8インチの炭化シリコンシングルクリスタル成長炉技術に基づく

       炭化シリコンは、高温、高周​​波、高電力、高電圧デバイスを作るのに理想的な材料の1つです。生産効率を改善し、コストを削減するために、大規模な炭化シリコンの準備は重要な開発方向です。のプロセス要件を目指します8インチの炭化シリコン（sic）単結晶の成長、炭化シリコン物理蒸気輸送（PVT）法の成長メカニズムを分析しました。TACコーティングリング、TACコーティングプレート、TACコーティング3ペタルリング、TACコーティング3ペタルるつぼ、TACコーティングホルダー、多孔質グラファイト、柔らかいフェルト、硬いフェルトSICコーティングされた結晶成長受容器およびその他SIC単結晶成長プロセススペアパーツVetek半導体によって提供されます）、炭化シリコンの単結晶成長炉のるつぼ回転とプロセスパラメーター制御技術を研究し、8インチの結晶を成功裏に調製し、熱フィールドシミュレーション分析とプロセス実験を通じて成長させました。

導入

      炭化シリコン（SIC）は、第3世代の半導体材料の典型的な代表です。より大きなバンドギャップ幅、より高い故障電界、より高い熱伝導率など、パフォーマンスの利点があります。高温、高圧、高周波フィールドでうまく機能し、半導体材料技術の分野の主要な開発方向の1つになりました。  現在、炭化シリコン結晶の産業成長は、主に物理蒸気輸送（PVT）を使用しています。これには、多相、多成分、複数の熱および物質移動、磁気電気熱流の相互作用の複雑な多物理野カップリングの問題が含まれます。したがって、PVT成長システムの設計は困難であり、プロセスパラメーターの測定と制御はクリスタル成長プロセス困難であり、成長した炭化シリコン炭化物の結晶と小さな結晶サイズの品質欠陥を制御するのが難しいため、基板が高いままであるため、炭化物のシリコンを持つデバイスのコストが高くなります。

      シリコンカーバイド製造装置は、炭化シリコン技術と産業開発の基礎です。炭化シリコン単結晶成長炉の技術レベル、プロセス能力、および独立した保証は、大きなサイズと高収量の方向にあるシリコン炭化物材料の開発の鍵であり、第3世代の半導体産業を低コストと大規模の方向に発達させる主な要因でもあります。炭化シリコン単結晶を基板として伴う半導体デバイスでは、基質の値は最大の割合である約50％を占めています。大規模な高品質の炭化シリコン結晶成長装置の開発、シリコン炭化物単結晶基質の収量と成長率の改善、および生産コストの削減は、関連デバイスの適用にとって重要な重要性です。生産能力の供給を増やし、シリコン炭化物デバイスの平均コストをさらに削減するために、炭化シリコンのサイズを拡大することは重要な方法の1つです。現在、国際的な主流の炭化シリコンの基質サイズは6インチであり、8インチに急速に前進しています。

       8インチの炭化物シリコンシングルクリスタル成長炉の開発で解決する必要がある主な技術には、次のものが含まれます。（1）8インチシリコンカルバイド結晶の成長に適したより小さな放射状温度勾配とより大きな縦方向の温度勾配を得るための大規模な熱磁場構造の設計。 （2）大規模なるつぼの回転とコイルの持ち上げおよび低下運動メカニズム。そのため、結晶成長プロセス中にるつぼが回転し、プロセス要件に従ってコイルに比べて移動して、8インチの結晶の一貫性を確保し、成長と厚さを促進します。 （3）高品質の単結晶成長プロセスのニーズを満たす動的条件下でのプロセスパラメーターの自動制御。

1 PVT結晶成長メカニズム

       PVTメソッドは、SICソースを円筒形の濃いグラファイトるつぼの底に配置することにより、シリコン炭化物単結晶を調製することであり、SICシードクリスタルはるつぼカバーの近くに配置されます。るつぼは、無線周波数の誘導または抵抗によって2 300〜2 400℃に加熱され、グラファイトフェルトまたは断熱されますまたは多孔質グラファイト。 SIC源から種子結晶に輸送される主な物質は、Si、Si2c分子、およびSIC2です。種子結晶の温度は、下部マイクロポーダーの温度よりもわずかに低くなるように制御されており、るつぼに軸温度勾配が形成されます。図1に示すように、炭化シリコンのマイクロポーダーは高温で昇華し、異なる気相成分の反応ガスを形成し、温度勾配の下で低い温度で種子結晶に到達し、円筒形の炭化物インゴットを形成します。

PVT成長の主な化学反応は次のとおりです。

sic（s）⇌si（g）+c（s）

2SIC⇌および₂c（g）+c（s）

2SIC⇌SIC2（g）+Si（L、G）

SIC（s）sic（g）

SIC単結晶のPVT成長の特性は次のとおりです。

1）2つのガス溶解インターフェイスがあります。1つはガスSIC粉末界面、もう1つはガス結晶界面です。

2）気相は2種類の物質で構成されています。1つはシステムに導入された不活性分子です。もう1つは、の分解と昇華によって生成される気相成分SIMCNですSICパウダー。気相成分SIMCNは互いに相互作用し、結晶化プロセスの要件を満たすいわゆる結晶性気相成分の一部がSIC結晶に成長します。

