Brzi rast upotrebe SiC monokristalaCVD-SiC BulkIzvor putem metode sublimacije
Korišćenjem recikliranogCVD-SiC blokovikao izvor SiC, kristali SiC su uspješno uzgajani brzinom od 1,46 mm/h PVT metodom. Mikrocijev uzgojenog kristala i gustina dislokacija ukazuju na to da je, uprkos visokoj stopi rasta, kvalitet kristala odličan.
Silicijum karbid (SiC)je poluvodič širokog pojasa sa odličnim svojstvima za primjenu u visokom naponu, velikoj snazi i visokoj frekvenciji. Njena potražnja je naglo rasla posljednjih godina, posebno u oblasti energetskih poluvodiča. Za primjene u energetskim poluvodičima, monokristali SiC uzgajaju se sublimacijom izvora SiC visoke čistoće na 2100–2500°C, zatim rekristalizacijom na zasječeni kristal korištenjem metode fizičkog transporta pare (PVT), nakon čega slijedi obrada za dobivanje monokristalnih supstrata na pločicama. . tradicionalno,SiC kristaliuzgajaju se korištenjem PVT metode pri brzini rasta od 0,3 do 0,8 mm/h radi kontrole kristalnosti, koja je relativno spora u poređenju s drugim monokristalim materijalima koji se koriste u poluvodičkim aplikacijama. Kada se kristali SiC uzgajaju pri visokim stopama rasta korištenjem PVT metode, nije isključena degradacija kvaliteta uključujući inkluzije ugljika, smanjenu čistoću, polikristalni rast, formiranje granica zrna i defekte dislokacije i poroznosti. Stoga brzi rast SiC nije razvijen, a spora stopa rasta SiC je bila glavna prepreka produktivnosti SiC supstrata.
S druge strane, nedavni izvještaji o brzom rastu SiC-a koriste metode visokotemperaturnog hemijskog taloženja pare (HTCVD) umjesto PVT metode. HTCVD metoda koristi paru koja sadrži Si i C kao izvor SiC u reaktoru. HTCVD se još uvijek nije koristio za proizvodnju SiC-a velikih razmjera i zahtijeva dalje istraživanje i razvoj za komercijalizaciju. Zanimljivo je da čak i pri visokoj stopi rasta od ∼3 mm/h, monokristali SiC mogu se uzgajati dobrog kvaliteta kristala koristeći HTCVD metodu. U međuvremenu, SiC komponente su korištene u poluvodičkim procesima u teškim okruženjima koja zahtijevaju kontrolu procesa izuzetno visoke čistoće. Za primjene u poluvodičkim procesima, komponente SiC čistoće ∼99,9999% (∼6N) obično se pripremaju CVD postupkom iz metiltriklorosilana (CH3Cl3Si, MTS). Međutim, uprkos visokoj čistoći CVD-SiC komponenti, one su nakon upotrebe odbačene. Nedavno su odbačene komponente CVD-SiC smatrane izvorima SiC za rast kristala, iako su neki procesi oporavka, uključujući drobljenje i prečišćavanje, još uvijek potrebni da bi se zadovoljili visoki zahtjevi izvora rasta kristala. U ovoj studiji koristili smo odbačene CVD-SiC blokove za recikliranje materijala kao izvora za uzgoj SiC kristala. CVD-SiC blokovi za rast monokristala pripremljeni su kao drobljeni blokovi kontrolisane veličine, koji se značajno razlikuju po obliku i veličini u poređenju sa komercijalnim SiC prahom koji se obično koristi u PVT procesu, stoga se očekivalo da će ponašanje rasta monokristala SiC biti značajno drugačije. Prije izvođenja eksperimenata rasta monokristala SiC, izvršene su kompjuterske simulacije kako bi se postigle visoke stope rasta, a termalna zona je u skladu s tim konfigurirana za rast monokristala. Nakon rasta kristala, uzgojeni kristali su ocijenjeni tomografijom poprečnog presjeka, mikro-Raman spektroskopijom, difrakcijom rendgenskih zraka visoke rezolucije i topografijom rendgenskih zraka sinhrotronskog bijelog snopa.
Slika 1 prikazuje CVD-SiC izvor korišten za PVT rast SiC kristala u ovoj studiji. Kao što je opisano u uvodu, CVD-SiC komponente su sintetizovane iz MTS-a CVD postupkom i oblikovane za upotrebu u poluprovodnicima mehaničkom obradom. N je dopiran u CVD procesu kako bi se postigla provodljivost za primjene u poluvodičkim procesima. Nakon upotrebe u poluvodičkim procesima, komponente CVD-SiC su usitnjene kako bi se pripremio izvor za rast kristala, kao što je prikazano na slici 1. CVD-SiC izvor je pripremljen kao ploče prosječne debljine ∼0,5 mm i prosječne veličine čestica od 49,75 mm.
Slika 1: CVD-SiC izvor pripremljen CVD procesom baziranim na MTS-u.
