استنادًا إلى تقنية فرن النمو البلوري الأحادي من كربيد السيليكون مقاس 8 بوصات

يعد كربيد السيليكون أحد المواد المثالية لصنع الأجهزة ذات درجة الحرارة العالية والتردد العالي والطاقة العالية والجهد العالي. من أجل تحسين كفاءة الإنتاج وخفض التكاليف، يعد إعداد ركائز كربيد السيليكون كبيرة الحجم اتجاهًا مهمًا للتنمية. تهدف إلى متطلبات العمليةنمو بلوري واحد من كربيد السيليكون (SIC) مقاس 8 بوصات، تم تحليل آلية نمو طريقة نقل البخار الفيزيائي لكربيد السيليكون (PVT)، ونظام التسخين (حلقة دليل TaC، بوتقة مطلية بـ TaC،حلقات مطلية بـ TaC، لوحة مطلية بـ TaC، حلقة ثلاثية البتلات مطلية بـ TaC، بوتقة ثلاثية البتلات مطلية بـ TaC، حامل مطلي بـ TaC، جرافيت مسامي، لباد ناعم، لباد صلب قابل للنمو كريستالي مطلي بـ SiC وغيرهاقطع غيار عملية النمو البلوري الفردي من SiCتم توفيرها بواسطة VeTek Semiconductor)، وتمت دراسة تقنية دوران البوتقة والتحكم في معلمات العملية لفرن النمو البلوري الأحادي من كربيد السيليكون، وتم إعداد بلورات مقاس 8 بوصات وتنميتها بنجاح من خلال تحليل محاكاة المجال الحراري وتجارب العملية.

0 مقدمة

يعد كربيد السيليكون (SiC) ممثلًا نموذجيًا لمواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث. لديها مزايا الأداء مثل عرض فجوة النطاق الأكبر، والمجال الكهربائي الأعلى، والتوصيل الحراري العالي. إنه يعمل بشكل جيد في مجالات درجات الحرارة العالية والضغط العالي والتردد العالي، وقد أصبح أحد اتجاهات التطوير الرئيسية في مجال تكنولوجيا مواد أشباه الموصلات. لديها مجموعة واسعة من احتياجات التطبيقات في مركبات الطاقة الجديدة، وتوليد الطاقة الكهروضوئية، والنقل بالسكك الحديدية، والشبكة الذكية، واتصالات 5G، والأقمار الصناعية، والرادارات وغيرها من المجالات. في الوقت الحاضر، يستخدم النمو الصناعي لبلورات كربيد السيليكون بشكل أساسي نقل البخار الفيزيائي (PVT)، والذي يتضمن مشاكل اقتران المجال الفيزيائي المعقدة المتمثلة في نقل الحرارة والكتلة متعدد المراحل والمكونات والمتعدد وتفاعل تدفق الحرارة المغناطيسي الكهربائي. ولذلك، فإن تصميم نظام نمو PVT أمر صعب، وقياس معلمة العملية والتحكم فيها أثناءعملية نمو الكريستالالأمر صعب، مما يؤدي إلى صعوبة التحكم في عيوب الجودة لبلورات كربيد السيليكون المزروعة وصغر حجم البلورة، بحيث تظل تكلفة الأجهزة التي تحتوي على كربيد السيليكون كركيزة مرتفعة.

معدات تصنيع كربيد السيليكون هي أساس تكنولوجيا كربيد السيليكون والتنمية الصناعية. يعد المستوى الفني والقدرة العملية والضمان المستقل لفرن النمو البلوري الأحادي كربيد السيليكون هو المفتاح لتطوير مواد كربيد السيليكون في اتجاه الحجم الكبير والإنتاجية العالية، كما أنها العوامل الرئيسية التي تدفع صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث إلى تطوير في اتجاه التكلفة المنخفضة وعلى نطاق واسع. في الوقت الحاضر، أحرز تطوير أجهزة كربيد السيليكون عالية الجهد والطاقة والتردد تقدمًا كبيرًا، لكن كفاءة الإنتاج وتكلفة إعداد الأجهزة ستصبح عاملاً مهمًا يقيد تطويرها. في أجهزة أشباه الموصلات التي تحتوي على بلورة مفردة من كربيد السيليكون كركيزة، تمثل قيمة الركيزة النسبة الأكبر، حوالي 50%. يعد تطوير معدات نمو بلورات كربيد السيليكون كبيرة الحجم وعالية الجودة، وتحسين إنتاجية ومعدل نمو ركائز كربيد السيليكون المفردة، وخفض تكاليف الإنتاج، ذا أهمية رئيسية لتطبيق الأجهزة ذات الصلة. من أجل زيادة العرض من الطاقة الإنتاجية وتقليل متوسط ​​تكلفة أجهزة كربيد السيليكون، يعد توسيع حجم ركائز كربيد السيليكون إحدى الطرق المهمة. في الوقت الحاضر، يبلغ حجم ركيزة كربيد السيليكون السائدة عالميًا 6 بوصات، وقد تقدم بسرعة إلى 8 بوصات.

