Tumuwuh Rapid of SiC Kristal Tunggal NgagunakeunCVD-SiC BulkSumber via Métode Sublimasi
Ku ngagunakeun daur ulangBlok CVD-SiCsalaku sumber SiC, kristal SiC hasil tumuwuh dina laju 1,46 mm / h ngaliwatan metoda PVT. Kapadetan micropipe sareng dislokasi kristal anu tumuwuh nunjukkeun yén sanaos tingkat pertumbuhan anu luhur, kualitas kristal anu saé.
Silikon karbida (SiC)mangrupakeun semikonduktor wide-bandgap mibanda sipat alus teuing pikeun aplikasi dina tegangan tinggi, kakuatan tinggi, sarta frékuénsi luhur. Paménta na parantos ningkat gancang dina taun-taun ayeuna, khususna dina widang semikonduktor kakuatan. Pikeun aplikasi semikonduktor kakuatan, SiC kristal tunggal anu tumuwuh ku sublimating-purity tinggi sumber SiC dina 2100-2500 ° C, lajeng recrystallizing onto kristal cikal ngagunakeun métode angkutan uap fisik (PVT), dituturkeun ku ngolah pikeun ménta substrat kristal tunggal on wafers. . Sacara tradisional,kristal SiCanu dipelak ngagunakeun métode PVT dina laju tumuwuh 0,3 nepi ka 0,8 mm / h pikeun ngadalikeun kristalinitas, nu relatif slow dibandingkeun bahan kristal tunggal séjén dipaké dina aplikasi semikonduktor. Nalika kristal SiC ditumbuhkeun dina laju pertumbuhan anu luhur nganggo metode PVT, degradasi kualitas kalebet inklusi karbon, ngirangan kamurnian, pertumbuhan polycrystalline, formasi wates sisikian, sareng dislokasi sareng cacad porosity teu acan dikaluarkeun. Ku alatan éta, tumuwuhna gancang SiC teu acan dikembangkeun, sarta laju tumuwuh slow SiC geus jadi halangan utama pikeun produktivitas substrat SiC.
Di sisi anu sanés, laporan panganyarna ngeunaan kamekaran gancang SiC parantos ngagunakeun metode déposisi uap kimia suhu luhur (HTCVD) tinimbang metode PVT. Metodeu HTCVD ngagunakeun uap anu ngandung Si sareng C salaku sumber SiC dina réaktor. HTCVD teu acan dipaké pikeun produksi skala badag SiC sarta merlukeun panalungtikan sarta pamekaran salajengna pikeun commercialization. Narikna, sanajan dina laju tumuwuh luhur ~ 3 mm / h, SiC kristal tunggal bisa tumuwuh kalayan kualitas kristal alus ngagunakeun métode HTCVD. Samentara éta, komponén SiC geus dipaké dina prosés semikonduktor dina lingkungan kasar anu merlukeun kadali prosés purity pisan tinggi. Pikeun aplikasi prosés semikonduktor, ∼99.9999% (∼6N) purity komponén SiC biasana disiapkeun ku prosés CVD tina methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Sanajan kitu, sanajan purity tinggi komponén CVD-SiC, aranjeunna geus dipiceun sanggeus pamakéan. Anyar-anyar ieu, komponén CVD-SiC anu dipiceun parantos dianggap salaku sumber SiC pikeun kamekaran kristal, sanaos sababaraha prosés pamulihan kalebet crushing sareng purifikasi masih diperyogikeun pikeun nyumponan tungtutan luhur sumber pertumbuhan kristal. Dina ulikan ieu, kami nganggo blok CVD-SiC anu dipiceun pikeun ngadaur ulang bahan salaku sumber pikeun tumuwuh kristal SiC. Blok CVD-SiC pikeun tumuwuh kristal tunggal disiapkeun salaku blok ditumbuk ukuran-dikawasa, nyata béda dina bentuk jeung ukuran dibandingkeun bubuk SiC komérsial ilahar dipaké dina prosés PVT, ku kituna paripolah tumuwuhna kristal tunggal SiC diperkirakeun jadi nyata. béda. Sateuacan ngalaksanakeun percobaan pertumbuhan kristal tunggal SiC, simulasi komputer dilaksanakeun pikeun ngahontal tingkat pertumbuhan anu luhur, sareng zona termal dikonpigurasi sasuai pikeun pertumbuhan kristal tunggal. Sanggeus tumuwuhna kristal, kristal tumuwuh anu dievaluasi ku cross-sectional tomography, spéktroskopi mikro-Raman, resolusi luhur X-ray difraksi, sarta synchrotron bodas beam X-ray topografi.
