Piikarbidin yksikiteisen käytön nopea kasvuCVD-SiC BulkkiLähde sublimaatiomenetelmällä
Käyttämällä kierrätettyäCVD-SiC lohkotSiC-lähteenä piikarbidikiteitä kasvatettiin onnistuneesti nopeudella 1,46 mm/h PVT-menetelmällä. Kasvaneen kiteen mikroputki ja dislokaatiotiheydet osoittavat, että korkeasta kasvunopeudesta huolimatta kiteen laatu on erinomainen.
Piikarbidi (SiC)on laajakaistainen puolijohde, jolla on erinomaiset ominaisuudet korkean jännitteen, suuren tehon ja korkean taajuuden sovelluksiin. Sen kysyntä on kasvanut nopeasti viime vuosina erityisesti tehopuolijohdealalla. Tehopuolijohdesovelluksissa piikarbidin yksikiteitä kasvatetaan sublimoimalla erittäin puhdas piikarbidilähde 2 100–2 500 °C:ssa, kiteytetään sitten uudelleen siemenkiteeksi käyttämällä fyysistä höyrynsiirtomenetelmää (PVT) ja sen jälkeen prosessoidaan yksikidesubstraattien saamiseksi kiekkoille. . Perinteisesti,SiC kiteitäkasvatetaan käyttämällä PVT-menetelmää kasvunopeudella 0,3-0,8 mm/h kiteisyyden säätelemiseksi, mikä on suhteellisen hidasta verrattuna muihin puolijohdesovelluksissa käytettyihin yksikidemateriaaleihin. Kun piikarbidikiteitä kasvatetaan korkeilla kasvunopeuksilla PVT-menetelmää käyttäen, laadun heikkenemistä, mukaan lukien hiilisulkeumat, alentunut puhtaus, monikiteinen kasvu, raerajojen muodostuminen sekä sijoiltaan ja huokoisuusvirheitä, ei ole suljettu pois. Siksi piikarbidin nopeaa kasvua ei ole kehitetty, ja piikarbidin hidas kasvunopeus on ollut suuri este piikarbidin substraattien tuottavuudelle.
Toisaalta viimeaikaiset raportit piikarbidin nopeasta kasvusta ovat käyttäneet korkean lämpötilan kemiallisia höyrypinnoitusmenetelmiä (HTCVD) PVT-menetelmän sijaan. HTCVD-menetelmässä käytetään SiC:tä ja C:tä sisältävää höyryä piikarbidin lähteenä reaktorissa. HTCVD:tä ei ole vielä käytetty laajamittaiseen piikarbidin tuotantoon, ja se vaatii lisätutkimusta ja -kehitystä kaupallistamista varten. Mielenkiintoista on, että jopa korkealla, noin 3 mm/h kasvunopeudella, SiC-yksittäiskiteitä voidaan kasvattaa hyvällä kidelaadulla käyttämällä HTCVD-menetelmää. Samaan aikaan piikarbidikomponentteja on käytetty puolijohdeprosesseissa ankarissa ympäristöissä, jotka vaativat erittäin puhdasta prosessinhallintaa. Puolijohdeprosessisovelluksissa noin 99,9999 % (~ 6N) puhtaus SiC-komponentit valmistetaan yleensä CVD-prosessilla metyylitrikloorisilaanista (CH3Cl3Si, MTS). Huolimatta CVD-SiC-komponenttien korkeasta puhtaudesta, ne on kuitenkin heitetty pois käytön jälkeen. Viime aikoina hylättyjä CVD-SiC-komponentteja on pidetty piikarbidin lähteinä kiteen kasvulle, vaikka joitain talteenottoprosesseja, mukaan lukien murskaus ja puhdistus, tarvitaan edelleen kiteen kasvulähteen korkeiden vaatimusten täyttämiseksi. Tässä tutkimuksessa käytimme hylättyjä CVD-SiC-lohkoja materiaalien kierrättämiseen lähteenä piikarbidikiteiden kasvattamiseen. Yksikiteiden kasvattamiseen tarkoitetut CVD-SiC-lohkot valmistettiin kokosäädeltyinä murskatuina lohkoina, jotka eroavat muodoltaan ja kooltaan merkittävästi PVT-prosessissa yleisesti käytetystä kaupallisesta piikarbidijauheesta, joten piikarbidin yksikiteiden kasvun käyttäytymisen odotettiin olevan merkittävästi. eri. Ennen SiC-yksikiteiden kasvukokeiden suorittamista suoritettiin tietokonesimulaatioita korkeiden kasvunopeuksien saavuttamiseksi, ja lämpövyöhyke konfiguroitiin vastaavasti yksikiteiden kasvua varten. Kiteen kasvun jälkeen kasvaneet kiteet arvioitiin poikkileikkaustomografialla, mikro-Raman-spektroskopialla, korkearesoluutioisella röntgendiffraktiolla ja synkrotronivalkosäteen röntgentopografialla.
