Mabilis na Paglago ng SiC Single Crystal GamitBultuhang CVD-SiCPinagmulan sa pamamagitan ng Sublimation Method
Sa pamamagitan ng paggamit ng recycledMga bloke ng CVD-SiCbilang pinagmulan ng SiC, matagumpay na lumaki ang mga kristal ng SiC sa bilis na 1.46 mm/h sa pamamagitan ng pamamaraang PVT. Ipinapahiwatig ng micropipe at dislocation density ng lumaki na kristal na sa kabila ng mataas na rate ng paglago, ang kalidad ng kristal ay mahusay.
Silicon carbide (SiC)ay isang malawak na bandgap na semiconductor na may mahusay na mga katangian para sa mga aplikasyon sa mataas na boltahe, mataas na kapangyarihan, at mataas na dalas. Ang pangangailangan nito ay mabilis na lumago sa mga nakaraang taon, lalo na sa larangan ng power semiconductor. Para sa mga aplikasyon ng power semiconductor, ang mga SiC single crystal ay pinalaki sa pamamagitan ng pag-sublimate ng high-purity na SiC source sa 2100–2500°C, pagkatapos ay nire-recrystallize sa isang seed crystal gamit ang physical vapor transport (PVT) na paraan, na sinusundan ng pagproseso upang makakuha ng mga single crystal substrate sa mga wafer. . Ayon sa kaugalian,Mga kristal ng SiCay lumaki gamit ang paraan ng PVT sa isang rate ng paglago na 0.3 hanggang 0.8 mm/h upang makontrol ang crystallinity, na medyo mabagal kumpara sa iba pang solong kristal na materyales na ginagamit sa mga aplikasyon ng semiconductor. Kapag ang mga kristal ng SiC ay lumago sa mataas na rate ng paglago gamit ang pamamaraang PVT, ang pagkasira ng kalidad kabilang ang mga pagsasama ng carbon, pinababang kadalisayan, paglaki ng polycrystalline, pagbuo ng hangganan ng butil, at mga dislokasyon at mga depekto sa porosity ay hindi ibinukod. Samakatuwid, ang mabilis na paglaki ng SiC ay hindi pa nabuo, at ang mabagal na rate ng paglago ng SiC ay naging isang malaking balakid sa pagiging produktibo ng mga substrate ng SiC.
Sa kabilang banda, ang mga kamakailang ulat sa mabilis na paglaki ng SiC ay gumagamit ng mga pamamaraan ng high-temperature chemical vapor deposition (HTCVD) kaysa sa paraan ng PVT. Ang pamamaraan ng HTCVD ay gumagamit ng singaw na naglalaman ng Si at C bilang pinagmulan ng SiC sa reaktor. Ang HTCVD ay hindi pa ginagamit para sa malakihang produksyon ng SiC at nangangailangan ng karagdagang pananaliksik at pagpapaunlad para sa komersyalisasyon. Kapansin-pansin, kahit na sa isang mataas na rate ng paglago na ∼3 mm / h, ang mga solong kristal ng SiC ay maaaring lumaki na may mahusay na kalidad ng kristal gamit ang pamamaraan ng HTCVD. Samantala, ang mga bahagi ng SiC ay ginamit sa mga proseso ng semiconductor sa ilalim ng malupit na kapaligiran na nangangailangan ng napakataas na kontrol sa proseso ng kadalisayan. Para sa mga aplikasyon ng proseso ng semiconductor, ∼99.9999% (∼6N) kadalisayan na mga bahagi ng SiC ay karaniwang inihahanda ng proseso ng CVD mula sa methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Gayunpaman, sa kabila ng mataas na kadalisayan ng mga bahagi ng CVD-SiC, ang mga ito ay itinapon pagkatapos gamitin. Kamakailan lamang, ang mga itinapon na bahagi ng CVD-SiC ay itinuturing na mga mapagkukunan ng SiC para sa paglaki ng kristal, bagaman ang ilang mga proseso ng pagbawi kasama ang pagdurog at paglilinis ay kinakailangan pa rin upang matugunan ang mataas na pangangailangan ng isang mapagkukunan ng paglago ng kristal. Sa pag-aaral na ito, ginamit namin ang mga itinapon na mga bloke ng CVD-SiC upang mag-recycle ng mga materyales bilang isang mapagkukunan para sa lumalagong mga kristal ng SiC. Ang mga bloke ng CVD-SiC para sa paglaki ng solong kristal ay inihanda bilang mga durog na bloke na kinokontrol ng laki, na makabuluhang naiiba sa hugis at sukat kumpara sa komersyal na SiC powder na karaniwang ginagamit sa proseso ng PVT, kaya ang pag-uugali ng paglago ng solong kristal ng SiC ay inaasahang magiging makabuluhang magkaiba. Bago magsagawa ng mga eksperimento sa paglago ng solong kristal ng SiC, isinagawa ang mga simulation ng computer upang makamit ang mataas na mga rate ng paglago, at ang thermal zone ay na-configure nang naaayon para sa solong paglaki ng kristal. Pagkatapos ng paglaki ng kristal, ang mga lumaki na kristal ay nasuri ng cross-sectional tomography, micro-Raman spectroscopy, high-resolution na X-ray diffraction, at synchrotron white beam X-ray topography.