Koristeći CVD-SiC izvor prikazan na slici 1, kristali SiC su uzgojeni PVT metodom u peći za indukcijsko grijanje. Za procenu raspodele temperature u termalnoj zoni korišćen je komercijalni simulacioni kod VR-PVT 8.2 (STR, Republika Srbija). Reaktor sa termalnom zonom modeliran je kao 2D osimetrični model, kao što je prikazano na slici 2, sa svojim mrežnim modelom. Svi materijali korišćeni u simulaciji prikazani su na slici 2, a njihova svojstva su navedena u tabeli 1. Na osnovu rezultata simulacije, kristali SiC uzgajani su PVT metodom na temperaturnom opsegu od 2250–2350°C u atmosferi Ar na 35 Torr za 4 sata. 4H-SiC pločica izvan ose je korištena kao SiC sjeme. Izrasli kristali su procijenjeni mikro-Raman spektroskopijom (Witec, UHTS 300, Njemačka) i XRD visoke rezolucije (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Nizozemska). Koncentracije nečistoća u uzgojenim kristalima SiC procijenjene su dinamičkom sekundarnom ionskom masenom spektrometrijom (SIMS, Cameca IMS-6f, Francuska). Gustoća dislokacije uzgojenih kristala procijenjena je korištenjem rendgenske topografije sinhrotronskog bijelog snopa na izvoru svjetlosti Pohang.
Slika 2: Dijagram termičke zone i mrežasti model rasta PVT u peći za indukcijsko grijanje.
Budući da metode HTCVD i PVT rastu kristale u ravnoteži gas-čvrsta faza na frontu rasta, uspješan brzi rast SiC HTCVD metodom doveo je do izazova brzog rasta SiC PVT metodom u ovoj studiji. HTCVD metoda koristi izvor plina koji se lako kontrolira protokom, dok PVT metoda koristi čvrsti izvor koji ne kontrolira direktno protok. Brzina protoka obezbeđena na frontu rasta u PVT metodi može se kontrolisati brzinom sublimacije čvrstog izvora kroz kontrolu raspodele temperature, ali preciznu kontrolu raspodele temperature u praktičnim sistemima rasta nije lako postići.
Povećanjem temperature izvora u PVT reaktoru, brzina rasta SiC može se povećati povećanjem brzine sublimacije izvora. Za postizanje stabilnog rasta kristala, kontrola temperature na frontu rasta je ključna. Da bi se povećala brzina rasta bez formiranja polikristala, potrebno je postići visokotemperaturni gradijent na frontu rasta, kao što pokazuje rast SiC pomoću HTCVD metode. Neadekvatna vertikalna provodljivost toplote na poleđini kapice trebalo bi da rasprši akumuliranu toplotu na frontu rasta kroz toplotno zračenje do površine rasta, što dovodi do stvaranja viška površina, odnosno polikristalnog rasta.
Procesi prijenosa mase i rekristalizacije u PVT metodi su vrlo slični HTCVD metodi, iako se razlikuju u izvoru SiC. To znači da je brz rast SiC-a također moguće postići kada je brzina sublimacije izvora SiC-a dovoljno visoka. Međutim, postizanje visokokvalitetnih SiC monokristala u uvjetima visokog rasta putem PVT metode ima nekoliko izazova. Komercijalni praškovi obično sadrže mješavinu malih i velikih čestica. Zbog razlika u površinskoj energiji, male čestice imaju relativno visoke koncentracije nečistoća i sublimiraju prije velikih čestica, što dovodi do visokih koncentracija nečistoća u ranim fazama rasta kristala. Dodatno, kako se čvrsti SiC razlaže na pare poput C i Si, SiC2 i Si2C na visokim temperaturama, čvrsti C neizbježno nastaje kada se izvor SiC sublimira u PVT metodi. Ako je formirani čvrsti C mali i dovoljno lagan, u uslovima brzog rasta, male čestice C, poznate kao "C prašina", mogu se prenijeti na površinu kristala snažnim prijenosom mase, što rezultira inkluzijama u izraslom kristalu. Stoga, da bi se smanjile metalne nečistoće i C prašine, veličina čestica izvora SiC općenito bi trebala biti kontrolirana na prečnik manji od 200 μm, a brzina rasta ne bi trebala prelaziti ∼0,4 mm/h kako bi se održao spor prijenos mase i isključilo plutanje C prašina. Metalne nečistoće i C prašina dovode do degradacije uzgojenih kristala SiC, koji su glavna prepreka brzom rastu SiC PVT metodom.
U ovoj studiji korišteni su zdrobljeni CVD-SiC izvori bez malih čestica, eliminirajući plutajuću C prašinu pod snažnim prijenosom mase. Stoga je struktura termalne zone dizajnirana korištenjem PVT metode zasnovane na multifizičkoj simulaciji kako bi se postigao brz rast SiC, a simulirana raspodjela temperature i temperaturni gradijent prikazani su na slici 3a.
