Wutah Rapid saka SiC Kristal Tunggal NggunakakeCVD-SiC BulkSumber liwat Metode Sublimasi
Kanthi nggunakake daur ulangBlok CVD-SiCminangka sumber SiC, kristal SiC kasil ditanam kanthi kecepatan 1,46 mm / jam liwat metode PVT. Kapadhetan micropipe lan dislokasi kristal sing tuwuh nuduhake manawa sanajan tingkat pertumbuhan sing dhuwur, kualitas kristal kasebut apik banget.
Silikon karbida (SiC)minangka semikonduktor wide-bandgap kanthi sifat sing apik kanggo aplikasi ing tegangan dhuwur, daya dhuwur, lan frekuensi dhuwur. Panjaluk kasebut tuwuh kanthi cepet ing taun-taun pungkasan, utamane ing bidang semikonduktor daya. Kanggo aplikasi semikonduktor daya, kristal tunggal SiC ditanam kanthi sublimasi sumber SiC kemurnian dhuwur ing 2100-2500 ° C, banjur rekristalisasi menyang kristal wiji nggunakake metode transportasi uap fisik (PVT), banjur diproses kanggo entuk substrat kristal tunggal ing wafer. . Cara tradisional,kristal SiCsing thukul nggunakake cara PVT ing tingkat wutah saka 0,3 kanggo 0,8 mm / h kanggo kontrol crystallinity, kang relatif alon dibandhingake karo bahan kristal siji liyane digunakake ing aplikasi semikonduktor. Nalika kristal SiC thukul ing tingkat wutah dhuwur nggunakake cara PVT, degradasi kualitas kalebu inklusi karbon, suda kemurnian, wutah polycrystalline, tatanan wates gandum, lan dislokasi lan cacat porositas wis ora dikecualekake. Mulane, wutah SiC kanthi cepet durung dikembangake, lan tingkat pertumbuhan SiC sing alon wis dadi kendala utama kanggo produktivitas substrat SiC.
Ing sisih liya, laporan anyar babagan pertumbuhan SiC kanthi cepet nggunakake metode deposisi uap kimia suhu dhuwur (HTCVD) tinimbang metode PVT. Cara HTCVD nggunakake uap sing ngemot Si lan C minangka sumber SiC ing reaktor. HTCVD durung digunakake kanggo produksi SiC skala gedhe lan mbutuhake riset lan pangembangan luwih lanjut kanggo komersialisasi. Apike, sanajan ing tingkat wutah dhuwur saka ~3 mm / h, SiC kristal tunggal bisa thukul kanthi kualitas kristal apik nggunakake metode HTCVD. Sauntara kuwi, komponen SiC wis digunakake ing proses semikonduktor ing lingkungan sing atos sing mbutuhake kontrol proses kemurnian sing dhuwur banget. Kanggo aplikasi proses semikonduktor, ∼99.9999% (∼6N) komponen SiC kemurnian biasane disiapake dening proses CVD saka methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Nanging, senadyan kemurnian dhuwur saka komponen CVD-SiC, padha wis dibuwak sawise nggunakake. Bubar, komponen CVD-SiC sing dibuwang wis dianggep minangka sumber SiC kanggo pertumbuhan kristal, sanajan sawetara proses pemulihan kalebu crushing lan purifikasi isih dibutuhake kanggo nyukupi panjaluk dhuwur saka sumber pertumbuhan kristal. Ing panliten iki, kita nggunakake pamblokiran CVD-SiC sing dibuwang kanggo daur ulang bahan minangka sumber kanggo tuwuh kristal SiC. Blok CVD-SiC kanggo pertumbuhan kristal tunggal disiapake minangka blok remuk sing dikontrol ukuran, beda banget ing wangun lan ukuran dibandhingake bubuk SiC komersial sing umum digunakake ing proses PVT, mula prilaku pertumbuhan kristal tunggal SiC samesthine bakal signifikan. beda. Sadurunge nganakake eksperimen pertumbuhan kristal tunggal SiC, simulasi komputer ditindakake kanggo entuk tingkat pertumbuhan sing dhuwur, lan zona termal dikonfigurasi kanggo pertumbuhan kristal tunggal. Sawise wutah kristal, kristal sing tuwuh dievaluasi kanthi tomografi cross-sectional, spektroskopi mikro-Raman, difraksi sinar-X resolusi dhuwur, lan topografi sinar-X sinar putih sinkrotron.
