Hur man uppnår kristalltillväxt av hög kvalitet? - Sic Crystal Growth Furnace

1. Vad är den grundläggande principen för kiselkarbidkristalltillväxtugn?

Arbetsprincipen för kiselkarbidkristalltillväxtugnen är fysisk sublimering (PVT). PVT-metoden är en av de mest effektiva metoderna för att växa SIC-kristaller med hög renhet. Genom exakt kontroll av det termiska fält-, atmosfären och tillväxtparametrarna kan kiselkarbidkristalltillväxtugnen fungera stabilt vid höga temperaturer för att slutföra sublimering, gasfasöverföring och kondensationskristallisationsprocess förSicpulver.

1.1 Arbetsprincipen för tillväxtugnen

● Pvt -metod

Kärnan i PVT -metoden är att sublimat kiselkarbidpulver i gasformiga komponenter vid höga temperaturer och kondens på frökristallen genom gasfasöverföring för att bilda en enda kristallstruktur. Denna metod har betydande fördelar med att framställa hög renhet, storstor kristaller.

● Grundläggande process för kristalltillväxt

✔ sublimering: SiC -pulver i degeln sublimeras till gasformiga komponenter såsom Si, C2 och Sic2 vid en hög temperatur över 2000 ℃.

✔ Transport: Under verkan av termisk gradient överförs de gasformiga komponenterna från den höga temperaturzonen (pulverzon) till den låga temperaturzonen (frökristallytan).

✔ Kondenskristallisation: Flyktiga komponenter fälls ut på frökristallytan och växer längs gitterriktningen för att bilda en enda kristall.

1.2 Specifika principer för kristalltillväxt

Tillväxtprocessen för kiselkarbidkristaller är uppdelad i tre steg, som är nära kopplade till varandra och påverkar kristallens slutliga kvalitet.

✔ sic pulver sublimering: Under höga temperaturförhållanden kommer fast SIC (kiselkarbid) att sublimatera sig i gasformigt kisel (SI) och gasformigt kol (C), och reaktionen är som följer:

Sic (s) → Si (g) + c (g)

Och mer komplexa sekundära reaktioner för att generera flyktiga gasformiga komponenter (såsom Sic2). Hög temperatur är ett nödvändigt villkor för att främja sublimeringsreaktioner.

✔ Gasfastransport: De gasformiga komponenterna transporteras från sublimeringszonen för degeln till frözonen under drivkraften för temperaturgradienten. Gasflödets stabilitet bestämmer deponerings enhetlighet.

✔ Kondenskristallisation: Vid lägre temperaturer kombineras flyktiga gasformiga komponenter med ytan på frökristallen för att bilda fasta kristaller. Denna process involverar komplexa mekanismer för termodynamik och kristallografi.

1.3 Nyckelparametrar för kiselkarbidkristalltillväxt

SIC-kristaller av hög kvalitet kräver exakt kontroll av följande parametrar:

✔ Temperatur: Sublimeringszonen måste hållas över 2000 ℃ för att säkerställa fullständig nedbrytning av pulvret. Temperaturen i frözonen styrs vid 1600-1800 ℃ för att säkerställa en måttlig avsättningshastighet.

✔ Tryck: PVT-tillväxt utförs vanligtvis i en lågtrycksmiljö på 10-20 torr för att bibehålla stabiliteten i gasfastransport. För högt eller för lågt tryck kommer att leda till för snabb kristalltillväxt eller ökade defekter.

✔ Atmosfär: Använd argon med hög renhet som bärargas för att undvika föroreningar under reaktionsprocessen. Atmosfärens renhet är avgörande för undertrycket av kristalldefekter.

✔ tid: Kristalltillväxttiden är vanligtvis upp till tiotals timmar för att uppnå enhetlig tillväxt och lämplig tjocklek.

2. Vad är strukturen för kiselkarbidkristalltillväxtugnen?

Optimeringen av strukturen hos kiselkarbidkristalltillväxtugnen fokuserar huvudsakligen på högtemperaturuppvärmning, atmosfärskontroll, temperaturfältdesign och övervakningssystem.

2.1 Huvudkomponenter i tillväxtugnen

● Högtemperaturvärmesystem

✔ Motståndsvärme: Använd motståndstråd med högt temperatur (såsom molybden, volfram) för att direkt ge värmeenergi. Fördelen är noggrannhet med hög temperaturkontroll, men livslängden är begränsad vid hög temperatur.

✔ Induktionsuppvärmning: virvelströmuppvärmning genereras i degeln genom en induktionsspole. Det har fördelarna med hög effektivitet och icke-kontakt, men utrustningskostnaden är relativt hög.

● Grafit Crucible and Substrate Seed Station

✔ Grafit i hög renhet säkerställer hög temperaturstabilitet.

✔ Utformningen av fröstationen måste ta hänsyn till både luftflödets enhetlighet och värmeledningsförmåga.

● Atmosfärskontrollenhet

✔ Utrustad med ett högrenad gasleveranssystem och en tryckreglerande ventil för att säkerställa reaktionsmiljöns renhet och stabilitet.

● Temperaturfält enhetlighetsdesign

✔ Genom att optimera degeln väggtjockleken, värmeelementfördelningen och värmesköldstrukturen uppnås den enhetliga fördelningen av temperaturfältet, vilket minskar påverkan av termisk stress på kristallen.

2.2 Temperaturfält och termisk gradientdesign

✔ Betydelse av temperaturfält enhetlighet: Det ojämna temperaturfältet kommer att leda till olika lokala tillväxthastigheter och defekter i kristallen. Enhet av temperaturfältet kan förbättras kraftigt genom ringformad symmetri -design och värmesköldoptimering.

