SiC tək kristalının sürətli artımıCVD-SiC TopluSublimasiya üsulu ilə mənbə
Təkrar emaldan istifadə etməkləCVD-SiC bloklarıSiC mənbəyi kimi SiC kristalları PVT üsulu ilə 1,46 mm/saat sürətlə böyüdü. Yetişmiş kristalın mikroborusu və dislokasiya sıxlığı yüksək böyümə sürətinə baxmayaraq, kristalın keyfiyyətinin əla olduğunu göstərir.
Silisium karbid (SiC)yüksək gərginlik, yüksək güc və yüksək tezlikli tətbiqlər üçün əla xüsusiyyətlərə malik geniş diapazonlu yarımkeçiricidir. Onun tələbatı son illərdə, xüsusən də yarımkeçirici enerji sahəsində sürətlə artmışdır. Güclü yarımkeçirici tətbiqlər üçün SiC tək kristalları 2100-2500°C-də yüksək təmizlikli SiC mənbəyini sublimasiya etməklə yetişdirilir, sonra fiziki buxar nəqli (PVT) metodundan istifadə edərək toxum kristalında yenidən kristallaşdırılır, ardınca vaflilərdə tək kristal substratlar əldə etmək üçün emal edilir. . Ənənəvi olaraq,SiC kristallarıkristalliyə nəzarət etmək üçün PVT üsulu ilə 0,3-0,8 mm/saat artım sürətində yetişdirilir ki, bu da yarımkeçirici tətbiqlərdə istifadə olunan digər monokristal materiallarla müqayisədə nisbətən yavaşdır. SiC kristalları PVT metodundan istifadə edərək yüksək artım templəri ilə yetişdirildikdə, karbon daxilolmaları, azaldılmış təmizlik, polikristal böyüməsi, taxıl sərhədinin formalaşması, dislokasiya və məsaməlilik qüsurları da daxil olmaqla keyfiyyətin pozulması istisna edilmir. Buna görə də, SiC-nin sürətli artımı inkişaf etdirilməmişdir və SiC-nin yavaş böyümə sürəti SiC substratlarının məhsuldarlığına əsas maneə olmuşdur.
Digər tərəfdən, SiC-nin sürətli böyüməsi ilə bağlı son hesabatlarda PVT metodundan daha çox yüksək temperaturda kimyəvi buxar çökdürmə (HTCVD) üsullarından istifadə edilmişdir. HTCVD metodu reaktorda SiC mənbəyi kimi tərkibində Si və C olan buxardan istifadə edir. HTCVD hələ SiC-nin geniş miqyaslı istehsalı üçün istifadə edilməmişdir və kommersiyalaşdırılması üçün əlavə tədqiqat və inkişaf tələb edir. Maraqlıdır ki, hətta ~3 mm/saat yüksək böyümə sürətində belə, SiC monokristalları HTCVD metodundan istifadə edərək yaxşı kristal keyfiyyəti ilə yetişdirilə bilər. Bu arada, SiC komponentləri son dərəcə yüksək təmizlik prosesinə nəzarət tələb edən sərt mühitlərdə yarımkeçirici proseslərdə istifadə edilmişdir. Yarımkeçirici proses tətbiqləri üçün ~99,9999% (~6N) təmizlik SiC komponentləri adətən metiltriklorosilandan (CH3Cl3Si, MTS) CVD prosesi ilə hazırlanır. Bununla belə, CVD-SiC komponentlərinin yüksək təmizliyinə baxmayaraq, istifadə edildikdən sonra atılıb. Bu yaxınlarda atılmış CVD-SiC komponentləri kristal böyüməsi üçün SiC mənbələri kimi qəbul edilmişdir, baxmayaraq ki, kristal artım mənbəyinin yüksək tələblərinə cavab vermək üçün əzmə və təmizləmə daxil olmaqla bəzi bərpa prosesləri hələ də tələb olunur. Bu işdə biz SiC kristallarının böyüməsi üçün mənbə kimi materialları təkrar emal etmək üçün atılmış CVD-SiC bloklarından istifadə etdik. Tək kristal böyüməsi üçün CVD-SiC blokları ölçüyə nəzarət edilən əzilmiş bloklar kimi hazırlanmışdır, PVT prosesində ümumi istifadə edilən kommersiya SiC tozu ilə müqayisədə forma və ölçü baxımından əhəmiyyətli dərəcədə fərqlidir, buna görə də SiC tək kristal böyüməsinin davranışının əhəmiyyətli dərəcədə olacağı gözlənilir. fərqli. SiC monokristal artımı təcrübələrini aparmazdan əvvəl yüksək böyümə sürətlərinə nail olmaq üçün kompüter simulyasiyaları aparıldı və istilik zonası monokristal böyüməsi üçün müvafiq olaraq konfiqurasiya edildi. Kristal böyüdükdən sonra böyüdülmüş kristallar kəsikli tomoqrafiya, mikro-Raman spektroskopiyası, yüksək ayırdetməli rentgen difraksiyası və sinkrotron ağ şüa rentgen topoqrafiyası ilə qiymətləndirilmişdir.
