8 hazbeteko silizio karburo kristal bakarreko hazkuntza-labe teknologian oinarrituta

Silizio karburoa tenperatura altuko, maiztasun handiko, potentzia handiko eta tentsio handiko gailuak egiteko material aproposetako bat da. Ekoizpen eraginkortasuna hobetzeko eta kostuak murrizteko, tamaina handiko silizio karburoko substratuak prestatzea garapen norabide garrantzitsua da. Prozesuaren eskakizunetara zuzenduta8 hazbeteko silizio karburoa (SIC) kristal bakarreko hazkundea, silizio-karburoaren lurrun fisikoaren garraioaren (PVT) metodoaren hazkuntza-mekanismoa aztertu zen, berokuntza-sistema (TaC Guide Ring, TaC Coated Crucible,TaC estalitako eraztunak, TaC estalitako plaka, TaC estalitako hiru petaloko eraztuna, TaC estalitako hiru petaloko arragoa, TaC estalitako euskarria, grafito porotsua, feltro biguna, feltro zurruna SiC estalitako kristalezko hazkuntza susceptor eta besteSiC kristal bakarreko hazkuntza prozesuaren ordezko piezakVeTek Semiconductor-ek eskaintzen ditu), silizio karburo kristal bakarreko hazkuntza-labearen arragoaren biraketa eta prozesu parametroen kontrol teknologia aztertu ziren, eta 8 hazbeteko kristalak arrakastaz prestatu eta hazi ziren eremu termikoko simulazio-analisiaren eta prozesu-esperimentuen bidez.

0 Sarrera

Silizio karburoa (SiC) hirugarren belaunaldiko material erdieroaleen ordezkari tipikoa da. Errendimendu abantailak ditu, hala nola banda-zabalera handiagoa, matxura handiko eremu elektrikoa eta eroankortasun termiko handiagoa. Tenperatura altuko, presio handiko eta maiztasun handiko eremuetan ondo funtzionatzen du, eta material erdieroaleen teknologiaren alorreko garapen-ildo nagusietako bat bihurtu da. Aplikazio-behar ugari ditu energia-ibilgailu berrietan, energia fotovoltaikoan, trenbide-garraioan, sare adimendunean, 5G komunikazioan, sateliteetan, radarrak eta beste alor batzuetan. Gaur egun, silizio karburoko kristalen industria-hazkundeak lurrun-garraio fisikoa (PVT) erabiltzen du batez ere, eta horrek fase anitzeko, osagai anitzeko, bero- eta masa-transferentzia eta bero-fluxu magneto-elektrikoaren elkarrekintza-fase anitzeko, osagai anitzeko, bero- eta masa-transferentzia anitz eta magneto-elektrikoen arteko akoplamendu arazo konplexuak dakartza. Hori dela eta, zaila da PVT hazkuntza-sistemaren diseinua, eta prozesuaren parametroen neurketa eta kontrola zeharkristalen hazkuntza prozesuazaila da, hazitako silizio karburozko kristalen kalitate-akatsak eta kristalen tamaina txikia kontrolatzeko zailtasunak eragiten ditu, substratu gisa silizio karburoa duten gailuen kostua altua izaten jarraitzeko.

Silizio karburoa fabrikatzeko ekipamendua silizio karburoaren teknologiaren eta garapen industrialaren oinarria da. Silizio karburozko kristal bakarreko hazteko labearen maila teknikoa, prozesu-gaitasuna eta berme independentea dira silizio karburozko materialen garapenerako gakoa tamaina handiko eta errendimendu handiko norabidean, eta hirugarren belaunaldiko erdieroaleen industria bultzatzen duten faktore nagusiak ere badira. kostu baxuko eta eskala handiko norabidean garatzea. Gaur egun, tentsio altuko, potentzia handiko eta maiztasun handiko silizio karburozko gailuen garapenak aurrerapen handia egin du, baina gailuen ekoizpen-eraginkortasuna eta prestaketa-kostua haien garapena mugatzen duen faktore garrantzitsu bihurtuko da. Substratu gisa silizio karburozko kristal bakarra duten gailu erdieroaleetan, substratuaren balioa da proportzio handiena, %50 inguru. Tamaina handiko kalitate handiko silizio karburozko kristal hazteko ekipamenduen garapena, silizio karburozko kristal bakarreko substratuen etekina eta hazkunde-tasa hobetzea eta ekoizpen-kostuak murriztea funtsezkoa da erlazionatutako gailuak aplikatzeko. Produkzio-ahalmenaren hornidura handitzeko eta silizio karburoko gailuen batez besteko kostua gehiago murrizteko, silizio karburoko substratuen tamaina zabaltzea da bide garrantzitsuenetako bat. Gaur egun, nazioarteko silizio-karburoaren substratuaren tamaina 6 hazbetekoa da, eta 8 hazbeteraino azkar egin du aurrera.

