Creșterea rapidă a utilizării unui singur cristal SiCCVD-SiC în vracSursa prin metoda de sublimare
Prin utilizarea materialelor reciclateBlocuri CVD-SiCca sursă de SiC, cristalele de SiC au fost crescute cu succes la o viteză de 1,46 mm/h prin metoda PVT. Microțeava cristalului crescut și densitățile de dislocare indică faptul că, în ciuda ratei mari de creștere, calitatea cristalului este excelentă.
Carbură de siliciu (SiC)este un semiconductor cu bandă interzisă largă cu proprietăți excelente pentru aplicații de înaltă tensiune, putere mare și frecvență înaltă. Cererea sa a crescut rapid în ultimii ani, în special în domeniul semiconductorilor de putere. Pentru aplicațiile cu semiconductori de putere, cristalele simple de SiC sunt crescute prin sublimarea sursei de SiC de înaltă puritate la 2100–2500°C, apoi recristalizarea pe un cristal de sămânță folosind metoda transportului fizic al vaporilor (PVT), urmată de procesare pentru a obține substraturi monocristaline pe plachete. . Tradiţional,Cristale de SiCsunt cultivate folosind metoda PVT la o rată de creștere de 0,3 până la 0,8 mm/h pentru a controla cristalinitatea, care este relativ lentă în comparație cu alte materiale monocristaline utilizate în aplicațiile semiconductoare. Când cristalele de SiC sunt crescute la viteze mari de creștere folosind metoda PVT, nu a fost exclusă degradarea calității, inclusiv incluziuni de carbon, puritate redusă, creștere policristalină, formarea granițelor și defecte de dislocare și porozitate. Prin urmare, creșterea rapidă a SiC nu a fost dezvoltată, iar rata de creștere lentă a SiC a fost un obstacol major în calea productivității substraturilor SiC.
Pe de altă parte, rapoartele recente privind creșterea rapidă a SiC au folosit metode de depunere chimică în vapori la temperatură înaltă (HTCVD) mai degrabă decât metoda PVT. Metoda HTCVD folosește un vapor care conține Si și C ca sursă de SiC în reactor. HTCVD nu a fost încă utilizat pentru producția pe scară largă de SiC și necesită cercetări și dezvoltare suplimentare pentru comercializare. Interesant, chiar și la o rată de creștere ridicată de ~ 3 mm/h, cristalele simple de SiC pot fi cultivate cu o calitate bună a cristalului folosind metoda HTCVD. Între timp, componentele SiC au fost utilizate în procesele semiconductoare în medii dure care necesită control al procesului de puritate extrem de ridicată. Pentru aplicațiile proceselor semiconductoare, componentele SiC cu puritate de ~99,9999% (~6N) sunt de obicei preparate prin procesul CVD din metiltriclorosilan (CH3Cl3Si, MTS). Cu toate acestea, în ciuda purității ridicate a componentelor CVD-SiC, acestea au fost aruncate după utilizare. Recent, componentele CVD-SiC aruncate au fost considerate surse de SiC pentru creșterea cristalelor, deși unele procese de recuperare, inclusiv zdrobirea și purificarea, sunt încă necesare pentru a satisface cerințele ridicate ale unei surse de creștere a cristalelor. În acest studiu, am folosit blocuri CVD-SiC aruncate pentru a recicla materialele ca sursă pentru creșterea cristalelor de SiC. Blocurile CVD-SiC pentru creșterea monocristalului au fost preparate ca blocuri zdrobite cu dimensiune controlată, semnificativ diferite ca formă și dimensiune în comparație cu pulberea comercială de SiC utilizată în mod obișnuit în procesul PVT, prin urmare, comportamentul creșterii monocristalului de SiC era de așteptat să fie semnificativ. diferit. Înainte de a efectua experimente de creștere cu un singur cristal SiC, au fost efectuate simulări pe computer pentru a obține rate mari de creștere, iar zona termică a fost configurată în consecință pentru creșterea unui singur cristal. După creșterea cristalelor, cristalele crescute au fost evaluate prin tomografie în secțiune transversală, spectroscopie micro-Raman, difracție de raze X de înaltă rezoluție și topografie cu raze X cu fascicul alb sincrotron.
Figura 1 prezintă sursa CVD-SiC utilizată pentru creșterea PVT a cristalelor de SiC în acest studiu. După cum este descris în introducere, componentele CVD-SiC au fost sintetizate din MTS prin procesul CVD și modelate pentru utilizarea semiconductoarelor prin procesare mecanică. N a fost dopat în procesul CVD pentru a obține conductivitate pentru aplicațiile de proces cu semiconductor. După utilizare în procesele semiconductoare, componentele CVD-SiC au fost zdrobite pentru a pregăti sursa pentru creșterea cristalului, așa cum se arată în Figura 1. Sursa CVD-SiC a fost preparată sub formă de plăci cu o grosime medie de ~0,5 mm și o dimensiune medie a particulelor de 49,75 mm.
Figura 1: Sursa CVD-SiC pregătită prin procesul CVD bazat pe MTS.
