Rapida Kresko de SiC Ununura Kristala UzadoCVD-SiC BulkFonto per Sublimiga Metodo
Per uzado de reciklitaCVD-SiC-blokojkiel la SiC-fonto, SiC-kristaloj estis sukcese kultivitaj kun rapideco de 1.46 mm/h tra la PVT-metodo. La mikropipo kaj dislokiĝdensecoj de la kreskigita kristalo indikas ke malgraŭ la alta kreskorapideco, la kristalkvalito estas bonega.
Silicia karbido (SiC)estas larĝ-bandgap duonkonduktaĵo kun bonegaj trajtoj por aplikoj en alta tensio, alta potenco, kaj altfrekvenco. Ĝia postulo kreskis rapide en la lastaj jaroj, precipe en la potenca duonkondukta kampo. Por potencaj semikonduktaĵaplikoj, SiC-unukristaloj estas kultivitaj sublimigante altpuran SiC-fonton je 2100-2500 °C, tiam rekristaligante sur semkristalon uzante la fizikan vaportransporton (PVT) metodon, sekvitan per pretigo por akiri unukristalajn substratojn sur oblatoj. . Tradicie,SiC-kristalojestas kreskigitaj uzante la PVT-metodon kun kreskorapideco de 0,3 ĝis 0,8 mm/h por kontroli kristalecon, kiu estas relative malrapida kompare kun aliaj unukristalaj materialoj uzitaj en duonkonduktaĵaplikoj. Kiam SiC-kristaloj estas kultivitaj ĉe altaj kreskorapidecoj uzante la PVT-metodon, kvalitdegenero inkluzive de karbon-enkludoj, reduktita pureco, polikristalina kresko, grenlimformacio, kaj delokiĝo kaj porecdifektoj ne estis ekskludita. Tial, rapida kresko de SiC ne estis evoluigita, kaj la malrapida kreskorapideco de SiC estis grava malhelpo al la produktiveco de SiC-substratoj.
Aliflanke, lastatempaj raportoj pri rapida kresko de SiC uzis alt-temperaturajn kemiajn vapordemetadon (HTCVD) metodojn prefere ol la PVT-metodo. La HTCVD-metodo uzas vaporon enhavantan Si kaj C kiel la SiC-fonton en la reaktoro. HTCVD ankoraŭ ne estis uzita por grandskala produktado de SiC kaj postulas plian esploradon kaj evoluon por komercigo. Interese, eĉ kun alta kreskorapideco de ~3 mm/h, SiC ununuraj kristaloj povas esti kultivitaj kun bona kristala kvalito uzante la HTCVD-metodon. Dume, SiC-komponentoj estis uzitaj en semikonduktaĵprocezoj sub severaj medioj kiuj postulas ekstreme altan purecan procezkontrolon. Por semikonduktaĵprocezaplikoj, ~99.9999% (~6N) purecaj SiC-komponentoj estas kutime preparitaj per la CVD-procezo de metiltriklorosilano (CH3Cl3Si, MTS). Tamen, malgraŭ la alta pureco de CVD-SiC-komponentoj, ili estis forĵetitaj post uzo. Lastatempe, forĵetitaj CVD-SiC-komponentoj estis konsideritaj SiC-fontojn por kristala kresko, kvankam kelkaj normaligprocezoj inkluzive de dispremado kaj purigo daŭre estas postulataj por renkonti la altajn postulojn de kristala kreskofonto. En ĉi tiu studo, ni uzis forĵetitajn CVD-SiC-blokojn por recikli materialojn kiel fonton por kreskigi SiC-kristalojn. La CVD-SiC-blokoj por unukristala kresko estis preparitaj kiel grand-kontrolitaj disbatitaj blokoj, signife malsamaj laŭ formo kaj grandeco kompare kun la komerca SiC-pulvoro ofte uzata en la PVT-procezo, tial la konduto de SiC-unukristala kresko estis atendita signife. malsamaj. Antaŭ farado de SiC-unukristala kresko-eksperimentoj, komputilaj simulaĵoj estis faritaj por atingi altajn kreskorapidecojn, kaj la termika zono estis agordita sekve por ununura kristala kresko. Post kristalkresko, la kreskigitaj kristaloj estis analizitaj per trans-sekca tomografio, mikro-Raman-spektroskopio, alt-rezolucia Rentgenfota difrakto, kaj sinkrotrona blanka traba Rentgenfota topografio.