3）固体炭化シリコン粉末では、昇華していない粒子間で固相反応が発生します。これには、焼結を介して多孔質セラミック体を形成するいくつかの粒子、結晶化反応を介して特定の粒子サイズと結晶学的形態を形成する粒子を形成する粒子、および炭素粒子粒子と球形粒子に変換される炭素粒子粒子に変換されます。昇華。

4）結晶成長プロセス中に、2つの相の変化が発生します。1つは、固体炭化物粉末粒子が非存在数分解と昇華を介して気相成分に変換されることです。もう1つは、simcnが結晶化を介して格子粒子に変換されることです。

2機器の設計 

      図2に示すように、炭化シリコン単結晶成長炉には、主に上部カバーアセンブリ、チャンバーアセンブリ、加熱システム、るつぼ回転メカニズム、下部カバーリフティングメカニズム、電気制御システムが含まれます。

2.1暖房システム 

     図3に示すように、加熱システムは誘導加熱を採用し、誘導コイル、グラファイトるつぼ、断熱層（厳格なフェルト, ソフトフェルト）など。グラファイトるつぼの外側を囲む多ターン誘導コイルを中程度の周波数が通過すると、同じ周波数の誘導磁場がグラファイトのるつぼに形成され、誘導された電気的な力を生成します。高純度のグラファイトのるつぼ材料は良好な導電率を持っているため、るつぼ壁に誘導電流が生成され、渦電流が形成されます。ローレンツ部隊の作用の下で、誘導電流は最終的にるつぼの外壁（すなわち、皮膚効果）に収束し、radial骨の方向に沿って徐々に弱くなります。渦電流の存在により、るつぼの外壁にジュールの熱が発生し、成長システムの加熱源になります。ジュール熱のサイズと分布は、るつぼの温度場を直接決定し、結晶の成長に影響します。

     図4に示すように、誘導コイルは加熱システムの重要な部分です。独立したコイル構造の2つのセットを採用し、それぞれ上部と下部精密運動メカニズムを装備しています。暖房システム全体の電気熱損失のほとんどはコイルによって負担され、強制冷却を実行する必要があります。コイルは銅管で巻かれ、内部の水で冷却されます。誘導電流の周波数範囲は8〜12 kHzです。誘導加熱の周波数は、グラファイトるつぼの電磁界の浸透深度を決定します。コイルモーションメカニズムは、モーター駆動のネジペアメカニズムを使用します。誘導コイルは、誘導電源と協力して、内部グラファイトるつぼを加熱して粉末の昇華を実現します。同時に、2つのコイルのパワーと相対位置を制御して、種子結晶の温度を下部マイクロパウダーの温度よりも低くし、シードクリスタルとるつぼの粉末との間に軸方向温度勾配を形成し、炭水化物のシリコン炭化物結晶で合理的な半径方向温度勾配を形成します。

2.2るつぼ回転メカニズム 

      大規模な成長中シリコン炭化物単結晶、空洞の真空環境のるつぼは、プロセス要件に従って回転し続け、空洞の勾配熱場と低圧状態を安定させる必要があります。図5に示すように、るつぼの安定した回転を実現するために、モーター駆動のギアペアが使用されます。回転シャフトの動的シーリングを実現するために、磁気流体シーリング構造が使用されます。磁気流体シールは、磁石の間に形成された回転磁場回路、磁気極の靴、磁気袖を使用して、極の靴の先端と袖の間に磁気液をしっかりと吸着させて、Oリングのような液体リングを形成し、ギャップを完全にブロックして封印の目的を達成します。回転運動が大気から真空チャンバーに伝達されると、液体Oリング動的シーリングデバイスを使用して、簡単なシーリングで簡単な摩耗と低寿命の欠点を克服し、液体磁気液全体を満たすことができ、それによって空気を漏らし、2つのプロセスでゼロリークを達成することができます。磁気流体とるつぼのサポートは、磁気流体とるつぼのサポートの高温の適用性を確保し、熱場状態の安定性を実現するために、水冷構造を採用しています。

2.3下部カバーリフティングメカニズム

     下部カバーリフティングメカニズムは、ドライブモーター、ボールスクリュー、線形ガイド、リフティングブラケット、炉カバー、炉カバーブラケットで構成されています。モーターは、ネジガイドペアに接続された炉カバーブラケットを還元剤を介して駆動し、下部カバーの上下の動きを実現します。

     下部のカバーリフティングメカニズムは、大規模なるつぼの配置と除去を容易にし、さらに重要なことに、炉カバーのシーリングの信頼性を保証します。プロセス全体で、チャンバーには、真空、高圧、低圧などの圧力変化段階があります。下部カバーの圧縮とシーリング状態は、プロセスの信頼性に直接影響します。シールが高温下で故障すると、プロセス全体が廃棄されます。モーターサーボ制御および制限デバイスを介して、下部カバーアセンブリとチャンバーの締め付けが制御され、図6に示すように、プロセス圧力の安定性を確保するために、炉チャンバーシーリングリングの圧縮とシーリングの最良の状態を実現します。

