Solution de contrôle de pression de haute précision pour le processus de croissance cristalline SIC de la méthode PVT et le remplacement localisé de son équipement de support

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Solution de contrôle de pression de haute précision pour le processus de croissance cristalline SIC de la méthode PVT et le remplacement localisé de son équipement de support

1. Qu'est-ce qu'un matériau monocristallin en carbure de silicium ?
Matériau monocristallin en carbure de silicium, également connu sous le nom de matériau semi-conducteur à large bande interdite. Il possède d'excellentes propriétés physiques et électriques, particulièrement adaptées à la fabrication de dispositifs intégrés optoélectroniques à haute température, haute fréquence, haute puissance, résistance aux rayonnements, émetteurs de lumière à courte longueur d'onde, de sorte qu'il est largement utilisé dans l'aviation, l'aérospatiale, les radars, les communications et d'autres domaines. À l'heure actuelle, la croissance du monocristal de carbure de silicium adopte généralement la méthode PVT.

Étant donné que le but ultime de la croissance d'un monocristal de carbure de silicium est d'obtenir un monocristal de carbure de silicium de grande taille et à faibles défauts, à mesure que la taille du monocristal de carbure de silicium augmente, le contrôle de la pression sous vide dans le four monocristallin est extrêmement exigeant, et le Les changements de pression du gaz de procédé ont une grande influence sur le taux de croissance et la qualité des cristaux de SiC. La figure 1 montre les courbes de pression, de température et de gaz de traitement en fonction du temps dans un processus typique de croissance de monocristaux de SiC.


Il ressort de la courbe de processus illustrée à la figure 1 que le contrôle de la pression dans le four de croissance cristalline est un processus de changement précis dans toute la plage des degrés de vide, et que toute la plage de changement des degrés de vide s'étend entre le vide faible et le vide poussé (-4 5 -1 510 Pa ~ 10 Pa), en particulier dans la plage de vide faible de 10 Pa ~ 10 Pa, qui nécessite un contrôle précis. À l'heure actuelle, lors de l'utilisation de la méthode PVT pour préparer un monocristal de SiC, les problèmes suivants subsistent :

(1) Le mode aval (réglage du débit de sortie de gaz) est généralement utilisé pour contrôler le changement du degré de vide dans l'ensemble du processus. La précision du contrôle est extrêmement mauvaise dans une plage de vide plus élevée de 0,1 à 1 000 Pa, et la fluctuation de pression dans le récipient de croissance cristalline est importante (environ ± 10 %).
(2) La vanne de régulation et le contrôleur PID utilisés dans le dispositif de contrôle du vide utilisent essentiellement des vannes de régulation de débit en amont, des papillons d'échappement en aval et leurs contrôleurs de vanne PID. Bien qu'il existe différents papillons d'échappement en aval intégrés à un contrôleur PID dans une structure intégrée afin de réduire les coûts, le coût global reste relativement élevé.
(3) Des produits alternatifs pour la pression du vide à Taiwan émergent également progressivement, mais il existe toujours des problèmes tels qu'un taux de fuite important des vannes, un long temps de réponse de réglage des vannes et l'incapacité de commuter automatiquement les jauges à vide de différentes plages, ce qui rend impossible leur utilisation. modes de contrôle en amont et en aval pour atteindre un contrôle de haute précision de la pression du vide dans la plage.

Cet article procédera à une analyse technique détaillée des problèmes existant dans le contrôle de la pression sous vide du processus de croissance monocristallin PVT SiC mentionné ci-dessus et proposera des solutions correspondantes. Le cœur de la solution consiste à adopter la méthode de contrôle simultané en amont et en aval pour améliorer considérablement la précision et la stabilité du contrôle dans toute la plage de pression, et à introduire le faible taux de fuite correspondant et la vitesse de réponse élevée deRégulateur de pression proportionnel de KAOLUet des contrôleurs PID industriels de très haute précision, atteignant ainsi le remplacement des produits importés correspondants.

