Rritja e shpejtë e përdorimit të kristalit të vetëm SiCCVD-SiC BulkBurimi nëpërmjet metodës së sublimimit
Duke përdorur të ricikluaraBlloqe CVD-SiCsi burim SiC, kristalet SiC u rritën me sukses me një shpejtësi prej 1.46 mm/h përmes metodës PVT. Mikrotupi i kristalit të rritur dhe dendësia e dislokimit tregojnë se pavarësisht shkallës së lartë të rritjes, cilësia e kristalit është e shkëlqyer.
Karbidi i silikonit (SiC)është një gjysmëpërçues me brez të gjerë me veti të shkëlqyera për aplikime në tension të lartë, fuqi të lartë dhe frekuencë të lartë. Kërkesa e tij është rritur me shpejtësi vitet e fundit, veçanërisht në fushën e gjysmëpërçuesve të energjisë. Për aplikimet e gjysmëpërçuesve të energjisë, kristalet e vetme SiC rriten duke sublimuar burimin e SiC me pastërti të lartë në 2100–2500°C, më pas duke u rikristalizuar në një kristal të farës duke përdorur metodën e transportit fizik të avullit (PVT), e ndjekur nga përpunimi për të marrë nënshtresa njëkristalore në vafera. . Tradicionalisht,Kristalet SiCrriten duke përdorur metodën PVT me një ritëm rritjeje prej 0.3 deri në 0.8 mm/h për të kontrolluar kristalinitetin, i cili është relativisht i ngadaltë në krahasim me materialet e tjera njëkristalore të përdorura në aplikimet gjysmëpërçuese. Kur kristalet SiC rriten me ritme të larta rritjeje duke përdorur metodën PVT, degradimi i cilësisë duke përfshirë përfshirjen e karbonit, pastërtinë e reduktuar, rritjen polikristaline, formimin e kufirit të kokrrizave dhe defektet e dislokimit dhe porozitetit nuk është përjashtuar. Prandaj, rritja e shpejtë e SiC nuk është zhvilluar dhe ritmi i ngadaltë i rritjes së SiC ka qenë një pengesë kryesore për produktivitetin e substrateve SiC.
Nga ana tjetër, raportet e fundit mbi rritjen e shpejtë të SiC kanë përdorur metoda të depozitimit të avullit kimik në temperaturë të lartë (HTCVD) në vend të metodës PVT. Metoda HTCVD përdor një avull që përmban Si dhe C si burim SiC në reaktor. HTCVD nuk është përdorur ende për prodhimin në shkallë të gjerë të SiC dhe kërkon kërkime dhe zhvillim të mëtejshëm për komercializim. Është interesante se edhe me një normë të lartë rritjeje prej ~3 mm/h, kristalet e vetme SiC mund të rriten me cilësi të mirë kristalore duke përdorur metodën HTCVD. Ndërkohë, komponentët SiC janë përdorur në proceset gjysmëpërçuese në mjedise të vështira që kërkojnë kontroll të procesit me pastërti jashtëzakonisht të lartë. Për aplikimet e procesit gjysmëpërçues, ~99,9999% (~6N) përbërësit SiC të pastërtisë zakonisht përgatiten nga procesi CVD nga metiltriklorsilani (CH3Cl3Si, MTS). Megjithatë, pavarësisht pastërtisë së lartë të komponentëve CVD-SiC, ato janë hedhur pas përdorimit. Kohët e fundit, komponentët CVD-SiC të hedhura janë konsideruar si burime të SiC për rritjen e kristalit, megjithëse disa procese rikuperimi duke përfshirë dërrmimin dhe pastrimin kërkohen ende për të përmbushur kërkesat e larta të një burimi të rritjes së kristalit. Në këtë studim, ne përdorëm blloqe CVD-SiC të hedhura për të ricikluar materialet si një burim për rritjen e kristaleve SiC. Blloqet CVD-SiC për rritjen me një kristal u përgatitën si blloqe të grimcuara të kontrolluara nga madhësia, dukshëm të ndryshme në formë dhe madhësi në krahasim me pluhurin komercial SiC që përdoret zakonisht në procesin PVT, prandaj sjellja e rritjes së kristalit të SiC pritej të ishte dukshëm. të ndryshme. Përpara kryerjes së eksperimenteve të rritjes me një kristal SiC, u kryen simulime kompjuterike për të arritur ritme të larta rritjeje dhe zona termike u konfigurua në përputhje me rrethanat për rritjen e kristalit të vetëm. Pas rritjes së kristalit, kristalet e rritura u vlerësuan me tomografi me seksion kryq, spektroskopi mikro-Raman, difraksion me rreze X me rezolucion të lartë dhe topografi me rreze të bardhë sinkrotronike.
