Tkabbir Rapidu ta 'SiC Uniku Crystal UżuCVD-SiC BulkSors permezz tal-Metodu tas-Sublimazzjoni
Bl-użu riċiklatBlokki CVD-SiCbħala s-sors tas-SiC, il-kristalli tas-SiC tkabbru b'suċċess b'rata ta '1.46 mm/h permezz tal-metodu PVT. Il-mikropipe tal-kristall imkabbar u d-densitajiet ta 'dislokazzjoni jindikaw li minkejja r-rata ta' tkabbir għolja, il-kwalità tal-kristall hija eċċellenti.
Karbur tas-silikon (SiC)huwa semikonduttur ta 'bandgap wiesa' bi proprjetajiet eċċellenti għal applikazzjonijiet f'vultaġġ għoli, qawwa għolja u frekwenza għolja. Id-domanda tagħha kibret malajr f'dawn l-aħħar snin, speċjalment fil-qasam tas-semikondutturi tal-enerġija. Għal applikazzjonijiet ta 'semikondutturi tal-enerġija, kristalli singoli tas-SiC jitkabbru permezz tas-sublimazzjoni ta' sors SiC ta 'purità għolja f'2100–2500 ° C, imbagħad jerġgħu jiġu kristallizzati fuq kristall taż-żerriegħa bl-użu tal-metodu tat-trasport fiżiku tal-fwar (PVT), segwit minn proċessar biex jinkisbu substrati ta' kristall wieħed fuq wejfers . Tradizzjonalment,Kristalli SiChuma mkabbra bl-użu tal-metodu PVT b'rata ta 'tkabbir ta' 0.3 sa 0.8 mm / h biex tikkontrolla l-kristallinità, li hija relattivament bil-mod meta mqabbla ma 'materjali oħra ta' kristall wieħed użati f'applikazzjonijiet semikondutturi. Meta l-kristalli SiC jitkabbru b'rati ta 'tkabbir għoljin bl-użu tal-metodu PVT, degradazzjoni tal-kwalità inklużi inklużjonijiet tal-karbonju, purità mnaqqsa, tkabbir polikristallin, formazzjoni tal-konfini tal-qamħ, u difetti ta' dislokazzjoni u porożità ma ġietx eskluża. Għalhekk, it-tkabbir mgħaġġel ta 'SiC ma ġiex żviluppat, u r-rata ta' tkabbir bil-mod tas-SiC kienet ostaklu ewlieni għall-produttività tas-sottostrati tas-SiC.
Min-naħa l-oħra, rapporti reċenti dwar it-tkabbir rapidu tas-SiC kienu qed jużaw metodi ta 'depożizzjoni ta' fwar kimiku f'temperatura għolja (HTCVD) aktar milli l-metodu PVT. Il-metodu HTCVD juża fwar li fih Si u C bħala s-sors tas-SiC fir-reattur. HTCVD għadu ma ntużax għal produzzjoni fuq skala kbira ta 'SiC u jeħtieġ aktar riċerka u żvilupp għall-kummerċjalizzazzjoni. Interessanti, anki b'rata għolja ta 'tkabbir ta' ~ 3 mm / h, kristalli singoli SiC jistgħu jitkabbru bi kwalità tajba tal-kristall bl-użu tal-metodu HTCVD. Sadanittant, komponenti SiC intużaw fi proċessi semikondutturi taħt ambjenti ħarxa li jeħtieġu kontroll tal-proċess ta 'purità estremament għolja. Għal applikazzjonijiet ta 'proċess ta' semikondutturi, komponenti SiC ta 'purità ta' ~ 99.9999% (~6N) huma ġeneralment ippreparati mill-proċess CVD minn methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Madankollu, minkejja l-purità għolja tal-komponenti CVD-SiC, dawn ġew mormija wara l-użu. Riċentement, komponenti CVD-SiC mormija ġew ikkunsidrati bħala sorsi ta 'SiC għat-tkabbir tal-kristall, għalkemm xi proċessi ta' rkupru inklużi tgħaffiġ u purifikazzjoni għadhom meħtieġa biex jissodisfaw it-talbiet għoljin