2. Analyse du processus de changement de contrainte dans la croissance monocristalline de carbure de silicium
La figure 1 montre les courbes de changement de pression, de température et de débit de gaz au cours de la méthode PVT actuelle pour la croissance de monocristaux de carbure de silicium de troisième génération, dans laquelle la ligne rouge représente un processus de changement de pression sous vide très typique. En analysant le processus de changement de pression du vide à chaque étape, afin de comprendre en profondeur les exigences du changement de pression du vide pendant la croissance du monocristal de SiC par la méthode PVT.
Comme le montre la figure 1, la variation de la pression du vide au cours de la croissance du monocristal de SiC est divisée en étapes suivantes :
(1) Étape de vide poussé : au niveau de vide poussé, un vide poussé (1xPa - 1x Pa) pour éliminer l'air et l'humidité des conteneurs et des matériaux. Ce niveau de vide poussé nécessite que la pression de l'air soit dépressurisée à un rythme lent et constant, évitant ainsi la formation de poussière provenant de la poudre de carbure de silicium.
(2) Étape de pré-croissance : De même, au cours de l'étape de pré-croissance, avec le remplissage du gaz de traitement et l'augmentation progressive de la température, la pression de l'air dans le récipient doit également augmenter progressivement jusqu'à une pression normale ou une pression légèrement positive à une pression légèrement positive. débit constant et déplacement de gaz pour éliminer davantage l’air et l’humidité.
(3) Stade de croissance : Au stade de croissance cristalline, la pression du récipient doit être progressivement réduite jusqu'à une certaine valeur définie (pression de croissance) à une vitesse constante et maintenue constante pendant une longue période. Différents équipements et processus de croissance utilisent généralement des pressions de croissance différentes.
(4) Étape de refroidissement : Au cours de l'étape de refroidissement, à mesure que la température diminue progressivement, la pression de l'air dans le conteneur doit augmenter progressivement jusqu'à une pression normale ou une pression légèrement positive à un rythme constant.

Il ressort des différentes étapes de changement de pression au cours du processus de croissance monocristalline ci-dessus que le dispositif de contrôle de la pression sous vide doit répondre aux principaux indicateurs techniques suivants, et ce sont essentiellement les indicateurs techniques atteints par les produits importés :
(1) Taux de fuite : moins de 1×Pa./s
(2) Précision du contrôle et stabilité à long terme : Sous n'importe quelle pression de vide, la précision du contrôle est meilleure que 1 % (ou même 0,5 %) et la stabilité à long terme est meilleure que 1 % (ou même 0,1 %).
(3) Vitesse de réponse : moins de 1 sec. La vitesse de réponse détermine également la précision du contrôle et la stabilité à long terme. Surtout sous l'influence conjointe de la température et du débit, la pression du vide fluctue rapidement. Une vitesse de réponse rapide est la clé pour garantir un contrôle précis.
(4) Connexion de jauges à vide avec différentes plages : 2 jauges à vide capacitives avec différentes plages peuvent être connectées pour couvrir toute la plage de contrôle de mesure de pression sous vide, et le capteur peut être automatiquement commuté et contrôlé en fonction du degré de vide correspondant.
(5) Contrôle programmable : le réglage de n'importe quelle courbe de contrôle de pression peut être programmé et plusieurs courbes de contrôle peuvent être stockées pour l'appel de différents contrôles de processus.
(6) Paramètres PID : peuvent être auto-réglés et peuvent stocker et appeler plusieurs groupes de paramètres PID.
(7) Communication avec l'ordinateur hôte : communique avec l'ordinateur hôte (tel qu'un automate et un ordinateur) et dispose d'un protocole de communication standard.

3. Solution de contrôle de pression sous vide de haute précision
Il ressort de l'analyse ci-dessus que la pression requise pour les différents processus de croissance des cristaux de carbure de silicium varie dans une large plage allant de 0,2 Pa à 80 kPa. À l'heure actuelle, le mode de contrôle en aval est généralement utilisé dans le processus sous pression du processus de croissance cristalline dans le monde entier. Un papillon des gaz est installé entre les cuves de croissance.

Le contrôle de la pression du vide est atteint par un débit d'admission constant en amont et un réglage du débit d'échappement en aval via le papillon des gaz. Pour la plage de haute pression supérieure à 1 kPa, ce mode de contrôle en aval est très efficace et peut atteindre un contrôle précis de la pression, mais pour la plage de basse pression (0,1 Pa ~ 1 kPa), l'effet de contrôle du mode en aval est extrêmement faible et il est nécessaire de ajuster le débit d'admission d'air et constant en aval. Le mode de contrôle en amont est destiné au pompage du débit.

De plus, le mode de contrôle en amont a été largement utilisé dans le domaine du contrôle du vide, et nous avons également confirmé lors des précédents tests d'application pratique et de vérification que le mode en amont peut atteindre un contrôle précis de basse pression inférieure à 1 kPa.

En résumé, pour atteindre un contrôle précis de la pression du vide dans la plage complète de 0,2 Pa à 80 kPa, il est nécessaire d'utiliser respectivement les modes amont et aval. Par conséquent, nous proposons une solution de contrôle de haute précision pour la pression du vide qui peut mettre en œuvre à la fois les modes amont et aval. La structure du système de contrôle de la pression du vide avec contrôle simultané en amont et en aval est illustrée à la figure 2.