Kuvassa 1 esitetään CVD-SiC-lähde, jota käytettiin piikarbidikiteiden PVT-kasvuun tässä tutkimuksessa. Kuten johdannossa kuvattiin, CVD-SiC-komponentit syntetisoitiin MTS:stä CVD-prosessilla ja muotoiltiin puolijohdekäyttöön mekaanisella käsittelyllä. N seostettiin CVD-prosessissa johtavuuden saavuttamiseksi puolijohdeprosessisovelluksissa. Puolijohdeprosesseissa käytön jälkeen CVD-SiC-komponentit murskattiin valmistamaan lähde kiteen kasvua varten, kuten kuvassa 1. CVD-SiC-lähde valmistettiin levyinä, joiden keskimääräinen paksuus oli ~0,5 mm ja keskimääräinen hiukkaskoko 49,75 mm.
Kuva 1: CVD-SiC-lähde, joka on valmistettu MTS-pohjaisella CVD-prosessilla.
Käyttämällä kuvassa 1 esitettyä CVD-SiC-lähdettä, piikarbidikiteitä kasvatettiin PVT-menetelmällä induktiokuumennusuunissa. Lämpötilan jakautumisen arvioimiseksi lämpövyöhykkeellä käytettiin kaupallista simulaatiokoodia VR-PVT 8.2 (STR, Serbian tasavalta). Lämpövyöhykkeellä varustettu reaktori mallinnettiin 2D-akselisymmetriseksi malliksi, kuten kuvassa 2, sen verkkomallilla. Kaikki simulaatiossa käytetyt materiaalit on esitetty kuvassa 2 ja niiden ominaisuudet on lueteltu taulukossa 1. Simulaatiotulosten perusteella SiC-kiteitä kasvatettiin PVT-menetelmällä lämpötila-alueella 2250–2350°C Ar-ilmakehässä klo. 35 Torr 4 tuntia. SiC-siemenenä käytettiin 4° akselin ulkopuolista 4H-SiC-kiekkoa. Kasvaneet kiteet arvioitiin mikro-Raman-spektroskopialla (Witec, UHTS 300, Saksa) ja korkearesoluutioisella XRD:llä (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Alankomaat). Epäpuhtauspitoisuudet kasvaneissa SiC-kiteissä arvioitiin käyttämällä dynaamista sekundaari-ionimassaspektrometriaa (SIMS, Cameca IMS-6f, Ranska). Kasvaneiden kiteiden dislokaatiotiheys arvioitiin käyttämällä synkrotronivalkoisen säteen röntgentopografiaa Pohangin valolähteessä.
Kuva 2: Lämpövyöhykekaavio ja verkkomalli PVT:n kasvusta induktiokuumennusuunissa.
Koska HTCVD- ja PVT-menetelmät kasvattavat kiteitä kaasu-kiinteäfaasitasapainossa kasvurintamalla, onnistunut nopea SiC:n kasvu HTCVD-menetelmällä aiheutti haasteen piikarbidin nopealle kasvulle PVT-menetelmällä tässä tutkimuksessa. HTCVD-menetelmässä käytetään kaasun lähdettä, joka on helposti säädettävissä virtauksella, kun taas PVT-menetelmässä käytetään kiinteää lähdettä, joka ei suoraan ohjaa virtausta. PVT-menetelmässä kasvurintamalle tarjottavaa virtausnopeutta voidaan ohjata kiintoainelähteen sublimaationopeudella lämpötilajakauman ohjauksen avulla, mutta lämpötilajakauman tarkkaa säätöä käytännön kasvatusjärjestelmissä ei ole helppo saavuttaa.
