Rapid Wuesstem vun SiC Single Crystal BenotztCVD-SiC BulkQuell via Sublimatioun Method
Mat recycléiertem GebrauchCVD-SiC Blockenals SiC Quell, SiC Kristalle goufen erfollegräich mat engem Taux vun 1,46 mm / h duerch d'PVT Method ugebaut. D'Mikropipe vum erwuessene Kristall an d'Dislokatiounsdichte weisen datt trotz dem héije Wuesstumsquote d'Kristallqualitéit exzellent ass.
Siliciumcarbid (SiC)ass e breet Bandgap Halbleiter mat exzellenten Eegeschafte fir Uwendungen an Héichspannung, Héichkraaft an Héichfrequenz. Seng Nofro ass an de leschte Joeren séier gewuess, besonnesch am Kraaft Hallefleitberäich. Fir Kraaft Hallefleitapplikatioune ginn SiC Eenkristallen ugebaut andeems SiC Quelle mat héijer Rengheet bei 2100–2500 °C subliméieren, duerno op e Somkristall ëmkristalliséieren mat der kierperlecher Damptransport (PVT) Method, gefollegt vun der Veraarbechtung fir eenzel Kristallsubstrater op Waferen ze kréien. . Traditionell,SiC Kristallegi mat der PVT-Methode mat engem Wuesstumsrate vun 0,3 bis 0,8 mm / h ugebaut fir d'Kristallinitéit ze kontrolléieren, wat relativ lues ass am Verglach mat aner Eenkristallmaterialien, déi an Hallefleitapplikatiounen benotzt ginn. Wann SiC-Kristalle mat héije Wuesstumsraten mat der PVT-Methode ugebaut ginn, ass d'Qualitéitsdegradatioun abegraff Kuelestoffinklusiounen, reduzéierter Rengheet, polykristallinem Wuesstum, d'Korngrenzbildung, an d'Dislokatiouns- a Porositéitsdefekter net ausgeschloss ginn. Dofir ass de schnelle Wuesstum vu SiC net entwéckelt ginn, an de luese Wuesstumsrate vu SiC war e groussen Hindernis fir d'Produktivitéit vu SiC Substrate.
Op der anerer Säit, rezent Berichter iwwer de schnelle Wuesstum vu SiC hunn héich-Temperatur chemesch Vapor Deposition (HTCVD) Methoden benotzt anstatt d'PVT Method. D'HTCVD Method benotzt en Damp mat Si a C als SiC Quell am Reaktor. HTCVD ass nach net fir grouss Produktioun vu SiC benotzt a erfuerdert weider Fuerschung an Entwécklung fir Kommerzialiséierung. Interessanterweis, och bei engem héije Wuesstumsrate vu ~3 mm / h, kënne SiC Eenkristallen mat gudder Kristallqualitéit mat der HTCVD Method ugebaut ginn. Mëttlerweil goufen SiC Komponenten an Hallefleitprozesser ënner haarden Ëmfeld benotzt, déi extrem héich Rengheetsprozesskontrolle erfuerderen. Fir Halbleiterprozessapplikatioune ginn ~99.9999% (~6N) Rengheet SiC Komponenten normalerweis vum CVD-Prozess aus Methyltrichlorosilan (CH3Cl3Si, MTS) virbereet. Wéi och ëmmer, trotz der héijer Rengheet vu CVD-SiC Komponenten, goufen se nom Gebrauch verworf. Viru kuerzem sinn verworf CVD-SiC Komponenten als SiC Quelle fir Kristallwachstum ugesinn, obwuel e puer Erhuelungsprozesser, dorënner Zerstéierung a Reinigung, nach ëmmer erfuerderlech sinn fir déi héich Ufuerderunge vun enger Kristallwuesstemquell z'erreechen. An dëser Etude hu mir verworf CVD-SiC Blocken benotzt fir Materialien ze recycléieren als Quell fir SiC Kristalle ze wuessen. D'CVD-SiC-Blöcke fir eenzel Kristallwachstum goufen als Gréisst-kontrolléiert zerquetscht Blöden virbereet, wesentlech anescht a Form a Gréisst am Verglach zum kommerziellen SiC-Pulver, deen allgemeng am PVT-Prozess benotzt gëtt, dofir war d'Behuele vum SiC Eenkristallwachstum erwähnt. anescht. Ier SiC Eenkristallwachstumsexperimenter duerchgefouert goufen, goufen Computersimulatioune gemaach fir héich Wuesstumsraten z'erreechen, an d'thermesch Zone gouf deementspriechend fir Eenkristallwachstum konfiguréiert. Nom Kristallwachstum goufen déi erwuessene Kristalle bewäert duerch Querschnitttomographie, Mikro-Raman-Spektroskopie, Héichopléisende Röntgen-Diffraktioun a Synchrotron-wäissstrahl Röntgentopographie.