تشمل التقنيات الرئيسية التي يجب حلها في تطوير أفران النمو البلورية المفردة من كربيد السيليكون مقاس 8 بوصة ما يلي: 1) تصميم هيكل مجال حراري كبير الحجم للحصول على تدرج أصغر في درجة الحرارة الشعاعية وتدرج درجة حرارة طولي أكبر مناسب للنمو من بلورات كربيد السيليكون مقاس 8 بوصة. 2) آلية حركة دوران البوتقة كبيرة الحجم ورفع وخفض الملف، بحيث تدور البوتقة أثناء عملية نمو البلورة وتتحرك نسبة إلى الملف وفقًا لمتطلبات العملية لضمان تماسك البلورة مقاس 8 بوصة وتسهيل النمو والسماكة . 3) التحكم الآلي في معلمات العملية في ظل الظروف الديناميكية التي تلبي احتياجات عملية نمو البلورة المفردة عالية الجودة.

1 آلية نمو الكريستال PVT

تتمثل طريقة PVT في تحضير بلورات مفردة من كربيد السيليكون عن طريق وضع مصدر SiC في الجزء السفلي من بوتقة الجرافيت الكثيفة الأسطوانية، ويتم وضع بلورة بذور SiC بالقرب من غطاء البوتقة. يتم تسخين البوتقة إلى 2300 ~ 2400 درجة مئوية عن طريق تحريض أو مقاومة التردد الراديوي، ويتم عزلها بواسطة لباد الجرافيت أوالجرافيت المسامي. المواد الرئيسية المنقولة من مصدر SiC إلى بلورة البذور هي جزيئات Si وSi2C وSiC2. يتم التحكم في درجة الحرارة عند بلورة البذور لتكون أقل قليلاً من تلك الموجودة في المسحوق الصغير السفلي، ويتم تشكيل تدرج درجة الحرارة المحورية في البوتقة. كما هو موضح في الشكل 1، يتسامى مسحوق كربيد السيليكون الصغير عند درجة حرارة عالية لتكوين غازات تفاعل لمكونات الطور الغازي المختلفة، والتي تصل إلى بلورة البذور بدرجة حرارة منخفضة تحت محرك التدرج الحراري وتتبلور عليها لتشكل بلورة أسطوانية سبيكة كربيد السيليكون.

التفاعلات الكيميائية الرئيسية لنمو PVT هي:

كربيد (ق) ⇌سي (ز) + ج (ق) (1)

2SiC⇌Si2C(ز)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

كربيد (ق) ⇌سيك (ز) (4)

خصائص نمو PVT للبلورات المفردة SiC هي:

1) هناك نوعان من الواجهات الغازية الصلبة: واحدة هي واجهة مسحوق الغاز-SiC، والأخرى هي واجهة الغاز-البلورية.

2) يتكون الطور الغازي من نوعين من المواد: أحدهما هو الجزيئات الخاملة التي يتم إدخالها إلى النظام؛ والآخر هو مكون الطور الغازي SimCn الناتج عن تحلل وتساميمسحوق كربيد السيليكون. تتفاعل مكونات الطور الغازي SimCn مع بعضها البعض، وجزء مما يسمى بمكونات الطور الغازي البلورية SimCn التي تلبي متطلبات عملية التبلور سوف تنمو إلى بلورة SiC.

3) في مسحوق كربيد السيليكون الصلب، ستحدث تفاعلات الطور الصلب بين الجسيمات التي لم تتسامي، بما في ذلك بعض الجزيئات التي تشكل أجسام خزفية مسامية من خلال التلبيد، وبعض الجزيئات تشكل حبيبات بحجم جسيم معين وتشكل بلوري من خلال تفاعلات التبلور، وبعضها تتحول جزيئات كربيد السيليكون إلى جزيئات غنية بالكربون أو جزيئات كربون بسبب التحلل والتسامي غير المتكافئ.

