Ταχεία ανάπτυξη της χρήσης μονοκρυστάλλου SiCΧύμα CVD-SiCSource via Sublimation Method
Με χρήση ανακυκλωμένουΜπλοκ CVD-SiCΩς πηγή SiC, οι κρύσταλλοι SiC αναπτύχθηκαν επιτυχώς με ρυθμό 1,46 mm/h μέσω της μεθόδου PVT. Οι μικροσωλήνες και οι πυκνότητες εξάρθρωσης του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου δείχνουν ότι παρά τον υψηλό ρυθμό ανάπτυξης, η ποιότητα του κρυστάλλου είναι εξαιρετική.
Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)είναι ένας ημιαγωγός ευρείας ζώνης με εξαιρετικές ιδιότητες για εφαρμογές σε υψηλή τάση, υψηλή ισχύ και υψηλή συχνότητα. Η ζήτηση του έχει αυξηθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια, ειδικά στον τομέα των ημιαγωγών ισχύος. Για εφαρμογές ημιαγωγών ισχύος, οι μονοκρυστάλλοι SiC αναπτύσσονται με εξάχνωση πηγής SiC υψηλής καθαρότητας στους 2100–2500°C, στη συνέχεια ανακρυσταλλώνονται σε κρύσταλλο σπόρων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο φυσικής μεταφοράς ατμού (PVT), ακολουθούμενη από επεξεργασία για τη λήψη μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων σε γκοφρέτες . Παραδοσιακά,Κρύσταλλοι SiCαναπτύσσονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PVT με ρυθμό ανάπτυξης 0,3 έως 0,8 mm/h για τον έλεγχο της κρυσταλλικότητας, η οποία είναι σχετικά αργή σε σύγκριση με άλλα μονοκρυσταλλικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ημιαγωγών. Όταν οι κρύσταλλοι SiC αναπτύσσονται με υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PVT, η υποβάθμιση της ποιότητας, συμπεριλαμβανομένων των εγκλεισμάτων άνθρακα, της μειωμένης καθαρότητας, της πολυκρυσταλλικής ανάπτυξης, του σχηματισμού ορίων κόκκων και των ελαττωμάτων εξάρθρωσης και πορώδους δεν έχει αποκλειστεί. Ως εκ τούτου, η ταχεία ανάπτυξη του SiC δεν έχει αναπτυχθεί και ο αργός ρυθμός ανάπτυξης του SiC ήταν ένα σημαντικό εμπόδιο στην παραγωγικότητα των υποστρωμάτων SiC.
Από την άλλη πλευρά, πρόσφατες αναφορές για την ταχεία ανάπτυξη του SiC χρησιμοποιούν μεθόδους χημικής εναπόθεσης ατμών σε υψηλή θερμοκρασία (HTCVD) αντί της μεθόδου PVT. Η μέθοδος HTCVD χρησιμοποιεί έναν ατμό που περιέχει Si και C ως πηγή SiC στον αντιδραστήρα. Το HTCVD δεν έχει χρησιμοποιηθεί ακόμη για μεγάλης κλίμακας παραγωγή SiC και απαιτεί περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη για εμπορευματοποίηση. Είναι ενδιαφέρον ότι ακόμη και με υψηλό ρυθμό ανάπτυξης ~3 mm/h, μονοκρυστάλλοι SiC μπορούν να αναπτυχθούν με καλή ποιότητα κρυστάλλων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο HTCVD. Εν τω μεταξύ, τα συστατικά SiC έχουν χρησιμοποιηθεί σε διεργασίες ημιαγωγών σε σκληρά περιβάλλοντα που απαιτούν έλεγχο διεργασίας εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας. Για εφαρμογές διεργασιών ημιαγωγών, τα συστατικά SiC καθαρότητας ~99,9999% (~6Ν) συνήθως παρασκευάζονται με τη διαδικασία CVD από μεθυλτριχλωροσιλάνιο (CH3Cl3Si, MTS). Ωστόσο, παρά την υψηλή καθαρότητα των συστατικών CVD-SiC, έχουν απορριφθεί μετά τη χρήση. Πρόσφατα, τα απορριπτόμενα συστατικά CVD-SiC θεωρήθηκαν ως πηγές SiC για την ανάπτυξη κρυστάλλων, αν και ορισμένες διαδικασίες ανάκτησης, συμπεριλαμβανομένης της σύνθλιψης και του καθαρισμού, εξακολουθούν να απαιτούνται για την κάλυψη των υψηλών απαιτήσεων μιας πηγής ανάπτυξης