SiC ერთკრისტალების სწრაფი ზრდა CVD-SiC ნაყარი წყაროს გამოყენებით სუბლიმაციის მეთოდით

SiC ერთკრისტალის სწრაფი ზრდაCVD-SiC ნაყარიწყარო სუბლიმაციის მეთოდით
რეციკლირებული გამოყენებითCVD-SiC ბლოკებიროგორც SiC წყარო, SiC კრისტალები წარმატებით გაიზარდა 1.46 მმ/სთ სიჩქარით PVT მეთოდით. გაზრდილი ბროლის მიკრომილაკი და დისლოკაციის სიმკვრივე მიუთითებს იმაზე, რომ მიუხედავად მაღალი ზრდის ტემპისა, ბროლის ხარისხი შესანიშნავია.

სილიციუმის კარბიდი (SiC)არის ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარი შესანიშნავი თვისებებით მაღალი ძაბვის, მაღალი სიმძლავრის და მაღალი სიხშირის გამოყენებისთვის. მისი მოთხოვნა ბოლო წლებში სწრაფად გაიზარდა, განსაკუთრებით ენერგეტიკული ნახევარგამტარების სფეროში. ენერგეტიკული ნახევარგამტარული გამოყენებისთვის, SiC ერთკრისტალები იზრდება მაღალი სისუფთავის SiC წყაროს სუბლიმაციის გზით 2100–2500°C ტემპერატურაზე, შემდეგ კრისტალიზდება თესლ კრისტალზე ფიზიკური ორთქლის ტრანსპორტირების (PVT) მეთოდის გამოყენებით, რასაც მოჰყვება დამუშავება ვაფლებზე ერთკრისტალური სუბსტრატების მისაღებად. . ტრადიციულად,SiC კრისტალებიიზრდებიან PVT მეთოდის გამოყენებით 0.3-დან 0.8 მმ/სთ-მდე ზრდის ტემპით კრისტალურობის გასაკონტროლებლად, რაც შედარებით ნელია ნახევარგამტარულ პროგრამებში გამოყენებულ სხვა ერთკრისტალურ მასალებთან შედარებით. როდესაც SiC კრისტალები იზრდება მაღალი ზრდის ტემპებით PVT მეთოდის გამოყენებით, ხარისხის დეგრადაცია ნახშირბადის ჩანართების ჩათვლით, შემცირებული სისუფთავე, პოლიკრისტალური ზრდა, მარცვლის საზღვრების ფორმირება და დისლოკაციისა და ფორიანობის დეფექტები არ არის გამორიცხული. ამიტომ, SiC-ის სწრაფი ზრდა არ განვითარებულა და SiC-ის ნელი ზრდის ტემპი იყო მთავარი დაბრკოლება SiC სუბსტრატების პროდუქტიულობისთვის.