4) أثناء عملية النمو البلوري، سيحدث تغييران في الطور: الأول هو أن جزيئات مسحوق كربيد السيليكون الصلبة تتحول إلى مكونات الطور الغازي SimCn من خلال التحلل والتسامي غير المتكافئ، والآخر هو أن مكونات الطور الغازي SimCn يتم تحويلها إلى جزيئات شعرية من خلال التبلور.

2 تصميم المعدات كما هو مبين في الشكل 2، فإن فرن النمو ذو البلورة المفردة من كربيد السيليكون يتضمن بشكل رئيسي: مجموعة الغطاء العلوي، مجموعة الغرفة، نظام التسخين، آلية دوران البوتقة، آلية رفع الغطاء السفلي، ونظام التحكم الكهربائي.

2.1 نظام التسخين كما هو موضح في الشكل 3، يعتمد نظام التسخين التسخين الحثي ويتكون من ملف حثي، وبوتقة الجرافيتطبقة عازلة(شعر جامد, شعر ناعم) ، إلخ. عندما يمر التيار المتردد ذو التردد المتوسط ​​عبر ملف الحث متعدد الدورات المحيط بالجزء الخارجي من بوتقة الجرافيت، سيتم تشكيل مجال مغناطيسي مستحث بنفس التردد في بوتقة الجرافيت، مما يولد قوة دافعة كهربائية مستحثة. نظرًا لأن مادة بوتقة الجرافيت عالية النقاء تتمتع بموصلية جيدة، يتم توليد تيار مستحث على جدار البوتقة، مما يشكل تيارًا إيديًا. تحت تأثير قوة لورنتز، سيتقارب التيار المستحث في النهاية على الجدار الخارجي للبوتقة (أي تأثير الجلد) ويضعف تدريجيًا على طول الاتجاه الشعاعي. ونظرًا لوجود التيارات الدوامية، تتولد حرارة جول على الجدار الخارجي للبوتقة، لتصبح مصدر التسخين لنظام النمو. حجم وتوزيع حرارة الجول يحدد بشكل مباشر مجال درجة الحرارة في البوتقة، والذي بدوره يؤثر على نمو البلورة.

كما هو موضح في الشكل 4، يعد ملف الحث جزءًا أساسيًا من نظام التسخين. إنها تعتمد مجموعتين من هياكل الملفات المستقلة ومجهزة بآليات حركة عالية الدقة وسفلية على التوالي. يتحمل الملف معظم فقدان الحرارة الكهربائية لنظام التسخين بأكمله، ويجب إجراء التبريد القسري. يتم لف الملف بأنبوب نحاسي ويتم تبريده بالماء بداخله. نطاق تردد التيار المستحث هو 8 ~ 12 كيلو هرتز. يحدد تردد التسخين التعريفي عمق اختراق المجال الكهرومغناطيسي في بوتقة الجرافيت. تستخدم آلية حركة الملف آلية زوج المسمار التي تعمل بمحرك. يتعاون الملف التعريفي مع مصدر الطاقة التعريفي لتسخين بوتقة الجرافيت الداخلية لتحقيق تسامي المسحوق. في الوقت نفسه، يتم التحكم في القوة والموضع النسبي لمجموعتي الملفات لجعل درجة الحرارة عند بلورة البذور أقل من تلك الموجودة في المسحوق الصغير السفلي، مما يشكل تدرجًا محوريًا في درجة الحرارة بين بلورة البذور والمسحوق في بوتقة، وتشكل تدرجًا معقولًا في درجة الحرارة الشعاعية عند بلورة كربيد السيليكون.

2.2 آلية دوران البوتقة أثناء نمو الحجم الكبيركربيد السيليكون بلورات واحدة، يتم الحفاظ على دوران البوتقة في بيئة الفراغ للتجويف وفقًا لمتطلبات العملية، ويجب الحفاظ على استقرار المجال الحراري المتدرج وحالة الضغط المنخفض في التجويف. كما هو موضح في الشكل 5، يتم استخدام زوج تروس يعمل بمحرك لتحقيق دوران مستقر للبوتقة. يتم استخدام هيكل ختم السائل المغناطيسي لتحقيق الختم الديناميكي للعمود الدوار. يستخدم ختم السائل المغناطيسي دائرة مجال مغناطيسي دوارة مكونة بين المغناطيس وحذاء القطب المغناطيسي والجلبة المغناطيسية لامتصاص السائل المغناطيسي بقوة بين طرف حذاء العمود والكم لتشكيل حلقة سائلة تشبه الحلقة O، مما يحجب تمامًا الفجوة لتحقيق الغرض من الختم. عندما تنتقل الحركة الدورانية من الغلاف الجوي إلى حجرة التفريغ، يتم استخدام جهاز الختم الديناميكي ذو الحلقة O السائلة للتغلب على عيوب التآكل السهل والعمر المنخفض في الختم الصلب، ويمكن للسائل المغناطيسي السائل ملء المساحة المغلقة بالكامل، وبالتالي سد جميع القنوات التي يمكن أن تتسرب الهواء، وتحقيق صفر تسرب في عمليتي حركة البوتقة والتوقف. يعتمد السائل المغناطيسي ودعم البوتقة على هيكل تبريد الماء لضمان قابلية تطبيق السائل المغناطيسي ودعم البوتقة في درجات الحرارة العالية وتحقيق استقرار حالة المجال الحراري.

