Vinnige groei van SiC Enkelkristal GebruikCVD-SiC grootmaatBron via sublimasiemetode
Deur herwonne te gebruikCVD-SiC blokkeas die SiC bron, is SiC kristalle suksesvol gegroei teen 'n tempo van 1.46 mm/h deur die PVT metode. Die gegroeide kristal se mikropyp- en ontwrigtingdigthede dui aan dat ten spyte van die hoë groeitempo, die kristalkwaliteit uitstekend is.
Silikonkarbied (SiC)is 'n wye bandgap halfgeleier met uitstekende eienskappe vir toepassings in hoë spanning, hoë krag en hoë frekwensie. Die vraag daarvan het die afgelope paar jaar vinnig gegroei, veral in die kraghalfgeleiersveld. Vir kraghalfgeleiertoepassings word SiC-enkelkristalle gegroei deur 'n hoë-suiwer SiC-bron by 2100–2500°C te sublimeer, dan te herkristalliseer op 'n saadkristal met behulp van die fisiese dampvervoer (PVT) metode, gevolg deur verwerking om enkelkristalsubstrate op wafers te verkry. . Tradisioneel,SiC kristalleword gekweek met behulp van die PVT-metode teen 'n groeitempo van 0,3 tot 0,8 mm/h om kristalliniteit te beheer, wat relatief stadig is in vergelyking met ander enkelkristalmateriale wat in halfgeleiertoepassings gebruik word. Wanneer SiC-kristalle teen hoë groeitempo's gekweek word deur die PVT-metode te gebruik, is kwaliteitsdegradasie insluitend koolstofinsluitings, verminderde suiwerheid, polikristallyne groei, korrelgrensvorming en ontwrigting en porositeitsdefekte nie uitgesluit nie. Daarom is vinnige groei van SiC nie ontwikkel nie, en die stadige groeitempo van SiC was 'n groot struikelblok vir die produktiwiteit van SiC-substrate.
Aan die ander kant het onlangse verslae oor vinnige groei van SiC gebruik gemaak van hoë-temperatuur chemiese dampneerslag (HTCVD) metodes eerder as die PVT metode. Die HTCVD-metode gebruik 'n damp wat Si en C bevat as die SiC-bron in die reaktor. HTCVD is nog nie vir grootskaalse produksie van SiC gebruik nie en vereis verdere navorsing en ontwikkeling vir kommersialisering. Interessant genoeg, selfs teen 'n hoë groeitempo van ~3 mm/h, kan SiC enkelkristalle met goeie kristalgehalte gekweek word deur die HTCVD-metode te gebruik. Intussen is SiC-komponente gebruik in halfgeleierprosesse onder moeilike omgewings wat uiters hoë suiwerheid prosesbeheer vereis. Vir halfgeleierprosestoepassings word ~99.9999% (~6N) suiwer SiC-komponente gewoonlik deur die CVD-proses van metieltrichloorsilaan (CH3Cl3Si, MTS) voorberei. Ten spyte van die hoë suiwerheid van CVD-SiC-komponente, is hulle egter na gebruik weggegooi. Onlangs is weggegooide CVD-SiC-komponente as SiC-bronne vir kristalgroei beskou, alhoewel sommige herstelprosesse, insluitend vergruising en suiwering, steeds nodig is om aan die hoë vereistes van 'n kristalgroeibron te voldoen. In hierdie studie het ons weggegooide CVD-SiC-blokke gebruik om materiale te herwin as 'n bron vir die groei van SiC-kristalle. Die CVD-SiC-blokke vir enkelkristalgroei is voorberei as groottebeheerde gebreekte blokke, beduidend verskillend in vorm en grootte in vergelyking met die kommersiële SiC-poeier wat algemeen in die PVT-proses gebruik word, vandaar dat die gedrag van SiC-enkelkristalgroei na verwagting aansienlik sou wees anders. Voordat SiC enkelkristalgroei-eksperimente uitgevoer is, is rekenaarsimulasies uitgevoer om hoë groeitempo's te bereik, en die termiese sone is dienooreenkomstig gekonfigureer vir enkelkristalgroei. Na kristalgroei is die gegroeide kristalle geëvalueer deur deursnee-tomografie, mikro-Raman-spektroskopie, hoë-resolusie X-straaldiffraksie en sinchrotron witstraal X-straal topografie.