Figuro 1 montras la CVD-SiC-fonton uzatan por PVT-kresko de SiC-kristaloj en ĉi tiu studo. Kiel priskribite en la enkonduko, CVD-SiC-komponentoj estis sintezitaj de MTS per la CVD-procezo kaj formitaj por semikonduktaĵuzo per mekanika pretigo. N estis dopita en la CVD-procezo por atingi konduktivecon por semikonduktaĵprocezaplikoj. Post uzo en semikonduktaĵprocezoj, la CVD-SiC-komponentoj estis disbatitaj por prepari la fonton por kristala kresko, kiel montrite en Figuro 1. La CVD-SiC-fonto estis preparita kiel platoj kun meza dikeco de ~0.5 mm kaj meza partiklograndeco de 49,75 mm.
Figuro 1: CVD-SiC-fonto preparita per la MTS-bazita CVD-procezo.
Uzante la CVD-SiC-fonton montritan en Figuro 1, SiC-kristaloj estis kultivitaj per la PVT-metodo en indukta hejtado-forno. Por taksi la temperaturdistribuon en la termika zono, komerca simuladkodo VR-PVT 8.2 (STR, Respubliko de Serbio) estis uzata. La reaktoro kun la termika zono estis modeligita kiel 2D akssimetria modelo, kiel montrite en Figuro 2, kun sia maŝmodelo. Ĉiuj materialoj uzataj en la simulado estas montritaj en Figuro 2, kaj iliaj propraĵoj estas listigitaj en Tabelo 1. Surbaze de la simuladrezultoj, SiC-kristaloj estis kultivitaj uzante la PVT-metodon ĉe temperaturintervalo de 2250–2350 °C en Ar-atmosfero ĉe 35 Torr dum 4 horoj. 4° ekster-aksa 4H-SiC-oblato estis utiligita kiel la SiC-semo. La kreskigitaj kristaloj estis taksitaj per mikro-Raman-spektroskopio (Witec, UHTS 300, Germanio) kaj alt-rezolucia XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Nederlando). La malpureckoncentriĝoj en la kreskigitaj SiC-kristaloj estis taksitaj per dinamika sekundara jona mas-spektrometrio (SIMS, Cameca IMS-6f, Francio). La delokiĝodenseco de la kreskigitaj kristaloj estis analizita uzante sinkrotronan blankan traban Rentgenfotan topografion ĉe la Pohang Lumfonto.
Figuro 2: Termika zondiagramo kaj maŝmodelo de PVT-kresko en indukta hejta forno.
Ĉar HTCVD kaj PVT-metodoj kreskigas kristalojn sub gas-solida faza ekvilibro ĉe la kreskofronto, sukcesa rapida kresko de SiC per la HTCVD-metodo instigis la defion de rapida kresko de SiC per la PVT-metodo en ĉi tiu studo. La HTCVD-metodo uzas gasfonton kiu estas facile flu-kontrolita, dum la PVT-metodo uzas solidan fonton kiu ne rekte kontrolas fluon. La flukvanto provizita al la kreskfronto en la PVT-metodo povas esti kontrolita per la sublimiga indico de la solida fonto per temperaturdistribua kontrolo, sed preciza kontrolo de la temperaturdistribuo en praktikaj kresksistemoj ne estas facile atingi.
Pliigante la fonttemperaturon en la PVT-reaktoro, la kreskorapideco de SiC povas esti pliigita pliigante la sublimadrapidecon de la fonto. Por atingi stabilan kristalan kreskon, temperaturkontrolo ĉe la kreskofronto estas decida. Por pliigi la kreskorapidecon sen formado de polikristaloj, alt-temperatura gradiento devas esti atingita ĉe la kreskofronto, kiel montrite per SiC-kresko per la HTCVD-metodo. Neadekvata vertikala varmokondukado al la dorso de la ĉapo devus disipi la amasigitan varmon ĉe la kreskofronto tra termika radiado al la kreskosurfaco, kondukante al la formado de troaj surfacoj, te, polikristalino kresko.