მეორეს მხრივ, ბოლოდროინდელი მოხსენებები SiC-ის სწრაფი ზრდის შესახებ იყენებდნენ მაღალტემპერატურულ ორთქლის დეპონირების მეთოდებს, ვიდრე PVT მეთოდს. HTCVD მეთოდი იყენებს ორთქლს, რომელიც შეიცავს Si და C-ს, როგორც SiC წყაროს რეაქტორში. HTCVD ჯერ არ არის გამოყენებული SiC-ის ფართომასშტაბიანი წარმოებისთვის და კომერციალიზაციისთვის საჭიროებს შემდგომ კვლევასა და განვითარებას. საინტერესოა, რომ ~3 მმ/სთ ზრდის მაღალი სიჩქარითაც კი, SiC ერთკრისტალები შეიძლება გაიზარდოს კარგი ბროლის ხარისხით HTCVD მეთოდის გამოყენებით. იმავდროულად, SiC კომპონენტები გამოიყენებოდა ნახევარგამტარულ პროცესებში მკაცრი გარემოში, რომელიც მოითხოვს უკიდურესად მაღალი სისუფთავის პროცესის კონტროლს. ნახევარგამტარული პროცესის გამოყენებისთვის, ~99,9999% (~6N) სიწმინდის SiC კომპონენტები ჩვეულებრივ მზადდება CVD პროცესით მეთილტრიქლოროსილანისგან (CH3Cl3Si, MTS). თუმცა, მიუხედავად CVD-SiC კომპონენტების მაღალი სისუფთავისა, ისინი განადგურდა გამოყენების შემდეგ. ბოლო დროს, გადაყრილი CVD-SiC კომპონენტები განიხილება, როგორც კრისტალური ზრდის SiC წყარო, თუმცა ზოგიერთი აღდგენის პროცესი, მათ შორის დამსხვრეული და გაწმენდის ჩათვლით, ჯერ კიდევ საჭიროა ბროლის ზრდის წყაროს მაღალი მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად. ამ კვლევაში, ჩვენ გამოვიყენეთ გადაყრილი CVD-SiC ბლოკები მასალების გადასამუშავებლად, როგორც წყარო SiC კრისტალების ზრდისთვის. CVD-SiC ბლოკები ერთკრისტალური ზრდისთვის მომზადდა, როგორც ზომით კონტროლირებადი დამსხვრეული ბლოკები, რომლებიც მნიშვნელოვნად განსხვავდებიან ფორმაში და ზომებში, ვიდრე კომერციული SiC ფხვნილი, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება PVT პროცესში, შესაბამისად, SiC ერთკრისტალური ზრდის ქცევა მოსალოდნელი იყო მნიშვნელოვნად. განსხვავებული. SiC ერთკრისტალური ზრდის ექსპერიმენტების ჩატარებამდე ჩატარდა კომპიუტერული სიმულაციები ზრდის მაღალი ტემპების მისაღწევად და თერმული ზონა შესაბამისად იყო კონფიგურირებული ერთკრისტალური ზრდისთვის. კრისტალების ზრდის შემდეგ, ზრდასრული კრისტალები შეფასდა ჯვარედინი ტომოგრაფიით, მიკრორამანის სპექტროსკოპიით, მაღალი გარჩევადობის რენტგენის დიფრაქციისა და სინქროტრონის თეთრი სხივის რენტგენის ტოპოგრაფიით.
სურათი 1 გვიჩვენებს CVD-SiC წყაროს, რომელიც გამოიყენება ამ კვლევაში SiC კრისტალების PVT ზრდისთვის. როგორც შესავალშია აღწერილი, CVD-SiC კომპონენტები სინთეზირებული იყო MTS-დან CVD პროცესით და ჩამოყალიბდა ნახევარგამტარული გამოყენებისთვის მექანიკური დამუშავების გზით. N იყო დოპინგი CVD პროცესში ნახევარგამტარული პროცესის გამოყენებისთვის გამტარობის მისაღწევად. ნახევარგამტარულ პროცესებში გამოყენების შემდეგ, CVD-SiC კომპონენტები გაანადგურეს, რათა მომზადდეს წყარო კრისტალური ზრდისთვის, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1. CVD-SiC წყარო მომზადდა ფირფიტების სახით, საშუალო სისქით ~0,5 მმ და საშუალო ნაწილაკების ზომა: 49,75 მმ.

სურათი 1: CVD-SiC წყარო მომზადებული MTS-ზე დაფუძნებული CVD პროცესით.

სურათი 1-ში ნაჩვენები CVD-SiC წყაროს გამოყენებით, SiC კრისტალები გაიზარდა PVT მეთოდით ინდუქციური გათბობის ღუმელში. თერმულ ზონაში ტემპერატურის განაწილების შესაფასებლად გამოყენებული იქნა კომერციული სიმულაციური კოდი VR-PVT 8.2 (STR, სერბეთის რესპუბლიკა). თერმული ზონის მქონე რეაქტორი მოდელირებული იყო, როგორც 2D ღერძული სიმეტრიული მოდელი, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2, თავისი ბადის მოდელით. სიმულაციაში გამოყენებული ყველა მასალა ნაჩვენებია სურათზე 2 და მათი თვისებები ჩამოთვლილია ცხრილში 1. სიმულაციის შედეგების საფუძველზე, SiC კრისტალები გაიზარდა PVT მეთოდის გამოყენებით 2250–2350°C ტემპერატურის დიაპაზონში Ar ატმოსფეროში 35 ტორ 4 საათის განმავლობაში. SiC თესლად გამოყენებული იყო 4°-იანი ღერძიდან 4H-SiC ვაფლი. გაზრდილი კრისტალები შეფასდა მიკრორამანის სპექტროსკოპიით (Witec, UHTS 300, გერმანია) და მაღალი გარჩევადობის XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, ​​PANalytical, ნიდერლანდები). გაზრდილ SiC კრისტალებში მინარევების კონცენტრაცია შეფასდა დინამიური მეორადი იონის მასის სპექტრომეტრიის გამოყენებით (SIMS, Cameca IMS-6f, საფრანგეთი). გაზრდილი კრისტალების დისლოკაციის სიმკვრივე შეფასდა სინქროტრონის თეთრი სხივის რენტგენის ტოპოგრაფიის გამოყენებით პოჰანგის სინათლის წყაროზე.

