 시간, 목표 전력, 목표 압력, 아르곤 흐름, 질소 흐름, 수소 흐름, 도가니 위치, 도가니 속도 등 12개 이상의 프로세스 매개변수가 포함됩니다.

3 열장 시뮬레이션 분석

열장 시뮬레이션 분석 모델이 확립되었습니다. 그림 8은 도가니 성장 챔버의 온도 구름 지도입니다. 4H-SiC 단결정의 성장 온도 범위를 보장하기 위해 종자정의 중심 온도는 2200℃, 가장자리 온도는 2205.4℃로 계산됩니다. 이때 도가니 상부 중심온도는 2167.5℃, 분말부(측면)의 최고온도는 2274.4℃로 축방향 온도구배를 형성한다.

결정의 방사형 구배 분포는 그림 9에 나와 있습니다. 종자 결정 표면의 낮은 측면 온도 구배는 결정 성장 모양을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 현재 계산된 초기 온도차는 5.4℃이며 전체 모양은 거의 평평하고 약간 볼록하여 종자 결정 표면의 방사상 온도 제어 정확도와 균일성 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

원료 표면과 종자 결정 표면 사이의 온도차 곡선은 그림 10에 나와 있습니다. 재료 표면의 중심 온도는 2210℃이며, 재료 표면과 종자 사이에는 1℃/cm의 세로 방향 온도 구배가 형성됩니다. 합리적인 범위 내에 있는 크리스탈 표면.

예상 성장률은 그림 11에 나와 있습니다. 성장률이 너무 빠르면 다형성 및 전위와 같은 결함이 발생할 확률이 높아질 수 있습니다. 현재 추정 성장률은 0.1mm/h에 가깝고 이는 합리적인 범위 내에 있습니다.

열장 시뮬레이션 분석 및 계산을 통해 종자 결정의 중심 온도와 가장자리 온도가 8인치 결정의 반경 방향 온도 구배를 충족하는 것으로 나타났습니다. 동시에, 도가니의 상부와 하부는 결정의 길이와 두께에 적합한 축방향 온도 구배를 형성합니다. 현재 성장 시스템의 가열 방식은 8인치 단결정 성장을 충족할 수 있다.

4 실험 테스트

이것을 사용하여탄화규소 단결정 성장로, 열장 시뮬레이션의 온도 구배를 기반으로 도가니 상단 온도, 캐비티 압력, 도가니 회전 속도, 상부 및 하부 코일의 상대 위치와 같은 매개 변수를 조정하여 탄화 규소 결정 성장 테스트를 수행했습니다. , 8인치 탄화규소 결정이 얻어졌다(그림 12 참조).

5. 결론

경사열장, 도가니 운동 메커니즘, 공정 변수 자동 제어 등 8인치 탄화규소 단결정 성장을 위한 핵심 기술을 연구했다. 이상적인 온도 구배를 얻기 위해 도가니 성장 챔버의 열장을 시뮬레이션하고 분석했습니다. 테스트 후 이중 코일 유도 가열 방식은 대형 제품의 성장을 충족할 수 있습니다.탄화 규소 결정. 본 기술의 연구개발은 8인치 탄화물 결정을 얻기 위한 장비 기술을 제공하고, 탄화규소 산업화를 6인치에서 8인치로 전환하기 위한 장비 기반을 제공하여 탄화규소 소재의 성장 효율을 높이고 원가를 절감한다.