Hraður vöxtur SiC Single Crystal NotkunCVD-SiC MagnUppruni með Sublimation Method
Með því að nota endurunniðCVD-SiC blokkirsem SiC uppspretta voru SiC kristallar ræktaðir með góðum árangri á hraðanum 1,46 mm/klst með PVT aðferðinni. Örpípa og losunarþéttleiki hinna ræktuðu kristals benda til þess að þrátt fyrir mikinn vaxtarhraða séu kristalgæðin frábær.
Kísilkarbíð (SiC)er hálfleiðari með breitt bandbil með framúrskarandi eiginleika fyrir notkun í háspennu, miklu afli og hátíðni. Eftirspurn þess hefur vaxið hratt á undanförnum árum, sérstaklega á sviði orkuhálfleiðara. Fyrir orkuhálfleiðara eru SiC einkristallar ræktaðir með því að sublimera háhreinleika SiC uppsprettu við 2100–2500°C, síðan endurkristallast á frækristall með PVT-aðferðinni, fylgt eftir með vinnslu til að fá einkristalla hvarfefni á oblátum . Hefð,SiC kristallareru ræktaðar með PVT-aðferðinni við vaxtarhraða 0,3 til 0,8 mm/klst. til að stjórna kristöllun, sem er tiltölulega hægt miðað við önnur einkristal efni sem notuð eru í hálfleiðurum. Þegar SiC kristallar eru ræktaðir við háan vaxtarhraða með því að nota PVT aðferðina, hefur gæðarýrnun, þar með talið kolefnisinnihald, minni hreinleika, fjölkristallaðan vöxt, myndun kornamarka, og bilun og gropagalla ekki verið útilokuð. Þess vegna hefur hraður vöxtur SiC ekki verið þróaður og hægur vaxtarhraði SiC hefur verið mikil hindrun fyrir framleiðni SiC hvarfefna.
Á hinn bóginn hafa nýlegar skýrslur um hraðan vöxt SiC verið að nota háhitaefnagufuútfellingu (HTCVD) aðferðir frekar en PVT aðferðina. HTCVD aðferðin notar gufu sem inniheldur Si og C sem SiC uppsprettu í reactor. HTCVD hefur ekki enn verið notað til stórframleiðslu á SiC og krefst frekari rannsókna og þróunar fyrir markaðssetningu. Athyglisvert er að jafnvel við háan vaxtarhraða sem er ~3 mm/klst., er hægt að rækta SiC staka kristalla með góðum kristalgæðum með því að nota HTCVD aðferðina. Á sama tíma hafa SiC íhlutir verið notaðir í hálfleiðaraferlum í erfiðu umhverfi sem krefst mjög mikillar hreinleika ferlistýringar. Fyrir hálfleiðaraferli eru ~99,9999% (~6N) hreinleika SiC íhlutir venjulega framleiddir með CVD ferlinu úr metýltríklórsílani (CH3Cl3Si, MTS). Hins vegar, þrátt fyrir mikinn hreinleika CVD-SiC íhluta, hefur þeim verið fargað eftir notkun. Nýlega hefur verið litið á fleygðir CVD-SiC íhluti sem SiC uppsprettur fyrir kristalvöxt, þó enn sé þörf á sumum endurheimtarferlum, þar á meðal mulning og hreinsun, til að uppfylla miklar kröfur kristalvaxtargjafa. Í þessari rannsókn notuðum við fleyga CVD-SiC blokkir til að endurvinna efni sem uppspretta fyrir vaxandi SiC kristalla. CVD-SiC blokkirnar fyrir vöxt eins kristalla voru útbúnar sem stærðarstýrðar muldar blokkir, verulega mismunandi að lögun og stærð miðað við verslunar SiC duftið sem almennt er notað í PVT ferlinu, þess vegna var búist við að hegðun SiC einkristallavaxtar væri verulega öðruvísi. Áður en gerðar voru tilraunir með SiC eins kristallavöxt voru tölvulíkingar gerðar til að ná háum vaxtarhraða og varmasvæðið var stillt í samræmi við það fyrir vöxt eins kristalla. Eftir kristalvöxt voru vaxnir kristallar metnir með þversniðssneiðmynd, ör-Raman litrófsgreiningu, háupplausn röntgengeislabroti og samstillingu hvítgeisla röntgenmyndatöku.
