Snelle groei van gebruik van SiC-singlekristallenCVD-SiC-bulkBron via sublimatiemethode
Door gerecycled te gebruikenCVD-SiC-blokkenals SiC-bron werden SiC-kristallen met succes gekweekt met een snelheid van 1,46 mm/uur via de PVT-methode. De micropijpjes en de dislocatiedichtheden van het gegroeide kristal geven aan dat ondanks de hoge groeisnelheid de kristalkwaliteit uitstekend is.
Siliciumcarbide (SiC)is een halfgeleider met een brede bandafstand en uitstekende eigenschappen voor toepassingen in hoogspanning, hoog vermogen en hoge frequentie. De vraag is de afgelopen jaren snel gegroeid, vooral op het gebied van vermogenshalfgeleiders. Voor vermogenshalfgeleidertoepassingen worden SiC-eenkristallen gekweekt door een zeer zuivere SiC-bron te sublimeren bij 2100–2500 ° C, vervolgens te herkristalliseren op een kiemkristal met behulp van de Physical Vapour Transport (PVT) -methode, gevolgd door verwerking om monokristallijne substraten op wafers te verkrijgen . Traditioneel,SiC-kristallenworden gekweekt met behulp van de PVT-methode met een groeisnelheid van 0,3 tot 0,8 mm/uur om de kristalliniteit te controleren, wat relatief langzaam is in vergelijking met andere monokristallijne materialen die worden gebruikt in halfgeleidertoepassingen. Wanneer SiC-kristallen met hoge groeisnelheden worden gekweekt met behulp van de PVT-methode, is kwaliteitsverslechtering inclusief koolstofinsluitingen, verminderde zuiverheid, polykristallijne groei, vorming van korrelgrens en dislocatie- en porositeitsdefecten niet uitgesloten. Daarom is er geen snelle groei van SiC ontwikkeld en is de langzame groeisnelheid van SiC een groot obstakel geweest voor de productiviteit van SiC-substraten.
Aan de andere kant wordt in recente rapporten over de snelle groei van SiC gebruik gemaakt van chemische dampafzettingsmethoden (HTCVD) bij hoge temperatuur in plaats van de PVT-methode. De HTCVD-methode maakt gebruik van een damp die Si en C bevat als SiC-bron in de reactor. HTCVD is nog niet gebruikt voor de grootschalige productie van SiC en vereist verder onderzoek en ontwikkeling voor commercialisering. Interessant is dat zelfs bij een hoge groeisnelheid van ~3 mm/uur SiC-monokristallen met een goede kristalkwaliteit kunnen worden gekweekt met behulp van de HTCVD-methode. Ondertussen zijn SiC-componenten gebruikt in halfgeleiderprocessen onder zware omstandigheden die procesbeheersing met een extreem hoge zuiverheid vereisen. Voor halfgeleiderprocestoepassingen worden SiC-componenten met een zuiverheid van ∼99,9999% (~6N) gewoonlijk bereid door het CVD-proces uit methyltrichloorsilaan (CH3Cl3Si, MTS). Ondanks de hoge zuiverheid van CVD-SiC-componenten worden ze na gebruik echter weggegooid. Onlangs zijn afgedankte CVD-SiC-componenten beschouwd als SiC-bronnen voor kristalgroei, hoewel sommige terugwinningsprocessen, waaronder breken en zuiveren, nog steeds nodig zijn om aan de hoge eisen van een kristalgroeibron te voldoen. In deze studie hebben we afgedankte CVD-SiC-blokken gebruikt om materialen te recyclen als bron voor het kweken van SiC-kristallen. De CVD-SiC-blokken voor de groei van eenkristallen werden vervaardigd als op grootte gecontroleerde gebroken blokken, die qua vorm en grootte aanzienlijk verschilden van het commerciële SiC-poeder dat gewoonlijk in het PVT-proces wordt gebruikt. Daarom werd verwacht dat het gedrag van de groei van SiC-eenkristallen aanzienlijk zou zijn. verschillend. Voordat experimenten met de groei van SiC-monokristallen werden uitgevoerd, werden computersimulaties uitgevoerd om hoge groeisnelheden te bereiken, en de thermische zone werd dienovereenkomstig geconfigureerd voor de groei van monokristallen. Na kristalgroei werden de gegroeide kristallen geëvalueerd door middel van dwarsdoorsnedetomografie, micro-Raman-spectroscopie, röntgendiffractie met hoge resolutie en synchrotron-röntgentopografie met witte bundel.