Folosind sursa CVD-SiC prezentată în Figura 1, cristalele de SiC au fost crescute prin metoda PVT într-un cuptor de încălzire prin inducție. Pentru a evalua distribuția temperaturii în zona termică a fost utilizat codul de simulare comercial VR-PVT 8.2 (STR, Republica Serbia). Reactorul cu zona termică a fost modelat ca model 2D axisimetric, așa cum se arată în Figura 2, cu modelul său de plasă. Toate materialele utilizate în simulare sunt prezentate în Figura 2, iar proprietățile lor sunt enumerate în Tabelul 1. Pe baza rezultatelor simulării, cristalele de SiC au fost crescute folosind metoda PVT la un interval de temperatură de 2250–2350°C într-o atmosferă de Ar la 35 Torr timp de 4 ore. Ca sămânță de SiC a fost utilizată o napolitană 4H-SiC în afara axei de 4°. Cristalele crescute au fost evaluate prin spectroscopie micro-Raman (Witec, UHTS 300, Germania) și XRD de înaltă rezoluție (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Olanda). Concentrațiile de impurități din cristalele de SiC crescute au fost evaluate utilizând spectrometrie de masă dinamică cu ioni secundari (SIMS, Cameca IMS-6f, Franța). Densitatea de dislocare a cristalelor crescute a fost evaluată folosind topografia cu raze X cu fascicul alb sincrotron la sursa de lumină Pohang.
Figura 2: Diagrama zonei termice și modelul de plasă a creșterii PVT într-un cuptor de încălzire prin inducție.
Deoarece metodele HTCVD și PVT cresc cristale în echilibru fază gaz-solidă pe frontul de creștere, creșterea rapidă cu succes a SiC prin metoda HTCVD a determinat provocarea creșterii rapide a SiC prin metoda PVT în acest studiu. Metoda HTCVD utilizează o sursă de gaz care este ușor de controlat debitul, în timp ce metoda PVT utilizează o sursă solidă care nu controlează direct debitul. Debitul furnizat frontului de creștere în metoda PVT poate fi controlat de rata de sublimare a sursei solide prin controlul distribuției temperaturii, dar controlul precis al distribuției temperaturii în sistemele practice de creștere nu este ușor de realizat.
Prin creșterea temperaturii sursei în reactorul PVT, rata de creștere a SiC poate fi crescută prin creșterea ratei de sublimare a sursei. Pentru a obține o creștere stabilă a cristalelor, controlul temperaturii pe frontul de creștere este crucial. Pentru a crește rata de creștere fără a forma policristale, trebuie să se obțină un gradient de temperatură înaltă pe frontul de creștere, așa cum se arată prin creșterea SiC prin metoda HTCVD. Conducerea termică verticală inadecvată către partea din spate a capacului ar trebui să disipeze căldura acumulată în frontul de creștere prin radiație termică către suprafața de creștere, ducând la formarea suprafețelor în exces, adică creșterea policristalină.
Atât procesele de transfer de masă, cât și cele de recristalizare din metoda PVT sunt foarte asemănătoare cu metoda HTCVD, deși diferă în ceea ce privește sursa de SiC. Aceasta înseamnă că creșterea rapidă a SiC este de asemenea realizabilă atunci când rata de sublimare a sursei de SiC este suficient de mare. Cu toate acestea, obținerea de monocristale de SiC de înaltă calitate în condiții de creștere ridicată prin metoda PVT are mai multe provocări. Pulberile comerciale conțin de obicei un amestec de particule mici și mari. Datorită diferențelor de energie de suprafață, particulele mici au concentrații relativ mari de impurități și se sublimă înaintea particulelor mari, ceea ce duce la concentrații mari de impurități în stadiile incipiente de creștere ale cristalului. În plus, pe măsură ce SiC solid se descompune în specii de vapori precum C și Si, SiC2 și Si2C la temperaturi ridicate, C solid se formează în mod inevitabil atunci când sursa de SiC se sublimează în metoda PVT. Dacă solidul format C este suficient de mic și ușor, în condiții de creștere rapidă, particulele mici de C, cunoscute sub numele de „praf C”, pot fi transportate la suprafața cristalului printr-un transfer puternic de masă, rezultând incluziuni în cristalul crescut. Prin urmare, pentru a reduce impuritățile metalice și praful de C, dimensiunea particulelor sursei de SiC ar trebui, în general, controlată la un diametru mai mic de 200 μm, iar rata de creștere nu trebuie să depășească ~ 0,4 mm/h pentru a menține transferul lent de masă și a exclude plutirea. C praf. Impuritățile metalice și praful de C duc la degradarea cristalelor de SiC crescute, care sunt principalele obstacole în calea creșterii rapide a SiC prin metoda PVT.
În acest studiu, s-au folosit surse CVD-SiC zdrobite fără particule mici, eliminând praful C plutitor sub transfer de masă puternic. Astfel, structura zonei termice a fost proiectată folosind metoda PVT bazată pe simulare multifizică pentru a obține o creștere rapidă a SiC, iar distribuția de temperatură simulată și gradientul de temperatură sunt prezentate în Figura 3a.