Figuur 1 toon die CVD-SiC-bron wat gebruik word vir PVT-groei van SiC-kristalle in hierdie studie. Soos beskryf in die inleiding, is CVD-SiC komponente gesintetiseer vanaf MTS deur die CVD proses en gevorm vir halfgeleier gebruik deur meganiese verwerking. N is in die CVD-proses gedoteer om geleidingsvermoë vir halfgeleierprosestoepassings te bereik. Na gebruik in halfgeleierprosesse is die CVD-SiC-komponente fyngedruk om die bron vir kristalgroei voor te berei, soos in Figuur 1 getoon. Die CVD-SiC-bron is voorberei as plate met 'n gemiddelde dikte van ~0.5 mm en 'n gemiddelde deeltjiegrootte van 49,75 mm.
Figuur 1: CVD-SiC-bron voorberei deur die MTS-gebaseerde CVD-proses.
Met behulp van die CVD-SiC-bron wat in Figuur 1 getoon word, is SiC-kristalle deur die PVT-metode in 'n induksie-verhittingsoond gekweek. Om die temperatuurverspreiding in die termiese sone te evalueer, is kommersiële simulasiekode VR-PVT 8.2 (STR, Republiek van Serwië) gebruik. Die reaktor met die termiese sone is gemodelleer as 'n 2D-aksimmetriese model, soos getoon in Figuur 2, met sy maasmodel. Alle materiale wat in die simulasie gebruik word, word in Figuur 2 getoon, en hul eienskappe word in Tabel 1 gelys. Gebaseer op die simulasieresultate, is SiC-kristalle met behulp van die PVT-metode gekweek by 'n temperatuurreeks van 2250–2350°C in 'n Ar-atmosfeer by 35 Torr vir 4 uur. 'n 4° off-as 4H-SiC wafer is gebruik as die SiC saad. Die gegroeide kristalle is geëvalueer deur mikro-Raman-spektroskopie (Witec, UHTS 300, Duitsland) en hoë-resolusie XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Nederland). Die onsuiwerheidskonsentrasies in die gegroeide SiC-kristalle is geëvalueer deur gebruik te maak van dinamiese sekondêre ioonmassaspektrometrie (SIMS, Cameca IMS-6f, Frankryk). Die ontwrigting digtheid van die gegroeide kristalle is geëvalueer met behulp van sinchrotron witstraal X-straal topografie by die Pohang Ligbron.
Figuur 2: Termiese sonediagram en maasmodel van PVT-groei in 'n induksieverhittingsoond.
Aangesien HTCVD- en PVT-metodes kristalle onder gas-vaste fase-ewewig aan die groeifront laat groei, het suksesvolle vinnige groei van SiC deur die HTCVD-metode die uitdaging van vinnige groei van SiC deur die PVT-metode in hierdie studie veroorsaak. Die HTCVD-metode gebruik 'n gasbron wat maklik vloeibeheer word, terwyl die PVT-metode 'n soliede bron gebruik wat nie vloei direk beheer nie. Die vloeitempo wat aan die groeifront in die PVT-metode verskaf word, kan beheer word deur die sublimasietempo van die vastestofbron deur temperatuurverspreidingsbeheer, maar presiese beheer van die temperatuurverspreiding in praktiese groeistelsels is nie maklik om te bereik nie.
