Snelle groei fan SiC Single Crystal UsingCVD-SiC BulkBoarne fia sublimaasjemetoade
Troch it brûken fan recycledCVD-SiC blokkenas de SiC-boarne waarden SiC-kristallen mei súkses groeid mei in taryf fan 1.46 mm / h troch de PVT-metoade. De mikropipe en dislokaasjedichtheden fan it groeide kristal jouwe oan dat nettsjinsteande it hege groeitempo, de kristalkwaliteit poerbêst is.
Silisiumkarbid (SiC)is in heale-bandgap semiconductor mei poerbêste eigenskippen foar applikaasjes yn hege spanning, hege macht, en hege frekwinsje. De fraach is de lêste jierren hurd groeid, foaral op it fjild fan macht semiconductor. Foar macht semiconductor applikaasjes, SiC single kristallen wurde groeid troch sublimating hege suverens SiC boarne by 2100-2500 ° C, dan herkristallisearjen op in sied kristal mei help fan de fysike damp transport (PVT) metoade, folge troch ferwurkjen te krijen ien kristal substraten op wafers . Tradysjoneel,SiC kristallenwurde groeid mei de PVT-metoade mei in groei fan 0,3 oant 0,8 mm / h om kristalliniteit te kontrolearjen, wat relatyf stadich is yn ferliking mei oare ienkristalmaterialen dy't brûkt wurde yn semiconductor-applikaasjes. As SiC-kristallen wurde groeid mei hege groeisifers mei de PVT-metoade, is kwaliteitsdegradaasje ynklusyf koalstofynklúzjes, fermindere suverens, polykristalline groei, nôtgrinsfoarming, en dislokaasje- en porositeitsdefekten net útsletten. Dêrom is rappe groei fan SiC net ûntwikkele, en de stadige groei fan SiC hat in grut obstakel west foar de produktiviteit fan SiC-substraten.
Oan 'e oare kant hawwe resinte rapporten oer rappe groei fan SiC metoaden mei hege temperatuer gemyske dampdeposysje (HTCVD) brûkt ynstee fan de PVT-metoade. De HTCVD-metoade brûkt in damp mei Si en C as de SiC-boarne yn 'e reaktor. HTCVD is noch net brûkt foar grutskalige produksje fan SiC en fereasket fierder ûndersyk en ûntwikkeling foar kommersjalisaasje. Ynteressant, sels by in hege groei fan ~3 mm / h, kinne SiC-ienkristallen groeid wurde mei goede kristalkwaliteit mei de HTCVD-metoade. Underwilens binne SiC-komponinten brûkt yn semiconductorprosessen ûnder drege omjouwings dy't ekstreem hege suverensproseskontrôle fereaskje. Foar semiconductor proses applikaasjes, ~99.9999% (~6N) suverens SiC komponinten wurde meastal taret troch de CVD proses út methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Nettsjinsteande de hege suverens fan CVD-SiC-komponinten, binne se lykwols nei gebrûk wegere. Koartlyn binne ôfkarre CVD-SiC-komponinten beskôge as SiC-boarnen foar kristalgroei, hoewol guon herstelprosessen, ynklusyf ferpletterjen en suvering, noch altyd nedich binne om te foldwaan oan 'e hege easken fan in boarne foar kristalgroei. Yn dizze stúdzje brûkten wy wegere CVD-SiC-blokken om materialen te recyclearjen as boarne foar groeiende SiC-kristallen. De CVD-SiC-blokken foar groei fan ien kristal waarden taret as grutte-kontroleare gemalen blokken, signifikant ferskillend yn foarm en grutte yn ferliking mei it kommersjele SiC-poeder dat faaks brûkt wurdt yn it PVT-proses, dêrtroch waard ferwachte dat it gedrach fan SiC-ienkristalgroei signifikant soe wêze ferskillend. Foardat SiC-eksperiminten foar groei fan ien kristallen útfierd waarden, waarden kompjûtersimulaasjes útfierd om hege groeisifers te berikken, en de thermyske sône waard dêrop konfigureare foar groei fan ien kristall. Nei kristalgroei waarden de groeide kristallen evaluearre troch dwerstrochsneedtomografy, mikro-Raman-spektroskopy, röntgen-diffraksje mei hege resolúsje, en synchrotron-wite beam-röntgentopografy.