Figura 1 tregon burimin CVD-SiC të përdorur për rritjen PVT të kristaleve SiC në këtë studim. Siç përshkruhet në hyrje, komponentët CVD-SiC u sintetizuan nga MTS me anë të procesit CVD dhe u formuan për përdorim gjysmëpërçues përmes përpunimit mekanik. N u doping në procesin CVD për të arritur përçueshmëri për aplikimet e procesit gjysmëpërçues. Pas përdorimit në proceset gjysmëpërçuese, përbërësit CVD-SiC u shtypën për të përgatitur burimin për rritjen e kristalit, siç tregohet në figurën 1. Burimi CVD-SiC u përgatit si pllaka me një trashësi mesatare prej ~0.5 mm dhe një madhësi mesatare grimcash prej 49,75 mm.
Figura 1: Burimi CVD-SiC i përgatitur nga procesi CVD i bazuar në MTS.
Duke përdorur burimin CVD-SiC të paraqitur në Figurën 1, kristalet SiC u rritën me metodën PVT në një furre me ngrohje me induksion. Për të vlerësuar shpërndarjen e temperaturës në zonën termike, është përdorur kodi i simulimit komercial VR-PVT 8.2 (STR, Republika e Serbisë). Reaktori me zonën termike u modelua si një model bosht-simetrik 2D, siç tregohet në figurën 2, me modelin e tij rrjetë. Të gjitha materialet e përdorura në simulim janë paraqitur në Figurën 2 dhe vetitë e tyre janë renditur në Tabelën 1. Bazuar në rezultatet e simulimit, kristalet SiC u rritën duke përdorur metodën PVT në një interval temperaturash 2250-2350°C në një atmosferë Ar në 35 Torr për 4 orë. Një vaferë 4H-SiC 4° jashtë boshtit u përdor si farë SiC. Kristalët e rritur u vlerësuan me spektroskopi mikro-Raman (Witec, UHTS 300, Gjermani) dhe XRD me rezolucion të lartë (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Hollandë). Përqendrimet e papastërtive në kristalet e rritur të SiC u vlerësuan duke përdorur spektrometrinë e masës së joneve sekondare dinamike (SIMS, Cameca IMS-6f, Francë). Dendësia e zhvendosjes së kristaleve të rritur u vlerësua duke përdorur topografinë me rreze X me rreze të bardhë sinkrotron në Burimin e Dritës Pohang.
Figura 2: Diagrami i zonës termike dhe modeli i rrjetës së rritjes PVT në një furre me ngrohje me induksion.
Meqenëse metodat HTCVD dhe PVT rritin kristalet nën ekuilibrin e fazës gaz-ngurtë në frontin e rritjes, rritja e shpejtë e suksesshme e SiC me metodën HTCVD nxiti sfidën e rritjes së shpejtë të SiC me metodën PVT në këtë studim. Metoda HTCVD përdor një burim gazi që kontrollohet lehtësisht nga rrjedha, ndërsa metoda PVT përdor një burim të ngurtë që nuk kontrollon drejtpërdrejt rrjedhën. Shpejtësia e rrjedhës që i jepet frontit të rritjes në metodën PVT mund të kontrollohet nga shkalla e sublimimit të burimit të ngurtë përmes kontrollit të shpërndarjes së temperaturës, por kontrolli i saktë i shpërndarjes së temperaturës në sistemet praktike të rritjes nuk është i lehtë për t'u arritur.
Duke rritur temperaturën e burimit në reaktorin PVT, shkalla e rritjes së SiC mund të rritet duke rritur shkallën e sublimimit të burimit. Për të arritur rritje të qëndrueshme të kristalit, kontrolli i temperaturës në pjesën e përparme të rritjes është thelbësor. Për të rritur shkallën e rritjes pa formuar polikristale, duhet të arrihet një gradient i temperaturës së lartë në pjesën e përparme të rritjes, siç tregohet nga rritja e SiC nëpërmjet metodës HTCVD. Përçimi joadekuat i nxehtësisë vertikale në pjesën e pasme të kapakut duhet të shpërndajë nxehtësinë e akumuluar në pjesën e përparme të rritjes përmes rrezatimit termik në sipërfaqen e rritjes, duke çuar në formimin e sipërfaqeve të tepërta, p.sh., rritje polikristaline.
