8インチ炭化珪素単結晶育成炉技術をベースに

炭化ケイ素は、高温、高周​​波、高出力、高電圧のデバイスを製造するのに理想的な材料の 1 つです。生産効率を向上させ、コストを削減するために、大型の炭化ケイ素基板の準備は重要な開発方向です。のプロセス要件を目指して8インチ炭化ケイ素(SIC)単結晶育成、炭化ケイ素物理的蒸気輸送(PVT)法の成長メカニズムを分析し、加熱システム(TaCガイドリング、TaCコーティングるつぼ、TaCコーティングリング、TaCコートプレート、TaCコート三花弁リング、TaCコート三花弁るつぼ、TaCコートホルダー、ポーラスグラファイト、ソフトフェルト、リジッドフェルトSiCコート結晶成長サセプター 他SiC単結晶成長プロセスのスペアパーツVeTek Semiconductor によって提供されています)、炭化ケイ素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が研究され、熱場シミュレーション解析とプロセス実験を通じて 8 インチ結晶の準備と成長に成功しました。

0 はじめに

炭化ケイ素（SiC）は第3世代半導体材料の代表格です。より大きなバンドギャップ幅、より高い降伏電界、より高い熱伝導率などの性能上の利点があります。高温、高圧、高周波の分野で優れた性能を発揮し、半導体材料技術の分野における主要な発展方向の1つとなっています。新エネルギー自動車、太陽光発電、鉄道輸送、スマートグリッド、5G通信、衛星、レーダーなどの分野で幅広い応用ニーズがある。現在、炭化ケイ素結晶の工業的成長には主に物理蒸気輸送 (PVT) が使用されており、これには、多相、多成分、複数の熱と物質の移動、および磁気電気熱流相互作用の複雑な多物理場結合問題が含まれます。したがって、PVT 成長システムの設計は難しく、プロセスパラメータの測定と制御は困難です。結晶成長プロセスその結果、成長した炭化ケイ素結晶の品質欠陥を制御することが困難であり、結晶サイズが小さいため、基板として炭化ケイ素を用いたデバイスのコストは依然として高い。

炭化ケイ素製造装置は炭化ケイ素技術と産業発展の基盤です。炭化ケイ素単結晶成長炉の技術レベル、プロセス能力、独立保証は、大型化と高歩留まりの方向に向けた炭化ケイ素材料の開発の鍵であり、また、第3世代半導体産業を推進する主な要因でもあります。低コストかつ大規模化の方向に発展していきます。現在、高電圧、高出力、高周波の炭化ケイ素デバイスの開発は大きく進んでいますが、デバイスの生産効率と製造コストがその開発を制限する重要な要因となります。炭化珪素単結晶を基板とする半導体デバイスでは、基板の価格が約50％と最も大きな割合を占めます。大型で高品質な炭化珪素結晶成長装置の開発、炭化珪素単結晶基板の歩留まりと成長速度の向上、生産コストの削減は、関連装置の応用にとって重要です。生産能力の供給を増やし、炭化ケイ素デバイスの平均コストをさらに下げるためには、炭化ケイ素基板のサイズを拡大することが重要な方法の 1 つです。現在、炭化珪素基板の国際的な主流サイズは６インチであり、８インチへと急速に進んでいる。

8インチ炭化珪素単結晶成長炉の開発において解決すべき主な技術は以下のとおりである。 1) 成長に適した径方向の温度勾配を小さくし、長手方向の温度勾配を大きくするための大型熱場構造の設計8インチの炭化ケイ素結晶。 2) 大型るつぼ回転およびコイル昇降機構により、結晶成長プロセス中にるつぼが回転し、プロセス要件に応じてコイルに対して相対的に移動するため、8 インチ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の自動制御。

1 PVT結晶成長メカニズム

PVT 法は、円筒形の緻密な黒鉛るつぼの底に SiC ソースを配置し、るつぼの蓋の近くに SiC 種結晶を配置して炭化ケイ素単結晶を製造します。るつぼは高周波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グラファイトフェルトで断熱されます。多孔質黒鉛。 SiC ソースから種結晶に輸送される主な物質は、Si、Si2C 分子、SiC2 です。種結晶の温度は下部微粉末の温度よりわずかに低くなるように制御され、るつぼ内に軸方向の温度勾配が形成されます。図1に示すように、炭化ケイ素微粉末は高温で昇華してさまざまな気相成分の反応ガスを形成し、温度勾配の駆動によりより低い温度で種結晶に到達し、その上で結晶化して円柱状の結晶を形成します。炭化ケイ素インゴット。