Nostamalla lähteen lämpötilaa PVT-reaktorissa, piikarbidin kasvunopeutta voidaan lisätä lisäämällä lähteen sublimaationopeutta. Kiteen vakaan kasvun saavuttamiseksi kasvurintaman lämpötilan hallinta on ratkaisevan tärkeää. Kasvunopeuden lisäämiseksi muodostamatta polykiteitä, kasvurintamalla on saavutettava korkea lämpötilagradientti, kuten piikarbidin kasvu HTCVD-menetelmällä osoittaa. Riittämättömän pystysuoran lämmönjohtumisen korkin takaosaan pitäisi haihduttaa kasvurintamaan kertynyt lämpö lämpösäteilyn kautta kasvupintaan, mikä johtaa ylimääräisten pintojen muodostumiseen eli monikiteiseen kasvuun.
Sekä massansiirto- että uudelleenkiteytysprosessit PVT-menetelmässä ovat hyvin samankaltaisia kuin HTCVD-menetelmässä, vaikka ne eroavat piikarbidin lähteestä. Tämä tarkoittaa, että piikarbidin nopea kasvu on myös saavutettavissa, kun piikarbidin lähteen sublimaationopeus on riittävän korkea. Korkealaatuisten SiC-yksikiteiden saavuttamisessa korkeissa kasvuolosuhteissa PVT-menetelmällä on kuitenkin useita haasteita. Kaupalliset jauheet sisältävät tyypillisesti pienten ja suurten hiukkasten seoksen. Pintaenergiaeroista johtuen pienillä hiukkasilla on suhteellisen korkeat epäpuhtauspitoisuudet ja ne sublimoituvat ennen suuria hiukkasia, mikä johtaa korkeisiin epäpuhtauspitoisuuksiin kiteen varhaisissa kasvuvaiheissa. Lisäksi, kun kiinteä piikarbidi hajoaa höyryiksi, kuten C ja Si, SiC2 ja Si2C korkeissa lämpötiloissa, kiinteää C:tä muodostuu väistämättä, kun piikarbidilähde sublimoituu PVT-menetelmässä. Jos muodostunut kiinteä C on tarpeeksi pieni ja kevyt, nopean kasvun olosuhteissa pienet C-partikkelit, jotka tunnetaan nimellä "C-pöly", voivat kulkeutua kiteen pinnalle voimakkaalla massasiirrolla, mikä johtaa sulkeumiin kasvaneeseen kiteeseen. Siksi metalliepäpuhtauksien ja C-pölyn vähentämiseksi piikarbidilähteen hiukkaskoko tulisi yleensä säätää halkaisijaltaan alle 200 μm:n halkaisijaan, eikä kasvunopeus saisi ylittää 0,4 mm/h hitaan massansiirron ylläpitämiseksi ja kellumisen välttämiseksi. C pölyä. Metallien epäpuhtaudet ja C-pöly johtavat kasvaneiden piikarbidikiteiden hajoamiseen, mikä on pääasiallinen este piikarbidin nopealle kasvulle PVT-menetelmällä.
Tässä tutkimuksessa käytettiin murskattuja CVD-SiC-lähteitä ilman pieniä hiukkasia, mikä eliminoi kelluvan C-pölyn voimakkaassa massasiirrossa. Näin ollen lämpövyöhykerakenne suunniteltiin käyttämällä monifysiikka-simulaatioon perustuvaa PVT-menetelmää nopean SiC-kasvun saavuttamiseksi, ja simuloitu lämpötilajakauma ja lämpötilagradientti on esitetty kuvassa 3a.
Kuva 3: (a) Lämpötilajakauma ja lämpötilagradientti lähellä PVT-reaktorin kasvurintamaa, saatu elementtianalyysillä, ja (b) pystysuora lämpötilajakauma akselin symmetristä linjaa pitkin.
Verrattuna tyypillisiin lämpövyöhykeasetuksiin, joissa kasvatetaan piikarbidikiteitä kasvunopeudella 0,3–0,8 mm/h pienessä lämpötilagradientissa, joka on alle 1 °C/mm, tämän tutkimuksen lämpövyöhyke-asetuksissa on suhteellisen suuri lämpötilagradientti ∼ 3,8 °C/mm kasvulämpötilassa -2268 °C. Lämpötilagradientin arvo tässä tutkimuksessa on verrattavissa SiC:n nopeaan kasvuun nopeudella 2,4 mm/h HTCVD-menetelmällä, jossa lämpötilagradientti on asetettu arvoon ~14 °C/mm. Kuvassa 3b esitetystä pystysuuntaisesta lämpötilajakaumasta vahvistimme, että kasvurintaman lähellä ei ollut käänteistä lämpötilagradienttia, joka voisi muodostaa monikiteitä, kuten kirjallisuudessa on kuvattu.