Figur 1 weist d'CVD-SiC Quell fir PVT Wuesstem vun SiC Kristaller an dëser Etude benotzt. Wéi an der Aféierung beschriwwen, goufen CVD-SiC Komponenten aus MTS vum CVD-Prozess synthetiséiert a geformt fir Halbleiterverbrauch duerch mechanesch Veraarbechtung. N gouf am CVD Prozess dotéiert fir d'Konduktivitéit fir Halbleiterprozessapplikatiounen z'erreechen. No der Notzung an Hallefleitprozesser goufen d'CVD-SiC Komponenten zerquetscht fir d'Quell fir de Kristallwachstum ze preparéieren, wéi an der Figur 1. D'CVD-SiC Quell gouf als Placke mat enger duerchschnëttlecher Dicke vu ~0,5 mm an enger duerchschnëttlecher Partikelgréisst vun 49,75 mm.
Figur 1: CVD-SiC Quell virbereet vum MTS-baséiert CVD Prozess.
Mat der CVD-SiC Quell, déi an der Figur 1 gewise gëtt, goufen SiC Kristalle vun der PVT Method an engem Induktiounsheizofen ugebaut. Fir d'Temperaturverdeelung an der thermescher Zone ze evaluéieren, gouf kommerziell Simulatiounscode VR-PVT 8.2 (STR, Republik Serbien) benotzt. De Reakter mat der thermescher Zone gouf als 2D axisymmetresche Modell modelléiert, wéi an der Figur 2, mat sengem Meshmodell. All Material an der Simulatioun benotzt ginn an der Figur 2 gewisen, an hir Eegeschafte sinn an Table opgezielt 1. Baséierend op d'Simulatioun Resultater, SiC Kristaller sech mat der PVT Method bei enger Temperatur Gamme vun 2250-2350 ° C an engem Ar Atmosphär ugebaut. 35 Torr fir 4 Stonnen. A 4 ° Off-Achs 4H-SiC Wafer gouf als SiC Som benotzt. Déi ugebaut Kristalle sech duerch Mikro-Raman Spektroskopie (Witec, UHTS 300, Däitschland) an héich-Resolutioun XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Holland évaluéieren). D'Gëftungskonzentratioune an de erwuessene SiC-Kristalle goufen mat dynamescher sekundärer Ionmassspektrometrie (SIMS, Cameca IMS-6f, Frankräich) bewäert. D'Dislokatiounsdicht vun de gewuessene Kristalle gouf mat Synchrotron Wäissstrahl Röntgen Topographie bei der Pohang Liichtquell bewäert.
Figur 2: thermesch Zonediagramm a Meshmodell vum PVT Wuesstum an engem Induktiounsheizofen.
Zënter HTCVD- a PVT-Methoden wuessen Kristalle ënner gas-feste Phase-Gläichgewiicht op der Wuesstumsfront, huet de erfollegräiche séiere Wuesstum vu SiC duerch d'HTCVD-Methode d'Erausfuerderung vum schnelle Wuesstum vu SiC duerch d'PVT-Methode an dëser Etude gefuerdert. D'HTCVD-Methode benotzt eng Gasquelle, déi liicht fléissend kontrolléiert gëtt, während d'PVT-Methode eng zolidd Quell benotzt, déi net direkt de Flow kontrolléiert. D'Flowrate, déi der Wuesstumsfront an der PVT Method zur Verfügung gestallt gëtt, kann duerch d'Sublimatiounsquote vun der fester Quell duerch Temperaturverdeelungskontroll kontrolléiert ginn, awer präzis Kontroll vun der Temperaturverdeelung an praktesche Wuesstumssystemer ass net einfach z'erreechen.