8 hazbeteko silizio karburozko kristal bakarreko hazteko labeen garapenean ebatzi behar diren teknologia nagusiak hauek dira: 1) Tamaina handiko eremu termikoen egituraren diseinua, tenperatura-gradiente erradial txikiagoa eta hazkuntzarako egokia den luzetarako tenperatura-gradiente handiagoa lortzeko. 8 hazbeteko silizio karburozko kristalez. 2) Tamaina handiko arragoa biraketa eta bobina altxatzeko eta jaisteko mugimenduaren mekanismoa, beraz, arragoa kristalaren hazkuntza prozesuan zehar biratzen da eta bobinarekin alderatuta mugitzen da prozesuko eskakizunen arabera, 8 hazbeteko kristalaren koherentzia bermatzeko eta hazkundea eta lodiera errazteko. . 3) Kalitate handiko kristal bakarreko hazkuntza-prozesuaren beharrak asetzen dituzten baldintza dinamikoetan prozesuko parametroen kontrol automatikoa.

1 PVT kristal hazteko mekanismoa

PVT metodoa silizio karburozko kristal bakarrak prestatzea da, SiC iturria grafito trinkozko arrago zilindriko baten behealdean jarriz, eta SiC hazi kristala arragoaren estalkitik gertu jartzen da. Arragoa 2 300 ~ 2 400 ℃-ra berotzen da irrati-maiztasunaren indukzio edo erresistentziaren bidez, eta grafito-feltroz ​​edo grafitoz isolatuta dago.grafito porotsua. SiC iturritik hazi-kristalera garraiatzen diren substantzia nagusiak Si, Si2C molekulak eta SiC2 dira. Hazi-kristaleko tenperatura beheko mikro-hautsarena baino zertxobait baxuagoa izan dadin kontrolatzen da, eta tenperatura-gradiente axial bat sortzen da arragoa. 1. Irudian ikusten den bezala, silizio-karburoaren mikro-hautsa tenperatura altuan sublimatzen da gas faseko osagai ezberdinen erreakzio-gasak sortzeko, hazi-kristalera tenperatura baxuagoarekin iristen diren tenperatura-gradientearen eraginpean eta bertan kristalizatzen dira zilindriko bat osatzeko. siliziozko karburozko lingotea.

PVT hazkundearen erreakzio kimiko nagusiak hauek dira:

SiC(s)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(s)⇌SiC(g) (4)

SiC kristal bakarren PVT hazkundearen ezaugarriak hauek dira:

1) Bi gas-solido interfaze daude: bata gas-SiC hauts interfazea da, eta bestea gas-kristal interfazea.

2) Gas fasea bi substantzia motaz osatuta dago: bata sisteman sartutako molekula geldoak dira; bestea, deskonposizioan eta sublimazioan sortutako SimCn gas faseko osagaia daSiC hautsa. SimCn gas-faseko osagaiek elkarri eragiten diote, eta kristalizazio-prozesuaren eskakizunak betetzen dituzten SimCn gas-fase kristalinoko osagaien zati bat SiC kristalera haziko da.

3) Silizio karburo solidoaren hautsean, sublimatu ez diren partikulen artean fase solidoko erreakzioak gertatuko dira, besteak beste, sinterizazioaren bidez zeramikazko gorputz porotsuak eratzen dituzten partikulak, partikula tamaina eta morfologia kristalografiko jakin bateko aleak osatzen dituzten partikulak kristalizazio erreakzioen bidez, eta zenbait partikulak. silizio karburoko partikulak karbonoan aberatsak diren partikula edo karbono partikula bihurtzen dira deskonposizio eta sublimazio ez estekiometrikoaren ondorioz.

4) Kristalaren hazkuntza prozesuan, bi fase aldaketa gertatuko dira: bata da silizio karburo solidoaren hautsaren partikulak SimCn gas faseko osagaietan bihurtzen direla deskonposizio eta sublimazio ez-estekiometrikoaren bidez, eta bestea, gas faseko osagaiak SimCn eraldatzen direla. kristalizazio bidez sareko partikulak sartu.