PVT-järjestelmää käyttäen SiC-kiteitä kasvatettiin CVD-SiC-lähteestä 4 tunnin ajan, kuten kuvissa 2 ja 3 esitetään. Edustava piikarbidikiteiden kasvu kasvatetusta piikarbidista on esitetty kuvassa 4a. Kuvassa 4a esitetyn SiC-kiteen paksuus ja kasvunopeus ovat vastaavasti 5,84 mm ja 1,46 mm/h. SiC-lähteen vaikutusta kasvatetun piikarbidikiteen laatuun, polytyyppiin, morfologiaan ja puhtauteen, kuten kuvassa 4a, tutkittiin, kuten kuvioissa 4b-e esitetään. Kuvan 4b poikkileikkaustomografiakuva osoittaa, että kiteen kasvu oli kuperaa suboptimaalisten kasvuolosuhteiden vuoksi. Mikro-Raman-spektroskopia kuvassa 4c identifioi kuitenkin kasvaneen kiteen 4H-SiC:n yhdeksi faasiksi ilman polytyyppisiä sulkeumia. Röntgenkeinukäyräanalyysistä saadun piikin (0004) FWHM-arvo oli 18,9 kaarisekuntia, mikä myös vahvisti hyvän kiteen laadun.
Kuva 4: (a) Kasvanut piikarbidikide (kasvunopeus 1,46 mm/h) ja sen arviointitulokset (b) poikkileikkaustomografialla, (c) mikro-Raman-spektroskopia, (d) röntgenkeinukäyrä ja ( e) Röntgentopografia.
Kuva 4e esittää valkoisen säteen röntgentopografiaa, joka tunnistaa naarmut ja kierteityshäiriöt kasvaneen kiteen kiillotetussa kiekossa. Kasvaneen kiteen dislokaatiotiheydeksi mitattiin noin 3000 ea/cm2, mikä on hieman korkeampi kuin siemenkiteen dislokaatiotiheys, joka oli noin 2000 ea/cm2. Kasvatetulla kiteellä vahvistettiin olevan suhteellisen alhainen dislokaatiotiheys, joka on verrattavissa kaupallisten kiekkojen kidelaatuun. Mielenkiintoista on, että SiC-kiteiden nopea kasvu saavutettiin käyttämällä PVT-menetelmää murskatulla CVD-SiC-lähteellä suuressa lämpötilagradientissa. B:n, Al:n ja N:n pitoisuudet kasvaneessa kiteessä olivat 2,18 × 1016, 7,61 × 1015 ja 1,98 × 1019 atomia/cm3, vastaavasti. P:n pitoisuus kasvaneessa kiteessä oli alle havainnointirajan (<1,0 × 1014 atomia/cm3). Epäpuhtauspitoisuudet olivat riittävän alhaisia varauksenkuljettajille, paitsi typelle, joka oli tarkoituksella seostettu CVD-prosessin aikana.
Vaikka kiteen kasvu tässä tutkimuksessa oli pienimuotoista kaupalliset tuotteet huomioon ottaen, nopean piikarbidin kasvun onnistuneella osoituksella hyvällä kiteiden laadulla käyttämällä CVD-SiC-lähdettä PVT-menetelmän avulla on merkittäviä vaikutuksia. Koska CVD-SiC-lähteet erinomaisista ominaisuuksistaan huolimatta ovat kustannuskilpailukykyisiä kierrättämällä käytöstä poistetut materiaalit, odotamme niiden laajan käytön lupaavana piikarbidilähteenä korvaamaan piikarbidijauhelähteet. CVD-SiC-lähteiden käyttäminen piikarbidin nopeaan kasvuun edellyttää lämpötilajakauman optimointia PVT-järjestelmässä, mikä herättää lisäkysymyksiä tulevaa tutkimusta varten.
Johtopäätös
Tässä tutkimuksessa onnistuttiin osoittamaan nopea piikarbidikiteiden kasvu käyttämällä murskattuja CVD-SiC-lohkoja korkean lämpötilan gradienttiolosuhteissa PVT-menetelmällä. Mielenkiintoista on, että piikarbidikiteiden nopea kasvu toteutui korvaamalla piikarbidilähde PVT-menetelmällä. Tämän menetelmän odotetaan lisäävän merkittävästi piikarbidin yksittäiskiteiden laajamittaisen tuotannon tehokkuutta, mikä lopulta alentaa piikarbidisubstraattien yksikkökustannuksia ja edistää korkean suorituskyvyn teholaitteiden laajaa käyttöä.
Postitusaika: 19.7.2024