Pertumbuhan Pantas Penggunaan Kristal Tunggal SiCPukal CVD-SiCSumber melalui Kaedah Sublimasi
Dengan menggunakan kitar semulaBlok CVD-SiCsebagai sumber SiC, kristal SiC berjaya ditanam pada kadar 1.46 mm/j melalui kaedah PVT. Ketumpatan mikropaip dan kehelan kristal yang tumbuh menunjukkan bahawa walaupun kadar pertumbuhan yang tinggi, kualiti kristal adalah sangat baik.
Silikon karbida (SiC)ialah semikonduktor celah jalur lebar dengan sifat yang sangat baik untuk aplikasi dalam voltan tinggi, kuasa tinggi dan frekuensi tinggi. Permintaannya telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini, terutamanya dalam bidang semikonduktor kuasa. Untuk aplikasi semikonduktor kuasa, kristal tunggal SiC ditanam dengan menyublimkan sumber SiC ketulenan tinggi pada 2100–2500°C, kemudian penghabluran semula pada kristal benih menggunakan kaedah pengangkutan wap fizikal (PVT), diikuti dengan pemprosesan untuk mendapatkan substrat kristal tunggal pada wafer . Secara tradisinya,Kristal SiCditanam menggunakan kaedah PVT pada kadar pertumbuhan 0.3 hingga 0.8 mm/j untuk mengawal kehabluran, yang agak perlahan berbanding dengan bahan kristal tunggal lain yang digunakan dalam aplikasi semikonduktor. Apabila kristal SiC ditanam pada kadar pertumbuhan yang tinggi menggunakan kaedah PVT, kemerosotan kualiti termasuk kemasukan karbon, ketulenan berkurangan, pertumbuhan polihabluran, pembentukan sempadan butiran, dan kecacatan kehelan dan keliangan tidak diketepikan. Oleh itu, pertumbuhan pesat SiC belum dibangunkan, dan kadar pertumbuhan SiC yang perlahan telah menjadi penghalang utama kepada produktiviti substrat SiC.
Sebaliknya, laporan terkini mengenai pertumbuhan pesat SiC telah menggunakan kaedah pemendapan wap kimia suhu tinggi (HTCVD) dan bukannya kaedah PVT. Kaedah HTCVD menggunakan wap yang mengandungi Si dan C sebagai sumber SiC dalam reaktor. HTCVD belum lagi digunakan untuk pengeluaran SiC berskala besar dan memerlukan penyelidikan dan pembangunan lanjut untuk pengkomersilan. Menariknya, walaupun pada kadar pertumbuhan tinggi ~ 3 mm/j, kristal tunggal SiC boleh ditanam dengan kualiti kristal yang baik menggunakan kaedah HTCVD. Sementara itu, komponen SiC telah digunakan dalam proses semikonduktor di bawah persekitaran yang keras yang memerlukan kawalan proses ketulenan yang sangat tinggi. Untuk aplikasi proses semikonduktor, komponen SiC ketulenan ~99.9999% (∼6N) biasanya disediakan oleh proses CVD daripada metiltriklorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Walau bagaimanapun, walaupun ketulenan tinggi komponen CVD-SiC, ia telah dibuang selepas digunakan. Baru-baru ini, komponen CVD-SiC yang dibuang telah dianggap sebagai sumber SiC untuk pertumbuhan kristal, walaupun beberapa proses pemulihan termasuk penghancuran dan penulenan masih diperlukan untuk memenuhi permintaan tinggi sumber pertumbuhan kristal. Dalam kajian ini, kami menggunakan blok CVD-SiC yang dibuang untuk mengitar semula bahan sebagai sumber untuk mengembangkan kristal SiC. Blok CVD-SiC untuk pertumbuhan kristal tunggal telah disediakan sebagai blok hancur terkawal saiz, berbeza dengan ketara dalam bentuk dan saiz berbanding serbuk SiC komersial yang biasa digunakan dalam proses PVT, oleh itu tingkah laku pertumbuhan kristal tunggal SiC dijangka ketara. berbeza. Sebelum menjalankan eksperimen pertumbuhan kristal tunggal SiC, simulasi komputer telah dilakukan untuk mencapai kadar pertumbuhan yang tinggi, dan zon haba telah dikonfigurasikan sewajarnya untuk pertumbuhan kristal tunggal. Selepas pertumbuhan kristal, kristal yang tumbuh dinilai oleh tomografi keratan rentas, spektroskopi mikro-Raman, pembelauan sinar-X resolusi tinggi, dan topografi sinar-X sinar putih synchrotron.