angka 1 nembongkeun sumber CVD-SiC dipaké pikeun tumuwuhna PVT kristal SiC dina ulikan ieu. Sakumaha ditétélakeun dina bubuka, komponén CVD-SiC disintésis tina MTS ku prosés CVD sarta ngawangun pikeun pamakéan semikonduktor ngaliwatan processing mékanis. N ieu doped dina prosés CVD pikeun ngahontal konduktivitas pikeun aplikasi prosés semikonduktor. Sanggeus dipaké dina prosés semikonduktor, komponén CVD-SiC ditumbuk pikeun nyiapkeun sumber pikeun tumuwuh kristal, sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 1. Sumber CVD-SiC ieu disiapkeun salaku pelat kalayan ketebalan rata-rata ~ 0,5 mm sarta ukuran partikel rata-rata 49,75 mm.
Gambar 1: Sumber CVD-SiC disiapkeun ku prosés CVD basis MTS.
Ngagunakeun sumber CVD-SiC ditémbongkeun dina Gambar 1, kristal SiC anu dipelak ku metoda PVT dina tungku pemanasan induksi. Pikeun meunteun distribusi suhu di zona termal, kode simulasi komérsial VR-PVT 8.2 (STR, Républik Sérbia) digunakeun. Réaktor jeung zona termal ieu dimodelkeun salaku model axisymmetric 2D, ditémbongkeun saperti dina Gambar 2, kalawan model bolong na. Kabéh bahan dipaké dina simulasi ditémbongkeun dina Gambar 2, sarta sipat maranéhanana dibéréndélkeun di Table 1. Dumasar kana hasil simulasi, kristal SiC anu tumuwuh ngagunakeun métode PVT dina rentang suhu 2250-2350 ° C dina atmosfir Ar di. 35 Torr pikeun 4 jam. Wafer 4H-SiC off-axis 4 ° dipaké salaku cikal SiC. Kristal anu tumuwuh dievaluasi ku spéktroskopi mikro-Raman (Witec, UHTS 300, Jérman) sareng XRD resolusi luhur (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Walanda). Konsentrasi najis dina kristal SiC tumuwuh dievaluasi ngagunakeun spéktrometri massa ion sekundér dinamis (SIMS, Cameca IMS-6f, Perancis). Kapadetan dislokasi tina kristal tumuwuh dievaluasi ngagunakeun synchrotron bodas beam X-ray topografi di Sumber Cahaya Pohang.
Gambar 2: Diagram zona termal sareng modél bolong pertumbuhan PVT dina tungku pemanasan induksi.
Kusabab métode HTCVD na PVT tumuwuh kristal dina kasatimbangan fase gas-padet di hareup tumuwuhna, tumuwuhna gancang suksés SiC ku metoda HTCVD ditanya tangtangan tumuwuhna gancang tina SiC ku métode PVT dina ulikan ieu. Metodeu HTCVD ngagunakeun sumber gas anu gampang dikontrol aliran, sedengkeun metode PVT ngagunakeun sumber padet anu henteu langsung ngontrol aliran. Laju aliran disadiakeun ka hareup tumuwuhna dina metoda PVT bisa dikawasa ku laju sublimation tina sumber padet ngaliwatan kontrol distribution hawa, tapi kontrol tepat sebaran suhu dina sistem tumuwuh praktis teu gampang pikeun ngahontal.
