Sublimasiýa usuly bilen CVD-SiC köp çeşmesini ulanyp, SiC ýeke kristallarynyň çalt ösmegi

SiC ýeke kristal ulanylyşynyň çalt ösmegiCVD-SiC BulkSublimasiýa usuly arkaly çeşme
Gaýtadan işlenen ulanmak arkalyCVD-SiC bloklarySiC çeşmesi hökmünde SiC kristallary PVT usuly arkaly 1,46 mm / sag tizlikde üstünlikli ösdürilip ýetişdirildi. Ulaldylan kristalyň mikrop turbasy we ýerleşiş dykyzlygy ýokary ösüş depginine garamazdan kristalyň hiliniň ajaýypdygyny görkezýär.

Silikon karbid (SiC)ýokary woltly, ýokary kuwwatly we ýokary ýygylykdaky programmalar üçin ajaýyp häsiýetli giň zolakly ýarymgeçiriji. Soňky ýyllarda, esasanam elektrik ýarymgeçiriji pudagynda onuň islegi çalt ösdi. Kuwwat ýarymgeçiriji goşundylary üçin, SiC ýeke kristallary ýokary arassa SiC çeşmesini 2100–2500 ° C derejesinde sublimirlemek arkaly ösdürilýär, soňra fiziki bug transporty (PVT) usuly bilen tohum kristalyna gaýtadan dikeldilýär we waflerde ýekeje kristal substrat almak üçin gaýtadan işlenýär. . Däp bolşy ýaly,SiC kristallaryKristallygy dolandyrmak üçin PVT usuly bilen 0,3 - 0,8 mm / sag aralygynda ösýär, ýarymgeçiriji programmalarda ulanylýan beýleki ýekeje kristal materiallar bilen deňeşdirilende has haýal. SiC kristallary PVT usuly bilen ýokary ösüş depginde ösdürilip ýetişdirilende, uglerodyň goşulmagy, arassalygyň peselmegi, polikristally ösüş, däne araçäginiň emele gelmegi, ýeriň üýtgemegi we gözenegiň kemçilikleri ýaly hiliň peselmegi aradan aýrylmaýar. Şonuň üçin SiC-iň çalt ösmegi ösmedi we SiC-iň haýal ösüş depgini SiC substratlarynyň öndürijiligine esasy päsgelçilik boldy.

Beýleki tarapdan, SiC-iň çalt ösýändigi baradaky soňky habarlarda PVT usuly däl-de, ýokary temperaturaly himiki bug çökdürmek (HTCVD) usullary ulanylýar. HTCVD usuly reaktordaky SiC çeşmesi hökmünde Si we C bolan bugy ulanýar. HTCVD entek SiC-iň uly önümçiligi üçin ulanylmady we täjirleşdirmek üçin has köp gözleg we ösüş talap edýär. Gyzykly tarapy, hatda ∼3 mm / sag ýokary ösüş depginde-de, SiC ýeke kristallary HTCVD usuly bilen gowy kristal hili bilen ösdürip bolýar. Bu aralykda, SiC komponentleri gaty ýokary arassalyk gözegçiligini talap edýän agyr şertlerde ýarymgeçiriji proseslerde ulanyldy. Ondarymgeçiriji prosesi amaly programmalary üçin ∼99.9999% (∼6N) arassalyk SiC komponentleri, adatça metiltrihlorosilandan (CH3Cl3Si, MTS) CVD prosesi bilen taýýarlanýar. Şeýle-de bolsa, CVD-SiC komponentleriniň arassalygyna garamazdan, ulanylandan soň taşlandy. Recentlyakynda taşlanan CVD-SiC komponentleri hrustal ösmek üçin SiC çeşmesi hasaplandy, emma kristal ösüş çeşmesiniň ýokary talaplaryny kanagatlandyrmak üçin ezmek we arassalamak ýaly käbir dikeldiş amallary talap edilýär. Bu gözlegde, SiC kristallarynyň ösmegi üçin çeşme hökmünde materiallary gaýtadan işlemek üçin taşlanan CVD-SiC bloklaryny ulandyk. Singleeke-täk kristal ösmek üçin CVD-SiC bloklary, PVT prosesinde köplenç ulanylýan täjirçilik SiC tozy bilen deňeşdirilende görnüşi we ululygy bilen düýpgöter tapawutlanýan ululykda dolandyrylýan ezilen bloklar hökmünde taýýarlandy, şonuň üçin SiC ýeke kristal ösüşiniň özüni alyp barşynyň ep-esli bolmagyna garaşylýar; başga. SiC ýeke kristal ösüş synaglaryny geçirmezden ozal, ýokary ösüş depginlerine ýetmek üçin kompýuter simulýasiýalary geçirildi we ýylylyk zolagy ýekeje kristal ösmegi üçin düzüldi. Kristal ulalandan soň ösen kristallara kesişýän tomografiýa, mikro-Raman spektroskopiýasy, ýokary çözgütli rentgen difraksiýasy we sinhrotron ak şöhle rentgen topografiýasy bilen baha berildi.
1-nji suratda bu işde SiC kristallarynyň PVT ösmegi üçin ulanylýan CVD-SiC çeşmesi görkezilýär. Girişde beýan edilişi ýaly, CVD-SiC komponentleri MTS-den CVD prosesi bilen sintez edildi we ýarymgeçirijini mehaniki gaýtadan işlemek arkaly ulanmak üçin şekillendirildi. Narymgeçiriji prosessor programmalarynyň geçirijiligini gazanmak üçin N CVD prosesinde dop edildi. Ondarymgeçiriji proseslerde ulanylandan soň, 1-nji suratda görkezilişi ýaly, kristal ösmegi üçin çeşmäni taýýarlamak üçin CVD-SiC komponentleri ezildi, CVD-SiC çeşmesi ortaça galyňlygy ∼0.5 mm we bölejikleriň ortaça ululygy ýaly tabaklar hökmünde taýýarlandy. 49,75 mm.