ta 'sors ta' tkabbir tal-kristall. F'dan l-istudju, użajna blokki CVD-SiC mormija biex niriċiklaw materjali bħala sors għat-tkabbir tal-kristalli SiC. Il-blokki CVD-SiC għat-tkabbir ta 'kristall wieħed ġew ippreparati bħala blokki mgħaffġa kkontrollati bid-daqs, differenti b'mod sinifikanti fil-forma u d-daqs meta mqabbla mat-trab SiC kummerċjali użat komunement fil-proċess PVT, għalhekk l-imġieba tat-tkabbir ta' kristall wieħed SiC kienet mistennija li tkun b'mod sinifikanti differenti. Qabel ma saru esperimenti ta 'tkabbir ta' kristall wieħed SiC, saru simulazzjonijiet tal-kompjuter biex jinkisbu rati ta 'tkabbir għoljin, u ż-żona termali ġiet ikkonfigurata kif xieraq għal tkabbir ta' kristall wieħed. Wara t-tkabbir tal-kristalli, il-kristalli mkabbra ġew evalwati permezz ta 'tomografija trasversali, spettroskopija mikro-Raman, diffrazzjoni tar-raġġi X b'riżoluzzjoni għolja, u topografija tar-raġġi X tar-raġġ abjad sinkrotron.
Il-Figura 1 turi s-sors CVD-SiC użat għat-tkabbir PVT ta 'kristalli SiC f'dan l-istudju. Kif deskritt fl-introduzzjoni, il-komponenti CVD-SiC ġew sintetizzati minn MTS bil-proċess CVD u ffurmati għall-użu ta 'semikondutturi permezz ta' proċessar mekkaniku. N ġie drogat fil-proċess CVD biex tinkiseb konduttività għall-applikazzjonijiet tal-proċess tas-semikondutturi. Wara l-użu fi proċessi tas-semikondutturi, il-komponenti CVD-SiC ġew imfarrak biex jippreparaw is-sors għat-tkabbir tal-kristall, kif muri fil-Figura 1. Is-sors CVD-SiC kien ippreparat bħala pjanċi bi ħxuna medja ta '~0.5 mm u daqs medju tal-partiċelli ta' 49.75 mm.
Figura 1: Sors CVD-SiC ippreparat mill-proċess CVD ibbażat fuq MTS.
Bl-użu tas-sors CVD-SiC muri fil-Figura 1, il-kristalli SiC tkabbru bil-metodu PVT f'forn tat-tisħin bl-induzzjoni. Biex tiġi evalwata d-distribuzzjoni tat-temperatura fiż-żona termali, intuża l-kodiċi ta 'simulazzjoni kummerċjali VR-PVT 8.2 (STR, ir-Repubblika tas-Serbja). Ir-reattur biż-żona termali ġie mmudellat bħala mudell assisimmetriku 2D, kif muri fil-Figura 2, bil-mudell tal-malji tiegħu. Il-materjali kollha użati fis-simulazzjoni huma murija fil-Figura 2, u l-proprjetajiet tagħhom huma elenkati fit-Tabella 1. Ibbażat fuq ir-riżultati tas-simulazzjoni, il-kristalli SiC tkabbru bl-użu tal-metodu PVT f'medda ta 'temperatura ta' 2250-2350 ° C f'atmosfera Ar f' 35 Torr għal 4 sigħat. Wejfer 4H-SiC ta' 4° off-axis intuża bħala ż-żerriegħa tas-SiC. Il-kristalli mkabbra ġew evalwati minn spettroskopija mikro-Raman (Witec, UHTS 300, Ġermanja) u XRD b'riżoluzzjoni għolja (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Olanda). Il-konċentrazzjonijiet ta 'impurità fil-kristalli SiC imkabbra ġew evalwati bl-użu ta' spettrometrija tal-massa tal-jone sekondarju dinamiku (SIMS, Cameca IMS-6f, Franza). Id-densità ta 'dislokazzjoni tal-kristalli mkabbra ġiet evalwata bl-użu ta' topografija tar-raġġi X tar-raġġ abjad sinkrotron fis-Sors tad-Dawl ta 'Pohang.