სურათი 2: თერმული ზონის დიაგრამა და PVT ზრდის ბადის მოდელი ინდუქციური გათბობის ღუმელში.

ვინაიდან HTCVD და PVT მეთოდები ზრდის კრისტალებს გაზის-მყარი ფაზის წონასწორობის პირობებში ზრდის ფრონტზე, HTCVD მეთოდით SiC-ის წარმატებულმა სწრაფმა ზრდამ გამოიწვია ამ კვლევაში PVT მეთოდით SiC-ის სწრაფი ზრდის გამოწვევა. HTCVD მეთოდი იყენებს გაზის წყაროს, რომელიც ადვილად კონტროლდება, ხოლო PVT მეთოდი იყენებს მყარ წყაროს, რომელიც პირდაპირ არ აკონტროლებს ნაკადს. ზრდის ფრონტზე მიწოდებული ნაკადის სიჩქარე PVT მეთოდით შეიძლება კონტროლდებოდეს მყარი წყაროს სუბლიმაციის სიჩქარით ტემპერატურის განაწილების კონტროლის საშუალებით, მაგრამ ტემპერატურის განაწილების ზუსტი კონტროლი პრაქტიკულ ზრდის სისტემებში ადვილი მისაღწევი არ არის.
PVT რეაქტორში წყაროს ტემპერატურის გაზრდით, SiC-ის ზრდის ტემპი შეიძლება გაიზარდოს წყაროს სუბლიმაციის სიჩქარის გაზრდით. სტაბილური კრისტალური ზრდის მისაღწევად, ტემპერატურის კონტროლი ზრდის ფრონტზე გადამწყვეტია. ზრდის ტემპის გასაზრდელად პოლიკრისტალების წარმოქმნის გარეშე, საჭიროა მაღალი ტემპერატურის გრადიენტის მიღწევა ზრდის ფრონტზე, როგორც ეს ნაჩვენებია SiC ზრდით HTCVD მეთოდით. არაადეკვატური ვერტიკალური თბოგამტარობა თავსახურის უკანა მხარეს უნდა გაფანტოს დაგროვილი სითბო ზრდის ფრონტზე თერმული გამოსხივების მეშვეობით ზრდის ზედაპირზე, რაც გამოიწვევს ჭარბი ზედაპირების წარმოქმნას, ანუ პოლიკრისტალურ ზრდას.
მასის გადაცემის და რეკრისტალიზაციის პროცესები PVT მეთოდში ძალიან ჰგავს HTCVD მეთოდს, თუმცა ისინი განსხვავდებიან SiC წყაროში. ეს ნიშნავს, რომ SiC-ის სწრაფი ზრდა ასევე შესაძლებელია, როდესაც SiC წყაროს სუბლიმაციის სიჩქარე საკმარისად მაღალია. თუმცა, მაღალი ხარისხის SiC ერთკრისტალების მიღწევას მაღალი ზრდის პირობებში PVT მეთოდით რამდენიმე გამოწვევა აქვს. კომერციული ფხვნილები, როგორც წესი, შეიცავს მცირე და დიდი ნაწილაკების ნარევს. ზედაპირის ენერგეტიკული განსხვავებების გამო, მცირე ნაწილაკებს აქვთ მინარევების შედარებით მაღალი კონცენტრაცია და სუბლიმირებულია დიდი ნაწილაკების წინ, რაც იწვევს მინარევების მაღალ კონცენტრაციას კრისტალის ზრდის ადრეულ ეტაპზე. გარდა ამისა, როდესაც მყარი SiC იშლება ორთქლის სახეობებად, როგორიცაა C და Si, SiC2 და Si2C მაღალ ტემპერატურაზე, მყარი C აუცილებლად წარმოიქმნება, როდესაც SiC წყარო სუბლიმდება PVT მეთოდით. თუ წარმოქმნილი მყარი C არის პატარა და საკმარისად მსუბუქი, სწრაფი ზრდის პირობებში, მცირე C ნაწილაკები, რომლებიც ცნობილია როგორც "C მტვერი", შეიძლება გადაიტანონ ბროლის ზედაპირზე ძლიერი მასის გადაცემის გზით, რის შედეგადაც მომწიფებულ კრისტალში შედის. ამიტომ, ლითონის მინარევების და C მტვრის შესამცირებლად, SiC-ის წყაროს ნაწილაკების ზომა ზოგადად უნდა კონტროლდებოდეს 200 მკმ-ზე ნაკლებ დიამეტრზე და ზრდის ტემპი არ უნდა აღემატებოდეს ~0.4 მმ/სთ-ს, რათა შენარჩუნდეს მასის ნელი გადაცემა და გამორიცხოს მცურავი. C მტვერი. ლითონის მინარევები და C მტვერი იწვევს გაზრდილი SiC კრისტალების დეგრადაციას, რაც მთავარი დაბრკოლებაა SiC-ის სწრაფი ზრდისთვის PVT მეთოდით.
ამ კვლევაში გამოყენებული იქნა დამსხვრეული CVD-SiC წყაროები მცირე ნაწილაკების გარეშე, რომლებიც აღმოფხვრა მცურავი C მტვერი ძლიერი მასის გადაცემის დროს. ამრიგად, თერმული ზონის სტრუქტურა შეიქმნა მულტიფიზიკურ სიმულაციაზე დაფუძნებული PVT მეთოდის გამოყენებით SiC სწრაფი ზრდის მისაღწევად, ხოლო სიმულირებული ტემპერატურის განაწილება და ტემპერატურის გრადიენტი ნაჩვენებია სურათზე 3a.

