Spartus SiC vieno kristalo augimasCVD-SiC masėŠaltinis naudojant sublimacijos metodą
Naudojant perdirbtąCVD-SiC blokaiKaip SiC šaltinis, SiC kristalai buvo sėkmingai auginami 1, 46 mm / h greičiu taikant PVT metodą. Išaugusio kristalo mikrovamzdis ir dislokacijos tankis rodo, kad nepaisant didelio augimo greičio, kristalų kokybė yra puiki.
Silicio karbidas (SiC)yra plataus diapazono puslaidininkis, pasižymintis puikiomis savybėmis, skirtas naudoti aukštos įtampos, didelės galios ir aukšto dažnio srityse. Pastaraisiais metais jo paklausa sparčiai augo, ypač galios puslaidininkių srityje. Galios puslaidininkių panaudojimui SiC monokristalai auginami sublimuojant didelio grynumo SiC šaltinį 2100–2500 °C temperatūroje, po to perkristalizuojami į sėklinį kristalą, naudojant fizinio garų transportavimo (PVT) metodą, o po to apdorojami, kad būtų gauti monokristaliniai substratai ant plokštelių. . Tradiciškai,SiC kristalaiyra auginami naudojant PVT metodą augimo greičiu nuo 0,3 iki 0,8 mm/h, kad būtų kontroliuojamas kristališkumas, kuris yra gana lėtas, palyginti su kitomis puslaidininkiuose naudojamomis monokristalinėmis medžiagomis. Kai SiC kristalai auginami dideliu augimo greičiu, naudojant PVT metodą, neatmetama kokybės pablogėjimas, įskaitant anglies inkliuzus, sumažėjusį grynumą, polikristalinį augimą, grūdelių ribų susidarymą ir dislokacijos bei poringumo defektus. Todėl greitas SiC augimas nebuvo sukurtas, o lėtas SiC augimo greitis buvo pagrindinė kliūtis SiC substratų produktyvumui.
Kita vertus, naujausiose ataskaitose apie greitą SiC augimą buvo naudojami aukštos temperatūros cheminio nusodinimo garais (HTCVD) metodai, o ne PVT metodas. HTCVD metodas naudoja garus, kuriuose yra Si ir C kaip SiC šaltinį reaktoriuje. HTCVD dar nebuvo naudojamas didelio masto SiC gamybai ir reikalauja tolesnių tyrimų ir plėtros, kad būtų galima komercializuoti. Įdomu tai, kad net esant dideliam augimo greičiui ∼ 3 mm / h, naudojant HTCVD metodą, SiC pavieniai kristalai gali būti auginami geros kristalų kokybės. Tuo tarpu SiC komponentai buvo naudojami puslaidininkių procesuose atšiaurioje aplinkoje, kuriai reikalinga itin aukšto grynumo proceso kontrolė. Puslaidininkių procese ~99,9999 % (∼6N) grynumo SiC komponentai paprastai gaminami CVD būdu iš metiltrichlorsilano (CH3Cl3Si, MTS). Tačiau nepaisant didelio CVD-SiC komponentų grynumo, po naudojimo jie buvo išmesti. Pastaruoju metu išmesti CVD-SiC komponentai buvo laikomi SiC kristalų augimo šaltiniais, nors kai kurie atkūrimo procesai, įskaitant smulkinimą ir gryninimą, vis dar reikalingi, kad būtų patenkinti dideli kristalų augimo šaltinio reikalavimai. Šiame tyrime naudojome išmestus CVD-SiC blokus, kad perdirbtume medžiagas kaip SiC kristalų auginimo šaltinį. CVD-SiC blokai, skirti pavienių kristalų auginimui, buvo paruošti kaip kontroliuojamo dydžio susmulkinti blokai, kurių forma ir dydis žymiai skiriasi nuo komercinių SiC miltelių, dažniausiai naudojamų PVT procese, todėl tikimasi, kad SiC monokristalų augimas bus reikšmingas. skirtinga. Prieš atliekant SiC monokristalų augimo eksperimentus, buvo atliktas kompiuterinis modeliavimas, kad būtų pasiektas didelis augimo greitis, o terminė zona buvo atitinkamai sukonfigūruota vieno kristalo augimui. Po kristalų augimo išaugę kristalai buvo įvertinti skerspjūvio tomografija, mikro-Raman spektroskopija, didelės skiriamosios gebos rentgeno spindulių difrakcija ir sinchrotroninio baltojo pluošto rentgeno topografija.