Rajah 1 menunjukkan sumber CVD-SiC yang digunakan untuk pertumbuhan PVT bagi hablur SiC dalam kajian ini. Seperti yang diterangkan dalam pengenalan, komponen CVD-SiC telah disintesis daripada MTS oleh proses CVD dan dibentuk untuk kegunaan semikonduktor melalui pemprosesan mekanikal. N telah didop dalam proses CVD untuk mencapai kekonduksian untuk aplikasi proses semikonduktor. Selepas digunakan dalam proses semikonduktor, komponen CVD-SiC dihancurkan untuk menyediakan sumber untuk pertumbuhan kristal, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Sumber CVD-SiC disediakan sebagai plat dengan ketebalan purata ~ 0.5 mm dan saiz zarah purata 49.75 mm.
Rajah 1: Sumber CVD-SiC disediakan oleh proses CVD berasaskan MTS.
Menggunakan sumber CVD-SiC yang ditunjukkan dalam Rajah 1, kristal SiC telah ditanam dengan kaedah PVT dalam relau pemanasan aruhan. Untuk menilai taburan suhu dalam zon terma, kod simulasi komersial VR-PVT 8.2 (STR, Republik Serbia) telah digunakan. Reaktor dengan zon terma telah dimodelkan sebagai model axisymmetric 2D, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, dengan model meshnya. Semua bahan yang digunakan dalam simulasi ditunjukkan dalam Rajah 2, dan sifatnya disenaraikan dalam Jadual 1. Berdasarkan keputusan simulasi, kristal SiC telah ditanam menggunakan kaedah PVT pada julat suhu 2250–2350°C dalam suasana Ar pada 35 Torr selama 4 jam. Wafer 4H-SiC luar paksi 4° digunakan sebagai benih SiC. Kristal yang tumbuh telah dinilai oleh spektroskopi mikro-Raman (Witec, UHTS 300, Jerman) dan XRD resolusi tinggi (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Belanda). Kepekatan kekotoran dalam kristal SiC yang ditanam telah dinilai menggunakan spektrometri jisim ion sekunder dinamik (SIMS, Cameca IMS-6f, Perancis). Ketumpatan terkehel bagi hablur yang ditanam telah dinilai menggunakan topografi sinar-X sinar putih synchrotron di Sumber Cahaya Pohang.
Rajah 2: Gambar rajah zon terma dan model jejaring pertumbuhan PVT dalam relau pemanasan aruhan.
Oleh kerana kaedah HTCVD dan PVT menumbuhkan kristal di bawah keseimbangan fasa gas-pepejal di hadapan pertumbuhan, pertumbuhan pesat SiC yang berjaya oleh kaedah HTCVD mendorong cabaran pertumbuhan pesat SiC oleh kaedah PVT dalam kajian ini. Kaedah HTCVD menggunakan sumber gas yang mudah dikawal aliran, manakala kaedah PVT menggunakan sumber pepejal yang tidak mengawal aliran secara langsung. Kadar alir yang disediakan ke hadapan pertumbuhan dalam kaedah PVT boleh dikawal oleh kadar pemejalwapan sumber pepejal melalui kawalan pengagihan suhu, tetapi kawalan tepat pengagihan suhu dalam sistem pertumbuhan praktikal tidak mudah dicapai.
Dengan meningkatkan suhu sumber dalam reaktor PVT, kadar pertumbuhan SiC boleh ditingkatkan dengan meningkatkan kadar pemejalwapan sumber. Untuk mencapai pertumbuhan kristal yang stabil, kawalan suhu di hadapan pertumbuhan adalah penting. Untuk meningkatkan kadar pertumbuhan tanpa membentuk polihablur, kecerunan suhu tinggi perlu dicapai di hadapan pertumbuhan, seperti yang ditunjukkan oleh pertumbuhan SiC melalui kaedah HTCVD. Pengaliran haba menegak yang tidak mencukupi ke bahagian belakang penutup harus menghilangkan haba terkumpul di hadapan pertumbuhan melalui sinaran haba ke permukaan pertumbuhan, yang membawa kepada pembentukan permukaan berlebihan, iaitu, pertumbuhan polihablur.