Kaj amastransigo kaj rekristaligprocezoj en la PVT-metodo estas tre similaj al la HTCVD-metodo, kvankam ili malsamas en la SiC-fonto. Tio signifas ke rapida kresko de SiC ankaŭ estas realigebla kiam la sublimadfteco de la SiC-fonto estas sufiĉe alta. Tamen, atingi altkvalitajn SiC ununurajn kristalojn sub altaj kreskokondiĉoj per la PVT-metodo havas plurajn defiojn. Komercaj pulvoroj tipe enhavas miksaĵon de malgrandaj kaj grandaj partikloj. Pro surfacaj energiodiferencoj, malgrandaj partikloj havas relative altajn malpureckoncentriĝojn kaj sublimiĝas antaŭ grandaj partikloj, kondukante al altaj malpureckoncentriĝoj en la fruaj kreskostadioj de la kristalo. Plie, ĉar solida SiC putriĝas en vaporspecioj kiel C kaj Si, SiC2 kaj Si2C ĉe altaj temperaturoj, solida C neeviteble formiĝas kiam la SiC-fonto sublimiĝas en la PVT-metodo. Se la formita solida C estas sufiĉe malgranda kaj malpeza, sub rapidaj kreskokondiĉoj, malgrandaj C-partikloj, konataj kiel "C-polvo", povas esti transportitaj al la kristala surfaco per forta amastranslokigo, rezultigante inkludojn en la kreskigita kristalo. Tial, por redukti metalajn malpuraĵojn kaj C-polvon, la partiklograndeco de la SiC-fonto ĝenerale devus esti kontrolita al diametro de malpli ol 200 μm, kaj la kreskorapideco ne devus superi ∼0.4 mm/h por konservi malrapidan amastranslokigon kaj ekskludi flosadon. C polvo. Metalmalpuraĵoj kaj C-polvo kaŭzas la degeneron de kreskigitaj SiC-kristaloj, kiuj estas la ĉefaj malhelpoj al la rapida kresko de SiC per la PVT-metodo.
En ĉi tiu studo, disbatitaj CVD-SiC-fontoj sen malgrandaj partikloj estis uzitaj, eliminante flosantan C-polvon sub forta amastranslokigo. Tiel, la termika zonstrukturo estis desegnita per multfizika simulad-bazita PVT-metodo por atingi rapidan SiC-kreskon, kaj la ŝajniga temperaturdistribuo kaj temperaturgradiento estas montritaj en Figuro 3a.
Figuro 3: (a) Temperaturdistribuo kaj temperaturgradiento proksime de la kreskofronto de la PVT-reaktoro akirita per finhava elementanalizo, kaj (b) vertikala temperaturdistribuo laŭ la aksimetria linio.
Kompare al tipaj termozonaj agordoj por kultivado de SiC-kristaloj kun kreskorapideco de 0,3 ĝis 0,8 mm/h sub malgranda temperaturgradiento de malpli ol 1 °C/mm, la termikaj zonaj agordoj en ĉi tiu studo havas relative grandan temperaturgradienton de ∼ 3.8 °C/mm ĉe kreskotemperaturo de ~2268 °C. La temperaturgradientvaloro en tiu studo estas komparebla al la rapida kresko de SiC kun rapideco de 2.4 mm/h uzante la HTCVD-metodon, kie la temperaturgradiento estas metita al ~14 °C/mm. De la vertikala temperaturdistribuo montrita en Figuro 3b, ni konfirmis, ke neniu inversa temperaturgradiento kiu povus formi polikristalojn ĉeestis proksime de la kreskofronto, kiel priskribite en la literaturo.