✔ Exakt kontroll av termisk gradient: Justera kraftfördelningen för värmare och använd värmesköldar för att separera olika områden för att minska temperaturskillnaderna. Eftersom termiska gradienter har en direkt inverkan på kristalltjocklek och ytkvalitet.

2.3 Övervakningssystem för kristalltillväxtprocess

✔ Temperaturövervakning: Använd fiberoptiska temperatursensorer för att övervaka realtidstemperaturen i sublimeringszonen och utsädeszonen. Dataåterkopplingssystemet kan automatiskt justera värmekraften.

✔ Tillväxthastighetsövervakning: Använd laserinterferometri för att mäta tillväxthastigheten för kristallytan. Kombinera övervakningsdata med modelleringsalgoritmer för att dynamiskt optimera processen.

3. Vilka är de tekniska svårigheterna med kiselkarbidkristalltillväxtugn?

De tekniska flaskhalsarna av kiselkarbidkristalltillväxtugn är huvudsakligen koncentrerade i högtemperaturmaterial, temperaturfältkontroll, defektsundertryckning och storleksutvidgning.

3.1 Val och utmaningar med högtemperaturmaterial

Grafitär lätt att oxideras vid extremt höga temperaturer, ochSIC -beläggningmåste läggas till för att förbättra oxidationsmotståndet. Kvaliteten på beläggningen påverkar direkt ugnens livslängd.

Värmeelement Livslängd och temperaturgräns. Högtemperaturmotståndstrådar måste ha hög trötthetsresistens. Induktionsuppvärmningsutrustning måste optimera designen av spolvärme.

3.2 Exakt kontroll av temperatur och termiskt fält

Påverkan av icke-enhetligt termiskt fält kommer att leda till en ökning av staplingsfel och dislokationer. Ugnsvärmesimuleringsmodellen måste optimeras för att upptäcka problem i förväg.

Tillförlitlighet för övervakningsutrustning för högtemperatur. Högtemperatursensorer måste vara resistenta mot strålning och termisk chock.

3.3 Kontroll av kristalldefekter

Staplingsfel, dislokationer och polymorfa hybrider är de viktigaste defekttyperna. Optimering av det termiska fältet och atmosfären hjälper till att minska defektdensiteten.

Kontroll av föroreningskällor. Användningen av hög renhetsmaterial och tätningen av ugnen är avgörande för föroreningsundertryckning.

3.4 Utmaningar med stor kristalltillväxt

Kraven på termisk fält enhetlighet för storleksutvidgning. När kristallstorleken utvidgas från 4 tum till 8 tum måste temperaturfältets enhetlighetsdesign uppgraderas helt.

Lösning för att spricka och vrida problem. Minska kristalldeformation genom att minska termisk stressgradient.

4. Vilka är råvarorna för att växa SIC-kristaller av hög kvalitet?

Vetek Semiconductor har utvecklat ett nytt SIC -enkristalls råmaterial -Hög renhet CVD SIC råmaterial. Denna produkt fyller det inhemska gapet och är också på den ledande nivån globalt och kommer att vara i en långsiktig ledande position i tävlingen. Traditionella kiselkarbid råvaror produceras genom reaktionen av kisel och grafit med hög renhet, som är mycket kostnad, låg i renhet och liten i storlek.

Vetek Semiconductors fluidiserade sängteknologi använder metyltriklorosilan för att generera kiselkarbid råvaror genom kemisk ångavsättning, och den huvudsakliga biprodukten är saltsyra. Saltsyra kan bilda salter genom att neutralisera med alkali och kommer inte att orsaka föroreningar i miljön. 

Samtidigt är metyltriklorosilan en allmänt använt industrigas med låga kostnader och breda källor, särskilt Kina är den viktigaste tillverkaren av metyltriklorosilan. Därför Vetek Semiconductors höga renhetCVD SIC råmaterialhar internationell ledande konkurrenskraft när det gäller kostnad och kvalitet. Renheten för CVD SIC -råmaterial med hög renhet är högre än 99.9995%.

✔ Stor storlek och hög densitet: Den genomsnittliga partikelstorleken är cirka 4-10 mm, och partikelstorleken på inhemska Acheson råvaror är <2,5 mm. Samma mängder degel kan innehålla mer än 1,5 kg råmaterial, vilket bidrar till att lösa problemet med otillräcklig tillförsel av storstor kristalltillväxtmaterial, lindrar grafitiseringen av råvaror, minskar kolförpackningen och förbättrar kristallkvaliteten.

✔ Låg Si/C -förhållande: Det är närmare 1: 1 än Acheson råvaror i den självförökande metoden, vilket kan minska defekter som induceras genom ökningen av SI-partiellt tryck.

✔ Högt utgångsvärde: De odlade råvarorna upprätthåller fortfarande prototypen, minskar omkristalliseringen, minskar grafitiseringen av råvaror, minskar kolomslagsfel och förbättrar kristallkvaliteten.

✔ Högre renhet: Renheten hos råvaror som produceras med CVD-metoden är högre än för Acheson råvaror i den självförökande metoden. Kväveinnehållet har nått 0,09 ppm utan ytterligare rening. Detta råmaterial kan också spela en viktig roll i det halvisolerande fältet.

✔ Lägre kostnad: Den enhetliga avdunstningshastigheten underlättar processen och produktkvalitetskontrollen, samtidigt som man förbättrar användningshastigheten för råvaror (användningshastighet> 50%, 4,5 kg råvaror producerar 3,5 kg göt), vilket minskar kostnaderna.

✔ Låg mänsklig felfrekvens: Kemisk ångavsättning undviker föroreningar som introducerats genom mänsklig operation.