Kedua-dua pemindahan jisim dan proses penghabluran semula dalam kaedah PVT sangat serupa dengan kaedah HTCVD, walaupun ia berbeza dalam sumber SiC. Ini bermakna pertumbuhan pesat SiC juga boleh dicapai apabila kadar pemejalwapan sumber SiC cukup tinggi. Walau bagaimanapun, mencapai kristal tunggal SiC berkualiti tinggi di bawah keadaan pertumbuhan tinggi melalui kaedah PVT mempunyai beberapa cabaran. Serbuk komersial biasanya mengandungi campuran zarah kecil dan besar. Disebabkan oleh perbezaan tenaga permukaan, zarah-zarah kecil mempunyai kepekatan kekotoran yang agak tinggi dan sublimat sebelum zarah-zarah besar, membawa kepada kepekatan kekotoran yang tinggi pada peringkat pertumbuhan awal kristal. Selain itu, apabila SiC pepejal terurai menjadi spesies wap seperti C dan Si, SiC2 dan Si2C pada suhu tinggi, pepejal C tidak dapat dielakkan terbentuk apabila sumber SiC menyublim dalam kaedah PVT. Jika pepejal C yang terbentuk adalah kecil dan cukup ringan, di bawah keadaan pertumbuhan pesat, zarah C kecil, yang dikenali sebagai "debu C," boleh diangkut ke permukaan kristal melalui pemindahan jisim yang kuat, mengakibatkan kemasukan dalam kristal yang tumbuh. Oleh itu, untuk mengurangkan kekotoran logam dan habuk C, saiz zarah sumber SiC secara amnya hendaklah dikawal kepada diameter kurang daripada 200 μm, dan kadar pertumbuhan tidak boleh melebihi ~ 0.4 mm/j untuk mengekalkan pemindahan jisim yang perlahan dan tidak termasuk terapung C habuk. Kekotoran logam dan habuk C membawa kepada degradasi hablur SiC yang tumbuh, yang merupakan halangan utama kepada pertumbuhan pesat SiC melalui kaedah PVT.
Dalam kajian ini, sumber CVD-SiC yang dihancurkan tanpa zarah kecil digunakan, menghapuskan habuk C terapung di bawah pemindahan jisim yang kuat. Oleh itu, struktur zon haba telah direka bentuk menggunakan kaedah PVT berasaskan simulasi multifizik untuk mencapai pertumbuhan SiC yang pesat, dan taburan suhu simulasi dan kecerunan suhu ditunjukkan dalam Rajah 3a.
Rajah 3: (a) Taburan suhu dan kecerunan suhu berhampiran hadapan pertumbuhan reaktor PVT yang diperoleh melalui analisis unsur terhingga, dan (b) taburan suhu menegak sepanjang garis paksisimetri.
Berbanding dengan tetapan zon terma biasa untuk menanam kristal SiC pada kadar pertumbuhan 0.3 hingga 0.8 mm/j di bawah kecerunan suhu kecil kurang daripada 1 °C/mm, tetapan zon terma dalam kajian ini mempunyai kecerunan suhu yang agak besar iaitu ∼ 3.8 °C/mm pada suhu pertumbuhan ~2268°C. Nilai kecerunan suhu dalam kajian ini adalah setanding dengan pertumbuhan pesat SiC pada kadar 2.4 mm/j menggunakan kaedah HTCVD, di mana kecerunan suhu ditetapkan kepada ~14 °C/mm. Daripada taburan suhu menegak yang ditunjukkan dalam Rajah 3b, kami mengesahkan bahawa tiada kecerunan suhu terbalik yang boleh membentuk polihablur hadir berhampiran hadapan pertumbuhan, seperti yang diterangkan dalam kesusasteraan.