Şəkil 1 bu işdə SiC kristallarının PVT artımı üçün istifadə edilən CVD-SiC mənbəyini göstərir. Girişdə təsvir edildiyi kimi, CVD-SiC komponentləri CVD prosesi ilə MTS-dən sintez edilmiş və mexaniki emal vasitəsilə yarımkeçirici istifadə üçün formalaşdırılmışdır. N yarımkeçirici proses tətbiqləri üçün keçiriciliyə nail olmaq üçün CVD prosesində qatqılaşdırılmışdır. Yarımkeçirici proseslərdə istifadə edildikdən sonra CVD-SiC komponentləri Şəkil 1-də göstərildiyi kimi kristal böyüməsi üçün mənbə hazırlamaq üçün əzilmişdir. CVD-SiC mənbəyi orta qalınlığı ~0,5 mm və orta hissəcik ölçüsü 200 mm olan plitələr şəklində hazırlanmışdır. 49,75 mm.
Şəkil 1: MTS əsaslı CVD prosesi ilə hazırlanmış CVD-SiC mənbəyi.
Şəkil 1-də göstərilən CVD-SiC mənbəyindən istifadə edərək, SiC kristalları PVT üsulu ilə induksiya qızdırıcı sobasında yetişdirildi. Termal zonada temperaturun paylanmasını qiymətləndirmək üçün VR-PVT 8.2 (STR, Serbiya Respublikası) kommersiya simulyasiya kodundan istifadə edilmişdir. Termal zonası olan reaktor, Şəkil 2-də göstərildiyi kimi, mesh modeli ilə 2D ox-simmetrik model kimi modelləşdirilmişdir. Simulyasiyada istifadə olunan bütün materiallar Şəkil 2-də göstərilmişdir və onların xassələri Cədvəl 1-də verilmişdir. Simulyasiya nəticələrinə əsasən, SiC kristalları PVT üsulu ilə 2250–2350°C temperatur intervalında Ar atmosferində yetişdirilmişdir. 4 saat üçün 35 Torr. SiC toxumu kimi 4° oxdan kənar 4H-SiC vafli istifadə edilmişdir. Yetişmiş kristallar mikro-Raman spektroskopiyası (Witec, UHTS 300, Almaniya) və yüksək ayırdetməli XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Hollandiya) ilə qiymətləndirilmişdir. Yetişmiş SiC kristallarında çirkin konsentrasiyası dinamik ikincili ion kütlə spektrometriyasından (SIMS, Cameca IMS-6f, Fransa) istifadə edilərək qiymətləndirilmişdir. Artan kristalların dislokasiya sıxlığı Pohang İşıq Mənbəsində sinxrotron ağ şüa rentgen topoqrafiyasından istifadə etməklə qiymətləndirilmişdir.
Şəkil 2: İstilik zonasının diaqramı və induksiya qızdırıcı sobasında PVT artımının mesh modeli.
HTCVD və PVT üsulları artım cəbhəsində qaz-bərk faza tarazlığı altında kristalları böyütdüyündən, HTCVD üsulu ilə SiC-nin uğurlu sürətli böyüməsi bu tədqiqatda PVT üsulu ilə SiC-nin sürətli böyüməsi problemini ortaya çıxardı. HTCVD metodu asanlıqla axınla idarə olunan qaz mənbəyindən istifadə edir, PVT metodu isə axını birbaşa idarə etməyən bərk mənbədən istifadə edir. PVT metodunda böyümə cəbhəsinə verilən axın sürəti temperatur paylama nəzarəti vasitəsilə bərk mənbənin sublimasiya dərəcəsi ilə idarə oluna bilər, lakin praktiki böyümə sistemlərində temperaturun paylanmasına dəqiq nəzarət etmək asan deyil.
PVT reaktorunda mənbə temperaturunu artırmaqla, mənbənin sublimasiya sürətini artırmaqla SiC-nin artım sürətini artırmaq olar. Stabil kristal artımına nail olmaq üçün böyümə cəbhəsində temperatur nəzarəti çox vacibdir. Polikristallar əmələ gətirmədən böyümə sürətini artırmaq üçün HTCVD üsulu ilə SiC artımı ilə göstərildiyi kimi böyümə cəbhəsində yüksək temperatur gradientinə nail olmaq lazımdır. Qapağın arxa tərəfinə qeyri-adekvat şaquli istilik keçiriciliyi böyümə cəbhəsində yığılmış istiliyi termal şüalanma vasitəsilə böyümə səthinə yaymalı və artıq səthlərin əmələ gəlməsinə, yəni polikristal böyüməyə səbəb olmalıdır.