PVT 成長の主な化学反応は次のとおりです。

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単結晶のPVT成長の特徴は次のとおりです。

1) 気体と固体の界面には 2 つあります。1 つは気体と SiC 粉末の界面、もう 1 つは気体と結晶の界面です。

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る不活性分子です。もう一つは、分解・昇華によって生成される気相成分SimCnです。SiC粉末。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SimCnの一部がSiC結晶に成長します。

3) 炭化ケイ素固体粉末では、昇華していない粒子間で固相反応が起こり、焼結により多孔質セラミックス体を形成する粒子、結晶化反応により一定の粒径および結晶形態を有する粒子を形成する粒子、その他の粒子が存在する。非化学量論的分解および昇華により、炭化ケイ素粒子が炭素に富む粒子または炭素粒子に変化する。

4) 結晶成長プロセス中に、2 つの相変化が発生します。1 つは、固体炭化ケイ素粉末粒子が非化学量論的分解および昇華によって気相成分 SimCn に変換されること、もう 1 つは気相成分 SimCn が変換されることです。結晶化により格子粒子になります。

2 設備設計 図 2 に示すように、炭化珪素単結晶成長炉は、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、るつぼ回転機構、下部カバー昇降機構、および電気制御システムを備えています。

2.1 加熱システム 図 3 に示すように、加熱システムは誘導加熱を採用しており、誘導コイル、黒鉛るつぼ、絶縁層(硬いフェルト, 柔らかいフェルト黒鉛るつぼの外側を囲む多巻きの誘導コイルに中周波交流が流れると、黒鉛るつぼ内に同じ周波数の誘導磁場が形成され、誘導起電力が発生します。高純度黒鉛るつぼ材料は導電性に優れているため、るつぼ壁に誘導電流が発生し、渦電流が形成されます。ローレンツ力の作用により、誘導電流は最終的にるつぼの外壁に集中し（表皮効果）、半径方向に沿って徐々に弱まります。渦電流の存在により、るつぼの外壁にジュール熱が発生し、成長装置の加熱源となります。ジュール熱のサイズと分布はるつぼ内の温度場を直接決定し、それが結晶の成長に影響を与えます。

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。 2組の独立したコイル構造を採用し、上下それぞれに精密運動機構を搭載しています。加熱システム全体の電気熱損失の大部分はコイルによって負担されるため、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ており、内部の水で冷却されます。誘導電流の周波数範囲は8～12kHzです。誘導加熱の周波数によって、黒鉛るつぼ内の電磁場の浸透深さが決まります。コイルモーション機構はモーター駆動のスクリューペア機構を採用しています。誘導コイルは誘導電源と連携して内部の黒鉛るつぼを加熱し、粉末を昇華させます。同時に、2組のコイルの出力と相対位置を制御して、種結晶の温度を下部の微粉末の温度よりも低くし、種結晶と粉末の間に軸方向の温度勾配を形成します。るつぼに取り付けられ、炭化ケイ素結晶に適度な半径方向の温度勾配が形成されます。

2.2 大型成長時のるつぼ回転機構炭化ケイ素単結晶、キャビティの真空環境内のるつぼはプロセス要件に従って回転し続け、キャビティ内の傾斜熱場と低圧状態は安定に維持される必要があります。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。回転軸の動的シールには磁性流体シール構造を採用しています。磁性流体シールは、磁石、磁極シュー、磁性スリーブ間に形成される回転磁界回路を利用し、磁極シュー先端とスリーブ間の磁性液体をしっかりと吸着し、Oリング状の流体リングを形成し、完全に遮断します。シールの目的を達成するための隙間。回転運動が大気から真空チャンバーに伝達される場合、液体Oリング動的シール装置は、固体シールの摩耗しやすさと寿命の短さの欠点を克服するために使用され、液体磁性流体が密閉空間全体を満たすことができます。これにより、エア漏れの可能性のある流路を全て遮断し、るつぼの移動と停止の2工程で漏れゼロを実現します。磁性流体とるつぼ支持体は水冷構造を採用し、磁性流体とるつぼ支持体の高温適用性を確保し、熱場の状態の安定性を実現します。

2.3 下カバー昇降機構

下蓋昇降機構は、駆動モーター、ボールネジ、リニアガイド、昇降ブラケット、炉蓋、炉蓋ブラケットから構成されます。モーターは、減速機を介してスクリューガイド対に接続された炉蓋ブラケットを駆動し、下蓋の上下運動を実現します。

下蓋昇降機構により、大型るつぼの設置・取り外しが容易になり、さらに重要なことに、炉下蓋の密閉性も確保されます。プロセス全体を通じて、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。下部カバーの圧縮および密閉状態は、プロセスの信頼性に直接影響します。高温下でシールが破損すると、プロセス全体が廃棄されます。図 6 に示すように、モーター サーボ制御および制限装置を通じて、下部カバー アセンブリとチャンバーの気密性が制御され、炉チャンバー シール リングの圧縮とシールが最適な状態に達し、プロセス圧力の安定性が確保されます。 。