Ku ngaronjatna suhu sumber dina reaktor PVT, laju tumuwuh SiC bisa ngaronjat ku ngaronjatna laju sublimation tina sumber. Pikeun ngahontal pertumbuhan kristal stabil, kontrol suhu di hareup tumuwuhna krusial. Pikeun ningkatkeun laju pertumbuhan tanpa ngabentuk polycrystals, gradién suhu luhur perlu dihontal di hareup tumuwuhna, sakumaha ditémbongkeun ku tumuwuhna SiC via metoda HTCVD. Konduksi panas nangtung anu teu cekap dina tonggong tutup kedah ngaleungitkeun panas anu akumulasi di payuneun kamekaran ngalangkungan radiasi termal kana permukaan kamekaran, ngarah kana kabentukna kaleuwihan permukaan, nyaéta, pertumbuhan polycrystalline.
Duanana mindahkeun massa sarta prosés recrystallization dina metoda PVT pisan sarupa metoda HTCVD, sanajan aranjeunna béda dina sumber SiC. Ieu ngandung harti yén pertumbuhan gancang SiC ogé tiasa dicapai nalika tingkat sublimasi sumber SiC cukup luhur. Nanging, ngahontal kristal tunggal SiC anu kualitas luhur dina kaayaan pertumbuhan anu luhur ngalangkungan metode PVT ngagaduhan sababaraha tantangan. bubuk komérsial ilaharna ngandung campuran partikel leutik jeung badag. Kusabab bédana énergi permukaan, partikel leutik gaduh konsentrasi najis anu kawilang luhur sareng ngasublimasi sateuacan partikel ageung, ngarah kana konsentrasi najis anu luhur dina tahap kamekaran awal kristal. Salaku tambahan, sakumaha SiC padet terurai janten spésiés uap sapertos C sareng Si, SiC2 sareng Si2C dina suhu anu luhur, padet C pasti kabentuk nalika sumber SiC ngasublimasi dina metode PVT. Lamun padet C kabentuk leutik tur cukup lampu, dina kaayaan tumuwuh gancang, partikel C leutik, katelah "lebu C," bisa diangkut ka beungeut kristal ku mindahkeun massa kuat, hasilna inclusions dina kristal tumuwuh. Ku alatan éta, pikeun ngurangan pangotor logam jeung lebu C, ukuran partikel tina sumber SiC umumna kudu dikawasa ka diaméter kurang ti 200 μm, sarta laju tumuwuh teu kudu ngaleuwihan ~ 0.4 mm / h pikeun ngajaga mindahkeun massa slow sarta ngaluarkeun floating. C lebu. Kotoran logam sareng lebu C ngakibatkeun degradasi kristal SiC anu tumbuh, anu mangrupikeun halangan utama pikeun kamekaran gancang SiC via metode PVT.
Dina ulikan ieu, sumber CVD-SiC ditumbuk tanpa partikel leutik dipaké, ngaleungitkeun lebu C ngambang dina mindahkeun massa kuat. Ku kituna, struktur zona termal dirancang ngagunakeun métode PVT basis simulasi multifisika pikeun ngahontal tumuwuhna SiC gancang, sarta sebaran suhu simulated sarta gradién hawa ditémbongkeun dina Gambar 3a.
Gambar 3: (a) Distribusi suhu jeung gradién suhu deukeut hareup tumuwuhna reaktor PVT diala ku analisis unsur terhingga, jeung (b) sebaran suhu nangtung sapanjang garis axisymmetric.
Dibandingkeun jeung setélan zona termal has pikeun tumuwuh kristal SiC dina laju tumuwuh 0.3 nepi ka 0.8 mm / h dina gradién hawa leutik kirang ti 1 °C / mm, setélan zona termal dina ulikan ieu ngabogaan gradién hawa rélatif badag tina ~ 3.8 °C/mm dina suhu pertumbuhan ~2268°C. Nilai gradién suhu dina ulikan ieu dibandingkeun jeung tumuwuhna gancang SiC dina laju 2,4 mm / h ngagunakeun métode HTCVD, dimana gradién hawa disetel ka ~14 °C / mm. Tina sebaran suhu nangtung anu dipidangkeun dina Gambar 3b, kami negeskeun yén teu aya gradién hawa sabalikna anu tiasa ngabentuk polycrystals anu aya di deukeut hareup kamekaran, sakumaha anu dijelaskeun dina literatur.