2.3 آلية رفع الغطاء السفلي

تتكون آلية رفع الغطاء السفلي من محرك دفع، ولولب كروي، ودليل خطي، وقوس رفع، وغطاء فرن، وقوس غطاء الفرن. يقوم المحرك بتشغيل دعامة غطاء الفرن المتصلة بزوج التوجيه اللولبي من خلال المخفض لتحقيق الحركة لأعلى ولأسفل للغطاء السفلي.

آلية رفع الغطاء السفلي تسهل وضع وإزالة البوتقات ذات الحجم الكبير، والأهم من ذلك، ضمان موثوقية الختم لغطاء الفرن السفلي. خلال العملية برمتها، تحتوي الغرفة على مراحل تغيير الضغط مثل الفراغ والضغط العالي والضغط المنخفض. تؤثر حالة الضغط والختم للغطاء السفلي بشكل مباشر على موثوقية العملية. بمجرد فشل الختم تحت درجة حرارة عالية، سيتم إلغاء العملية برمتها. من خلال جهاز التحكم والحد من المحرك المؤازر، يتم التحكم في إحكام مجموعة الغطاء السفلي والحجرة لتحقيق أفضل حالة ضغط وختم لحلقة إغلاق غرفة الفرن لضمان استقرار ضغط العملية، كما هو موضح 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 بشكل أساسي ارتفاع موضع الملف، ومعدل دوران البوتقة، وطاقة التسخين ودرجة الحرارة، وتدفق سحب الغاز الخاص المختلف، وفتح الصمام النسبي.

كما هو موضح في الشكل 7، يستخدم نظام التحكم وحدة تحكم قابلة للبرمجة كخادم، وهو متصل بمحرك مؤازر من خلال الناقل لتحقيق التحكم في حركة الملف والبوتقة؛ يتم توصيله بوحدة التحكم في درجة الحرارة ووحدة التحكم في التدفق من خلال MobusRTU القياسي لتحقيق التحكم في درجة الحرارة والضغط وتدفق الغاز في العمليات الخاصة في الوقت الفعلي. يقوم بإنشاء اتصال مع برنامج التكوين من خلال Ethernet، ويتبادل معلومات النظام في الوقت الفعلي، ويعرض معلومات معلمات العملية المختلفة على الكمبيوتر المضيف. يقوم المشغلون وموظفو العمليات والمديرون بتبادل المعلومات مع نظام التحكم من خلال واجهة الإنسان والآلة.

يقوم نظام التحكم بجمع كافة البيانات الميدانية وتحليل حالة التشغيل لجميع المحركات والعلاقة المنطقية بين الآليات. تتلقى وحدة التحكم القابلة للبرمجة تعليمات الكمبيوتر المضيف وتكمل التحكم في كل مشغل في النظام. يتم تنفيذ جميع استراتيجيات التنفيذ والسلامة الخاصة بقائمة العمليات التلقائية بواسطة وحدة التحكم القابلة للبرمجة. يضمن استقرار وحدة التحكم القابلة للبرمجة استقرار وموثوقية تشغيل قائمة العمليات.

يحافظ التكوين العلوي على تبادل البيانات مع وحدة التحكم القابلة للبرمجة في الوقت الفعلي ويعرض البيانات الميدانية. إنها مجهزة بواجهات تشغيل مثل التحكم في التسخين، التحكم في الضغط، التحكم في دائرة الغاز والتحكم في المحرك، ويمكن تعديل قيم الإعداد لمختلف المعلمات على الواجهة. مراقبة في الوقت الحقيقي لمعلمات الإنذار، وتوفير شاشة عرض التنبيه، وتسجيل الوقت والبيانات التفصيلية لحدوث الإنذار واستعادته. التسجيل في الوقت الحقيقي لجميع بيانات العملية ومحتوى تشغيل الشاشة ووقت التشغيل. يتم تحقيق التحكم في الدمج لمعلمات العملية المختلفة من خلال الكود الأساسي داخل وحدة التحكم القابلة للبرمجة، ويمكن تحقيق 100 خطوة من العملية كحد أقصى. تشتمل كل خطوة على أكثر من عشرة معلمات عملية مثل وقت تشغيل العملية، والطاقة المستهدفة، والضغط المستهدف، وتدفق الأرجون، وتدفق النيتروجين، وتدفق الهيدروجين، وموضع البوتقة، ومعدل البوتقة.