Figura 2: Dijagramma taż-żona termali u mudell tal-malji tat-tkabbir tal-PVT f'forn tat-tisħin bl-induzzjoni.
Peress li l-metodi HTCVD u PVT jikbru kristalli taħt ekwilibriju tal-fażi solida tal-gass fuq quddiem tat-tkabbir, it-tkabbir rapidu b'suċċess ta 'SiC bil-metodu HTCVD wassal għall-isfida ta' tkabbir rapidu ta 'SiC bil-metodu PVT f'dan l-istudju. Il-metodu HTCVD juża sors ta 'gass li huwa faċilment ikkontrollat mill-fluss, filwaqt li l-metodu PVT juża sors solidu li ma jikkontrollax direttament il-fluss. Ir-rata tal-fluss ipprovduta lill-faċċata tat-tkabbir fil-metodu PVT tista 'tiġi kkontrollata mir-rata tas-sublimazzjoni tas-sors solidu permezz tal-kontroll tad-distribuzzjoni tat-temperatura, iżda kontroll preċiż tad-distribuzzjoni tat-temperatura f'sistemi ta' tkabbir prattiċi mhuwiex faċli li jinkiseb.
Billi tiżdied it-temperatura tas-sors fir-reattur PVT, ir-rata ta 'tkabbir tas-SiC tista' tiżdied billi tiżdied ir-rata tas-sublimazzjoni tas-sors. Biex jinkiseb tkabbir stabbli tal-kristall, il-kontroll tat-temperatura fuq il-faċċata tat-tkabbir huwa kruċjali. Biex tiżdied ir-rata tat-tkabbir mingħajr ma jiffurmaw polikristalli, jeħtieġ li jinkiseb gradjent ta 'temperatura għolja fuq il-faċċata tat-tkabbir, kif muri mit-tkabbir tas-SiC permezz tal-metodu HTCVD. Konduzzjoni tas-sħana vertikali inadegwata għad-dahar tal-għatu għandha tinħela s-sħana akkumulata fuq quddiem tat-tkabbir permezz ta 'radjazzjoni termali għall-wiċċ tat-tkabbir, li twassal għall-formazzjoni ta' uċuħ żejda, jiġifieri, tkabbir polikristallin.
Kemm il-proċessi ta 'trasferiment tal-massa kif ukoll ta' rikristallizzazzjoni fil-metodu PVT huma simili ħafna għall-metodu HTCVD, għalkemm huma differenti fis-sors SiC. Dan ifisser li t-tkabbir rapidu tas-SiC jista 'jinkiseb ukoll meta r-rata ta' sublimazzjoni tas-sors tas-SiC tkun għolja biżżejjed. Madankollu, il-kisba ta 'kristalli singoli SiC ta' kwalità għolja taħt kundizzjonijiet ta 'tkabbir għoli permezz tal-metodu PVT għandha bosta sfidi. Trabijiet kummerċjali tipikament fihom taħlita ta 'partiċelli żgħar u kbar. Minħabba d-differenzi ta 'enerġija tal-wiċċ, partiċelli żgħar għandhom konċentrazzjonijiet ta' impurità relattivament għoljin u jissublimaw qabel partiċelli kbar, li jwasslu għal konċentrazzjonijiet ta 'impurità għolja fl-istadji bikrija tat-tkabbir tal-kristall. Barra minn hekk, hekk kif SiC solidu jiddekomponi fi speċi ta 'fwar bħal C u Si, SiC2 u Si2C f'temperaturi għoljin, is-C solidu inevitabbilment jifforma meta s-sors tas-SiC jissublima fil-metodu PVT. Jekk is-solidu C iffurmat huwa żgħir u ħafif biżżejjed, taħt kundizzjonijiet ta 'tkabbir rapidu, partiċelli C żgħar, magħrufa bħala "trab C", jistgħu jiġu ttrasportati lejn il-wiċċ tal-kristall permezz ta' trasferiment qawwi tal-massa, li jirriżulta f'inklużjonijiet fil-kristall imkabbar. Għalhekk, biex jitnaqqsu l-impuritajiet tal-metall u t-trab C, id-daqs tal-partiċelli tas-sors tas-SiC għandu ġeneralment ikun ikkontrollat għal dijametru ta 'inqas minn 200 μm, u r-rata ta' tkabbir m'għandhiex teċċedi ~ 0.4 mm/h biex iżżomm trasferiment bil-mod tal-massa u teskludi li jżomm f'wiċċ l-ilma. C trab. L-impuritajiet tal-metall u t-trab C iwasslu għad-degradazzjoni ta 'kristalli SiC imkabbra, li huma l-ostakli ewlenin għat-tkabbir mgħaġġel ta' SiC permezz tal-metodu PVT.