1-nji surat: MTS esasly CVD prosesi tarapyndan taýýarlanan CVD-SiC çeşmesi.

1-nji suratda görkezilen CVD-SiC çeşmesini ulanyp, SiC kristallary PVT usuly bilen induksiýa ýyladyş peçinde ösdürilip ýetişdirildi. Malylylyk zonasyndaky temperaturanyň paýlanyşyna baha bermek üçin täjirçilik simulýasiýa kody VR-PVT 8.2 (STR, Serbiýa Respublikasy) ulanyldy. Malylylyk zolagy bolan reaktor, 2-nji suratda görkezilişi ýaly, 2D modeli bilen 2D akisimmetrik model hökmünde modellendi. Simulýasiýada ulanylýan ähli materiallar 2-nji suratda görkezilýär we olaryň häsiýetleri 1-nji tablisada görkezilýär. Simulýasiýa netijelerine görä, Si atmosferasy Ar atmosferasynda 2250–2350 ° C temperatura aralygynda PVT usuly bilen ösdürilip ýetişdirildi. 35 Torr 4 sagat. SiC tohumy hökmünde 4 ° okdan 4H-SiC wafli ulanyldy. Ulaldylan kristallara mikro-Raman spektroskopiýasy (Witec, UHTS 300, Germaniýa) we ýokary çözgütli XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, ​​PANalytical, Gollandiýa) baha berildi. Ulaldylan SiC kristallaryndaky haramlyk konsentrasiýalary dinamiki ikinji ion köpçülik spektrometri (SIMS, Cameca IMS-6f, Fransiýa) ulanylyp baha berildi. Ulaldylan kristallaryň ýerleşiş dykyzlygy Pohang ýagtylyk çeşmesinde sinhrotron ak şöhle rentgen topografiýasy arkaly bahalandyryldy.

2-nji surat: Induksiýa ýyladyş peçinde ýylylyk zonasynyň diagrammasy we PVT ösüşiniň mesh modeli.