Figure 1 nuduhake sumber CVD-SiC digunakake kanggo wutah PVT kristal SiC ing panaliten iki. Kaya sing diterangake ing introduksi, komponen CVD-SiC disintesis saka MTS kanthi proses CVD lan dibentuk kanggo panggunaan semikonduktor liwat pangolahan mekanik. N iki doped ing proses CVD kanggo entuk konduktivitas kanggo aplikasi proses semikonduktor. Sawise digunakake ing proses semikonduktor, komponen CVD-SiC diremuk kanggo nyiapake sumber kanggo pertumbuhan kristal, kaya sing ditampilake ing Gambar 1. Sumber CVD-SiC disiapake minangka piring kanthi kekandelan rata-rata ~ 0,5 mm lan ukuran partikel rata-rata 49,75 mm.
Gambar 1: sumber CVD-SiC disiapake dening proses CVD basis MTS.
Nggunakake sumber CVD-SiC sing ditampilake ing Gambar 1, kristal SiC ditanam kanthi metode PVT ing tungku pemanasan induksi. Kanggo ngevaluasi distribusi suhu ing zona termal, kode simulasi komersial VR-PVT 8.2 (STR, Republik Serbia) digunakake. Reaktor kanthi zona termal dimodelake minangka model axisymmetric 2D, kaya sing ditampilake ing Gambar 2, kanthi model bolong. Kabeh bahan sing digunakake ing simulasi ditampilake ing Figure 2, lan sifate kapacak ing Tabel 1. Adhedhasar asil simulasi, kristal SiC ditanam nggunakake metode PVT ing sawetara suhu 2250-2350 ° C ing atmosfer Ar ing 35 Torr kanggo 4 jam. Wafer 4H-SiC off-axis 4 ° digunakake minangka wiji SiC. Kristal sing tuwuh dievaluasi kanthi spektroskopi mikro-Raman (Witec, UHTS 300, Jerman) lan XRD resolusi dhuwur (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Walanda). Konsentrasi impurity ing kristal SiC thukul dievaluasi nggunakake spektrometri massa ion sekunder dinamis (SIMS, Cameca IMS-6f, Prancis). Kapadhetan dislokasi kristal sing ditanam dievaluasi nggunakake topografi sinar-X sinar putih sinkrotron ing Sumber Cahaya Pohang.
Gambar 2: Diagram zona termal lan model bolong wutah PVT ing tungku pemanasan induksi.
Wiwit metode HTCVD lan PVT tuwuh kristal ing keseimbangan fase padat gas ing ngarep pertumbuhan, wutah cepet SiC sing sukses kanthi metode HTCVD nyebabake tantangan pertumbuhan SiC kanthi cepet kanthi metode PVT ing panliten iki. Metode HTCVD nggunakake sumber gas sing gampang dikontrol aliran, dene metode PVT nggunakake sumber padat sing ora langsung ngontrol aliran. Tingkat aliran sing diwenehake menyang ngarep wutah ing metode PVT bisa dikontrol kanthi tingkat sublimasi sumber padhet liwat kontrol distribusi suhu, nanging kontrol distribusi suhu sing tepat ing sistem pertumbuhan praktis ora gampang digayuh.