2.4電気制御システム 

      炭化シリコン結晶の成長中、電気制御システムは、主にコイルの位置の高さ、るつぼの回転速度、加熱力と温度、異なる特別なガス摂取量、比例バルブの開口を含む、さまざまなプロセスパラメーターを正確に制御する必要があります。

      図7に示すように、コントロールシステムはプログラム可能なコントローラーをサーバーとして使用します。サーバーは、バスを介してサーボドライバーに接続され、コイルとるつぼのモーションコントロールを実現します。温度コントローラーとフローコントローラーに接続されており、温度、圧力、特別なプロセスガスの流れのリアルタイム制御を実現します。イーサネットを介して構成ソフトウェアとの通信を確立し、システム情報をリアルタイムで交換し、ホストコンピューターにさまざまなプロセスパラメーター情報を表示します。オペレーター、プロセス担当者、およびマネージャーは、ヒューマンマシンインターフェイスを介して制御システムと情報を交換します。

     制御システムは、すべてのフィールドデータ収集、すべてのアクチュエーターの動作ステータスの分析、およびメカニズム間の論理関係を実行します。プログラム可能なコントローラーは、ホストコンピューターの指示を受け取り、システムの各アクチュエーターの制御を完了します。自動プロセスメニューの実行と安全戦略はすべて、プログラム可能なコントローラーによって実行されます。プログラム可能なコントローラーの安定性により、プロセスメニュー操作の安定性と安全性の信頼性が保証されます。

     上部構成は、プログラム可能なコントローラーとのデータ交換をリアルタイムで維持し、フィールドデータを表示します。加熱制御、圧力制御、ガス回路制御、モーター制御などの動作インターフェイスが装備されており、さまざまなパラメーターの設定値をインターフェイスで変更できます。アラームパラメーターのリアルタイム監視、画面アラーム表示の提供、アラームの発生と回復の時間と詳細なデータの記録。すべてのプロセスデータのリアルタイム記録、画面操作コンテンツ、および操作時間。さまざまなプロセスパラメーターの融合制御は、プログラム可能なコントローラー内の基礎となるコードを介して実現され、最大100ステップのプロセスが実現できます。各ステップには、プロセス操作時間、ターゲットパワー、ターゲット圧力、アルゴンの流れ、窒素の流れ、水素の流れ、るつぼの位置、るつぼなどの12を超えるプロセスパラメーターが含まれます。

3サーマルフィールドシミュレーション分析

    サーマルフィールドシミュレーション分析モデルが確立されています。図8は、るつぼ成長室の温度クラウドマップです。 4H-SIC単結晶の成長温度範囲を確保するために、種子結晶の中心温度は2200℃と計算され、エッジ温度は2205.4°です。この時点で、るつぼ上部の中心温度は2167.5℃で、粉末面積の最高温度（側面）は2274.4°で、軸温度勾配を形成します。

       結晶の放射状勾配分布を図9に示します。種子結晶表面のより低い外側温度勾配は、結晶の成長形状を効果的に改善できます。現在の計算された初期温度差は5.4℃であり、全体の形状はほぼ平坦でわずかに凸であり、これは種子結晶表面の放射状温度制御の精度と均一性要件を満たすことができます。

       原材料表面と種子結晶表面の温度差曲線を図10に示します。材料表面の中心温度は2210°であり、材料表面と種子結晶表面の間に縦方向の温度勾配が合理的な範囲内に形成されます。

      推定成長率を図11に示します。成長率が高すぎると、多型や脱臼などの欠陥の確率が増加する可能性があります。現在の推定成長率は0.1 mm/hに近く、これは妥当な範囲内です。

     熱場シミュレーションの分析と計算により、シード結晶の中心温度とエッジ温度が8インチの結晶のradial温度勾配を満たすことがわかります。同時に、るつぼの上部と下部は、結晶の長さと厚さに適した軸温度勾配を形成します。成長システムの現在の加熱方法は、8インチの単結晶の成長を満たすことができます。

4実験テスト

     これを使用しますシリコン炭化物単結晶成長炉、るつぼ、空洞圧、るつぼの回転速度、上下のコイルの相対位置などのパラメーターを調整することにより、熱場シミュレーションの温度勾配に基づいて、炭化シリコン炭化物結晶成長試験が実施され、8インチの炭化物結晶が得られました（図12に示すように）。

5結論

     勾配熱場、るつぼ運動メカニズム、プロセスパラメーターの自動制御など、8インチの炭化シリコン単結晶の成長のための重要な技術を研究しました。るつぼ成長チャンバーの熱場をシミュレートして分析して、理想的な温度勾配を取得しました。テスト後、ダブルコイル誘導加熱方法は大規模の成長を満たすことができます炭化シリコン結晶。この技術の研究開発は、8インチの炭化物結晶を取得するための機器技術を提供し、6インチから8インチに炭化シリコン工業化を移行するための機器基盤を提供し、炭化シリコン材料の成長効率を改善し、コストを削減します。