Mynd 1 sýnir CVD-SiC uppsprettu sem notaður er fyrir PVT vöxt SiC kristalla í þessari rannsókn. Eins og lýst er í innganginum voru CVD-SiC íhlutir smíðaðir úr MTS með CVD ferlinu og mótaðir til notkunar á hálfleiðara með vélrænni vinnslu. N var dópað í CVD ferlinu til að ná fram leiðni fyrir hálfleiðaraferli. Eftir notkun í hálfleiðaraferlum voru CVD-SiC íhlutirnir muldir til að undirbúa uppsprettu fyrir kristalvöxt, eins og sýnt er á mynd 1. CVD-SiC uppspretta var útbúin sem plötur með meðalþykkt ~0,5 mm og meðal kornastærð á 49,75 mm.
Mynd 1: CVD-SiC uppspretta unnin með MTS-undirstaða CVD ferli.
Með því að nota CVD-SiC uppsprettuna sem sýnd er á mynd 1 voru SiC kristallar ræktaðir með PVT aðferðinni í örvunarhitunarofni. Til að meta hitadreifingu á varmasvæðinu var notaður hermikóði VR-PVT 8.2 (STR, Serbía). Kjarnaofninn með hitabeltinu var teiknaður sem 2D ássamhverft líkan, eins og sýnt er á mynd 2, með möskvalíkani þess. Öll efni sem notuð eru í uppgerðinni eru sýnd á mynd 2 og eiginleikar þeirra eru taldir upp í töflu 1. Byggt á niðurstöðum hermisins voru SiC kristallar ræktaðir með PVT aðferð við hitastig á bilinu 2250–2350°C í Ar andrúmslofti kl. 35 Torr í 4 klst. 4° utanás 4H-SiC skífa var notuð sem SiC fræ. Ræktuðu kristallarnir voru metnir með ör-Raman litrófsgreiningu (Witec, UHTS 300, Þýskalandi) og háupplausn XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Hollandi). Styrkur óhreininda í ræktuðu SiC kristöllum var metinn með því að nota kraftmikla aukajóna massagreiningu (SIMS, Cameca IMS-6f, Frakklandi). Röntgengeislaþéttleiki vaxinna kristalla var metinn með því að nota synchrotron hvítgeisla röntgenmyndafræði við Pohang ljósgjafann.
Mynd 2: Skýringarmynd um hitasvæði og möskvalíkan af PVT-vexti í örvunarhitunarofni.
Þar sem HTCVD og PVT aðferðir vaxa kristalla undir gas-fastfasa jafnvægi á vaxtarframhliðinni, vakti árangursríkur hraður vöxtur SiC með HTCVD aðferðinni áskorun um hraðan vöxt SiC með PVT aðferðinni í þessari rannsókn. HTCVD aðferðin notar gasgjafa sem auðvelt er að stjórna flæði, en PVT aðferðin notar fasta uppsprettu sem stjórnar ekki flæði beint. Hægt er að stjórna flæðihraðanum sem veitt er til vaxtarframhliðarinnar í PVT-aðferðinni með sublimation hraða fasta uppsprettu með hitadreifingarstýringu, en nákvæm stjórn á hitadreifingu í hagnýtum vaxtarkerfum er ekki auðvelt að ná.