სურათი 3: (ა) ტემპერატურის განაწილება და ტემპერატურის გრადიენტი PVT რეაქტორის ზრდის ფრონტის მახლობლად, მიღებული სასრული ელემენტების ანალიზით, და (ბ) ტემპერატურის ვერტიკალური განაწილება ღერძული სიმეტრიული ხაზის გასწვრივ.
ტიპიური თერმული ზონის პარამეტრებთან შედარებით SiC კრისტალების ზრდის ტემპით 0,3-დან 0,8 მმ/სთ-მდე 1 °C/მმ-ზე ნაკლები ტემპერატურული გრადიენტის პირობებში, ამ კვლევაში თერმული ზონის პარამეტრებს აქვთ შედარებით დიდი ტემპერატურის გრადიენტი ~ ~. 3,8 °C/მმ ~2268°C ზრდის ტემპერატურაზე. ტემპერატურის გრადიენტის მნიშვნელობა ამ კვლევაში შედარებულია SiC-ის სწრაფ ზრდასთან 2.4 მმ/სთ სიჩქარით HTCVD მეთოდის გამოყენებით, სადაც ტემპერატურის გრადიენტი დაყენებულია ~14 °C/მმ. 3b-ზე ნაჩვენები ტემპერატურის ვერტიკალური განაწილებიდან, ჩვენ დავადასტურეთ, რომ არ იყო საპირისპირო ტემპერატურული გრადიენტი, რომელსაც შეეძლო პოლიკრისტალების შექმნა, ზრდის ფრონტთან ახლოს, როგორც ეს აღწერილია ლიტერატურაში.
PVT სისტემის გამოყენებით, SiC კრისტალები გაიზარდა CVD-SiC წყაროდან 4 საათის განმავლობაში, როგორც ნაჩვენებია სურათებში 2 და 3. წარმომადგენლობითი SiC კრისტალების ზრდა მოზრდილი SiC-დან ნაჩვენებია სურათზე 4a. 4a სურათზე ნაჩვენები SiC კრისტალის სისქე და ზრდის ტემპი არის 5.84 მმ და 1.46 მმ/სთ, შესაბამისად. გამოკვლეული იყო SiC წყაროს გავლენა ხარისხზე, პოლიტიპზე, მორფოლოგიასა და სისუფთავეზე, რომელიც ნაჩვენებია სურათ 4a-ში, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 4b-e. განივი ტომოგრაფიის სურათი 4b სურათზე გვიჩვენებს, რომ კრისტალური ზრდა იყო ამოზნექილი ფორმის ზრდის არაოპტიმალური პირობების გამო. თუმცა, მიკრორამანის სპექტროსკოპიამ სურათზე 4c დაადგინა ზრდასრული კრისტალი, როგორც 4H-SiC-ის ერთი ფაზა ყოველგვარი პოლიტიპური ჩანართების გარეშე. რენტგენის რხევის მრუდის ანალიზით მიღებული (0004) პიკის FWHM მნიშვნელობა იყო 18,9 რკალი წამი, რაც ასევე ადასტურებს კრისტალების კარგ ხარისხს.