Deur die brontemperatuur in die PVT-reaktor te verhoog, kan die groeitempo van SiC verhoog word deur die sublimasietempo van die bron te verhoog. Om stabiele kristalgroei te verkry, is temperatuurbeheer aan die groeifront van kardinale belang. Om die groeitempo te verhoog sonder om polikristalle te vorm, moet 'n hoë-temperatuurgradiënt aan die groeifront bereik word, soos getoon deur SiC-groei via die HTCVD-metode. Onvoldoende vertikale hittegeleiding na die agterkant van die doppie behoort die opgehoopte hitte aan die groeifront deur termiese straling na die groeioppervlak te verdryf, wat lei tot die vorming van oortollige oppervlaktes, dit wil sê, polikristallyne groei.
Beide massa-oordrag- en herkristallisasieprosesse in die PVT-metode is baie soortgelyk aan die HTCVD-metode, hoewel hulle verskil in die SiC-bron. Dit beteken dat vinnige groei van SiC ook haalbaar is wanneer die sublimasietempo van die SiC-bron voldoende hoog is. Die bereiking van hoë kwaliteit SiC enkelkristalle onder hoë groeitoestande via die PVT-metode het egter verskeie uitdagings. Kommersiële poeiers bevat tipies 'n mengsel van klein en groot deeltjies. As gevolg van oppervlak-energie verskille het klein deeltjies relatief hoë onsuiwerheidskonsentrasies en sublimeer voor groot deeltjies, wat lei tot hoë onsuiwerheidskonsentrasies in die vroeë groeistadiums van die kristal. Daarbenewens, aangesien vaste SiC ontbind in dampspesies soos C en Si, SiC2 en Si2C by hoë temperature, vorm soliede C onvermydelik wanneer die SiC-bron in die PVT-metode sublimeer. As die gevormde vastestof C klein en lig genoeg is, onder vinnige groeitoestande, kan klein C-deeltjies, bekend as "C-stof," na die kristaloppervlak vervoer word deur sterk massa-oordrag, wat insluitings in die gegroeide kristal tot gevolg het. Daarom, om metaal onsuiwerhede en C-stof te verminder, moet die deeltjiegrootte van die SiC-bron oor die algemeen beheer word tot 'n deursnee van minder as 200 μm, en die groeitempo moet nie ~0.4 mm/h oorskry nie om stadige massa-oordrag te handhaaf en swaai uit te sluit. C stof. Metaal onsuiwerhede en C-stof lei tot die agteruitgang van gegroeide SiC-kristalle, wat die belangrikste struikelblokke is vir die vinnige groei van SiC via die PVT-metode.
In hierdie studie is gebreekte CVD-SiC-bronne sonder klein deeltjies gebruik, wat drywende C-stof onder sterk massa-oordrag uitgeskakel het. Die termiese sonestruktuur is dus ontwerp met behulp van multifisika-simulasie-gebaseerde PVT-metode om vinnige SiC-groei te verkry, en die gesimuleerde temperatuurverspreiding en temperatuurgradiënt word in Figuur 3a getoon.
Figuur 3: (a) Temperatuurverspreiding en temperatuurgradiënt naby die groeifront van die PVT-reaktor verkry deur eindige element-analise, en (b) vertikale temperatuurverspreiding langs die aksimmetriese lyn.
In vergelyking met tipiese termiese sone-instellings vir die groei van SiC-kristalle teen 'n groeitempo van 0,3 tot 0,8 mm/h onder 'n klein temperatuurgradiënt van minder as 1 °C/mm, het die termiese sone-instellings in hierdie studie 'n relatief groot temperatuurgradiënt van ~ 3.8 °C/mm by 'n groeitemperatuur van ~2268°C. Die temperatuurgradiëntwaarde in hierdie studie is vergelykbaar met die vinnige groei van SiC teen 'n tempo van 2.4 mm/h deur die HTCVD-metode te gebruik, waar die temperatuurgradiënt op ~14 °C/mm gestel is. Uit die vertikale temperatuurverspreiding wat in Figuur 3b getoon word, het ons bevestig dat geen omgekeerde temperatuurgradiënt wat polikristalle kan vorm naby die groeifront teenwoordig was nie, soos beskryf in die literatuur.