κρυστάλλων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε απορριπτόμενα μπλοκ CVD-SiC για την ανακύκλωση υλικών ως πηγή για την ανάπτυξη κρυστάλλων SiC. Τα μπλοκ CVD-SiC για ανάπτυξη μονού κρυστάλλου παρασκευάστηκαν ως θρυμματισμένα μπλοκ ελεγχόμενου μεγέθους, σημαντικά διαφορετικά σε σχήμα και μέγεθος σε σύγκριση με την εμπορική σκόνη SiC που χρησιμοποιείται συνήθως στη διαδικασία PVT, επομένως η συμπεριφορά της ανάπτυξης μονοκρυστάλλου SiC αναμενόταν να είναι σημαντικά διαφορετικός. Πριν από τη διεξαγωγή πειραμάτων ανάπτυξης μονού κρυστάλλου SiC, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις σε υπολογιστή για την επίτευξη υψηλών ρυθμών ανάπτυξης και η θερμική ζώνη διαμορφώθηκε ανάλογα για ανάπτυξη μονοκρυστάλλου. Μετά την ανάπτυξη των κρυστάλλων, οι αναπτυσσόμενοι κρύσταλλοι αξιολογήθηκαν με τομογραφία διατομής, φασματοσκοπία micro-Raman, περίθλαση ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης και τοπογραφία ακτίνων Χ λευκής δέσμης σύγχροτρον.
Το Σχήμα 1 δείχνει την πηγή CVD-SiC που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη PVT κρυστάλλων SiC σε αυτή τη μελέτη. Όπως περιγράφεται στην εισαγωγή, τα συστατικά CVD-SiC συντέθηκαν από το MTS με τη διαδικασία CVD και διαμορφώθηκαν για χρήση ημιαγωγών μέσω μηχανικής επεξεργασίας. Το Ν εμποτίστηκε στη διαδικασία CVD για να επιτευχθεί αγωγιμότητα για εφαρμογές διεργασιών ημιαγωγών. Μετά τη χρήση σε διεργασίες ημιαγωγών, τα συστατικά CVD-SiC συνθλίβονται για να προετοιμαστεί η πηγή για ανάπτυξη κρυστάλλων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Η πηγή CVD-SiC παρασκευάστηκε ως πλάκες με μέσο πάχος ~0,5 mm και μέσο μέγεθος σωματιδίων 49,75 χλστ.
Εικόνα 1: Πηγή CVD-SiC που παρασκευάστηκε με τη διαδικασία CVD που βασίζεται σε MTS.
Χρησιμοποιώντας την πηγή CVD-SiC που φαίνεται στο Σχήμα 1, οι κρύσταλλοι SiC αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο PVT σε έναν κλίβανο επαγωγικής θέρμανσης. Για την αξιολόγηση της κατανομής θερμοκρασίας στη θερμική ζώνη, χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικός κωδικός προσομοίωσης VR-PVT 8.2 (STR, Δημοκρατία της Σερβίας). Ο αντιδραστήρας με τη θερμική ζώνη μοντελοποιήθηκε ως μοντέλο 2D αξονικής συμμετρίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 2, με το μοντέλο πλέγματος του. Όλα τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην προσομοίωση φαίνονται στο Σχήμα 2 και οι ιδιότητές τους παρατίθενται στον Πίνακα 1. Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, οι κρύσταλλοι SiC αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PVT σε ένα εύρος θερμοκρασίας 2250–2350°C σε ατμόσφαιρα Ar σε 35 Torr για 4 ώρες. Ως σπόρος SiC χρησιμοποιήθηκε μια γκοφρέτα 4H-SiC εκτός άξονα 4°. Οι αναπτυγμένοι κρύσταλλοι αξιολογήθηκαν με φασματοσκοπία micro-Raman (Witec, UHTS 300, Γερμανία) και υψηλής ανάλυσης XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANAlytical, Ολλανδία). Οι συγκεντρώσεις ακαθαρσιών στους αναπτυγμένους κρυστάλλους SiC αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας φασματομετρία μάζας δυναμικού δευτερογενούς ιόντος (SIMS, Cameca IMS-6f, Γαλλία). Η πυκνότητα της εξάρθρωσης των αναπτυσσόμενων κρυστάλλων αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας τοπογραφία ακτίνων Χ λευκής δέσμης σύγχροτρον στην πηγή φωτός Pohang.