HTCVD we PVT usullary ösüşiň öň tarapynda gaz-gaty faza deňagramlylygy astynda kristallary ösdürip ýetişdirýändigi sebäpli, HTCVD usuly bilen SiC-iň üstünlikli çalt ösmegi bu işde PVT usuly bilen SiC-iň çalt ösmegine kynçylyk döretdi. HTCVD usuly aňsatlyk bilen dolandyrylýan gaz çeşmesini ulanýar, PVT usuly bolsa akymy gönüden-göni dolandyrmaýan berk çeşmäni ulanýar. PVT usulynda ösüşiň öň tarapyna berlen akym tizligini, temperaturanyň paýlanyşyna gözegçilik etmek arkaly gaty çeşmäniň sublimasiýa tizligi bilen dolandyryp bolýar, ýöne amaly ösüş ulgamlarynda temperaturanyň paýlanyşyna takyk gözegçilik etmek aňsat däl.
PVT reaktorynda çeşmäniň temperaturasyny ýokarlandyrmak bilen, çeşmäniň sublimasiýa tizligini ýokarlandyrmak arkaly SiC-iň ösüş depgini ýokarlanyp bilner. Durnukly kristal ösüşi gazanmak üçin ösüşiň öňündäki temperatura gözegçilik etmek möhümdir. Polikristallary emele getirmän ösüş depginini ýokarlandyrmak üçin, HTCVD usuly arkaly SiC ösüşiniň görkezişi ýaly, ösüşiň öň tarapynda ýokary temperaturaly gradiýent gazanylmaly. Kepkanyň arka tarapyna ýeterlik däl dik ýylylyk geçirijisi, ýygnanan ýylylygy ýylylyk radiasiýasy arkaly ösüş ýüzüne ýaýratmaly, artykmaç ýerleriň döremegine, ýagny polikristally ösmegine sebäp bolmaly.
PVT usulyndaky köpçülikleýin geçiriş we gaýtadan gurnamak amallary, SiC çeşmesinde tapawutlanýandyklaryna garamazdan, HTCVD usulyna gaty meňzeýär. Bu, SiC çeşmesiniň sublimasiýa derejesi ýeterlik derejede ýokary bolanda SiC-iň çalt ösmegine-de ýetip boljakdygyny aňladýar. Şeýle-de bolsa, PVT usuly arkaly ýokary ösüş şertlerinde ýokary hilli SiC ýeke kristallaryna ýetmek birnäçe kynçylyklary başdan geçirýär. Söwda tozanlary, adatça ownuk we uly bölejikleriň garyndysyny öz içine alýar. Surfaceerüsti energiýa tapawudy sebäpli kiçi bölejikler has ýokary hapa konsentrasiýalaryna eýe bolup, uly bölejikleriň öňünde sublimasiýa bolýar, bu bolsa kristalyň irki ösüş döwründe ýokary hapa konsentrasiýalaryna sebäp bolýar. Mundan başga-da, gaty SiC ýokary temperaturada C we Si, SiC2 we Si2C ýaly bug görnüşlerine bölünip başlansoň, SiC çeşmesi PVT usulynda sublimasiýa edilende gaty C hökmany suratda emele gelýär. Eger emele gelen gaty C kiçijik we ýeňil bolsa, çalt ösüş şertlerinde “C tozany” diýlip atlandyrylýan kiçi C bölejikleri güýçli köpçülikleýin geçiriş arkaly kristal ýüzüne daşalyp bilner we netijede ösen kristalyň goşulmagyna sebäp bolar. Şonuň üçin metal hapalaryny we C tozanyny azaltmak üçin, SiC çeşmesiniň bölejikleriniň ululygy, 200 mm-den az diametrde gözegçilik edilmelidir we haýal köpçülikleýin geçişi saklamak we ýüzmegi hasaba almazlyk üçin ösüş depgini ∼0.4 mm / sagdan geçmeli däldir. C tozan. Metal hapalar we C tozany, PVT usuly bilen SiC-iň çalt ösmegine esasy päsgelçilik bolan ösen SiC kristallarynyň zaýalanmagyna getirýär.
Bu gözlegde, ownuk bölejikler bolmadyk ezilen CVD-SiC çeşmeleri ulanyldy, güýçli köpçülikleýin geçirişde ýüzýän C tozany ýok edildi. Şeýlelik bilen, termiki zonanyň gurluşy SiC-iň çalt ösmegini gazanmak üçin multifizika simulýasiýa esasly PVT usuly bilen işlenip düzüldi we simulirlenen temperaturanyň paýlanyşy we temperatura gradienti 3a suratda görkezilýär.