PVT metodunda həm kütlə ötürülməsi, həm də yenidən kristallaşma prosesləri SiC mənbəyində fərqlənsə də, HTCVD metoduna çox oxşardır. Bu o deməkdir ki, SiC-nin sürətli artımı SiC mənbəyinin sublimasiya dərəcəsi kifayət qədər yüksək olduqda da əldə edilə bilər. Bununla belə, PVT üsulu ilə yüksək böyümə şəraitində yüksək keyfiyyətli SiC monokristallarına nail olmaq bir sıra çətinliklərə malikdir. Ticarət tozları adətən kiçik və böyük hissəciklərin qarışığından ibarətdir. Səth enerji fərqlərinə görə, kiçik hissəciklər nisbətən yüksək çirk konsentrasiyasına malikdir və böyük hissəciklərdən əvvəl sublimasiya edir, kristalın erkən böyümə mərhələlərində yüksək çirk konsentrasiyasına səbəb olur. Bundan əlavə, bərk SiC yüksək temperaturda C və Si, SiC2 və Si2C kimi buxar növlərinə parçalandığından, SiC mənbəyi PVT metodunda sublimasiya edildikdə, bərk C qaçılmaz olaraq əmələ gəlir. Əgər əmələ gələn bərk C kiçik və kifayət qədər yüngüldürsə, sürətli böyümə şəraitində, "C tozu" kimi tanınan kiçik C hissəcikləri güclü kütlə ötürülməsi yolu ilə kristal səthinə daşına bilər və nəticədə böyüyən kristalda daxilolmalar yarana bilər. Buna görə, metal çirkləri və C tozunu azaltmaq üçün, SiC mənbəyinin hissəcik ölçüsü ümumiyyətlə 200 μm-dən az diametrə nəzarət edilməlidir və yavaş kütlə ötürülməsini saxlamaq və üzən hərəkətləri istisna etmək üçün böyümə sürəti ~ 0,4 mm/saatdan çox olmamalıdır. C toz. Metal çirkləri və C tozu, PVT üsulu ilə SiC-nin sürətli böyüməsinə əsas maneə olan böyümüş SiC kristallarının deqradasiyasına səbəb olur.
Bu tədqiqatda, güclü kütlə ötürülməsi altında üzən C tozunu aradan qaldıran kiçik hissəciklər olmadan əzilmiş CVD-SiC mənbələrindən istifadə edilmişdir. Beləliklə, istilik zonasının strukturu sürətli SiC artımına nail olmaq üçün multifizika simulyasiyasına əsaslanan PVT metodundan istifadə etməklə layihələndirilmiş və simulyasiya edilmiş temperatur paylanması və temperatur qradiyenti Şəkil 3a-da göstərilmişdir.
Şəkil 3: (a) Sonlu elementlərin təhlili ilə əldə edilən PVT reaktorunun artım cəbhəsi yaxınlığında temperaturun paylanması və temperatur qradiyenti və (b) oxsimmetrik xətt boyunca temperaturun şaquli paylanması.
1 °C/mm-dən az olan kiçik temperatur qradiyenti altında 0,3-0,8 mm/saat artım sürətində SiC kristallarının böyüməsi üçün tipik istilik zonası parametrləri ilə müqayisədə, bu işdə istilik zonası parametrləri nisbətən böyük temperatur gradientinə malikdir ∼ ~2268°C böyümə temperaturunda 3,8 °C/mm. Bu tədqiqatda temperatur qradiyenti dəyəri HTCVD metodundan istifadə etməklə SiC-nin 2,4 mm/saat sürətlə sürətli artımı ilə müqayisə oluna bilər, burada temperatur qradiyenti ~14 °C/mm təyin edilir. Şəkil 3b-də göstərilən temperaturun şaquli paylanmasından biz təsdiq etdik ki, ədəbiyyatda təsvir olunduğu kimi böyümə cəbhəsinin yaxınlığında polikristallar əmələ gətirə biləcək tərs temperatur qradiyenti yoxdur.