Menggunakan sistem PVT, kristal SiC telah ditanam daripada sumber CVD-SiC selama 4 jam, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 dan 3. Pertumbuhan kristal SiC yang mewakili daripada SiC yang ditanam ditunjukkan dalam Rajah 4a. Ketebalan dan kadar pertumbuhan kristal SiC yang ditunjukkan dalam Rajah 4a ialah 5.84 mm dan 1.46 mm/j, masing-masing. Kesan sumber SiC terhadap kualiti, polytype, morfologi, dan ketulenan kristal SiC yang ditanam yang ditunjukkan dalam Rajah 4a telah disiasat, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4b-e. Imej tomografi keratan rentas dalam Rajah 4b menunjukkan bahawa pertumbuhan kristal berbentuk cembung disebabkan oleh keadaan pertumbuhan suboptimum. Walau bagaimanapun, spektroskopi mikro-Raman dalam Rajah 4c mengenal pasti kristal yang tumbuh sebagai fasa tunggal 4H-SiC tanpa sebarang kemasukan polytype. Nilai FWHM bagi puncak (0004) yang diperoleh daripada analisis lengkung goyang sinar-X ialah 18.9 saat lengkok, juga mengesahkan kualiti kristal yang baik.
Rajah 4: (a) Kristal SiC yang ditanam (kadar pertumbuhan 1.46 mm/j) dan keputusan penilaiannya dengan (b) tomografi keratan rentas, (c) spektroskopi mikro-Raman, (d) lengkung goyang sinar-X, dan ( e) topografi sinar-X.
Rajah 4e menunjukkan topografi sinar-X sinar putih yang mengenal pasti calar dan kehelan benang dalam wafer yang digilap bagi kristal yang ditanam. Ketumpatan terkehel bagi hablur yang ditanam telah diukur kepada ~3000 ea/cm², lebih tinggi sedikit daripada ketumpatan terkehel hablur benih, iaitu ~2000 ea/cm². Kristal yang tumbuh telah disahkan mempunyai ketumpatan terkehel yang agak rendah, setanding dengan kualiti kristal wafer komersial. Menariknya, pertumbuhan pesat kristal SiC dicapai menggunakan kaedah PVT dengan sumber CVD-SiC yang dihancurkan di bawah kecerunan suhu yang besar. Kepekatan B, Al, dan N dalam kristal yang ditanam adalah masing-masing 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, dan 1.98 × 10¹⁹ atom/cm³. Kepekatan P dalam kristal yang ditanam adalah di bawah had pengesanan (<1.0 × 10¹⁴ atom/cm³). Kepekatan kekotoran adalah cukup rendah untuk pembawa cas, kecuali untuk N, yang sengaja didop semasa proses CVD.
Walaupun pertumbuhan kristal dalam kajian ini adalah berskala kecil memandangkan produk komersial, demonstrasi kejayaan pertumbuhan SiC yang pesat dengan kualiti kristal yang baik menggunakan sumber CVD-SiC melalui kaedah PVT mempunyai implikasi yang ketara. Memandangkan sumber CVD-SiC, walaupun sifatnya yang sangat baik, adalah kompetitif kos dengan mengitar semula bahan terbuang, kami menjangkakan penggunaannya yang meluas sebagai sumber SiC yang menjanjikan untuk menggantikan sumber serbuk SiC. Untuk menggunakan sumber CVD-SiC untuk pertumbuhan pesat SiC, pengoptimuman taburan suhu dalam sistem PVT diperlukan, mengemukakan soalan lanjut untuk penyelidikan masa depan.
Kesimpulan
Dalam kajian ini, demonstrasi kejayaan pertumbuhan kristal SiC yang pesat menggunakan blok CVD-SiC yang dihancurkan di bawah keadaan kecerunan suhu tinggi melalui kaedah PVT telah dicapai. Menariknya, pertumbuhan pesat kristal SiC direalisasikan dengan menggantikan sumber SiC dengan kaedah PVT. Kaedah ini dijangka dapat meningkatkan kecekapan pengeluaran berskala besar kristal tunggal SiC dengan ketara, akhirnya mengurangkan kos unit substrat SiC dan menggalakkan penggunaan meluas peranti kuasa berprestasi tinggi.
Masa siaran: Jul-19-2024