Kanthi nambah suhu sumber ing reaktor PVT, tingkat wutah SiC bisa tambah kanthi nambah tingkat sublimasi sumber. Kanggo nggayuh pertumbuhan kristal sing stabil, kontrol suhu ing ngarep wutah penting banget. Kanggo nambah tingkat wutah tanpa mbentuk polycrystals, gradien suhu dhuwur kudu digayuh ing ngarep wutah, minangka dituduhake dening wutah SiC liwat metode HTCVD. Konduksi panas vertikal sing ora nyukupi ing mburi tutup kudu ngilangi panas akumulasi ing ngarep wutah liwat radiasi termal menyang lumahing wutah, anjog menyang tatanan saka lumahing keluwihan, IE, wutah polycrystalline.
Proses transfer massa lan rekristalisasi ing metode PVT meh padha karo metode HTCVD, sanajan beda-beda ing sumber SiC. Iki tegese wutah SiC kanthi cepet uga bisa ditindakake nalika tingkat sublimasi sumber SiC cukup dhuwur. Nanging, entuk kristal tunggal SiC sing berkualitas ing kahanan pertumbuhan sing dhuwur liwat metode PVT duwe sawetara tantangan. Bubuk komersial biasane ngemot campuran partikel cilik lan gedhe. Amarga beda energi lumahing, partikel cilik duwe konsentrasi impurity relatif dhuwur lan sublimate sadurunge partikel gedhe, anjog kanggo konsentrasi impurity dhuwur ing orane tumrap sekolah awal wutah saka kristal. Kajaba iku, minangka SiC padhet decomposes dadi spesies uap kaya C lan Si, SiC2 lan Si2C ing suhu dhuwur, ngalangi C mesthi kawangun nalika sumber SiC sublimates ing cara PVT. Yen C padhet sing dibentuk cilik lan cukup entheng, ing kahanan pertumbuhan sing cepet, partikel C cilik, sing dikenal minangka "bledug C," bisa diangkut menyang permukaan kristal kanthi transfer massa sing kuwat, sing nyebabake inklusi ing kristal sing ditanam. Mulane, kanggo ngurangi impurities logam lan bledug C, ukuran partikel saka sumber SiC kudu umume kontrol kanggo diameteripun kurang saka 200 μm, lan tingkat wutah ngirim ora ngluwihi ~ 0.4 mm / h kanggo njaga transfer massa alon lan ora kalebu ngambang. C bledug. Kotoran logam lan bledug C nyebabake degradasi kristal SiC sing tuwuh, sing dadi kendala utama kanggo pertumbuhan SiC kanthi cepet liwat metode PVT.
Ing panliten iki, sumber CVD-SiC sing diremuk tanpa partikel cilik digunakake, ngilangi bledug C sing ngambang ing transfer massa sing kuwat. Mangkono, struktur zona termal dirancang nggunakake metode PVT basis simulasi multifisika kanggo entuk wutah SiC kanthi cepet, lan distribusi suhu simulasi lan gradien suhu ditampilake ing Figure 3a.
Figure 3: (a) Distribusi suhu lan gradien suhu cedhak ngarep wutah saka reaktor PVT dijupuk dening analisis unsur winates, lan (b) distribusi suhu vertikal sadawane garis axisymmetric.
Dibandhingake karo setelan zona termal sing khas kanggo ngembangake kristal SiC kanthi tingkat pertumbuhan 0,3 nganti 0,8 mm / jam ing gradien suhu cilik kurang saka 1 °C / mm, setelan zona termal ing panliten iki nduweni gradien suhu sing relatif gedhe yaiku ∼ 3,8 °C/mm ing suhu wutah saka ~2268 °C. Nilai gradien suhu ing panliten iki bisa dibandhingake karo pertumbuhan SiC kanthi cepet kanthi kecepatan 2,4 mm / jam nggunakake metode HTCVD, ing ngendi gradien suhu disetel dadi ~ 14 ° C / mm. Saka distribusi suhu vertikal sing ditampilake ing Figure 3b, kita ngonfirmasi yen ora ana gradien suhu mbalikke sing bisa mbentuk polycrystals ana ing cedhak ngarep pertumbuhan, kaya sing diterangake ing literatur.