PVT sistemindən istifadə edərək, Şəkil 2 və 3-də göstərildiyi kimi, SiC kristalları CVD-SiC mənbəyindən 4 saat ərzində yetişdirildi. Artan SiC-dən SiC kristallarının təmsilçi artımı Şəkil 4a-da göstərilmişdir. Şəkil 4a-da göstərilən SiC kristalının qalınlığı və böyümə sürəti müvafiq olaraq 5,84 mm və 1,46 mm/saatdır. Şəkil 4b-e-də göstərildiyi kimi, SiC mənbəyinin Şəkil 4a-da göstərilən yetişdirilmiş SiC kristalının keyfiyyətinə, politipinə, morfologiyasına və təmizliyinə təsiri tədqiq edilmişdir. Şəkil 4b-dəki kəsikli tomoqrafiya təsviri göstərir ki, kristal böyüməsi suboptimal böyümə şəraitinə görə qabarıq formada olmuşdur. Bununla belə, Şəkil 4c-dəki mikro-Raman spektroskopiyası böyüdülmüş kristalı heç bir politip daxilolmadan 4H-SiC-nin tək fazası kimi müəyyən etdi. X-şüalarının sallanan əyri analizindən əldə edilən (0004) pikinin FWHM dəyəri 18,9 qövs saniyə idi ki, bu da yaxşı kristal keyfiyyətini təsdiqləyir.
Şəkil 4: (a) Yetişmiş SiC kristalı (böyümə sürəti 1,46 mm/saat) və onun (b) kəsik tomoqrafiyası, (c) mikro-Raman spektroskopiyası, (d) rentgen şüalarının sallanan əyrisi və (b) ilə qiymətləndirilməsi nəticələri e) rentgen topoqrafiyası.
Şəkil 4e, böyüdülmüş kristalın cilalanmış vaflisində cızıqları və yivli dislokasiyaları müəyyən edən ağ şüa rentgen topoqrafiyasını göstərir. Yetişmiş kristalın dislokasiya sıxlığı ~2000 ea/sm² olan toxum kristalının dislokasiya sıxlığından bir qədər yüksək olan ~3000 ea/sm² olaraq ölçüldü. Yetişmiş kristalın kommersiya vaflilərinin kristal keyfiyyəti ilə müqayisə oluna bilən nisbətən aşağı dislokasiya sıxlığına malik olduğu təsdiq edilmişdir. Maraqlıdır ki, SiC kristallarının sürətli böyüməsi böyük temperatur qradiyenti altında əzilmiş CVD-SiC mənbəyi ilə PVT metodundan istifadə etməklə əldə edilmişdir. Yetişmiş kristalda B, Al və N konsentrasiyaları müvafiq olaraq 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ və 1,98 × 10¹⁹ atom/sm³ olmuşdur. Yetişmiş kristalda P konsentrasiyası aşkarlama limitindən aşağı idi (<1,0 × 10¹⁴ atom/sm³). CVD prosesi zamanı qəsdən qatqılaşdırılmış N istisna olmaqla, çirklilik konsentrasiyaları yük daşıyıcıları üçün kifayət qədər aşağı idi.
Bu tədqiqatda kristal artımı kommersiya məhsulları nəzərə alınmaqla kiçik miqyaslı olsa da, PVT üsulu ilə CVD-SiC mənbəyindən istifadə edərək yaxşı kristal keyfiyyəti ilə sürətli SiC artımının uğurlu nümayişi əhəmiyyətli nəticələrə malikdir. CVD-SiC mənbələri, əla xassələrinə baxmayaraq, atılmış materialları təkrar emal etməklə rəqabətədavamlı olduğundan, biz onların SiC toz mənbələrini əvəz etmək üçün perspektivli SiC mənbəyi kimi geniş istifadəsini gözləyirik. SiC-nin sürətli böyüməsi üçün CVD-SiC mənbələrini tətbiq etmək üçün PVT sistemində temperatur paylanmasının optimallaşdırılması, gələcək tədqiqatlar üçün əlavə sualların qoyulması tələb olunur.
Nəticə
Bu işdə PVT üsulu ilə yüksək temperatur qradiyenti şəraitində əzilmiş CVD-SiC bloklarından istifadə edərək sürətli SiC kristal böyüməsinin uğurlu nümayişinə nail olundu. Maraqlıdır ki, SiC kristallarının sürətli böyüməsi SiC mənbəyini PVT üsulu ilə əvəz etməklə həyata keçirilmişdir. Bu metodun SiC monokristallarının genişmiqyaslı istehsal səmərəliliyini əhəmiyyətli dərəcədə artıracağı, nəticədə SiC substratlarının vahid maya dəyərini azaltacağı və yüksək performanslı enerji cihazlarının geniş istifadəsini təşviq edəcəyi gözlənilir.
Göndərmə vaxtı: 19 iyul 2024-cü il