2 Ekipamenduaren diseinua 2. Irudian ikusten den bezala, silizio karburozko kristal bakarreko hazkuntza-labeak honako hauek barne hartzen ditu batez ere: goiko estalkiaren muntaia, ganberaren muntaia, berokuntza-sistema, arragoa biratzeko mekanismoa, beheko estalkia altxatzeko mekanismoa eta kontrol-sistema elektrikoa.

2.1 Berokuntza-sistema 3. Irudian ikusten den bezala, berokuntza-sistemak indukziozko berogailua hartzen du eta indukzio bobina batez osatuta dago.grafitozko arragoa, isolamendu geruza bat (feltro zurruna, feltro biguna), etab. Maiztasun ertaineko korronte alternoa grafitozko arragoaren kanpoaldea inguratzen duen bira anitzeko indukzio bobinatik igarotzen denean, maiztasun bereko eremu magnetiko induzitua sortuko da grafitozko arragoa, eta indar elektroeragile induzitua sortuko da. Garbitasun handiko grafitozko arragoaren materialak eroankortasun ona duenez, korronte induzitua sortzen da arragoaren horman, korronte ertain bat osatuz. Lorentz indarraren eraginez, induzitutako korrontea azkenean arragoaren kanpoko horman bat egingo du (hau da, azalaren efektua) eta pixkanaka ahuldu egingo da norabide erradialean zehar. Korronte zalapartatsuak daudenez, Joule beroa sortzen da arragoaren kanpoko horman, hazkuntza-sistemaren bero-iturri bihurtuz. Joule-beroaren tamainak eta banaketak zuzenean determinatzen dute arragoko tenperatura-eremua, eta horrek kristalaren hazkuntzan eragiten du.

4. Irudian ikusten den bezala, indukzio bobina berogailu sistemaren funtsezko atala da. Bobina egitura independenteen bi multzo hartzen ditu eta goiko eta beheko doitasuneko mugimendu mekanismoez hornituta dago, hurrenez hurren. Berokuntza-sistema osoaren bero-galera elektriko gehiena bobinak jasaten du, eta behartutako hozte-lanak egin behar dira. Bobina kobrezko hodi batekin inguratuta dago eta barruan urak hozten du. Induzitutako korrontearen maiztasun-tartea 8~12 kHz-koa da. Indukziozko berogailuaren maiztasunak zehazten du grafitozko arragoa eremu elektromagnetikoko sartze-sakonera. Bobinaren mugimenduaren mekanismoak motorra bultzatutako torloju-pare mekanismoa erabiltzen du. Indukzio bobina indukzio hornidurarekin lankidetzan aritzen da barneko grafitozko arragoa berotzeko hautsaren sublimazioa lortzeko. Aldi berean, bi bobin-multzoen potentzia eta posizio erlatiboa kontrolatzen dira hazi-kristalean tenperatura beheko mikro-hautsean baino txikiagoa izan dadin, hazi-kristalaren eta hautsaren artean tenperatura-gradiente axial bat osatuz. arragoa, eta zentzuzko tenperatura-gradiente erradiala osatuz silizio-karburozko kristalean.

2.2 Arragoa biraketa-mekanismoa tamaina handiko hazkuntzan zeharsilizio karburozko kristal bakarrekoak, barrunbearen huts-ingurunean arragoa biratzen mantentzen da prozesuaren eskakizunen arabera, eta gradientearen eremu termikoa eta barrunbeko presio baxuko egoera egonkor mantendu behar dira. 5. Irudian ikusten den bezala, motor bidezko engranaje-pare bat erabiltzen da arragoaren biraketa egonkorra lortzeko. Fluido magnetikoko zigilatzeko egitura erabiltzen da birakari ardatzaren zigilaketa dinamikoa lortzeko. Fluido magnetikoaren zigiluak imanaren, polo magnetikoaren oinetakoaren eta mahuka magnetikoaren artean osatutako eremu magnetiko birakaria zirkuitu bat erabiltzen du, poloaren oinetakoaren puntaren eta mahukaren artean likido magnetikoa irmo xurgatzeko, O-eraztunaren antzeko fluido-eraztun bat osatzeko, guztiz blokeatuz. zigilatzeko helburua lortzeko hutsunea. Errotazio-mugimendua atmosferatik huts-ganberara transmititzen denean, O-ring likidoa zigilatzeko gailu dinamikoa erabiltzen da higadura errazaren eta zigilazio solidoen bizitza baxuaren desabantailak gainditzeko, eta fluido magnetiko likidoak espazio itxi osoa bete dezake. horrela, airea isur dezaketen kanal guztiak blokeatzen dira, eta zero isurketa lortuz arragoa mugimenduaren eta gelditzearen bi prozesuetan. Fluido magnetikoaren eta arragoaren euskarriek ura hozteko egitura hartzen dute, fluido magnetikoaren eta arragoaren euskarriaren tenperatura altuko aplikagarritasuna bermatzeko eta eremu termikoaren egoeraren egonkortasuna lortzeko.