3 تحليل محاكاة المجال الحراري

تم إنشاء نموذج تحليل محاكاة المجال الحراري. الشكل 8 هو خريطة سحابة درجة الحرارة في غرفة نمو البوتقة. من أجل ضمان نطاق درجة حرارة النمو للبلورة المفردة 4H-SiC، يتم حساب درجة الحرارة المركزية لبلورة البذور لتكون 2200 درجة مئوية، ودرجة حرارة الحافة هي 2205.4 درجة مئوية. في هذا الوقت، تبلغ درجة الحرارة المركزية لقمة البوتقة 2167.5 درجة مئوية، وأعلى درجة حرارة لمنطقة المسحوق (الجانب لأسفل) هي 2274.4 درجة مئوية، مما يشكل تدرجًا محوريًا في درجة الحرارة.

يظهر الشكل 9 توزيع التدرج الشعاعي للبلورة. يمكن أن يؤدي التدرج الجانبي السفلي لدرجة الحرارة لسطح بلورة البذور إلى تحسين شكل نمو البلورة بشكل فعال. الفرق في درجة الحرارة الأولية المحسوبة حاليًا هو 5.4 درجة مئوية، والشكل العام مسطح تقريبًا ومحدب 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 بلورة البذور في الشكل 10. درجة الحرارة المركزية لسطح المادة هي 2210 درجة مئوية، ويتم تشكيل تدرج درجة حرارة طولي قدره 1 درجة مئوية/سم بين سطح المادة والبذور سطح الكريستال، والذي يقع ضمن نطاق معقول.

يظهر الشكل 11 معدل النمو المقدر. يمكن أن يؤدي معدل النمو السريع جدًا إلى زيادة احتمالية حدوث عيوب مثل تعدد الأشكال والخلع. معدل النمو المقدر الحالي يقترب من 0.1 ملم/ساعة، وهو ضمن نطاق معقول.

من خلال تحليل وحساب محاكاة المجال الحراري، وجد أن درجة الحرارة المركزية ودرجة حرارة الحافة لبلورة البذور تتوافق مع التدرج الحراري الشعاعي للبلورة البالغ 8 بوصات. وفي الوقت نفسه، يشكل الجزء العلوي والسفلي من البوتقة تدرجًا محوريًا في درجة الحرارة مناسبًا لطول وسمك البلورة. يمكن لطريقة التسخين الحالية لنظام النمو أن تلبي نمو بلورات مفردة مقاس 8 بوصات.

4 اختبار تجريبي

باستخدام هذافرن نمو بلوري واحد من كربيد السيليكون، استنادًا إلى التدرج الحراري لمحاكاة المجال الحراري، عن طريق ضبط المعلمات مثل درجة حرارة البوتقة العلوية، وضغط التجويف، وسرعة دوران البوتقة، والموضع النسبي للملفات العلوية والسفلية، تم إجراء اختبار نمو بلورات كربيد السيليكون وتم الحصول على بلورة كربيد السيليكون مقاس 8 بوصة (كما هو موضح في الشكل 12).

5. الخلاصة

تمت دراسة التقنيات الرئيسية لنمو بلورات كربيد السيليكون المفردة مقاس 8 بوصة، مثل المجال الحراري المتدرج، وآلية حركة البوتقة، والتحكم الآلي في معلمات العملية. تمت محاكاة المجال الحراري في غرفة نمو البوتقة وتحليله للحصول على التدرج المثالي لدرجة الحرارة. بعد الاختبار، يمكن لطريقة التسخين بالحث المزدوج أن تلبي نمو الحجم الكبيربلورات كربيد السيليكون. يوفر البحث والتطوير لهذه التكنولوجيا تكنولوجيا المعدات للحصول على بلورات كربيد السيليكون مقاس 8 بوصات، ويوفر أساسًا للمعدات لانتقال تصنيع كربيد السيليكون من 6 بوصات إلى 8 بوصات، مما يحسن كفاءة نمو مواد كربيد السيليكون ويقلل التكاليف.