Figura 3: (a) Distribuția temperaturii și gradientul de temperatură în apropierea frontului de creștere al reactorului PVT obținut prin analiza cu elemente finite și (b) distribuția verticală a temperaturii de-a lungul liniei axisimetrice.
În comparație cu setările tipice ale zonei termice pentru creșterea cristalelor de SiC la o rată de creștere de 0,3 până la 0,8 mm/h sub un gradient de temperatură mic de mai puțin de 1 °C/mm, setările zonei termice din acest studiu au un gradient de temperatură relativ mare de ∼ 3,8 °C/mm la o temperatură de creștere de ~2268 °C. Valoarea gradientului de temperatură din acest studiu este comparabilă cu creșterea rapidă a SiC la o rată de 2,4 mm/h folosind metoda HTCVD, unde gradientul de temperatură este setat la ~14 °C/mm. Din distribuția verticală a temperaturii prezentată în Figura 3b, am confirmat că în apropierea frontului de creștere nu a fost prezent un gradient de temperatură inversă care ar putea forma policristale, așa cum este descris în literatură.
Folosind sistemul PVT, cristalele de SiC au fost crescute din sursa CVD-SiC timp de 4 ore, așa cum se arată în figurile 2 și 3. O creștere reprezentativă a cristalelor de SiC din SiC crescut este prezentată în Figura 4a. Grosimea și rata de creștere a cristalului de SiC prezentate în Figura 4a sunt de 5,84 mm și, respectiv, 1,46 mm/h. Impactul sursei de SiC asupra calității, politipului, morfologiei și purității cristalului de SiC crescut prezentat în figura 4a a fost investigat, așa cum se arată în figurile 4b-e. Imaginea tomografiei în secțiune transversală din Figura 4b arată că creșterea cristalului a avut formă convexă datorită condițiilor de creștere suboptime. Cu toate acestea, spectroscopia micro-Raman din Figura 4c a identificat cristalul crescut ca o singură fază de 4H-SiC fără incluziuni de politip. Valoarea FWHM a vârfului (0004) obținută din analiza curbei de balansare a razelor X a fost de 18,9 secunde de arc, confirmând, de asemenea, calitatea bună a cristalului.
Figura 4: (a) Cristal SiC crescut (rata de creștere de 1,46 mm/h) și rezultatele evaluării sale cu (b) tomografie în secțiune transversală, (c) spectroscopie micro-Raman, (d) curba de balansare a razei X și ( e) Topografia cu raze X.
Figura 4e prezintă topografia cu raze X cu fascicul alb care identifică zgârieturi și dislocări de filetare în placheta lustruită a cristalului crescut. Densitatea de dislocare a cristalului crescut a fost măsurată a fi ~3000 ea/cm², puțin mai mare decât densitatea de dislocare a cristalului sămânță, care a fost ~2000 ea/cm2. S-a confirmat că cristalul crescut are o densitate de dislocare relativ scăzută, comparabilă cu calitatea cristalului napolitanelor comerciale. În mod interesant, creșterea rapidă a cristalelor de SiC a fost realizată folosind metoda PVT cu o sursă CVD-SiC zdrobită sub un gradient de temperatură mare. Concentrațiile de B, Al și N în cristalul crescut au fost 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ și, respectiv, 1,98 × 10¹⁹ atomi/cm³. Concentrația de P în cristalul crescut a fost sub limita de detecție (<1,0 × 10¹⁴ atomi/cm³). Concentrațiile de impurități au fost suficient de scăzute pentru purtătorii de sarcină, cu excepția N, care a fost dopat în mod intenționat în timpul procesului CVD.
Deși creșterea cristalelor din acest studiu a fost la scară mică, luând în considerare produsele comerciale, demonstrarea cu succes a creșterii rapide a SiC cu o calitate bună a cristalului folosind sursa CVD-SiC prin metoda PVT are implicații semnificative. Deoarece sursele CVD-SiC, în ciuda proprietăților lor excelente, sunt competitive din punct de vedere al costurilor prin reciclarea materialelor aruncate, ne așteptăm ca utilizarea lor pe scară largă ca sursă promițătoare de SiC să înlocuiască sursele de pulbere de SiC. Pentru a aplica surse CVD-SiC pentru creșterea rapidă a SiC, este necesară optimizarea distribuției temperaturii în sistemul PVT, punând întrebări suplimentare pentru cercetările viitoare.
Concluzie
În acest studiu, a fost realizată demonstrarea cu succes a creșterii rapide a cristalelor de SiC folosind blocuri CVD-SiC zdrobite în condiții de gradient de temperatură înaltă prin metoda PVT. În mod interesant, creșterea rapidă a cristalelor de SiC a fost realizată prin înlocuirea sursei de SiC cu metoda PVT. Se așteaptă că această metodă va crește semnificativ eficiența producției pe scară largă a monocristalelor de SiC, reducând în cele din urmă costul unitar al substraturilor de SiC și promovând utilizarea pe scară largă a dispozitivelor de putere de înaltă performanță.
Ora postării: Iul-19-2024