Dans la solution présentée à la figure 2, deux jauges à vide capacitives sont utilisées pour couvrir toute la plage de vide de 0,2 Pa à 80 kPa. Les signaux de mesure des jauges à vide sont envoyés au contrôleur PID, qui pilote respectivement la vanne de régulation de débit proportionnelle électronique en amont. Et le robinet à tournant sphérique électrique en aval, la boucle de contrôle en boucle fermée atteint le contrôle précis de la pression du vide dans toute la plage. Le processus de contrôle spécifique de la pression du vide est :
(1) Lorsque la valeur de réglage du contrôle de pression est dans la plage de haute pression supérieure à 1 kPa, le contrôleur PID est en mode de contrôle en aval, le contrôleur PID ajuste la vanne à pointeau à commande électronique en amont à une ouverture constante et effectue un contrôle PID automatique en aval. vanne à commande électronique. La valeur de mesure de pression dans le récipient de croissance peut être rapidement égale à la valeur définie en ajustant rapidement le changement de degré d'ouverture du robinet à tournant sphérique à commande électronique.

(2) Lorsque la valeur de réglage du contrôle de pression se situe dans la plage de basse pression inférieure à 1 kPa, le contrôleur PID est en mode de contrôle en amont, le contrôleur PID ajuste le robinet à tournant sphérique à commande électronique en aval à une ouverture constante et effectue un contrôle PID automatique en amont. vanne à pointeau à commande électronique. La valeur de mesure de pression dans le récipient de culture peut être rapidement égale à la valeur réglée en ajustant rapidement l'ouverture de la vanne à pointeau à commande électronique.

4. Substitution localisée des dispositifs de support
La solution proposée dans cet article peut atteindre un contrôle de pression de vide de haute précision en partant du principe que le vacuomètre, la vanne à commande électronique et le contrôleur PID répondent aux exigences techniques. La plus haute précision, la stabilité peut facilement atteindre ±0,5 % de la valeur définie, et même dans la plupart des plages de pression sous vide, la stabilité peut atteindre ±0,1 % de la valeur définie.

Dans le processus de contrôle du degré de vide dans la plage de 0,1 Pa à 100 kPa, les produits étrangers sont largement utilisés dans le domaine d'application actuel de la technologie du vide. Avec le développement de la technologie de localisation, en plus des jauges à vide capacitives à film, les principaux dispositifs de support d'autres systèmes de contrôle de pression sous vide ont complètement atteint des percées dans les technologies clés. Tels que la localisation, le faible taux de fuite et la réponse rapide afin que les indicateurs techniques globaux soient similaires à ceux des produits étrangers. Le contrôleur PID a une précision de mesure et de contrôle plus élevée que les produits étrangers, et dispose également d'une fonction de contrôle en mode bidirectionnel que les produits étrangers ne peuvent pas atteindre temporairement.

Les principaux dispositifs de support remplacés par la localisation comprennent des vannes à pointeau et des vannes à bille à commande électronique pour un vide à grande vitesse et à faible fuite, ainsi que des contrôleurs PID multifonctionnels à usage général de très haute précision, comme le montre la figure 3.

(Figure 3, vanne de contrôle de débit proportionnel de KAOLU )

La vanne de régulation de débit proportionnelle de KAOLU illustrée à la figure 3 répond toutes aux exigences techniques de la section 2, en particulier le contrôleur PID industriel de haute précision présente d'excellentes performances, parmi lesquelles une conversion analogique-numérique 24 bits et une conversion numérique-vers 16 bits. -conversion analogique. Le pourcentage de sortie minimum de 0,01 % du fonctionnement en virgule flottante double précision est actuellement l'indice le plus élevé des contrôleurs PID industriels dans le monde, qui peuvent atteindre un contrôle de très haute précision des paramètres de processus tels que la pression, la température et le débit.

5. Conclusion
Pour le processus de croissance monocristalline PVT, la solution de contrôle bidirectionnel en amont et en aval proposée dans cet article peut atteindre un contrôle rapide et de haute précision de la pression du vide dans toute la plage. Cette solution a été appliquée dans de nombreux domaines de la technologie du vide, et la vanne de régulation de débit proportionnelle électronique et le robinet à tournant sphérique électrique correspondants ont des indicateurs techniques similaires à ceux des produits étrangers, et le contrôleur PID industriel de très haute précision a d'excellentes performances. Ces dispositifs de support combinent divers capteurs de pression sous vide et méthodes de contrôle bidirectionnel pour obtenir un contrôle de haute précision de la pression sous vide.

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