3-nji surat: (a) Çäklendirilen element seljermesi arkaly alnan PVT reaktorynyň ösüş öňündäki temperaturanyň paýlanyşy we temperatura gradienti we (b) akisimmetrik çyzyk boýunça dik temperaturanyň paýlanyşy.
1 ° C / mm-den pes bolmadyk kiçijik temperatura gradiýentinde 0,3-den 0,8 mm / sag aralygynda ösýän SiC kristallaryny ösdürip ýetişdirmek üçin adaty ýylylyk zonasynyň sazlamalary bilen deňeşdirilende, bu işde termiki zonanyň sazlamalary relatively uly temperatura gradiýentine eýe 82268 ° C ösüş temperaturasynda 3,8 ° C / mm. Bu gözlegde temperatura gradient bahasy, temperatura gradientiniň ∼14 ° C / mm kesgitlenen HTCVD usuly bilen 2,4 mm / sag tizlik bilen SiC-iň çalt ösmegi bilen deňeşdirilýär. 3b suratda görkezilen dik temperatura paýlanyşyndan, edebiýatda beýan edilişi ýaly ösüşiň öň tarapynda polikristallary emele getirip biljek ters temperatura gradiýentiniň ýokdugyny tassykladyk.
PVT ulgamyny ulanyp, 2-nji we 3-nji suratlarda görkezilişi ýaly CVD-SiC çeşmesinden SiC kristallary 4 sagat ösdürilip ýetişdirildi, ösen SiC-den wekilçilikli SiC kristal ösüşi 4a suratda görkezilýär. 4a suratda görkezilen SiC kristalynyň galyňlygy we ösüş depgini degişlilikde 5,84 mm we 1,46 mm / sag. SiC çeşmesiniň 4a suratda görkezilen ösen SiC kristalynyň hiline, polip görnüşine, morfologiýasyna we arassalygyna täsiri 4b-e suratlarda görkezilişi ýaly derňeldi. 4b suratda kesişýän tomografiýa şekili, kristal ösüşiniň suboptimal ösüş şertleri sebäpli konweks şekilli bolandygyny görkezýär. Şeýle-de bolsa, 4c-nji suratda ýerleşýän mikro-Raman spektroskopiýasy, ösen kristalyny hiç hili polip görnüşi bolmazdan 4H-SiC-iň bir fazasy hökmünde kesgitledi. Rentgen sarsdyryjy egrilik derňewinden alnan (0004) pikiň FWHM bahasy 18,9 sekunt bolup, kristalyň hilini hem tassyklaýar.

4-nji surat: (a) Ulanylan SiC kristaly (ösüş tizligi 1,46 mm / sag) we baha beriş netijeleri (b) kesişýän tomografiýa, (c) mikro-Raman spektroskopiýasy, (d) rentgen şöhlelenmesi we ( e) rentgen topografiýasy.

4e suratda ösen kristalyň ýalpyldawuk waflinde çyzylmalary we ýüplük ýerlerini kesgitleýän ak şöhle rentgen topografiýasy görkezilýär. Ulaldylan kristalyň ýerleşiş dykyzlygy ∼3000 ea / cm², ∼2000 ea / cm² bolan tohum kristalynyň ýerleşiş dykyzlygyndan birneme ýokarydy. Ulaldylan kristalyň täjirçilik wafliniň kristal hili bilen deňeşdirilende pes ýerleşiş dykyzlygy barlygy tassyklandy. Gyzykly tarapy, uly temperatura gradiýentinde ezilen CVD-SiC çeşmesi bilen PVT usuly bilen SiC kristallarynyň çalt ösmegi gazanyldy. Ösümlik kristalynda B, Al we N konsentrasiýalary degişlilikde 2,18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵ we 1,98 × 10¹⁹ atom / sm³ boldy. Uly kristalda P konsentrasiýasy kesgitlemek çäginden pesdi (<1.0 × 10¹⁴ atom / cm³). CVD prosesi wagtynda bilkastlaýyn dokalan N-den başga, zarýad göterijiler üçin haramlyk konsentrasiýalary ýeterlik derejede pesdi.
Bu gözlegde hrustal ösüş täjirçilik önümlerini göz öňünde tutup kiçi göwrümli bolsa-da, PVT usuly arkaly CVD-SiC çeşmesini ulanyp, gowy kristal hili bilen çalt SiC ösüşiniň üstünlikli görkezilmegi möhüm ähmiýete eýe. CVD-SiC çeşmeleri, ajaýyp häsiýetlerine garamazdan, taşlanan materiallary gaýtadan işlemek arkaly tygşytly bolýandyklary sebäpli, olaryň SiC tozan çeşmeleriniň ornuny tutjak geljegi uly SiC çeşmesi hökmünde giňden ulanylmagyna garaşýarys. SiC-iň çalt ösmegi üçin CVD-SiC çeşmelerini ulanmak üçin, geljekki gözlegler üçin goşmaça soraglar döredip, PVT ulgamynda temperaturanyň paýlanyşyny optimizirlemek zerurdyr.

Netije
Bu gözlegde, PVT usuly arkaly ýokary temperatura gradient şertlerinde ezilen CVD-SiC bloklaryny ulanyp, çalt SiC kristal ösüşiniň üstünlikli görkezilmegi gazanyldy. Gyzykly tarapy, SiC kristallarynyň çalt ösmegi SiC çeşmesini PVT usuly bilen çalyşmak arkaly amala aşyryldy. Bu usul, SiC ýeke kristallarynyň uly göwrümli önümçilik netijeliligini ep-esli ýokarlandyrar we netijede SiC substratlarynyň birlik bahasyny peselder we ýokary öndürijilikli güýç enjamlarynyň giňden ulanylmagyna kömek eder.