Slika 3: (a) Raspodjela temperature i temperaturni gradijent u blizini fronta rasta PVT reaktora dobiveni analizom konačnih elemenata i (b) vertikalna raspodjela temperature duž osimetrične linije.
U poređenju sa tipičnim postavkama termičke zone za uzgoj kristala SiC pri brzini rasta od 0,3 do 0,8 mm/h pod malim temperaturnim gradijentom manjim od 1 °C/mm, postavke termalne zone u ovoj studiji imaju relativno veliki temperaturni gradijent od ∼ 3,8 °C/mm pri temperaturi rasta od ∼2268°C. Vrijednost temperaturnog gradijenta u ovoj studiji je uporediva sa brzim rastom SiC brzinom od 2,4 mm/h korištenjem HTCVD metode, gdje je temperaturni gradijent postavljen na ∼14 °C/mm. Iz vertikalne raspodjele temperature prikazane na slici 3b, potvrdili smo da u blizini fronta rasta nije prisutan obrnuti temperaturni gradijent koji bi mogao formirati polikristale, kao što je opisano u literaturi.
Koristeći PVT sistem, kristali SiC su uzgajani iz izvora CVD-SiC tokom 4 sata, kao što je prikazano na slikama 2 i 3. Reprezentativni rast kristala SiC iz uzgojenog SiC prikazan je na slici 4a. Debljina i brzina rasta SiC kristala prikazana na slici 4a su 5,84 mm i 1,46 mm/h, respektivno. Istražen je utjecaj izvora SiC na kvalitetu, politip, morfologiju i čistoću uzgojenog kristala SiC prikazanog na slici 4a, kao što je prikazano na slikama 4b-e. Tomografska slika poprečnog presjeka na slici 4b pokazuje da je rast kristala bio konveksnog oblika zbog suboptimalnih uslova rasta. Međutim, mikro-Ramanova spektroskopija na slici 4c identificirala je uzgojeni kristal kao jednu fazu 4H-SiC bez ikakvih politipskih inkluzija. FWHM vrijednost pika (0004) dobijena analizom rendgenske krivulje ljuljanja bila je 18,9 lučnih sekundi, što također potvrđuje dobar kvalitet kristala.
Slika 4: (a) Izrasli kristal SiC (brzina rasta od 1,46 mm/h) i rezultati njegove procjene pomoću (b) poprečnog presjeka tomografije, (c) mikro-Ramanove spektroskopije, (d) krivulje rendgenskog ljuljanja i ( e) rendgenska topografija.
Slika 4e prikazuje topografiju rendgenskih zraka bijelog snopa koja identificira ogrebotine i dislokacije navoja u poliranoj pločici uzgojenog kristala. Izmjerena je gustina dislokacije uzgojenog kristala ∼3000 ea/cm², nešto viša od gustine dislokacije sjemenskog kristala, koja je bila ∼2000 ea/cm². Potvrđeno je da uzgojeni kristal ima relativno nisku gustinu dislokacije, uporedivu sa kvalitetom kristala komercijalnih pločica. Zanimljivo je da je brz rast kristala SiC postignut korištenjem PVT metode sa zdrobljenim CVD-SiC izvorom pod velikim temperaturnim gradijentom. Koncentracije B, Al i N u uzgojenom kristalu bile su 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ i 1,98 × 10¹⁹ atoma/cm³, respektivno. Koncentracija P u uzgojenom kristalu bila je ispod granice detekcije (<1,0 × 10¹⁴ atoma/cm³). Koncentracije nečistoća bile su dovoljno niske za nosioce naboja, osim za N, koji je namjerno dopiran tokom CVD procesa.
Iako je rast kristala u ovoj studiji bio malog obima s obzirom na komercijalne proizvode, uspješna demonstracija brzog rasta SiC sa dobrim kristalnim kvalitetom korištenjem CVD-SiC izvora putem PVT metode ima značajne implikacije. Budući da su CVD-SiC izvori, uprkos svojim odličnim svojstvima, konkurentni po pitanju recikliranja odbačenih materijala, očekujemo njihovu široku upotrebu kao obećavajući izvor SiC za zamjenu izvora SiC praha. Da bi se primijenili CVD-SiC izvori za brzi rast SiC, potrebna je optimizacija raspodjele temperature u PVT sistemu, što postavlja dalja pitanja za buduća istraživanja.
Zaključak
U ovoj studiji je postignuta uspješna demonstracija brzog rasta kristala SiC korištenjem drobljenih CVD-SiC blokova u uvjetima visokotemperaturnog gradijenta PVT metodom. Zanimljivo je da je brz rast kristala SiC ostvaren zamjenom izvora SiC PVT metodom. Očekuje se da će ova metoda značajno povećati efikasnost proizvodnje SiC monokristala u velikim razmjerima, u konačnici smanjiti jediničnu cijenu SiC supstrata i promovirati široku upotrebu energetskih uređaja visokih performansi.
Vrijeme objave: Jul-19-2024