Duerch d'Erhéijung vun der Quelltemperatur am PVT-Reaktor kann de Wuesstumsrate vu SiC erhéicht ginn andeems d'Sublimatiounsquote vun der Quell erhéicht ginn. Fir e stabile Kristallwachstum z'erreechen, ass d'Temperaturkontroll op der Wuessfront entscheedend. Fir de Wuesstumsquote z'erhéijen ouni Polykristalle ze bilden, muss en Héichtemperaturgradient op der Wuesstumsfront erreecht ginn, wéi duerch d'SiC Wuesstum iwwer d'HTCVD Method gewisen. Inadequater vertikal Wärmeleitung op der Récksäit vun der Kapsel sollt d'akkumuléiert Hëtzt op der Wuesstumsfront duerch thermesch Stralung op d'Wuestumfläche dissipéieren, wat zu der Bildung vun iwwerschësseg Flächen féiert, dh polykristalline Wuesstum.
Béid Massentransfer- a Rekristalliséierungsprozesser an der PVT-Methode si ganz ähnlech wéi d'HTCVD-Methode, obwuel se an der SiC Quell ënnerscheeden. Dëst bedeit datt de séiere Wuesstum vu SiC och erreechbar ass wann d'Sublimatiounsquote vun der SiC Quell genuch héich ass. Wéi och ëmmer, qualitativ héichwäerteg SiC Eenkristallen ënner héije Wuesstumsbedéngungen iwwer d'PVT Method z'erreechen huet verschidden Erausfuerderungen. Kommerziell Puder enthalen typesch eng Mëschung aus klengen a grousse Partikelen. Wéinst Uewerflächenergie Differenzen hu kleng Partikelen relativ héich Gëftstoffkonzentratioune a subliméiere virun grousse Partikelen, wat zu héije Gëftungskonzentratioune an de fréie Wuesstumsstadien vum Kristall féiert. Zousätzlech, wéi zolidd SiC an Dampaarten wéi C a Si, SiC2 a Si2C bei héijen Temperaturen zerfällt, entsteet zolitt C zwangsleefeg wann d'SiC Quell an der PVT Method subliméiert. Wann de geformte festen C kleng a liicht genuch ass, ënner rapide Wuesstumsbedéngungen, kënnen kleng C Partikelen, bekannt als "C Stëbs", duerch staark Massentransfer op d'Kristalluewerfläch transportéiert ginn, wat zu Inklusiounen am gewuessene Kristall resultéiert. Dofir, fir Metal Gëftstoffer a C Stëbs ze reduzéieren, soll d'Partikelgréisst vun der SiC Quell allgemeng op en Duerchmiesser vu manner wéi 200 μm kontrolléiert ginn, an de Wuesstumsrate däerf net méi wéi ~0,4 mm / h sinn fir luesen Massentransfer z'erhalen an schwiewend auszeschléissen. C Stëbs. Metal Gëftstoffer a C Stëbs féieren zu der Degradatioun vu gewuessene SiC Kristalle, déi d'Haapthindernisser fir de schnelle Wuesstum vu SiC iwwer d'PVT Method sinn.
An dëser Etude goufen zerquetscht CVD-SiC Quellen ouni kleng Partikel benotzt, déi schwiewend C Stëbs ënner staarkem Massentransfer eliminéiert. Also, gouf d'thermesch Zone Struktur benotzt multiphysik Simulatioun-baséiert PVT Method entworf séier SiC Wuesstem ze erreechen, an der simuléiert Temperatur Verdeelung an Temperaturgradient sinn an Figur 3a gewisen.
Figur 3: (a) Temperaturverdeelung an Temperaturgradient no bei der Wuesstemsfront vum PVT-Reaktor kritt duerch endlech Elementanalyse, an (b) vertikal Temperaturverdeelung laanscht d'axisymmetresch Linn.
Am Verglach mat typesche thermesche Zone-Astellunge fir SiC-Kristalle mat engem Wuesstumsrate vun 0,3 bis 0,8 mm / h ënner engem klenge Temperaturgradient vu manner wéi 1 ° C / mm ze wuessen, hunn d'thermesch Zone-Astellungen an dëser Etude e relativ groussen Temperaturgradient vun ~ 3,8 °C/mm bei enger Wuesstemstemperatur vun ~2268°C. Den Temperaturgradientwäert an dëser Etude ass vergläichbar mam schnelle Wuesstum vu SiC mat enger Rate vun 2,4 mm / h mat der HTCVD Method, wou den Temperaturgradient op ~14 ° C / mm gesat gëtt. Vun der vertikaler Temperatur Verdeelung an Dorënner 3b gewisen, bestätegt mir, datt kee ëmgedréint Temperaturgradient datt polycrystals Form no bei der Wuesstem virun präsent war, wéi an der Literatur beschriwwen.