სურათი 4: (ა) გაზრდილი SiC კრისტალი (ზრდის სიჩქარე 1.46 მმ/სთ) და მისი შეფასების შედეგები (ბ) განივი ტომოგრაფიით, (გ) მიკრორამანის სპექტროსკოპიით, (დ) რენტგენის ქანების მრუდი და ( ე) რენტგენის ტოპოგრაფია.

სურათი 4e გვიჩვენებს თეთრი სხივის რენტგენის ტოპოგრაფიას, რომელიც იდენტიფიცირებს ნაკაწრებს და ძაფების დისლოკაციას მოზრდილი ბროლის გაპრიალებულ ვაფლში. გაზრდილი ბროლის დისლოკაციის სიმკვრივე გაზომილი იყო ~3000 ea/cm², ოდნავ უფრო მაღალი ვიდრე თესლის კრისტალის დისლოკაციის სიმკვრივე, რომელიც იყო ~2000 ea/cm². დადასტურდა, რომ მოზრდილ კრისტალს აქვს შედარებით დაბალი დისლოკაციის სიმკვრივე, რომელიც შედარებულია კომერციული ვაფლის კრისტალების ხარისხთან. საინტერესოა, რომ SiC კრისტალების სწრაფი ზრდა მიღწეული იქნა PVT მეთოდის გამოყენებით დამსხვრეული CVD-SiC წყაროს დიდი ტემპერატურის გრადიენტის ქვეშ. B, Al და N-ის კონცენტრაციები მოყვანილ კრისტალში იყო 2,18 × 1016, 7,61 × 1015, და 1,98 × 1019 ატომები/სმ3, შესაბამისად. გაზრდილ კრისტალში P-ის კონცენტრაცია იყო გამოვლენის ლიმიტის ქვემოთ (<1,0 × 1014 ატომ/სმ3). მინარევების კონცენტრაცია საკმარისად დაბალი იყო მუხტის მატარებლებისთვის, გარდა N-ისა, რომელიც განზრახ დოპინგი იყო CVD პროცესის დროს.
მიუხედავად იმისა, რომ კრისტალების ზრდა ამ კვლევაში იყო მცირე მასშტაბის კომერციული პროდუქტების გათვალისწინებით, სწრაფი SiC ზრდის წარმატებულ დემონსტრირებას კარგი კრისტალების ხარისხით CVD-SiC წყაროს გამოყენებით PVT მეთოდის მეშვეობით მნიშვნელოვანი შედეგები აქვს. ვინაიდან CVD-SiC წყაროები, მიუხედავად მათი შესანიშნავი თვისებებისა, კონკურენტუნარიანია გადაყრილი მასალების გადამუშავებით, ჩვენ ველით, რომ მათი ფართო გამოყენება, როგორც პერსპექტიული SiC წყარო, ჩაანაცვლებს SiC ფხვნილის წყაროებს. SiC-ის სწრაფი ზრდისთვის CVD-SiC წყაროების გამოსაყენებლად საჭიროა PVT სისტემაში ტემპერატურის განაწილების ოპტიმიზაცია, რაც შემდგომ კითხვებს სვამს მომავალი კვლევისთვის.

დასკვნა
ამ კვლევაში მიღწეული იქნა SiC კრისტალების სწრაფი ზრდის წარმატებული დემონსტრირება დაქუცმაცებული CVD-SiC ბლოკების გამოყენებით მაღალი ტემპერატურის გრადიენტის პირობებში PVT მეთოდით. საინტერესოა, რომ SiC კრისტალების სწრაფი ზრდა განხორციელდა SiC წყაროს PVT მეთოდით ჩანაცვლებით. მოსალოდნელია, რომ ეს მეთოდი მნიშვნელოვნად გაზრდის SiC ერთკრისტალების ფართომასშტაბიანი წარმოების ეფექტურობას, საბოლოოდ შეამცირებს SiC სუბსტრატების ერთეულის ღირებულებას და ხელს შეუწყობს მაღალი ხარისხის ენერგეტიკული მოწყობილობების ფართო გამოყენებას.