1 paveiksle parodytas CVD-SiC šaltinis, naudojamas SiC kristalų PVT augimui šiame tyrime. Kaip aprašyta įvade, CVD-SiC komponentai buvo susintetinti iš MTS CVD būdu ir suformuoti puslaidininkiams naudojant mechaninį apdorojimą. N buvo legiruotas CVD procese, kad būtų pasiektas puslaidininkių procesų laidumas. Po naudojimo puslaidininkiniuose procesuose CVD-SiC komponentai buvo susmulkinti, kad būtų paruoštas šaltinis kristalų augimui, kaip parodyta 1 paveiksle. CVD-SiC šaltinis buvo paruoštas kaip plokštelės, kurių vidutinis storis ~0,5 mm ir vidutinis dalelių dydis 49,75 mm.
1 pav. CVD-SiC šaltinis, paruoštas naudojant MTS pagrįstą CVD procesą.
Naudojant CVD-SiC šaltinį, parodytą 1 paveiksle, SiC kristalai buvo auginami PVT metodu indukcinio šildymo krosnyje. Temperatūros pasiskirstymui šiluminėje zonoje įvertinti buvo naudojamas komercinis modeliavimo kodas VR-PVT 8.2 (STR, Serbijos Respublika). Reaktorius su šilumine zona buvo sumodeliuotas kaip 2D ašiesimetrinis modelis, kaip parodyta 2 paveiksle, su tinklelio modeliu. Visos modeliavimui naudotos medžiagos parodytos 2 paveiksle, o jų savybės pateiktos 1 lentelėje. Remiantis modeliavimo rezultatais, SiC kristalai buvo auginami PVT metodu 2250–2350°C temperatūros diapazone Ar atmosferoje 35 Torrai 4 valandas. Kaip SiC sėkla buvo naudojama 4° ne ašies 4H-SiC plokštelė. Išaugę kristalai buvo įvertinti mikro-Raman spektroskopija (Witec, UHTS 300, Vokietija) ir didelės raiškos XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Nyderlandai). Priemaišų koncentracijos išaugintuose SiC kristaluose buvo įvertintos naudojant dinaminę antrinių jonų masės spektrometriją (SIMS, Cameca IMS-6f, Prancūzija). Išaugusių kristalų dislokacijos tankis buvo įvertintas naudojant sinchrotroninio baltojo pluošto rentgeno topografiją Pohango šviesos šaltinyje.
2 pav. Šiluminės zonos diagrama ir PVT augimo indukcinėje šildymo krosnyje tinklelio modelis.
Kadangi HTCVD ir PVT metodais augina kristalus esant dujų ir kietos fazės pusiausvyrai augimo fronte, sėkmingas greitas SiC augimas HTCVD metodu paskatino šiame tyrime iššūkį greitai augti SiC PVT metodu. HTCVD metodas naudoja dujų šaltinį, kuris yra lengvai reguliuojamas srautu, o PVT metodas naudoja kietą šaltinį, kuris tiesiogiai nekontroliuoja srauto. Srauto greitį, teikiamą augimo frontui taikant PVT metodą, galima valdyti kietojo šaltinio sublimacijos greičiu, kontroliuojant temperatūros pasiskirstymą, tačiau tiksliai kontroliuoti temperatūros pasiskirstymą praktinėse augimo sistemose nėra lengva.
Padidinus šaltinio temperatūrą PVT reaktoriuje, SiC augimo greitį galima padidinti padidinus šaltinio sublimacijos greitį. Norint pasiekti stabilų kristalų augimą, temperatūros kontrolė augimo fronte yra labai svarbi. Norint padidinti augimo greitį nesudarant polikristalų, augimo fronte reikia pasiekti aukštos temperatūros gradientą, kaip rodo SiC augimas naudojant HTCVD metodą. Nepakankamas vertikalus šilumos laidumas į užpakalinę dangtelio dalį turėtų išsklaidyti augimo priekyje susikaupusią šilumą per šiluminę spinduliuotę į augimo paviršių, todėl susidaro pertekliniai paviršiai, ty polikristalinis augimas.