Deur die PVT-stelsel te gebruik, is SiC-kristalle vir 4 uur vanaf die CVD-SiC-bron gekweek, soos getoon in Figure 2 en 3. 'n Verteenwoordigende SiC-kristalgroei van die gegroeide SiC word in Figuur 4a getoon. Die dikte en groeitempo van die SiC-kristal wat in Figuur 4a getoon word, is onderskeidelik 5,84 mm en 1,46 mm/h. Die impak van die SiC-bron op die kwaliteit, politipe, morfologie en suiwerheid van die gegroeide SiC-kristal wat in Figuur 4a getoon word, is ondersoek, soos in Figure 4b-e getoon. Die deursnee tomografie beeld in Figuur 4b toon dat die kristalgroei konveksvormig was as gevolg van die suboptimale groeitoestande. Die mikro-Raman-spektroskopie in Figuur 4c het egter die gegroeide kristal geïdentifiseer as 'n enkele fase van 4H-SiC sonder enige politipe insluitings. Die FWHM-waarde van die (0004) piek verkry vanaf die X-straal-hobbelkromme-analise was 18.9 boogsekondes, wat ook goeie kristalkwaliteit bevestig.
Figuur 4: (a) Gegroeide SiC-kristal (groeitempo van 1,46 mm/h) en sy evaluasieresultate met (b) deursnee-tomografie, (c) mikro-Raman-spektroskopie, (d) X-straal-skommelkurwe, en ( e) X-straal topografie.
Figuur 4e toon die witstraal X-straal topografie wat skrape en inrygverskuiwings in die gepoleerde wafel van die gegroeide kristal identifiseer. Die ontwrigtingsdigtheid van die gegroeide kristal is gemeet as ~3000 ea/cm², effens hoër as die ontwrigtingsdigtheid van die saadkristal, wat ~2000 ea/cm² was. Daar is bevestig dat die gegroeide kristal relatief lae ontwrigtingsdigtheid het, vergelykbaar met die kristalkwaliteit van kommersiële wafers. Interessant genoeg is vinnige groei van SiC-kristalle bereik met behulp van die PVT-metode met 'n gebreekte CVD-SiC-bron onder 'n groot temperatuurgradiënt. Die konsentrasies van B, Al en N in die gegroeide kristal was onderskeidelik 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵ en 1.98 × 10¹⁹ atome/cm³. Die konsentrasie van P in die gegroeide kristal was onder die deteksielimiet (<1.0 × 10¹⁴ atome/cm³). Die onsuiwerheidskonsentrasies was voldoende laag vir ladingdraers, behalwe vir N, wat doelbewus tydens die CVD-proses gedoteer is.
Alhoewel die kristalgroei in hierdie studie kleinskaal was met inagneming van kommersiële produkte, het die suksesvolle demonstrasie van vinnige SiC groei met goeie kristalkwaliteit deur die CVD-SiC bron deur die PVT metode beduidende implikasies. Aangesien CVD-SiC-bronne, ten spyte van hul uitstekende eienskappe, kostemededingend is deur weggooimateriaal te herwin, verwag ons dat hul wydverspreide gebruik as 'n belowende SiC-bron SiC-poeierbronne sal vervang. Om CVD-SiC-bronne toe te pas vir vinnige groei van SiC, word die optimalisering van die temperatuurverspreiding in die PVT-stelsel vereis, wat verdere vrae stel vir toekomstige navorsing.
Gevolgtrekking
In hierdie studie is die suksesvolle demonstrasie van vinnige SiC kristalgroei deur gebruik te maak van gebreekte CVD-SiC blokke onder hoë temperatuur gradiënt toestande deur die PVT metode bereik. Interessant genoeg is die vinnige groei van SiC-kristalle gerealiseer deur die SiC-bron met die PVT-metode te vervang. Hierdie metode sal na verwagting die grootskaalse produksiedoeltreffendheid van SiC-enkelkristalle aansienlik verhoog, wat uiteindelik die eenheidskoste van SiC-substrate verminder en die wydverspreide gebruik van hoëprestasie-kragtoestelle bevorder.
Postyd: 19 Julie 2024