Ipinapakita ng Figure 1 ang pinagmulan ng CVD-SiC na ginamit para sa paglaki ng PVT ng mga SiC crystal sa pag-aaral na ito. Tulad ng inilarawan sa pagpapakilala, ang mga bahagi ng CVD-SiC ay na-synthesize mula sa MTS ng proseso ng CVD at hinubog para sa paggamit ng semiconductor sa pamamagitan ng mekanikal na pagproseso. Ang N ay doped sa proseso ng CVD upang makamit ang kondaktibiti para sa mga aplikasyon ng proseso ng semiconductor. Pagkatapos gamitin sa mga proseso ng semiconductor, ang mga bahagi ng CVD-SiC ay dinurog upang ihanda ang pinagmulan para sa paglaki ng kristal, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Ang pinagmulan ng CVD-SiC ay inihanda bilang mga plato na may average na kapal na ∼0.5 mm at isang average na laki ng butil ng 49.75 mm.
Figure 1: CVD-SiC source na inihanda ng MTS-based na proseso ng CVD.
Gamit ang pinagmumulan ng CVD-SiC na ipinapakita sa Figure 1, ang mga SiC crystal ay pinalaki ng pamamaraan ng PVT sa isang induction heating furnace. Upang suriin ang pamamahagi ng temperatura sa thermal zone, ginamit ang commercial simulation code VR-PVT 8.2 (STR, Republic of Serbia). Ang reactor na may thermal zone ay namodelo bilang isang 2D axisymmetric na modelo, tulad ng ipinapakita sa Figure 2, kasama ang mesh na modelo nito. Ang lahat ng mga materyales na ginamit sa simulation ay ipinapakita sa Figure 2, at ang kanilang mga katangian ay nakalista sa Talahanayan 1. Batay sa mga resulta ng simulation, ang mga SiC crystal ay lumaki gamit ang pamamaraan ng PVT sa hanay ng temperatura na 2250–2350°C sa isang Ar atmosphere sa 35 Torr sa loob ng 4 na oras. Isang 4° off-axis 4H-SiC wafer ang ginamit bilang SiC seed. Ang mga lumaki na kristal ay nasuri ng micro-Raman spectroscopy (Witec, UHTS 300, Germany) at high-resolution na XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Netherlands). Ang mga konsentrasyon ng karumihan sa lumaki na mga kristal ng SiC ay nasuri gamit ang dynamic na pangalawang ion mass spectrometry (SIMS, Cameca IMS-6f, France). Ang dislocation density ng lumaki na mga kristal ay nasuri gamit ang synchrotron white beam X-ray topography sa Pohang Light Source.
Figure 2: Thermal zone diagram at mesh model ng PVT growth sa isang induction heating furnace.
Dahil ang mga pamamaraan ng HTCVD at PVT ay lumalaki ng mga kristal sa ilalim ng gas-solid phase equilibrium sa harap ng paglago, ang matagumpay na mabilis na paglaki ng SiC sa pamamagitan ng pamamaraang HTCVD ay nag-udyok sa hamon ng mabilis na paglaki ng SiC ng pamamaraan ng PVT sa pag-aaral na ito. Gumagamit ang HTCVD method ng gas source na madaling kontrolin ang daloy, habang ang PVT method ay gumagamit ng solid source na hindi direktang kinokontrol ang daloy. Ang rate ng daloy na ibinigay sa harap ng paglago sa paraan ng PVT ay maaaring kontrolin ng sublimation rate ng solid source sa pamamagitan ng kontrol sa pamamahagi ng temperatura, ngunit ang tumpak na kontrol ng pamamahagi ng temperatura sa mga praktikal na sistema ng paglago ay hindi madaling makamit.
Sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura ng pinagmulan sa PVT reactor, ang rate ng paglago ng SiC ay maaaring tumaas sa pamamagitan ng pagtaas ng sublimation rate ng source. Upang makamit ang matatag na paglaki ng kristal, ang kontrol sa temperatura sa harap ng paglago ay mahalaga. Upang mapataas ang rate ng paglago nang hindi bumubuo ng mga polycrystal, kailangang makamit ang isang mataas na temperatura na gradient sa harap ng paglago, tulad ng ipinapakita ng paglago ng SiC sa pamamagitan ng pamamaraang HTCVD. Ang hindi sapat na patayong pagpapadaloy ng init sa likod ng takip ay dapat mawala ang naipon na init sa harap ng paglago sa pamamagitan ng thermal radiation sa ibabaw ng paglago, na humahantong sa pagbuo ng labis na mga ibabaw, ibig sabihin, paglago ng polycrystalline.
Parehong mass transfer at recrystallization na proseso sa PVT method ay halos kapareho sa HTCVD method, bagama't magkaiba sila sa SiC source. Nangangahulugan ito na ang mabilis na paglaki ng SiC ay makakamit din kapag ang sublimation rate ng source ng SiC ay sapat na mataas. Gayunpaman, ang pagkamit ng mataas na kalidad na SiC solong kristal sa ilalim ng mataas na kondisyon ng paglago sa pamamagitan ng pamamaraan ng PVT ay may ilang mga hamon. Ang mga komersyal na pulbos ay karaniwang naglalaman ng pinaghalong maliliit at malalaking particle. Dahil sa mga pagkakaiba sa enerhiya sa ibabaw, ang mga maliliit na particle ay may medyo mataas na konsentrasyon ng karumihan at sublimate bago ang malalaking particle, na humahantong sa mataas na konsentrasyon ng karumihan sa mga unang yugto ng paglago ng kristal. Bukod pa rito, habang nabubulok ang solid SiC sa mga vapor species tulad ng C at Si, SiC2 at Si2C sa mataas na temperatura, hindi maiiwasang mabuo ang solid C kapag nag-sublimate ang SiC source sa PVT method. Kung ang nabuong solidong C ay maliit at sapat na magaan, sa ilalim ng mabilis na paglaki ng mga kondisyon, ang maliliit na C particle, na kilala bilang "C dust," ay maaaring dalhin sa ibabaw ng kristal sa pamamagitan ng malakas na paglipat ng masa, na nagreresulta sa mga pagsasama sa lumaking kristal. Samakatuwid, upang mabawasan ang mga dumi ng metal at C dust, ang laki ng butil ng pinagmulan ng SiC ay dapat na karaniwang kontrolin sa diameter na mas mababa sa 200 μm, at ang rate ng paglago ay hindi dapat lumampas sa ∼0.4 mm/h upang mapanatili ang mabagal na paglipat ng masa at hindi kasama ang lumulutang. C alikabok. Ang mga dumi ng metal at C dust ay humahantong sa pagkasira ng lumalagong mga kristal ng SiC, na siyang mga pangunahing hadlang sa mabilis na paglaki ng SiC sa pamamagitan ng pamamaraang PVT.
Sa pag-aaral na ito, ginamit ang mga durog na mapagkukunan ng CVD-SiC na walang maliliit na particle, na nag-aalis ng lumulutang na C dust sa ilalim ng malakas na paglipat ng masa. Kaya, ang istraktura ng thermal zone ay idinisenyo gamit ang multiphysics simulation-based na pamamaraan ng PVT upang makamit ang mabilis na paglaki ng SiC, at ang simulate na pamamahagi ng temperatura at gradient ng temperatura ay ipinapakita sa Figure 3a.
Figure 3: (a) Distribusyon ng temperatura at gradient ng temperatura malapit sa growth front ng PVT reactor na nakuha sa pamamagitan ng finite element analysis, at (b) vertical temperature distribution kasama ang axisymmetric line.
Kung ikukumpara sa karaniwang mga setting ng thermal zone para sa lumalaking SiC crystal sa rate ng paglago na 0.3 hanggang 0.8 mm/h sa ilalim ng maliit na gradient ng temperatura na mas mababa sa 1 °C/mm, ang mga setting ng thermal zone sa pag-aaral na ito ay may medyo malaking gradient ng temperatura na ∼ 3.8 °C/mm sa temperatura ng paglago na ∼2268°C. Ang halaga ng gradient ng temperatura sa pag-aaral na ito ay maihahambing sa mabilis na paglaki ng SiC sa bilis na 2.4 mm/h gamit ang pamamaraang HTCVD, kung saan nakatakda ang gradient ng temperatura sa ∼14 °C/mm. Mula sa patayong pamamahagi ng temperatura na ipinakita sa Figure 3b, kinumpirma namin na walang reverse temperature gradient na maaaring bumuo ng polycrystals na naroroon malapit sa harap ng paglago, tulad ng inilarawan sa panitikan.