Mat dem PVT-System goufen SiC-Kristalle vun der CVD-SiC-Quell fir 4 Stonnen ugebaut, wéi an de Figuren 2 an 3. E representativen SiC-Kristallwachstum aus dem ugebauten SiC gëtt an der Figur 4a gewisen. D'Dicke a Wuesstumsrate vum SiC-Kristall an der Figur 4a sinn 5,84 mm an 1,46 mm / h respektiv. Den Impakt vun der SiC Quell op d'Qualitéit, polytype, Morphologie, a Rengheet vun der ugebaut SiC Kristallsglas produzéiert an Dorënner 4a war ënnersicht, wéi an Dorënner 4b-e gewisen. D'Querschnitt Tomographie Bild an Dorënner 4b weist, datt de Kristallsglas produzéiert Wuesstem konvex-gebuerene war wéinst der suboptimal Wuesstem Konditiounen. Allerdéngs, identifizéiert de Mikro-Raman Spektroskopie zu Dorënner 4c de ugebaut Kristallsglas produzéiert als eenzeg Phas vun 4H-SiC ouni polytype inclusions. D'FWHM Wäert vun der (0004) Héichpunkt vun der X-Ray Rocking Curve Analyse kritt war 18,9 Bousekonnen, och bestätegt gutt Kristallsglas produzéiert Qualitéit.
Figur 4: (a) Grown SiC Kristall (Wuessquote vun 1,46 mm / h) a seng Evaluatiounsresultater mat (b) Querschnitttomographie, (c) Mikro-Raman Spektroskopie, (d) Röntgenrockingkurve, an ( e) Röntgentopographie.
Figur 4e weist de wäisse Strahl Röntgen Topographie, déi Kratzer identifizéiert an d'Threading Dislokatiounen an der poléierter Wafer vum gewuessene Kristall identifizéiert. D'Dislokatiounsdicht vum erwuessene Kristall gouf gemooss op ~3000 ea/cm², liicht méi héich wéi d'Dislokatiounsdichte vum Somkristall, deen ~2000 ea/cm² war. De ugebaute Kristall gouf bestätegt datt se relativ niddereg Dislokatiounsdicht huet, vergläichbar mat der Kristallqualitéit vu kommerziellen Waferen. Interessanterweis gouf de schnelle Wuesstum vu SiC Kristalle mat der PVT Method mat enger zerdréckter CVD-SiC Quell ënner engem groussen Temperaturgradient erreecht. D'Konzentratioune vu B, Al, an N am ugebauten Kristall waren 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵, respektiv 1,98 × 10¹⁹ Atomer/cm³. D'Konzentratioun vu P am ugebauten Kristall war ënner der Detektiounsgrenz (<1.0 × 10¹⁴ Atomer / cm³). D'Gëftungskonzentratioune ware genuch niddereg fir Ladungsträger, ausser fir N, dee bewosst während dem CVD-Prozess dotéiert gouf.
Och wann de Kristallwachstum an dëser Etude kleng-Skala berücksichtegt kommerziell Produkter war, huet déi erfollegräich Demonstratioun vu schnelle SiC-Wuesstum mat gudder Kristallqualitéit mat der CVD-SiC Quell duerch d'PVT-Methode bedeitend Implikatiounen. Zënter CVD-SiC Quellen, trotz hiren exzellenten Eegeschaften, käschtekompetitiv sinn duerch d'Recycling vu verworf Materialien, erwaarden mir hir verbreet Notzung als villverspriechend SiC Quell fir SiC Puderquellen ze ersetzen. Fir CVD-SiC Quellen fir de schnelle Wuesstum vu SiC z'applizéieren, ass d'Temperaturverdeelung am PVT System optimiséiert, wat weider Froen fir zukünfteg Fuerschung stellt.
Conclusioun
An dëser Etude gouf déi erfollegräich Demonstratioun vu schnelle SiC Kristallwachstum mat zerdréckten CVD-SiC Blocken ënner héijer Temperaturgradientbedéngungen duerch d'PVT Method erreecht. Interessanterweis gouf de schnelle Wuesstum vu SiC Kristalle realiséiert andeems d'SiC Quell mat der PVT Method ersat gouf. Dës Method gëtt erwaart fir d'grouss-Skala Produktiounseffizienz vu SiC Eenkristallen wesentlech ze erhéijen, schlussendlech d'Eenheetskäschte vu SiC-Substraten ze reduzéieren an d'verbreet Benotzung vun High-Performance Power-Geräter ze förderen.
Post Zäit: Jul-19-2024