F'dan l-istudju, intużaw sorsi CVD-SiC mgħaffġa mingħajr partiċelli żgħar, li jeliminaw it-trab C f'wiċċ l-ilma taħt trasferiment qawwi tal-massa. Għalhekk, l-istruttura taż-żona termali ġiet iddisinjata bl-użu ta 'metodu PVT ibbażat fuq simulazzjoni multifiżika biex jinkiseb tkabbir rapidu tas-SiC, u d-distribuzzjoni tat-temperatura simulata u l-gradjent tat-temperatura huma murija fil-Figura 3a.
Figura 3: (a) Id-distribuzzjoni tat-temperatura u l-gradjent tat-temperatura ħdejn il-faċċata tat-tkabbir tar-reattur PVT miksuba permezz ta 'analiżi ta' elementi finiti, u (b) distribuzzjoni tat-temperatura vertikali tul il-linja assisimetrika.
Meta mqabbla ma 'settings taż-żona termali tipiċi għat-tkabbir ta' kristalli SiC b'rata ta 'tkabbir ta' 0.3 sa 0.8 mm / h taħt gradjent ta 'temperatura żgħira ta' inqas minn 1 °C / mm, is-settings taż-żona termali f'dan l-istudju għandhom gradjent ta 'temperatura relattivament kbir ta' ~ 3.8 °C/mm f'temperatura ta 'tkabbir ta' ~ 2268 °C. Il-valur tal-gradjent tat-temperatura f'dan l-istudju huwa komparabbli mat-tkabbir mgħaġġel ta 'SiC b'rata ta' 2.4 mm/h bl-użu tal-metodu HTCVD, fejn il-gradjent tat-temperatura huwa ssettjat għal ~ 14 °C/mm. Mid-distribuzzjoni tat-temperatura vertikali murija fil-Figura 3b, ikkonfermajna li l-ebda gradjent ta 'temperatura inversa li jista' jifforma polikristalli ma kien preżenti ħdejn il-faċċata tat-tkabbir, kif deskritt fil-letteratura.
Bl-użu tas-sistema PVT, il-kristalli SiC tkabbru mis-sors CVD-SiC għal 4 sigħat, kif muri fil-Figuri 2 u 3. Tkabbir rappreżentattiv tal-kristalli SiC mis-SiC imkabbar huwa muri fil-Figura 4a. Il-ħxuna u r-rata ta 'tkabbir tal-kristall SiC murija fil-Figura 4a huma 5.84 mm u 1.46 mm / h, rispettivament. L-impatt tas-sors tas-SiC fuq il-kwalità, il-politip, il-morfoloġija u l-purità tal-kristall SiC imkabbar muri fil-Figura 4a ġie investigat, kif muri fil-Figuri 4b-e. L-immaġni tat-tomografija cross-sectional fil-Figura 4b turi li t-tkabbir tal-kristall kien f'forma konvessa minħabba l-kundizzjonijiet ta 'tkabbir subottimali. Madankollu, l-ispettroskopija mikro-Raman fil-Figura 4c identifikat il-kristall imkabbar bħala fażi waħda ta '4H-SiC mingħajr ebda inklużjoni ta' politip. Il-valur FWHM tal-quċċata (0004) miksub mill-analiżi tal-kurva tat-tbandil tar-raġġi X kien ta '18.9 sekondi ta' l-ark, li jikkonferma wkoll kwalità tajba tal-kristall.