Figuur 1 toont de CVD-SiC-bron die in dit onderzoek wordt gebruikt voor PVT-groei van SiC-kristallen. Zoals beschreven in de inleiding, werden CVD-SiC-componenten gesynthetiseerd uit MTS door het CVD-proces en gevormd voor gebruik in halfgeleiders door middel van mechanische verwerking. N werd gedoteerd in het CVD-proces om geleidbaarheid te bereiken voor halfgeleiderprocestoepassingen. Na gebruik in halfgeleiderprocessen werden de CVD-SiC-componenten vermalen om de bron voor te bereiden op kristalgroei, zoals weergegeven in figuur 1. De CVD-SiC-bron werd vervaardigd als platen met een gemiddelde dikte van ~0,5 mm en een gemiddelde deeltjesgrootte van 49,75 mm.
Figuur 1: CVD-SiC-bron opgesteld door het op MTS gebaseerde CVD-proces.
Met behulp van de CVD-SiC-bron getoond in Figuur 1 werden SiC-kristallen gegroeid door de PVT-methode in een inductieverwarmingsoven. Om de temperatuurverdeling in de thermische zone te evalueren, werd commerciële simulatiecode VR-PVT 8.2 (STR, Republiek Servië) gebruikt. De reactor met de thermische zone werd gemodelleerd als een 2D axiaalsymmetrisch model, zoals weergegeven in figuur 2, met zijn mesh-model. Alle materialen die in de simulatie zijn gebruikt, worden weergegeven in Figuur 2, en hun eigenschappen staan vermeld in Tabel 1. Op basis van de simulatieresultaten werden SiC-kristallen gekweekt met behulp van de PVT-methode bij een temperatuurbereik van 2250–2350 °C in een Ar-atmosfeer bij 35 Torr gedurende 4 uur. Een 4H-SiC-wafel met een hoek van 4° buiten de as werd gebruikt als het SiC-zaad. De gegroeide kristallen werden geëvalueerd door micro-Raman-spectroscopie (Witec, UHTS 300, Duitsland) en XRD met hoge resolutie (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Nederland). De onzuiverheidsconcentraties in de gegroeide SiC-kristallen werden geëvalueerd met behulp van dynamische secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS, Cameca IMS-6f, Frankrijk). De dislocatiedichtheid van de gegroeide kristallen werd geëvalueerd met behulp van synchrotron-röntgentopografie met witte bundel bij de Pohang-lichtbron.
Figuur 2: Thermisch zonediagram en mesh-model van PVT-groei in een inductieverwarmingsoven.
Omdat HTCVD- en PVT-methoden kristallen laten groeien onder gas-vaste fase-evenwicht aan het groeifront, leidde de succesvolle snelle groei van SiC met de HTCVD-methode tot de uitdaging van snelle groei van SiC met de PVT-methode in deze studie. De HTCVD-methode maakt gebruik van een gasbron die gemakkelijk de stroom kan regelen, terwijl de PVT-methode een vaste bron gebruikt die de stroom niet rechtstreeks regelt. De stroomsnelheid die bij de PVT-methode naar het groeifront wordt geleverd, kan worden geregeld door de sublimatiesnelheid van de vaste bron door middel van temperatuurverdelingsregeling, maar nauwkeurige controle van de temperatuurverdeling in praktische groeisystemen is niet eenvoudig te bereiken.
Door de brontemperatuur in de PVT-reactor te verhogen, kan de groeisnelheid van SiC worden verhoogd door de sublimatiesnelheid van de bron te verhogen. Om stabiele kristalgroei te bereiken is temperatuurbeheersing aan het groeifront cruciaal. Om de groeisnelheid te verhogen zonder polykristallen te vormen, moet aan het groeifront een hoge temperatuurgradiënt worden bereikt, zoals blijkt uit SiC-groei via de HTCVD-methode. Onvoldoende verticale warmtegeleiding naar de achterkant van de kap zou de opgehoopte warmte aan het groeifront via thermische straling naar het groeioppervlak moeten afvoeren, wat leidt tot de vorming van overtollige oppervlakken, dwz polykristallijne groei.