Figuer 1 toant de CVD-SiC-boarne brûkt foar PVT-groei fan SiC-kristallen yn dizze stúdzje. Lykas beskreaun yn 'e ynlieding, waarden CVD-SiC-komponinten synthesisearre út MTS troch it CVD-proses en foarme foar semiconductor gebrûk troch meganyske ferwurking. N waard doped yn de CVD proses te berikken conductivity foar semiconductor proses applikaasjes. Nei gebrûk yn semiconductorprosessen waarden de CVD-SiC-komponinten ferplettere om de boarne te meitsjen foar kristalgroei, lykas werjûn yn figuer 1. De CVD-SiC-boarne waard taret as platen mei in gemiddelde dikte fan ~0,5 mm en in gemiddelde dieltsjegrutte fan 49,75 mm.
Ofbylding 1: CVD-SiC-boarne taret troch it MTS-basearre CVD-proses.
Mei de CVD-SiC-boarne werjûn yn figuer 1, waarden SiC-kristallen groeid troch de PVT-metoade yn in induksje-ferwaarmingofen. Om de temperatuerferdieling yn 'e termyske sône te evaluearjen, waard kommersjele simulaasjekoade VR-PVT 8.2 (STR, Republyk Servje) brûkt. De reaktor mei de termyske sône waard modelearre as in 2D aksysymmetrysk model, lykas werjûn yn figuer 2, mei syn mesh model. Alle materialen brûkt yn de simulaasje wurde werjûn yn figuer 2, en harren eigenskippen wurde neamd yn tabel 1. Op grûn fan de simulaasje resultaten waarden SiC kristallen groeid mei help fan de PVT metoade by in temperatuer berik fan 2250-2350 ° C yn in Ar atmosfear by 35 Torr foar 4 oeren. In 4 ° off-as 4H-SiC wafer waard brûkt as it SiC sied. De groeide kristallen waarden evaluearre troch mikro-Raman-spektroskopy (Witec, UHTS 300, Dútslân) en hege resolúsje XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Nederlân). De ûnreinenskonsintraasjes yn 'e groeide SiC-kristallen waarden evaluearre mei dynamyske sekundêre ionmassaspektrometry (SIMS, Cameca IMS-6f, Frankryk). De dislokaasjetichtens fan 'e groeide kristallen waard evaluearre mei synchrotron wite beam X-ray topografy by de Pohang Light Source.
figuer 2: Thermal sône diagram en mesh model fan PVT groei yn in ynduksje ferwaarming oven.
Sûnt HTCVD- en PVT-metoaden groeie kristallen ûnder gas-fêste faze-lykwicht oan 'e groeifront, soarge suksesfolle rappe groei fan SiC troch de HTCVD-metoade de útdaging fan rappe groei fan SiC troch de PVT-metoade yn dizze stúdzje. De HTCVD-metoade brûkt in gasboarne dy't maklik trochstreaming kontrolearre is, wylst de PVT-metoade in fêste boarne brûkt dy't de stream net direkt kontrolearret. De trochstreaming fan 'e groeifront yn' e PVT-metoade kin wurde regele troch de sublimaasjesnelheid fan 'e fêste boarne troch temperatuerferdielingskontrôle, mar krekte kontrôle fan' e temperatuerferdieling yn praktyske groeisystemen is net maklik te berikken.
Troch de boarnetemperatuer yn 'e PVT-reaktor te ferheegjen, kin de groei fan SiC wurde ferhege troch it fergrutsjen fan de sublimaasjesnelheid fan' e boarne. Om stabile kristalgroei te berikken, is temperatuerkontrôle oan 'e groeifront krúsjaal. Om it groeitempo te ferheegjen sûnder polykristallen te foarmjen, moat in hege temperatuergradient wurde berikt oan 'e groeifront, lykas oanjûn troch SiC-groei fia de HTCVD-metoade. Unfoldwaande fertikale waarmte conduction oan 'e efterkant fan' e pet moatte dissipate de opboude waarmte oan de groei front troch termyske strieling oan de groei oerflak, dy't liedt ta de foarming fan oerstallige oerflakken, ie, polycrystalline groei.