Tiek masės perkėlimo, tiek perkristalizavimo procesai PVT metodu yra labai panašūs į HTCVD metodą, nors skiriasi SiC šaltiniu. Tai reiškia, kad spartus SiC augimas taip pat pasiekiamas, kai SiC šaltinio sublimacijos greitis yra pakankamai didelis. Tačiau norint gauti aukštos kokybės SiC pavienius kristalus aukštomis augimo sąlygomis naudojant PVT metodą, kyla keletas iššūkių. Komerciniuose milteliuose paprastai yra mažų ir didelių dalelių mišinys. Dėl paviršiaus energijos skirtumų mažos dalelės turi santykinai didelę priemaišų koncentraciją ir sublimuojasi prieš dideles daleles, todėl ankstyvosiose kristalo augimo stadijose susidaro didelė priemaišų koncentracija. Be to, kadangi aukštoje temperatūroje kietasis SiC skyla į garų rūšis, tokias kaip C ir Si, SiC2 ir Si2C, PVT metodu SiC šaltiniui sublimuojant neišvengiamai susidaro kietas C. Jei susidariusi kieta C yra pakankamai maža ir lengva, spartaus augimo sąlygomis mažos C dalelės, žinomos kaip „C dulkės“, gali būti pernešamos į kristalo paviršių stipriai pernešant masę, todėl išaugusiame kristale susidaro intarpai. Todėl, siekiant sumažinti metalo priemaišas ir C dulkes, SiC šaltinio dalelių dydis paprastai turėtų būti kontroliuojamas iki mažesnio nei 200 μm skersmens, o augimo greitis neturi viršyti ~0,4 mm/h, kad būtų išlaikytas lėtas masės perdavimas ir išvengta plūduriavimo. C dulkės. Metalo priemaišos ir C dulkės lemia išaugusių SiC kristalų degradaciją, o tai yra pagrindinės kliūtys greitam SiC augimui taikant PVT metodą.
Šiame tyrime buvo naudojami susmulkinti CVD-SiC šaltiniai be mažų dalelių, pašalinant plaukiojančias C dulkes esant stipriam masės perkėlimui. Taigi, šiluminės zonos struktūra buvo sukurta naudojant daugiafizikos modeliavimu pagrįstą PVT metodą, kad būtų pasiektas greitas SiC augimas, o modeliuojamas temperatūros pasiskirstymas ir temperatūros gradientas parodytas 3a paveiksle.
3 paveikslas: (a) Temperatūros pasiskirstymas ir temperatūros gradientas šalia PVT reaktoriaus augimo priekio, gautas baigtinių elementų analize, ir (b) vertikalus temperatūros pasiskirstymas išilgai ašies simetrinės linijos.
Palyginti su tipiniais šiluminės zonos nustatymais auginant SiC kristalus, kai augimo greitis nuo 0,3 iki 0,8 mm/h, esant nedideliam temperatūros gradientui, mažesniam nei 1 °C/mm, šiame tyrime šiluminės zonos parametrai turi santykinai didelį temperatūros gradientą ∼ 3,8 °C/mm esant ~2268 °C augimo temperatūrai. Temperatūros gradiento vertė šiame tyrime yra palyginama su sparčiu SiC augimu 2,4 mm/h greičiu, naudojant HTCVD metodą, kai temperatūros gradientas nustatytas į ~14 °C/mm. Iš vertikalaus temperatūros pasiskirstymo, parodyto 3b paveiksle, patvirtinome, kad šalia augimo fronto nebuvo atvirkštinio temperatūros gradiento, galinčio sudaryti polikristalus, kaip aprašyta literatūroje.