2.3 Beheko estalkia altxatzeko mekanismoa

Beheko estalkia altxatzeko mekanismoak gidatzeko motor bat, bola torloju bat, gida lineal bat, altxatzeko euskarria, labearen estalkia eta labearen estalkiaren euskarria ditu. Motorrak labearen estalkiaren euskarria gidatzen du torloju-gida-bikotearekin erreduktore baten bidez, beheko estalkiaren gora eta behera mugimenduaz jabetzeko.

Beheko estalkia altxatzeko mekanismoak tamaina handiko arragoak jartzea eta kentzea errazten du, eta are garrantzitsuagoa dena, beheko labearen estalkiaren zigilatzeko fidagarritasuna bermatzen du. Prozesu osoan zehar, ganberak presio aldaketa faseak ditu, hala nola, hutsa, presio altua eta presio baxua. Beheko estalkiaren konpresio eta zigilatzeko egoerak zuzenean eragiten du prozesuaren fidagarritasuna. Zigiluak tenperatura altuan huts egiten duenean, prozesu osoa baztertu egingo da. Motorearen serbo-kontrolaren eta muga-gailuaren bidez, beheko estalkiaren eta ganberaren estutasuna kontrolatzen da labe-ganberaren zigilatzeko eraztunaren konpresio eta zigilatzeko egoera onena lortzeko prozesuaren presioaren egonkortasuna bermatzeko, 6. Irudian erakusten den moduan. .

2.4 Kontrol-sistema elektrikoa Silizio-karburozko kristalen hazkuntzan, kontrol-sistema elektrikoak prozesu-parametro desberdinak zehaztasunez kontrolatu behar ditu, batez ere bobinaren posizioaren altuera, arragoaren biraketa-tasa, berokuntza-potentzia eta tenperatura, gas-hartuketa-fluxu berezi desberdinak eta irekiera barne. balbula proportzionala.

7. Irudian ikusten den bezala, kontrol-sistemak kontrolagailu programagarri bat erabiltzen du zerbitzari gisa, hau da, serbo-gidariarekin konektatzen dena busaren bidez, bobinaren eta arragoaren mugimendu-kontrolaz jabetzeko; MobusRTU estandarraren bidez tenperatura kontroladorearekin eta fluxu-kontrolatzailearekin konektatuta dago, tenperatura, presioa eta prozesuko gas-fluxu berezia denbora errealean kontrolatzeko. Ethernet bidez konfigurazio softwarearekin komunikazioa ezartzen du, sistemaren informazioa denbora errealean trukatzen du eta hainbat prozesu-parametroen informazioa erakusten du ostalari-ordenagailuan. Operadoreek, prozesuko langileek eta kudeatzaileek informazioa trukatzen dute kontrol-sistemarekin, giza-makina interfazearen bidez.

Kontrol-sistemak eremuko datu bilketa guztiak, eragile guztien funtzionamendu-egoeraren azterketa eta mekanismoen arteko erlazio logikoa egiten ditu. Kontrolagailu programagarriak ordenagailu ostalariaren argibideak jasotzen ditu eta sistemaren eragingailu bakoitzaren kontrola osatzen du. Prozesu automatikoaren menuaren exekuzio eta segurtasun estrategia kontroladore programagarriak exekutatzen ditu. Kontrolagailu programagarriaren egonkortasunak prozesuko menuaren funtzionamenduaren egonkortasuna eta segurtasun-fidagarritasuna bermatzen ditu.

Goiko konfigurazioak kontrolagailu programagarriarekin datu-trukea mantentzen du denbora errealean eta eremuko datuak bistaratzen ditu. Berokuntza-kontrola, presio-kontrola, gas-zirkuituaren kontrola eta motor-kontrola bezalako funtzionamendu-interfazeez hornituta dago, eta hainbat parametroren ezarpen-balioak alda daitezke interfazean. Alarma-parametroen denbora errealean kontrolatzea, pantailako alarma bistaratzea, alarmaren agerraldiaren eta berreskurapenaren ordua eta datu zehatzak erregistratuz. Prozesuaren datu guztien, pantailaren funtzionamenduaren edukia eta eragiketa denbora denbora errealean grabatzea. Prozesuaren hainbat parametroren fusio-kontrola kontrolagailu programagarriaren barruan azpiko kodearen bidez gauzatzen da, eta gehienez 100 prozesuko urrats egin daitezke. Urrats bakoitzak prozesuko dozena bat parametro baino gehiago hartzen ditu, hala nola, prozesuaren funtzionamendu-denbora, xede-potentzia, xede-presioa, argon-fluxua, nitrogeno-fluxua, hidrogeno-fluxua, arragoaren posizioa eta arragoaren abiadura.