Með því að hækka hitastig uppsprettu í PVT reactor, er hægt að auka vaxtarhraða SiC með því að auka sublimation hraða upprunans. Til að ná stöðugum kristalvexti er hitastýring á vaxtarframhliðinni mikilvæg. Til að auka vaxtarhraðann án þess að mynda fjölkristalla þarf að ná háhitastigli á vaxtarframhliðinni, eins og sést af SiC vexti með HTCVD aðferðinni. Ófullnægjandi lóðrétt hitaleiðsla að bakhlið loksins ætti að dreifa uppsöfnuðum hita við vaxtarframhliðina með varmageislun á vaxtarflötinn, sem leiðir til myndunar umframflata, þ.e. fjölkristallaðs vaxtar.
Bæði fjöldaflutnings- og endurkristöllunarferlar í PVT-aðferðinni eru mjög svipaðir HTCVD-aðferðinni, þó að þeir séu mismunandi í SiC-uppsprettunni. Þetta þýðir að hraður vöxtur SiC er einnig hægt að ná þegar sublimation hraði SiC uppsprettunnar er nægilega hátt. Hins vegar hefur það nokkrar áskoranir að ná hágæða SiC einkristalla við miklar vaxtarskilyrði með PVT aðferðinni. Auglýsingaduft inniheldur venjulega blöndu af litlum og stórum agnum. Vegna mismunar á yfirborðsorku hafa litlar agnir tiltölulega háan styrk óhreininda og sublimast fyrir stórar agnir, sem leiðir til mikils óhreinindastyrks á fyrstu vaxtarstigum kristalsins. Þar að auki, þar sem fast SiC brotnar niður í gufutegundir eins og C og Si, SiC2 og Si2C við háan hita, myndast óhjákvæmilega fast C þegar SiC uppspretta sublimast í PVT aðferðinni. Ef myndaða fasta C-efnið er nógu lítið og létt, við örar vaxtarskilyrði, geta litlar C-agnir, þekktar sem „C-ryk“, verið fluttar á kristalsyfirborðið með sterkum massaflutningi, sem leiðir til innilokunar í vaxna kristalinu. Þess vegna, til að draga úr málmóhreinindum og C ryki, ætti að stjórna kornastærð SiC uppsprettunnar að þvermáli sem er minna en 200 μm og vaxtarhraðinn ætti ekki að fara yfir ~0,4 mm/klst. til að viðhalda hægum massaflutningi og útiloka fljótandi C ryk. Málmóhreinindi og C ryk leiða til niðurbrots vaxinna SiC kristalla, sem eru helstu hindranirnar fyrir örum vexti SiC með PVT aðferðinni.
Í þessari rannsókn voru muldar CVD-SiC uppsprettur án smáagna notaðar, sem útilokaði fljótandi C ryk við sterkan massaflutning. Þannig var hitauppbyggingin hönnuð með PVT-aðferð sem byggir á fjöleðlisfræði eftirlíkingu til að ná hröðum SiC vexti, og eftirlíking hitastigsdreifingar og hitastigshalli er sýnd á mynd 3a.
Mynd 3: (a) Dreifing hitastigs og hitastigshlutfall nálægt vaxtarframhlið PVT reactorsins sem fæst með endanlegri frumefnagreiningu, og (b) lóðrétt hitadreifing meðfram ássamhverfu línunni.
Í samanburði við dæmigerða hitabeltisstillingar til að vaxa SiC kristalla með vaxtarhraða 0,3 til 0,8 mm/klst undir litlum hitastigli sem er minna en 1 °C/mm, hafa hitabeltisstillingarnar í þessari rannsókn tiltölulega stóran hitastig upp á ~∼ 3,8 °C/mm við ~2268°C vaxtarhita. Hitastigsgildið í þessari rannsókn er sambærilegt við hraðan vöxt SiC á hraðanum 2,4 mm/klst með því að nota HTCVD aðferðina, þar sem hitastigið er stillt á ~14 °C/mm. Frá lóðréttri hitadreifingu sem sýnd er á mynd 3b, staðfestum við að enginn öfugur hitastigull sem gæti myndað fjölkristalla væri til staðar nálægt vaxtarframhliðinni, eins og lýst er í bókmenntum.