Nggunakake sistem PVT, kristal SiC ditanam saka sumber CVD-SiC suwene 4 jam, kaya sing dituduhake ing Gambar 2 lan 3. Wutah kristal SiC sing perwakilan saka SiC sing ditanam ditampilake ing Gambar 4a. Kekandelan lan tingkat pertumbuhan kristal SiC sing ditampilake ing Gambar 4a yaiku 5,84 mm lan 1,46 mm / jam. Dampak saka sumber SiC ing kualitas, polytype, morfologi, lan kemurnian kristal SiC thukul ditampilake ing Figure 4a diselidiki, minangka ditampilake ing Figures 4b-e. Gambar tomografi cross-sectional ing Figure 4b nuduhake yen wutah kristal iku wangun cembung amarga kondisi wutah suboptimal. Nanging, spektroskopi mikro-Raman ing Gambar 4c ngenali kristal sing tuwuh minangka fase tunggal 4H-SiC tanpa inklusi politipe. Nilai FWHM saka puncak (0004) sing dipikolehi saka analisis kurva goyang sinar-X yaiku 18,9 detik busur, uga ngonfirmasi kualitas kristal sing apik.
Gambar 4: (a) Kristal SiC sing tuwuh (tingkat pertumbuhan 1,46 mm / jam) lan asil evaluasi kanthi (b) tomografi cross-sectional, (c) spektroskopi mikro-Raman, (d) kurva goyang sinar-X, lan ( e) Topografi sinar-X.
Gambar 4e nuduhake topografi sinar-X sinar putih sing ngenali goresan lan dislokasi threading ing wafer polesan saka kristal thukul. Kapadhetan dislokasi kristal thukul diukur nganti ~3000 ea/cm², rada luwih dhuwur tinimbang kapadhetan dislokasi kristal wiji, yaiku ~2000 ea/cm². Kristal thukul iki dikonfirmasi duwe Kapadhetan dislokasi relatif kurang, iso dibandhingke karo kualitas kristal wafer komersial. Sing nggumunake, wutah kristal SiC kanthi cepet digayuh kanthi nggunakake metode PVT kanthi sumber CVD-SiC sing diremuk ing gradien suhu sing gedhe. Konsentrasi B, Al, lan N ing kristal sing tuwuh yaiku 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵, lan 1,98 × 10¹⁹ atom/cm³. Konsentrasi P ing kristal sing tuwuh ana ing sangisore watesan deteksi (<1.0 × 10¹⁴ atom/cm³). Konsentrasi impurity cukup kurang kanggo operator muatan, kajaba N, sing sengaja didoping nalika proses CVD.
Senajan wutah kristal ing panaliten iki cilik-cilik considering produk komersial, demonstrasi sukses wutah SiC cepet karo kualitas kristal apik nggunakake sumber CVD-SiC liwat cara PVT duwe implikasi signifikan. Wiwit sumber CVD-SiC, senadyan sifat sing apik banget, regane kompetitif kanthi daur ulang bahan sing dibuwang, kita ngarepake panggunaan sing nyebar minangka sumber SiC sing janjeni kanggo ngganti sumber bubuk SiC. Kanggo aplikasi sumber CVD-SiC kanggo wutah cepet saka SiC, ngoptimalake distribusi suhu ing sistem PVT dibutuhake, posing pitakonan luwih kanggo riset mangsa.
Kesimpulan
Ing panliten iki, demonstrasi sukses pertumbuhan kristal SiC kanthi cepet nggunakake blok CVD-SiC sing ditumbuk ing kondisi gradien suhu dhuwur liwat metode PVT wis diraih. Sing nggumunake, wutah kristal SiC kanthi cepet diwujudake kanthi ngganti sumber SiC kanthi metode PVT. Cara iki samesthine bakal nambah efisiensi produksi skala gedhe saka kristal tunggal SiC, sing pungkasane nyuda biaya unit substrat SiC lan ningkatake panggunaan piranti daya kinerja dhuwur.
Wektu kirim: Jul-19-2024