Sawol massaferfier as rekristallisaasjeprosessen yn 'e PVT-metoade binne tige ferlykber mei de HTCVD-metoade, hoewol se ferskille yn' e SiC-boarne. Dit betsjut dat rappe groei fan SiC ek berikber is as de sublimaasjerate fan 'e SiC-boarne genôch heech is. It realisearjen fan SiC-ienkristallen fan hege kwaliteit ûnder hege groeiomstannichheden fia de PVT-metoade hat lykwols ferskate útdagings. Kommersjele poeders befetsje typysk in mingsel fan lytse en grutte dieltsjes. Troch ferskillen fan oerflak-enerzjy hawwe lytse dieltsjes relatyf hege konsintraasjes fan ûnreinheden en sublimearje foardat grutte dieltsjes, wat liedt ta hege konsintraasjes fan ûnreinheden yn 'e iere groeistadia fan it kristal. Derneist, om't fêste SiC by hege temperatueren ûntbrekt yn dampsoarten lykas C en Si, SiC2 en Si2C, wurdt fêste C ûnûntkomber foarmet as de SiC-boarne sublimearret yn 'e PVT-metoade. As de foarme fêste C is lyts en ljocht genôch, ûnder flugge groei betingsten, lytse C dieltsjes, bekend as "C stof," kin wurde ferfierd nei it kristal oerflak troch sterke massa oerdracht, resultearret yn inclusions yn de groeid kristal. Dêrom, om metalen ûnreinheden en C stof te ferminderjen, moat de partikelgrutte fan 'e SiC-boarne oer it generaal wurde regele op in diameter fan minder dan 200 μm, en de groeisnelheid moat net mear as ~0.4 mm / h wêze om stadige massaferfier te hâlden en driuwend út te sluten C stof. Metal ûnreinheden en C-stof liede ta de degradaasje fan groeide SiC-kristallen, dy't de wichtichste obstakels binne foar de rappe groei fan SiC fia de PVT-metoade.
Yn dizze stúdzje waarden ferpletterde CVD-SiC-boarnen sûnder lytse dieltsjes brûkt, it eliminearjen fan driuwend C-stof ûnder sterke massa-oerdracht. Sa, de termyske sône struktuer waard ûntwurpen mei help fan multiphysics simulaasje-basearre PVT metoade te berikken flugge SiC groei, en de simulearre temperatuer distribúsje en temperatuer gradient wurde werjûn yn figuer 3a.
Figure 3: (a) Temperatuerferdieling en temperatuergradient tichtby de groeifront fan 'e PVT-reaktor krigen troch finite elemint analyze, en (b) fertikale temperatuerferdieling lâns de axisymmetryske line.
Yn ferliking mei typyske ynstellings foar thermyske sône foar it groeien fan SiC-kristallen mei in groeisnelheid fan 0,3 oant 0,8 mm / h ûnder in lyts temperatuergradient fan minder dan 1 ° C / mm, hawwe de ynstellings foar thermyske sône yn dizze stúdzje in relatyf grutte temperatuergradient fan ~ 3,8 °C/mm by in groeitemperatuer fan ~2268 °C. De temperatuergradientwearde yn dizze stúdzje is te fergelykjen mei de rappe groei fan SiC mei in taryf fan 2.4 mm / h mei de HTCVD-metoade, wêrby't de temperatuergradient is ynsteld op ~14 ° C / mm. Fanút de fertikale temperatuerferdieling werjûn yn figuer 3b, hawwe wy befêstige dat gjin omkearde temperatuergradient dy't polykristallen foarmje koe, oanwêzich wie tichtby it groeifront, lykas beskreaun yn 'e literatuer.