Gamit ang PVT system, ang mga SiC crystal ay lumago mula sa CVD-SiC source sa loob ng 4 na oras, tulad ng ipinapakita sa Figures 2 at 3. Ang isang kinatawan ng SiC crystal na paglago mula sa lumaking SiC ay ipinapakita sa Figure 4a. Ang kapal at rate ng paglago ng SiC crystal na ipinapakita sa Figure 4a ay 5.84 mm at 1.46 mm/h, ayon sa pagkakabanggit. Ang epekto ng mapagkukunan ng SiC sa kalidad, polytype, morpolohiya, at kadalisayan ng lumaking kristal na SiC na ipinakita sa Figure 4a ay sinisiyasat, tulad ng ipinapakita sa Mga Figure 4b-e. Ang cross-sectional tomography na imahe sa Figure 4b ay nagpapakita na ang paglaki ng kristal ay hugis convex dahil sa mga suboptimal na kondisyon ng paglago. Gayunpaman, ang micro-Raman spectroscopy sa Figure 4c ay kinilala ang lumago na kristal bilang isang solong yugto ng 4H-SiC nang walang anumang polytype inclusions. Ang halaga ng FWHM ng (0004) peak na nakuha mula sa X-ray rocking curve analysis ay 18.9 arcseconds, na nagpapatunay din ng magandang kristal na kalidad.
Figure 4: (a) Grown SiC crystal (growth rate na 1.46 mm/h) at ang mga resulta ng pagsusuri nito sa (b) cross-sectional tomography, (c) micro-Raman spectroscopy, (d) X-ray rocking curve, at ( e) X-ray topography.
Ipinapakita ng Figure 4e ang white beam X-ray topography na tumutukoy sa mga gasgas at threading dislocations sa pinakintab na wafer ng lumaking kristal. Ang dislocation density ng lumaking kristal ay sinusukat na ∼3000 ea/cm², bahagyang mas mataas kaysa sa dislocation density ng seed crystal, na ∼2000 ea/cm². Ang lumaking kristal ay nakumpirma na may medyo mababang dislocation density, na maihahambing sa kristal na kalidad ng mga komersyal na wafer. Kapansin-pansin, ang mabilis na paglaki ng mga kristal ng SiC ay nakamit gamit ang pamamaraan ng PVT na may durog na mapagkukunan ng CVD-SiC sa ilalim ng isang malaking gradient ng temperatura. Ang mga konsentrasyon ng B, Al, at N sa lumaking kristal ay 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, at 1.98 × 10¹⁹ atoms/cm³, ayon sa pagkakabanggit. Ang konsentrasyon ng P sa lumaking kristal ay mas mababa sa limitasyon ng pagtuklas (<1.0 × 10¹⁴ atoms/cm³). Ang mga konsentrasyon ng karumihan ay sapat na mababa para sa mga carrier ng singil, maliban sa N, na sadyang na-doped sa panahon ng proseso ng CVD.
Kahit na ang paglaki ng kristal sa pag-aaral na ito ay maliit na isinasaalang-alang ang mga komersyal na produkto, ang matagumpay na pagpapakita ng mabilis na paglaki ng SiC na may mahusay na kalidad ng kristal gamit ang mapagkukunan ng CVD-SiC sa pamamagitan ng pamamaraan ng PVT ay may makabuluhang implikasyon. Dahil ang mga mapagkukunan ng CVD-SiC, sa kabila ng kanilang mahusay na mga katangian, ay mapagkumpitensya sa gastos sa pamamagitan ng pag-recycle ng mga itinapon na materyales, inaasahan namin ang kanilang malawakang paggamit bilang isang promising source ng SiC upang palitan ang mga mapagkukunan ng SiC powder. Upang mailapat ang mga pinagmumulan ng CVD-SiC para sa mabilis na paglaki ng SiC, kailangan ang pag-optimize ng pamamahagi ng temperatura sa sistema ng PVT, na naglalagay ng mga karagdagang katanungan para sa hinaharap na pananaliksik.
Konklusyon
Sa pag-aaral na ito, ang matagumpay na pagpapakita ng mabilis na paglaki ng kristal ng SiC gamit ang mga durog na bloke ng CVD-SiC sa ilalim ng mga kondisyon ng gradient na may mataas na temperatura sa pamamagitan ng pamamaraan ng PVT ay nakamit. Kapansin-pansin, ang mabilis na paglaki ng mga kristal ng SiC ay natanto sa pamamagitan ng pagpapalit ng mapagkukunan ng SiC sa pamamaraan ng PVT. Ang pamamaraang ito ay inaasahang makabuluhang tataas ang malakihang kahusayan sa produksyon ng mga solong kristal ng SiC, sa huli ay binabawasan ang halaga ng yunit ng mga substrate ng SiC at nagpo-promote ng malawakang paggamit ng mga high-performance na power device.
Oras ng post: Hul-19-2024