Ngagunakeun sistem PVT, kristal SiC anu tumuwuh tina sumber CVD-SiC pikeun 4 jam, ditémbongkeun saperti dina Gambar 2 jeung 3. A tumuwuhna kristal SiC wawakil ti SiC dipelak ditémbongkeun dina Gambar 4a. Ketebalan sareng laju pertumbuhan kristal SiC anu dipidangkeun dina Gambar 4a masing-masing 5,84 mm sareng 1,46 mm / h. Dampak sumber SiC dina kualitas, polytype, morfologi, sarta purity tina kristal SiC tumuwuh ditémbongkeun dina Gambar 4a ieu ditalungtik, ditémbongkeun saperti dina Gambar 4b-e. Gambar tomography cross-sectional dina Gambar 4b nunjukeun yen tumuwuhna kristal éta gilig ngawangun alatan kaayaan pertumbuhan suboptimal. Tapi, spéktroskopi mikro-Raman dina Gambar 4c ngaidentipikasi kristal anu tumbuh salaku fase tunggal 4H-SiC tanpa aya inklusi polytype. Nilai FWHM tina puncak (0004) dicandak tina analisis kurva goyang X-ray nyaéta 18,9 detik busur, ogé mastikeun kualitas kristal anu saé.
Gambar 4: (a) Kristal SiC tumuwuh (laju tumuwuhna 1,46 mm / h) jeung hasil evaluasi na kalawan (b) cross-sectional tomography, (c) spéktroskopi mikro-Raman, (d) X-ray kurva goyang, jeung ( e) Topografi sinar-X.
Gambar 4e nunjukkeun topografi sinar-X sinar bodas anu ngaidentipikasi goresan sareng dislokasi benang dina wafer anu digosok tina kristal anu tumbuh. Kapadetan dislokasi kristal anu dipelak diukur janten ∼3000 ea/cm², rada luhur batan dénsitas dislokasi kristal siki, nyaéta ∼2000 ea/cm². Kristal anu dipelak dipastikeun gaduh dénsitas dislokasi anu kawilang rendah, dibandingkeun sareng kualitas kristal wafer komérsial. Narikna, pertumbuhan gancang kristal SiC dihontal nganggo metode PVT kalayan sumber CVD-SiC anu ditumbuk dina gradién suhu anu ageung. Konsentrasi B, Al, jeung N dina kristal tumuwuh éta 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵, jeung 1,98 × 10¹⁹ atom / cm³, masing-masing. Konsentrasi P dina kristal tumuwuh éta handap wates deteksi (<1.0 × 10¹⁴ atom / cm³). Konséntrasi najis éta cukup low pikeun operator muatan, iwal N, nu ieu ngahaja doped salila prosés CVD.
Sanajan pertumbuhan kristal dina ulikan ieu skala leutik tempo produk komérsial, demonstrasi suksés tumuwuhna SiC gancang kalayan kualitas kristal alus ngagunakeun sumber CVD-SiC ngaliwatan métode PVT boga implikasi signifikan. Kusabab sumber CVD-SiC, sanajan sipat maranéhanana alus teuing, anu ongkos-kalapa ku ngadaur mulangkeunana bahan dipiceun, kami ngaharepkeun utilization nyebar maranéhanana salaku sumber SiC ngajangjikeun pikeun ngaganti sumber bubuk SiC. Pikeun nerapkeun sumber CVD-SiC pikeun tumuwuh gancang SiC, optimizing sebaran suhu dina sistem PVT diperlukeun, posing patarosan salajengna pikeun panalungtikan hareup.
kacindekan
Dina ulikan ieu, demonstrasi suksés tumuwuhna kristal SiC gancang ngagunakeun blok CVD-SiC ditumbuk dina kaayaan gradién suhu luhur ngaliwatan métode PVT kahontal. Narikna, tumuwuhna gancang kristal SiC diwujudkeun ku ngagentos sumber SiC sareng metode PVT. Metoda ieu diperkirakeun sacara signifikan ningkatkeun efisiensi produksi skala ageung tina kristal tunggal SiC, pamustunganana ngirangan biaya unit substrat SiC sareng ngamajukeun panggunaan alat-alat kakuatan kinerja tinggi.
waktos pos: Jul-19-2024