Të dy proceset e transferimit të masës dhe të rikristalizimit në metodën PVT janë shumë të ngjashme me metodën HTCVD, megjithëse ato ndryshojnë në burimin SiC. Kjo do të thotë se rritja e shpejtë e SiC është gjithashtu e arritshme kur shkalla e sublimimit të burimit SiC është mjaft e lartë. Megjithatë, arritja e kristaleve të vetme SiC me cilësi të lartë në kushte të rritjes së lartë nëpërmjet metodës PVT ka disa sfida. Pluhurat komerciale zakonisht përmbajnë një përzierje grimcash të vogla dhe të mëdha. Për shkak të ndryshimeve të energjisë sipërfaqësore, grimcat e vogla kanë përqendrime relativisht të larta të papastërtive dhe sublimohen para grimcave të mëdha, duke çuar në përqendrime të larta të papastërtive në fazat e hershme të rritjes së kristalit. Për më tepër, ndërsa SiC i ngurtë dekompozohet në lloje avulli si C dhe Si, SiC2 dhe Si2C në temperatura të larta, C i ngurtë formohet në mënyrë të pashmangshme kur burimi i SiC sublimohet në metodën PVT. Nëse trupi i ngurtë C i formuar është mjaft i vogël dhe i lehtë, në kushte të rritjes së shpejtë, grimcat e vogla C, të njohura si "pluhuri C", mund të transportohen në sipërfaqen e kristalit me transferim të fortë të masës, duke rezultuar në përfshirje në kristalin e rritur. Prandaj, për të reduktuar papastërtitë metalike dhe pluhurin C, madhësia e grimcave të burimit të SiC në përgjithësi duhet të kontrollohet në një diametër më të vogël se 200 μm dhe shkalla e rritjes nuk duhet të kalojë ~ 0,4 mm/h për të ruajtur transferimin e ngadaltë të masës dhe për të përjashtuar lundrimin C pluhur. Papastërtitë metalike dhe pluhuri C çojnë në degradimin e kristaleve të rritura të SiC, të cilat janë pengesat kryesore për rritjen e shpejtë të SiC nëpërmjet metodës PVT.
Në këtë studim, u përdorën burime të grimcuara CVD-SiC pa grimca të vogla, duke eliminuar pluhurin C lundrues nën transferimin e fortë të masës. Kështu, struktura e zonës termike u projektua duke përdorur metodën PVT të bazuar në simulime multifizike për të arritur rritje të shpejtë të SiC, dhe shpërndarja e simuluar e temperaturës dhe gradienti i temperaturës janë paraqitur në Figurën 3a.
Figura 3: (a) Shpërndarja e temperaturës dhe gradienti i temperaturës pranë pjesës së përparme të rritjes së reaktorit PVT të marra nga analiza e elementeve të fundme, dhe (b) shpërndarja vertikale e temperaturës përgjatë vijës boshtore simetrike.
Krahasuar me cilësimet tipike të zonës termike për rritjen e kristaleve SiC me një shpejtësi rritjeje prej 0,3 deri në 0,8 mm/h nën një gradient të vogël të temperaturës më pak se 1 °C/mm, parametrat e zonës termike në këtë studim kanë një gradient të temperaturës relativisht të madhe prej ~ 3,8 °C/mm në një temperaturë rritje prej ~2268°C. Vlera e gradientit të temperaturës në këtë studim është e krahasueshme me rritjen e shpejtë të SiC me një shpejtësi prej 2.4 mm/h duke përdorur metodën HTCVD, ku gradienti i temperaturës është vendosur në ~14 °C/mm. Nga shpërndarja vertikale e temperaturës e treguar në Figurën 3b, ne konfirmuam se asnjë gradient i kundërt i temperaturës që mund të formonte polikristale nuk ishte i pranishëm pranë frontit të rritjes, siç përshkruhet në literaturë.