Εικόνα 2: Διάγραμμα θερμικής ζώνης και μοντέλο πλέγματος ανάπτυξης PVT σε φούρνο επαγωγικής θέρμανσης.
Δεδομένου ότι οι μέθοδοι HTCVD και PVT αναπτύσσουν κρυστάλλους υπό ισορροπία αερίου-στερεάς φάσης στο μέτωπο ανάπτυξης, η επιτυχής ταχεία ανάπτυξη του SiC με τη μέθοδο HTCVD προκάλεσε την πρόκληση της ταχείας ανάπτυξης του SiC με τη μέθοδο PVT σε αυτή τη μελέτη. Η μέθοδος HTCVD χρησιμοποιεί μια πηγή αερίου που ελέγχεται εύκολα από τη ροή, ενώ η μέθοδος PVT χρησιμοποιεί μια στερεή πηγή που δεν ελέγχει άμεσα τη ροή. Ο ρυθμός ροής που παρέχεται στο μέτωπο ανάπτυξης στη μέθοδο PVT μπορεί να ελεγχθεί από τον ρυθμό εξάχνωσης της στερεάς πηγής μέσω ελέγχου κατανομής θερμοκρασίας, αλλά ο ακριβής έλεγχος της κατανομής θερμοκρασίας σε πρακτικά συστήματα ανάπτυξης δεν είναι εύκολο να επιτευχθεί.
Αυξάνοντας τη θερμοκρασία της πηγής στον αντιδραστήρα PVT, ο ρυθμός ανάπτυξης του SiC μπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας τον ρυθμό εξάχνωσης της πηγής. Για να επιτευχθεί σταθερή ανάπτυξη κρυστάλλων, ο έλεγχος της θερμοκρασίας στο μέτωπο ανάπτυξης είναι ζωτικής σημασίας. Για να αυξηθεί ο ρυθμός ανάπτυξης χωρίς να σχηματιστούν πολυκρυστάλλοι, πρέπει να επιτευχθεί μια κλίση υψηλής θερμοκρασίας στο μέτωπο ανάπτυξης, όπως φαίνεται από την ανάπτυξη SiC μέσω της μεθόδου HTCVD. Η ανεπαρκής κατακόρυφη αγωγιμότητα θερμότητας στο πίσω μέρος του καλύμματος θα πρέπει να διαχέει τη συσσωρευμένη θερμότητα στο μέτωπο ανάπτυξης μέσω της θερμικής ακτινοβολίας στην επιφάνεια ανάπτυξης, οδηγώντας στο σχηματισμό περίσσειας επιφανειών, π.χ. πολυκρυσταλλικής ανάπτυξης.
Και οι δύο διαδικασίες μεταφοράς μάζας και ανακρυστάλλωσης στη μέθοδο PVT είναι πολύ παρόμοιες με τη μέθοδο HTCVD, αν και διαφέρουν ως προς την πηγή SiC. Αυτό σημαίνει ότι η ταχεία ανάπτυξη του SiC είναι επίσης δυνατή όταν ο ρυθμός εξάχνωσης της πηγής SiC είναι αρκετά υψηλός. Ωστόσο, η επίτευξη μονοκρυστάλλων SiC υψηλής ποιότητας υπό συνθήκες υψηλής ανάπτυξης μέσω της μεθόδου PVT έχει πολλές προκλήσεις. Οι σκόνες του εμπορίου συνήθως περιέχουν ένα μείγμα μικρών και μεγάλων σωματιδίων. Λόγω των διαφορών της επιφανειακής ενέργειας, τα μικρά σωματίδια έχουν σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις ακαθαρσιών και εξαχνώνονται πριν από τα μεγάλα σωματίδια, οδηγώντας σε υψηλές συγκεντρώσεις ακαθαρσιών στα πρώιμα στάδια ανάπτυξης του κρυστάλλου. Επιπλέον, καθώς το στερεό SiC αποσυντίθεται σε είδη ατμού όπως το C και το Si, το SiC2 και το Si2C σε υψηλές θερμοκρασίες, το στερεό C σχηματίζεται αναπόφευκτα όταν η πηγή SiC εξαχνώνεται στη μέθοδο PVT. Εάν το σχηματιζόμενο στερεό C είναι μικρό και αρκετά ελαφρύ, υπό συνθήκες ταχείας ανάπτυξης, μικρά σωματίδια C, γνωστά ως «σκόνη C», μπορούν να μεταφερθούν στην επιφάνεια του κρυστάλλου με ισχυρή μεταφορά μάζας, με αποτέλεσμα εγκλείσματα στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο. Επομένως, για να μειωθούν οι ακαθαρσίες μετάλλων και η σκόνη C, το μέγεθος των σωματιδίων της πηγής SiC θα πρέπει γενικά να ελέγχεται σε διάμετρο μικρότερη από 200 μm και ο ρυθμός ανάπτυξης δεν πρέπει να υπερβαίνει τα ~0,4 mm/h για να διατηρείται η αργή μεταφορά μάζας και να αποκλείεται η αιώρηση C σκόνη. Οι ακαθαρσίες μετάλλων και η σκόνη C οδηγούν στην αποικοδόμηση των αναπτυγμένων κρυστάλλων SiC, που αποτελούν τα κύρια εμπόδια στην ταχεία ανάπτυξη του SiC μέσω της μεθόδου PVT.
Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν θρυμματισμένες πηγές CVD-SiC χωρίς μικρά σωματίδια, εξαλείφοντας την επιπλέουσα σκόνη C υπό ισχυρή μεταφορά μάζας. Έτσι, η δομή της θερμικής ζώνης σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PVT που βασίζεται σε προσομοίωση πολυφυσικής για την επίτευξη ταχείας ανάπτυξης SiC και η προσομοιωμένη κατανομή θερμοκρασίας και η κλίση θερμοκρασίας φαίνονται στο Σχήμα 3α.
Σχήμα 3: (α) Κατανομή θερμοκρασίας και κλίση θερμοκρασίας κοντά στο μέτωπο ανάπτυξης του αντιδραστήρα PVT που ελήφθη με ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων και (β) κατακόρυφη κατανομή θερμοκρασίας κατά μήκος της αξονικής συμμετρικής γραμμής.
Σε σύγκριση με τις τυπικές ρυθμίσεις θερμικής ζώνης για την ανάπτυξη κρυστάλλων SiC με ρυθμό ανάπτυξης 0,3 έως 0,8 mm/h κάτω από μια μικρή κλίση θερμοκρασίας μικρότερη από 1 °C/mm, οι ρυθμίσεις θερμικής ζώνης σε αυτή τη μελέτη έχουν σχετικά μεγάλη διαβάθμιση θερμοκρασίας ~ ~ 3,8°C/mm σε θερμοκρασία ανάπτυξης ~2268°C. Η τιμή της βαθμίδας θερμοκρασίας σε αυτή τη μελέτη είναι συγκρίσιμη με την ταχεία ανάπτυξη του SiC με ρυθμό 2,4 mm/h χρησιμοποιώντας τη μέθοδο HTCVD, όπου η βαθμίδα θερμοκρασίας έχει ρυθμιστεί σε ~14 °C/mm. Από την κατακόρυφη κατανομή θερμοκρασίας που φαίνεται στο Σχήμα 3β, επιβεβαιώσαμε ότι δεν υπήρχε αντίστροφη κλίση θερμοκρασίας που θα μπορούσε να σχηματίσει πολυκρυστάλλους κοντά στο μέτωπο ανάπτυξης, όπως περιγράφεται στη βιβλιογραφία.
Χρησιμοποιώντας το σύστημα PVT, οι κρύσταλλοι SiC αναπτύχθηκαν από την πηγή CVD-SiC για 4 ώρες, όπως φαίνεται στα Σχήματα 2 και 3. Μια αντιπροσωπευτική ανάπτυξη κρυστάλλων SiC από το αναπτυσσόμενο SiC φαίνεται στο Σχήμα 4α. Το πάχος και ο ρυθμός ανάπτυξης του κρυστάλλου SiC που φαίνεται στο Σχήμα 4α είναι 5,84 mm και 1,46 mm/h, αντίστοιχα. Η επίδραση της πηγής SiC στην ποιότητα, τον πολυτύπο, τη μορφολογία και την καθαρότητα του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου SiC που φαίνεται στο Σχήμα 4α διερευνήθηκε, όπως φαίνεται στα Σχήματα 4b-e. Η εικόνα τομογραφίας διατομής στο Σχήμα 4β δείχνει ότι η ανάπτυξη των κρυστάλλων είχε κυρτό σχήμα λόγω των υποβέλτιστων συνθηκών ανάπτυξης. Ωστόσο, η φασματοσκοπία micro-Raman στο Σχήμα 4c αναγνώρισε τον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο ως μια απλή φάση 4H-SiC χωρίς εγκλείσματα πολυτύπου. Η τιμή FWHM της κορυφής (0004) που λήφθηκε από την ανάλυση καμπύλης ταλάντωσης ακτίνων Χ ήταν 18,9 δευτερόλεπτα τόξου, επιβεβαιώνοντας επίσης την καλή ποιότητα κρυστάλλου.