Mei it PVT-systeem waarden SiC-kristallen groeid út 'e CVD-SiC-boarne foar 4 oeren, lykas werjûn yn figueren 2 en 3. In represintative SiC-kristalgroei fan' e groeide SiC is te sjen yn figuer 4a. De dikte en groeisnelheid fan it SiC-kristal werjûn yn figuer 4a binne respektivelik 5.84 mm en 1.46 mm / h. De ynfloed fan 'e SiC-boarne op' e kwaliteit, polytype, morfology en suverens fan it groeide SiC-kristal werjûn yn figuer 4a waard ûndersocht, lykas werjûn yn figueren 4b-e. De dwerstrochsneed tomografy ôfbylding yn figuer 4b lit sjen dat de kristal groei wie konvex-foarmige troch de suboptimale groei betingsten. De mikro-Raman-spektroskopy yn figuer 4c identifisearre lykwols it groeide kristal as ien faze fan 4H-SiC sûnder polytype-ynklúzjes. De FWHM-wearde fan 'e (0004) peak krigen fan' e röntgen-rocking-curve-analyse wie 18.9 bôgesekonden, ek befêstiget goede kristalkwaliteit.
Ofbylding 4: (a) Grown SiC crystal (groeisnelheid fan 1.46 mm / h) en syn evaluaasjeresultaten mei (b) cross-sectional tomography, (c) mikro-Raman spektroskopy, (d) X-ray rocking curve, en ( e) Röntgentopografy.
Figure 4e toant de wite beam X-ray topografy identifisearjen fan krassen en threading dislocations yn 'e gepolijst wafel fan' e groeid kristal. De dislokaasjetichtens fan it groeide kristal waard mjitten op ~3000 ea/cm², wat heger as de dislokaasjetichtens fan it siedkristal, dat ~2000 ea/cm² wie. It groeid kristal waard befêstige om relatyf lege dislokaasjetichtens te hawwen, te fergelykjen mei de kristalkwaliteit fan kommersjele wafels. Ynteressant waard rappe groei fan SiC-kristallen berikt mei de PVT-metoade mei in gemalen CVD-SiC-boarne ûnder in grutte temperatuergradient. De konsintraasjes fan B, Al, en N yn it groeide kristal wiene respektivelik 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵ en 1.98 × 10¹⁹ atomen/cm³. De konsintraasje fan P yn it groeide kristal wie ûnder de deteksjelimyt (<1.0 × 10¹⁴ atomen / cm³). De konsintraasjes fan ûnreinheden wiene genôch leech foar ladingdragers, útsein foar N, dy't mei opsetsin doped waard tidens it CVD-proses.
Hoewol de kristalgroei yn dizze stúdzje lytsskalich wie, sjoen kommersjele produkten, hat de suksesfolle demonstraasje fan rappe SiC-groei mei goede kristalkwaliteit mei de CVD-SiC-boarne troch de PVT-metoade wichtige gefolgen. Sûnt CVD-SiC-boarnen, nettsjinsteande har treflike eigenskippen, kosten-kompetitive binne troch it recycling fan ôfsnien materialen, ferwachtsje wy har wiidferspraat gebrûk as in belofte SiC-boarne om SiC-poederboarnen te ferfangen. Om CVD-SiC-boarnen te brûken foar rappe groei fan SiC, is it optimalisearjen fan de temperatuerferdieling yn it PVT-systeem nedich, wat fierdere fragen stelt foar takomstich ûndersyk.
Konklúzje
Yn dizze stúdzje waard de suksesfolle demonstraasje fan rappe SiC-kristalgroei mei ferpletterde CVD-SiC-blokken ûnder hege temperatuergradientbetingsten troch de PVT-metoade berikt. Ynteressant waard de rappe groei fan SiC-kristallen realisearre troch de SiC-boarne te ferfangen mei de PVT-metoade. Dizze metoade wurdt ferwachte om de grutskalige produksje-effisjinsje fan SiC-ienkristallen signifikant te fergrutsjen, úteinlik de ienheidskosten fan SiC-substraten te ferminderjen en it wiidferspraat gebrûk fan hege-optredende krêftapparaten te befoarderjen.
Post tiid: Jul-19-2024