Naudojant PVT sistemą, SiC kristalai buvo auginami iš CVD-SiC šaltinio 4 valandas, kaip parodyta 2 ir 3 paveiksluose. Tipiškas SiC kristalų augimas iš užauginto SiC parodytas 4a paveiksle. 4a paveiksle parodyto SiC kristalo storis ir augimo greitis yra atitinkamai 5,84 mm ir 1,46 mm/h. Buvo ištirtas SiC šaltinio poveikis išaugintų SiC kristalų kokybei, politipui, morfologijai ir grynumui, parodytam 4a paveiksle, kaip parodyta 4b-e paveiksluose. 4b paveiksle pateiktas skerspjūvio tomografijos vaizdas rodo, kad kristalų augimas buvo išgaubtas dėl neoptimalių augimo sąlygų. Tačiau mikro-Raman spektroskopija 4c paveiksle identifikavo išaugusį kristalą kaip vieną 4H-SiC fazę be jokių politipų intarpų. FWHM vertė (0004) smailės, gautos atliekant rentgeno spinduliuotės siūbavimo kreivės analizę, buvo 18,9 lanko sekundės, o tai taip pat patvirtina gerą kristalų kokybę.
4 paveikslas: (a) išaugęs SiC kristalas (augimo greitis 1,46 mm/h) ir jo įvertinimo rezultatai naudojant (b) skerspjūvio tomografiją, (c) mikro-Raman spektroskopiją, (d) rentgeno spindulių siūbavimo kreivę ir ( e) Rentgeno topografija.
4e paveiksle parodyta balto pluošto rentgeno topografija, identifikuojanti įbrėžimus ir sriegių išnirimus poliruotoje užauginto kristalo plokštelėje. Išmatuotas išaugusio kristalo dislokacijos tankis yra ~3000 ea/cm², šiek tiek didesnis nei sėklinio kristalo dislokacijos tankis, kuris buvo ~2000ea/cm². Buvo patvirtinta, kad užauginto kristalo dislokacijos tankis yra palyginti mažas, panašus į komercinių plokštelių kristalų kokybę. Įdomu tai, kad greitas SiC kristalų augimas buvo pasiektas naudojant PVT metodą su susmulkintu CVD-SiC šaltiniu esant dideliam temperatūros gradientui. B, Al ir N koncentracijos užaugintuose kristaluose buvo atitinkamai 2,18 × 10¹6, 7,61 × 10¹5 ir 1,98 × 10¹9 atomų/cm³. P koncentracija išaugusiuose kristaluose buvo mažesnė už aptikimo ribą (<1,0 × 10¹4 atomų/cm³). Priemaišų koncentracijos buvo pakankamai mažos krūvininkų, išskyrus N, kuris buvo sąmoningai legiruotas CVD proceso metu.
Nors kristalų augimas šiame tyrime buvo nedidelis, atsižvelgiant į komercinius produktus, sėkmingas greito SiC augimo ir geros kristalų kokybės demonstravimas naudojant CVD-SiC šaltinį taikant PVT metodą turi reikšmingų pasekmių. Kadangi CVD-SiC šaltiniai, nepaisant jų puikių savybių, yra ekonomiškai konkurencingi perdirbant išmestas medžiagas, tikimės, kad jie bus plačiai naudojami kaip perspektyvus SiC šaltinis, pakeisiantis SiC miltelių šaltinius. Norint pritaikyti CVD-SiC šaltinius greitam SiC augimui, reikia optimizuoti temperatūros pasiskirstymą PVT sistemoje, todėl kyla papildomų klausimų būsimiems tyrimams.
Išvada
Šiame tyrime PVT metodu buvo sėkmingai įrodytas greitas SiC kristalų augimas naudojant susmulkintus CVD-SiC blokus aukštos temperatūros gradiento sąlygomis. Įdomu tai, kad greitas SiC kristalų augimas buvo įgyvendintas pakeitus SiC šaltinį PVT metodu. Tikimasi, kad šis metodas žymiai padidins didelio masto SiC monokristalų gamybos efektyvumą, galiausiai sumažins SiC substratų vieneto kainą ir skatins plačiai naudoti didelio našumo galios įrenginius.
Paskelbimo laikas: 2024-07-19