Með því að nota PVT kerfið voru SiC kristallar ræktaðir úr CVD-SiC uppsprettunni í 4 klukkustundir, eins og sýnt er á myndum 2 og 3. Dæmigerð SiC kristalvöxtur úr ræktuðu SiC er sýndur á mynd 4a. Þykkt og vaxtarhraði SiC kristalsins sem sýndur er á mynd 4a eru 5,84 mm og 1,46 mm/klst., í sömu röð. Áhrif SiC uppsprettu á gæði, fjölgerð, formgerð og hreinleika ræktaða SiC kristalsins sem sýndur er á mynd 4a voru rannsökuð, eins og sýnt er á myndum 4b-e. Þversniðssneiðmyndamyndin á mynd 4b sýnir að kristalvöxturinn var kúptur vegna óhagkvæmra vaxtarskilyrða. Hins vegar, ör-Raman litrófsgreiningin á mynd 4c auðkennt vaxið kristal sem einn fasa af 4H-SiC án nokkurra fjölgerða innfellinga. FWHM gildi (0004) toppsins sem fékkst úr röntgenbergkúrfugreiningu var 18,9 bogasekúndur, sem staðfestir einnig góð kristalgæði.
Mynd 4: (a) Grown SiC kristal (vaxtarhraði 1,46 mm/klst.) og matsniðurstöður hans með (b) þversniðssneiðmynd, (c) ör-Raman litrófsgreiningu, (d) röntgenbergkúrfu og ( e) Röntgenlandafræði.
Mynd 4e sýnir röntgenmyndafræði hvíta geislans sem auðkennir rispur og þræðingarfærslur í fáguðu skífunni á vaxna kristalinu. Skipulagsþéttleiki vaxna kristalsins mældist vera ~3000 ea/cm², aðeins hærri en losunarþéttleiki frækristallsins, sem var ~2000 ea/cm². Staðfest var að vaxna kristallinn hefði tiltölulega lágan losunarþéttleika, sambærilegur við kristalgæði verslunarflagna. Athyglisvert er að hraður vöxtur SiC kristalla náðist með því að nota PVT aðferðina með mulinni CVD-SiC uppsprettu undir miklum hitastigli. Styrkur B, Al og N í ræktuðu kristalinu var 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ og 1,98 × 10¹⁹ atóm/cm³, í sömu röð. Styrkur P í ræktuðu kristalinu var undir greiningarmörkum (<1,0 × 10¹⁴ atóm/cm³). Styrkur óhreininda var nægilega lágur fyrir hleðslubera, nema N, sem var viljandi dópað í CVD ferlinu.
Þrátt fyrir að kristalvöxturinn í þessari rannsókn hafi verið í litlum mæli miðað við vörur í verslun, hefur árangursrík sýning á hröðum SiC vexti með góðum kristalgæðum með því að nota CVD-SiC uppsprettu með PVT aðferð veruleg áhrif. Þar sem CVD-SiC uppsprettur, þrátt fyrir framúrskarandi eiginleika þeirra, eru kostnaðarsamar með því að endurvinna hent efni, gerum við ráð fyrir víðtækri notkun þeirra sem efnilegur SiC uppspretta til að koma í stað SiC duftgjafa. Til að nota CVD-SiC uppsprettur fyrir hraðan vöxt SiC, er nauðsynlegt að hámarka hitadreifingu í PVT kerfinu, sem vekur frekari spurningar fyrir framtíðarrannsóknir.
Niðurstaða
Í þessari rannsókn náðist árangursrík sýning á hröðum SiC kristalvexti með muldum CVD-SiC blokkum við háhitastigsaðstæður með PVT aðferðinni. Athyglisvert var að hraður vöxtur SiC kristalla var að veruleika með því að skipta um SiC uppsprettu fyrir PVT aðferðina. Búist er við að þessi aðferð auki verulega framleiðsluhagkvæmni SiC einkristalla í stórum stíl, dragi að lokum úr einingarkostnaði SiC hvarfefna og ýti undir víðtæka notkun afkastamikilla afltækja.
Birtingartími: 19. júlí-2024