3 Eremu termikoaren simulazio-analisia

Eremu termikoaren simulazioaren analisi-eredua ezartzen da. 8. irudia arragoa hazteko ganberako tenperatura-hodei-mapa da. 4H-SiC kristal bakarreko hazkuntza-tenperatura-tartea bermatzeko, hazi-kristalaren erdiko tenperatura 2200 ℃ dela kalkulatzen da eta ertzeko tenperatura 2205,4 ℃. Une honetan, arragoaren goiko erdiko tenperatura 2167,5 ℃ da, eta hautsaren eremuaren tenperatura altuena (aldetik behera) 2274,4 ℃ da, tenperatura-gradiente axiala osatuz.

Kristalaren gradiente erradialaren banaketa 9. Irudian ageri da. Hazien kristalaren gainazaleko alboko tenperatura-gradiente baxuak modu eraginkorrean hobetu dezake kristalaren hazkuntzaren forma. Uneko kalkulatutako hasierako tenperatura aldea 5,4 ℃ da, eta forma orokorra ia laua eta apur bat ganbila da, eta horrek haziaren kristalaren gainazaleko tenperatura erradiala kontrolatzeko zehaztasun eta uniformitate baldintzak bete ditzake.

Lehengaiaren gainazalaren eta haziaren kristalaren gainazalaren arteko tenperatura-diferentzia kurba 10. Irudian ageri da. Materialaren gainazalaren erdiko tenperatura 2210 ℃ da, eta 1 ℃/cm-ko luzetarako tenperatura-gradiente bat sortzen da materialaren gainazalaren eta haziaren artean. kristalezko gainazala, zentzuzko tartean dagoena.

Zenbatetsitako hazkunde-tasa 11. Irudian ageri da. Hazkunde-tasa azkarregiak polimorfismoa eta dislokazioa bezalako akatsen probabilitatea handitu dezake. Oraingo estimatutako hazkunde-tasa 0,1 mm/h-tik hurbil dago, hau da, zentzuzko tartean.

Eremu termikoaren simulazio-analisiaren eta kalkuluen bidez, hazi-kristalaren erdiko tenperaturak eta ertz-tenperaturak 8 hazbeteko kristalaren tenperatura-gradiente erradiala betetzen dutela ikusten da. Aldi berean, arragoaren goiko eta behekoek kristalaren luzera eta lodierarako egokia den tenperatura-gradiente axiala osatzen dute. Hazkuntza-sistemaren egungo berotze-metodoak 8 hazbeteko kristal bakarren hazkundea bete dezake.

4 Proba esperimentala

Hau erabilizsilizio karburo kristal bakarreko hazteko labea, eremu termikoaren simulazioaren tenperatura-gradientean oinarrituta, arragoaren goiko tenperatura, barrunbearen presioa, arragoaren biraketa-abiadura eta goiko eta beheko bobinaren posizio erlatiboa bezalako parametroak doituz, silizio karburozko kristalen hazkuntza proba egin zen. , eta 8 hazbeteko silizio karburozko kristal bat lortu zen (12. Irudian ikusten den bezala).

5 Ondorioa

8 hazbeteko silizio karburozko kristal bakarren hazkuntzarako funtsezko teknologiak aztertu ziren, hala nola gradientearen eremu termikoa, arragoaren mugimenduaren mekanismoa eta prozesuko parametroen kontrol automatikoa. Arragoaren hazkuntza-ganberako eremu termikoa simulatu eta aztertu da tenperatura-gradiente ideala lortzeko. Probatu ondoren, bobina bikoitzeko indukziozko berokuntza metodoak tamaina handiko hazkundea bete dezakesilizio karburozko kristalak. Teknologia honen ikerketak eta garapenak 8 hazbeteko karburozko kristalak lortzeko ekipamenduen teknologia eskaintzen du, eta silizio karburoaren industrializazioa 6 hazbetetik 8 hazbetera igarotzeko ekipamenduaren oinarria eskaintzen du, silizio karburoko materialen hazkuntza eraginkortasuna hobetuz eta kostuak murriztuz.