2.4 電気制御システム 炭化ケイ素結晶の成長中、電気制御システムは、主にコイル位置の高さ、るつぼの回転速度、加熱出力と温度、さまざまな特殊ガスの吸入流量、および開口部の開口部を含むさまざまなプロセスパラメータを正確に制御する必要があります。比例弁。

図7に示すように、制御システムはプログラマブルコントローラーをサーバーとして使用し、バスを介してサーボドライバーに接続され、コイルとるつぼの動作制御を実現します。標準 MobusRTU を介して温度コントローラーと流量コントローラーに接続され、温度、圧力、特殊プロセスガス流量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設定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に交換し、ホストコンピュータ上のさまざまなプロセスパラメータ情報を表示します。オペレータ、プロセス担当者、およびマネージャーは、マンマシン インターフェイスを通じ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の収集、すべてのアクチュエータの動作状態の分析、および機構間の論理関係を実行します。プログラマブルコントローラは、ホストコンピュータの指令を受けて、システムの各アクチュエータ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マブルコントローラによって実行されます。プログラマブル コントローラの安定性により、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。

上位構成ではプログラマブルコントローラとのデータ交換をリアルタイムに維持し、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操作インターフェースを搭載しており、インターフェース上で各種パラメータの設定値を変更することができます。アラームパラメータをリアルタイムで監視し、画面アラーム表示を提供し、アラームの発生と回復の時間と詳細データを記録します。全てのプロセスデータ、画面操作内容、操作時間をリアルタイムに記録します。プログラマブルコントローラ内の基盤コードにより各種プロセスパラメータの融合制御を実現し、最大100ステップのプロセスを実現できます。各ステップには、プロセス操作時間、目標電力、目標圧力、アルゴン流量、窒素流量、水素流量、るつぼの位置、るつぼ速度などの十数個のプロセスパラメータが含まれます。

3 熱場シミュレーション解析

熱場シミュレーション解析モデルを確立した。図 8 は、るつぼ成長チャンバー内の温度雲マップです。 4H-SiC単結晶の成長温度範囲を確保するため、種結晶の中心温度は2200℃、端部温度は2205.4℃と計算されます。このとき、るつぼ上部の中心温度は2167.5℃、粉末部（側面下）の最高温度は2274.4℃となり、軸方向の温度勾配が形成されます。

結晶の半径方向の温度勾配分布を図 9 に示します。種結晶表面の横方向の温度勾配が低いほど、結晶成長の形状を効果的に改善できます。現在計算された初期温度差は5.4℃で、全体の形状はほぼ平坦でわずかに凸状であり、種結晶表面の半径方向の温度制御精度と均一性の要件を満たすことができます。

原料表面と種結晶表面の温度差曲線を図10に示します。原料表面の中心温度は2210℃であり、原料表面と種結晶の間には長手方向に1℃/cmの温度勾配が形成されています。結晶表面は妥当な範囲内です。

推定された成長速度を図 11 に示します。成長速度が速すぎると、多形性や転位などの欠陥が発生する可能性が高くなります。現在推定される成長速度は 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解析と計算により、種結晶の中心温度と端温度が8インチの結晶の半径方向温度勾配を満たすことが判明した。同時に、るつぼの上部と底部は、結晶の長さと厚さに適した軸方向の温度勾配を形成します。現在の成長装置の加熱方式では8インチ単結晶の成長にも対応可能です。

4 実験試験

これを使うと炭化ケイ素単結晶成長炉熱場シミュレーションの温度勾配に基づいて、るつぼ上部温度、キャビティ圧力、るつぼ回転速度、上下コイルの相対位置などのパラメータを調整して、炭化珪素結晶成長試験を実施しました。 、8 インチの炭化ケイ素結晶が得られました (図 12 を参照)。

5。結論

勾配熱場、るつぼ運動機構、プロセスパラメータの自動制御など、8インチ炭化ケイ素単結晶の成長のための主要技術が研究されました。理想的な温度勾配を得るために、るつぼ成長チャンバー内の熱場がシミュレーションおよび分析されました。テスト後、ダブルコイル誘導加熱方式は大型製品の成長に対応できます。炭化ケイ素結晶。この技術の研究開発は、8インチ炭化物結晶を得る装置技術を提供し、6インチから8インチへの炭化珪素工業化移行のための装置基盤を提供し、炭化珪素材料の成長効率の向上とコスト削減を実現します。