Uzante la PVT-sistemon, SiC-kristaloj estis kreskigitaj de la CVD-SiC-fonto dum 4 horoj, kiel montrite en Figuroj 2 kaj 3. Reprezenta SiC-kristala kresko de la kreskigita SiC estas montrita en Figuro 4a. La dikeco kaj kreskorapideco de la SiC-kristalo montrita en Figuro 4a estas 5.84 mm kaj 1.46 mm/h, respektive. La efiko de la SiC-fonto sur la kvalito, politipo, morfologio kaj pureco de la kreskigita SiC-kristalo montrita en Figuro 4a estis esplorita, kiel montrite en Figuroj 4b-e. La transsekca tomografia bildo en Figuro 4b montras, ke la kristala kresko estis konveks-forma pro la suboptimumaj kreskokondiĉoj. Tamen, la mikro-Raman-spektroskopio en Figuro 4c identigis la kreskintan kristalon kiel ununuran fazon de 4H-SiC sen iuj politipaj inkludoj. La FWHM-valoro de la (0004) pinto akirita de la Rentgenfota balanciĝanta kurba analizo estis 18.9 arksekundoj, ankaŭ konfirmante bonan kristalan kvaliton.
Figuro 4: (a) Kreskanta SiC-kristalo (kreskofteco de 1.46 mm/h) kaj ĝiaj taksadrezultoj kun (b) sekca tomografio, (c) mikro-Raman-spektroskopio, (d) Rentgenfota balanciĝanta kurbo, kaj ( e) X-radia topografio.
Figuro 4e montras la blankan radion Rentgenfotan topografion identigantan grataĵojn kaj surfadenigantajn dislokiĝojn en la polurita oblato de la kreskigita kristalo. La dislokiĝdenseco de la kreskigita kristalo estis mezurita por esti ~3000 ea/cm², iomete pli alta ol la dislokiĝdenseco de la semkristalo, kiu estis ~2000 ea/cm². La kreskigita kristalo estis konfirmita havi relative malaltan dislokiĝdensecon, kompareblan al la kristalkvalito de komercaj oblatoj. Interese, rapida kresko de SiC-kristaloj estis atingita uzante la PVT-metodon kun dispremita CVD-SiC-fonto sub granda temperaturgradiento. La koncentriĝoj de B, Al, kaj N en la kreskigita kristalo estis 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, kaj 1.98 × 10¹⁹ atomoj/cm³, respektive. La koncentriĝo de P en la kreskigita kristalo estis sub la detektlimo (<1.0 × 10¹⁴ atomoj/cm³). La malpureckoncentriĝoj estis sufiĉe malaltaj por ŝargoportantoj, krom N, kiu estis intencite dopita dum la CVD-procezo.
Kvankam la kristala kresko en ĉi tiu studo estis malgrand-skala konsiderante komercajn produktojn, la sukcesa pruvo de rapida SiC-kresko kun bona kristala kvalito uzante la CVD-SiC-fonton per la PVT-metodo havas signifajn implicojn. Ĉar CVD-SiC-fontoj, malgraŭ siaj bonegaj propraĵoj, estas kost-konkurencivaj per reciklado de forĵetitaj materialoj, ni atendas, ke ilia ĝeneraligita utiligo kiel promesplena SiC-fonto anstataŭigi SiC-pulvorfontojn. Por apliki CVD-SiC-fontojn por rapida kresko de SiC, optimumigi la temperaturdistribuon en la PVT-sistemo estas postulata, prezentante pliajn demandojn por estonta esplorado.
Konkludo
En ĉi tiu studo, la sukcesa pruvo de rapida SiC-kristalkresko uzanta dispremitajn CVD-SiC-blokojn sub alt-temperaturaj gradientkondiĉoj tra la PVT-metodo estis atingita. Interese, la rapida kresko de SiC-kristaloj estis realigita anstataŭigante la SiC-fonton kun la PVT-metodo. Ĉi tiu metodo estas atendita signife pliigi la grandskalan produktan efikecon de SiC ununuraj kristaloj, finfine reduktante la unukoston de SiC-substratoj kaj antaŭenigante la ĝeneraligitan uzon de alt-efikecaj potencaj aparatoj.
Afiŝtempo: Jul-19-2024