Figura 4: (a) Kristall SiC imkabbar (rata ta 'tkabbir ta' 1.46 mm / h) u r-riżultati tal-evalwazzjoni tiegħu b' (b) tomografija trasversali, (c) spettroskopija mikro-Raman, (d) kurva tat-tbandil tar-raġġi X, u ( e) Topografija tar-raġġi X.
Figura 4e turi t-topografija tar-raġġi X tar-raġġ abjad li tidentifika grif u dislokazzjonijiet tal-kamini fil-wejfer illustrat tal-kristall imkabbar. Id-densità ta 'dislokazzjoni tal-kristall imkabbar kienet imkejla bħala ~ 3000 ea/cm², kemmxejn ogħla mid-densità ta' dislokazzjoni tal-kristall taż-żerriegħa, li kienet ~ 2000 ea/cm². Il-kristall imkabbar ġie kkonfermat li għandu densità ta 'dislokazzjoni relattivament baxxa, komparabbli mal-kwalità tal-kristall ta' wejfers kummerċjali. Interessanti, it-tkabbir rapidu tal-kristalli SiC inkiseb bl-użu tal-metodu PVT b'sors CVD-SiC mgħaffeġ taħt gradjent kbir ta 'temperatura. Il-konċentrazzjonijiet ta 'B, Al, u N fil-kristall imkabbar kienu 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, u 1.98 × 10¹⁹ atomi/cm³, rispettivament. Il-konċentrazzjoni ta 'P fil-kristall imkabbar kienet taħt il-limitu ta' skoperta (<1.0 × 10¹⁴ atomi/cm³). Il-konċentrazzjonijiet tal-impurità kienu baxxi biżżejjed għal trasportaturi ta 'ċarġ, ħlief għal N, li ġie ddopat intenzjonalment matul il-proċess CVD.
Għalkemm it-tkabbir tal-kristall f'dan l-istudju kien fuq skala żgħira meta wieħed iqis prodotti kummerċjali, id-dimostrazzjoni b'suċċess ta 'tkabbir rapidu ta' SiC bi kwalità tajba tal-kristall bl-użu tas-sors CVD-SiC permezz tal-metodu PVT għandha implikazzjonijiet sinifikanti. Peress li s-sorsi CVD-SiC, minkejja l-proprjetajiet eċċellenti tagħhom, huma kost-kompetittivi billi jirriċiklaw materjali mormija, nistennew l-utilizzazzjoni mifruxa tagħhom bħala sors SiC promettenti biex jissostitwixxi s-sorsi tat-trab tas-SiC. Biex jiġu applikati sorsi CVD-SiC għal tkabbir rapidu ta 'SiC, hija meħtieġa l-ottimizzazzjoni tad-distribuzzjoni tat-temperatura fis-sistema PVT, li toħloq aktar mistoqsijiet għal riċerka futura.
Konklużjoni
F'dan l-istudju, inkisbet id-dimostrazzjoni b'suċċess ta 'tkabbir rapidu tal-kristall SiC bl-użu ta' blokki CVD-SiC mgħaffġa taħt kundizzjonijiet ta 'gradjent ta' temperatura għolja permezz tal-metodu PVT. Interessanti, it-tkabbir mgħaġġel tal-kristalli SiC ġie realizzat billi s-sors tas-SiC ġie sostitwit bil-metodu PVT. Dan il-metodu huwa mistenni li jżid b'mod sinifikanti l-effiċjenza tal-produzzjoni fuq skala kbira ta 'kristalli singoli tas-SiC, fl-aħħar mill-aħħar inaqqas l-ispiża unitarja tas-sottostrati tas-SiC u jippromwovi l-użu mifrux ta' apparati ta 'enerġija ta' prestazzjoni għolja.
Ħin tal-post: Lulju-19-2024