Duke përdorur sistemin PVT, kristalet SiC u rritën nga burimi CVD-SiC për 4 orë, siç tregohet në figurat 2 dhe 3. Një rritje përfaqësuese e kristalit SiC nga SiC e rritur është paraqitur në figurën 4a. Trashësia dhe shkalla e rritjes së kristalit SiC të paraqitur në Figurën 4a janë përkatësisht 5.84 mm dhe 1.46 mm/h. U hetua ndikimi i burimit të SiC në cilësinë, politipin, morfologjinë dhe pastërtinë e kristalit të rritur SiC të paraqitur në figurën 4a, siç tregohet në figurat 4b-e. Imazhi i tomografisë me prerje tërthore në figurën 4b tregon se rritja e kristalit ishte në formë konveks për shkak të kushteve jooptimale të rritjes. Megjithatë, spektroskopia mikro-Raman në figurën 4c identifikoi kristalin e rritur si një fazë të vetme të 4H-SiC pa ndonjë përfshirje politip. Vlera FWHM e pikut (0004) e marrë nga analiza e kurbës lëkundëse me rreze X ishte 18.9 sekonda harkore, duke konfirmuar gjithashtu cilësi të mirë të kristalit.
Figura 4: (a) Kristali i rritur i SiC (shkalla e rritjes prej 1.46 mm/h) dhe rezultatet e vlerësimit të tij me (b) tomografi tërthore, (c) spektroskopi mikro-Raman, (d) kurbë lëkundëse me rreze X dhe ( e) Topografia me rreze X.
Figura 4e tregon topografinë me rreze X me rreze të bardhë që identifikon gërvishtjet dhe zhvendosjet e filetimit në vaferën e lëmuar të kristalit të rritur. Dendësia e dislokimit të kristalit të rritur është matur të jetë ~3000 ea/cm², pak më e lartë se dendësia e dislokimit të kristalit të farës, e cila ishte ~2000 ea/cm². Kristali i rritur u konfirmua se kishte densitet relativisht të ulët të dislokimit, të krahasueshëm me cilësinë e kristalit të vaferave komerciale. Është interesante se rritja e shpejtë e kristaleve SiC u arrit duke përdorur metodën PVT me një burim të grimcuar CVD-SiC nën një gradient të madh të temperaturës. Përqendrimet e B, Al dhe N në kristalin e rritur ishin përkatësisht 2,18 × 1016, 7,61 × 1015 dhe 1,98 × 1019 atome/cm3. Përqendrimi i P në kristalin e rritur ishte nën kufirin e zbulimit (<1,0 × 1014 atome/cm3). Përqendrimet e papastërtive ishin mjaft të ulëta për transportuesit e ngarkesës, me përjashtim të N, i cili u dopua qëllimisht gjatë procesit CVD.
Megjithëse rritja e kristalit në këtë studim ishte në shkallë të vogël duke marrë parasysh produktet komerciale, demonstrimi i suksesshëm i rritjes së shpejtë të SiC me cilësi të mirë të kristalit duke përdorur burimin CVD-SiC përmes metodës PVT ka implikime të rëndësishme. Meqenëse burimet CVD-SiC, pavarësisht nga vetitë e tyre të shkëlqyera, janë konkurruese për koston duke ricikluar materialet e hedhura, ne presim përdorimin e tyre të gjerë si një burim premtues SiC për të zëvendësuar burimet e pluhurit SiC. Për të aplikuar burimet CVD-SiC për rritjen e shpejtë të SiC, kërkohet optimizimi i shpërndarjes së temperaturës në sistemin PVT, duke shtruar pyetje të mëtejshme për kërkime të ardhshme.
konkluzioni
Në këtë studim, u arrit demonstrimi i suksesshëm i rritjes së shpejtë të kristalit SiC duke përdorur blloqe të grimcuara CVD-SiC në kushte gradienti të temperaturës së lartë përmes metodës PVT. Është interesante se rritja e shpejtë e kristaleve SiC u realizua duke zëvendësuar burimin SiC me metodën PVT. Kjo metodë pritet të rrisë ndjeshëm efikasitetin e prodhimit në shkallë të gjerë të kristaleve të vetme SiC, duke ulur përfundimisht koston e njësisë së substrateve SiC dhe duke promovuar përdorimin e gjerë të pajisjeve të fuqisë me performancë të lartë.
Koha e postimit: 19-07-2024