Εικόνα 4: (α) Αναπτυσσόμενος κρύσταλλος SiC (ρυθμός ανάπτυξης 1,46 mm/h) και τα αποτελέσματα αξιολόγησής του με (β) τομογραφία διατομής, (γ) φασματοσκοπία micro-Raman, (δ) καμπύλη ταλάντωσης ακτίνων Χ και ( ε) Τοπογραφία ακτίνων Χ.
Το Σχήμα 4ε δείχνει την τοπογραφία ακτίνων Χ λευκής δέσμης που εντοπίζει γρατσουνιές και εξαρθρώσεις σπειρώματος στη γυαλισμένη γκοφρέτα του αναπτυγμένου κρυστάλλου. Η πυκνότητα εξάρθρωσης του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου μετρήθηκε ότι είναι -3000 ea/cm2, ελαφρώς υψηλότερη από την πυκνότητα εξάρθρωσης του κρυστάλλου σπόρου, η οποία ήταν -2000 ea/cm2. Ο αναπτυσσόμενος κρύσταλλος επιβεβαιώθηκε ότι έχει σχετικά χαμηλή πυκνότητα εξάρθρωσης, συγκρίσιμη με την ποιότητα κρυστάλλου των εμπορικών γκοφρετών. Είναι ενδιαφέρον ότι η ταχεία ανάπτυξη των κρυστάλλων SiC επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PVT με μια θρυμματισμένη πηγή CVD-SiC κάτω από μεγάλη διαβάθμιση θερμοκρασίας. Οι συγκεντρώσεις Β, ΑΙ και Ν στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο ήταν 2,18 × 1016, 7,61 × 1015 και 1,98 × 1019 άτομα/cm3, αντίστοιχα. Η συγκέντρωση του Ρ στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο ήταν κάτω από το όριο ανίχνευσης (<1,0 χ 1014 άτομα/cm3). Οι συγκεντρώσεις ακαθαρσιών ήταν αρκετά χαμηλές για τους φορείς φορτίου, εκτός από το Ν, το οποίο εσκεμμένα προστέθηκε κατά τη διάρκεια της διαδικασίας CVD.
Αν και η ανάπτυξη των κρυστάλλων σε αυτή τη μελέτη ήταν μικρής κλίμακας λαμβάνοντας υπόψη τα εμπορικά προϊόντα, η επιτυχής επίδειξη ταχείας ανάπτυξης SiC με καλή ποιότητα κρυστάλλων χρησιμοποιώντας την πηγή CVD-SiC μέσω της μεθόδου PVT έχει σημαντικές επιπτώσεις. Δεδομένου ότι οι πηγές CVD-SiC, παρά τις εξαιρετικές τους ιδιότητες, είναι ανταγωνιστικές ως προς το κόστος ανακυκλώνοντας απορριπτόμενα υλικά, αναμένουμε ότι η ευρεία χρήση τους ως πολλά υποσχόμενη πηγή SiC θα αντικαταστήσει τις πηγές σκόνης SiC. Για την εφαρμογή πηγών CVD-SiC για ταχεία ανάπτυξη του SiC, απαιτείται βελτιστοποίηση της κατανομής θερμοκρασίας στο σύστημα PVT, θέτοντας περαιτέρω ερωτήματα για μελλοντική έρευνα.
Σύναψη
Σε αυτή τη μελέτη, επιτεύχθηκε η επιτυχής επίδειξη της ταχείας ανάπτυξης κρυστάλλων SiC χρησιμοποιώντας θρυμματισμένα μπλοκ CVD-SiC υπό συνθήκες κλίσης υψηλής θερμοκρασίας μέσω της μεθόδου PVT. Είναι ενδιαφέρον ότι η ταχεία ανάπτυξη των κρυστάλλων SiC πραγματοποιήθηκε με την αντικατάσταση της πηγής SiC με τη μέθοδο PVT. Αυτή η μέθοδος αναμένεται να αυξήσει σημαντικά την απόδοση παραγωγής σε μεγάλη κλίμακα μονοκρυστάλλων SiC, μειώνοντας τελικά το μοναδιαίο κόστος των υποστρωμάτων SiC και προωθώντας την ευρεία χρήση συσκευών ισχύος υψηλής απόδοσης.
Ώρα δημοσίευσης: 19 Ιουλίου 2024