Zowel massaoverdrachts- als herkristallisatieprocessen bij de PVT-methode lijken sterk op de HTCVD-methode, hoewel ze verschillen wat betreft de SiC-bron. Dit betekent dat een snelle groei van SiC ook haalbaar is wanneer de sublimatiesnelheid van de SiC-bron voldoende hoog is. Het bereiken van hoogwaardige SiC-eenkristallen onder hoge groeiomstandigheden via de PVT-methode brengt echter verschillende uitdagingen met zich mee. Commerciële poeders bevatten doorgaans een mengsel van kleine en grote deeltjes. Als gevolg van verschillen in oppervlakte-energie hebben kleine deeltjes relatief hoge onzuiverheidsconcentraties en sublimeren ze vóór grote deeltjes, wat leidt tot hoge onzuiverheidsconcentraties in de vroege groeifasen van het kristal. Bovendien, wanneer vast SiC bij hoge temperaturen ontleedt in dampsoorten zoals C en Si, SiC2 en Si2C, vormt zich onvermijdelijk vast C wanneer de SiC-bron sublimeert in de PVT-methode. Als de gevormde vaste stof C klein en licht genoeg is, kunnen onder snelle groeiomstandigheden kleine C-deeltjes, bekend als "C-stof", door sterke massaoverdracht naar het kristaloppervlak worden getransporteerd, wat resulteert in insluitsels in het gegroeide kristal. Om metaalonzuiverheden en C-stof te verminderen, moet de deeltjesgrootte van de SiC-bron daarom in het algemeen worden gecontroleerd tot een diameter van minder dan 200 μm, en de groeisnelheid mag niet hoger zijn dan ∼0,4 mm/uur om een langzame massaoverdracht te behouden en zwevende deeltjes uit te sluiten. C stof. Metaalverontreinigingen en C-stof leiden tot de afbraak van gegroeide SiC-kristallen, die de belangrijkste obstakels vormen voor de snelle groei van SiC via de PVT-methode.
In deze studie werden gemalen CVD-SiC-bronnen zonder kleine deeltjes gebruikt, waardoor zwevend C-stof onder sterke massaoverdracht werd geëlimineerd. Derhalve werd de thermische zonestructuur ontworpen met behulp van een op multifysische simulatie gebaseerde PVT-methode om snelle SiC-groei te bereiken, en de gesimuleerde temperatuurverdeling en temperatuurgradiënt worden getoond in figuur 3a.
Figuur 3: (a) Temperatuurverdeling en temperatuurgradiënt nabij het groeifront van de PVT-reactor verkregen door eindige elementenanalyse, en (b) verticale temperatuurverdeling langs de asymmetrische lijn.
Vergeleken met typische thermische zone-instellingen voor het laten groeien van SiC-kristallen met een groeisnelheid van 0,3 tot 0,8 mm/u onder een kleine temperatuurgradiënt van minder dan 1 °C/mm, hebben de thermische zone-instellingen in dit onderzoek een relatief grote temperatuurgradiënt van ∼ 3,8 °C/mm bij een groeitemperatuur van ~2268 °C. De temperatuurgradiëntwaarde in dit onderzoek is vergelijkbaar met de snelle groei van SiC met een snelheid van 2,4 mm/uur met behulp van de HTCVD-methode, waarbij de temperatuurgradiënt is ingesteld op ~14 °C/mm. Uit de verticale temperatuurverdeling weergegeven in figuur 3b hebben we bevestigd dat er geen omgekeerde temperatuurgradiënt aanwezig was die polykristallen zou kunnen vormen nabij het groeifront, zoals beschreven in de literatuur.
Met behulp van het PVT-systeem werden gedurende 4 uur SiC-kristallen uit de CVD-SiC-bron gekweekt, zoals weergegeven in Figuren 2 en 3. Een representatieve SiC-kristalgroei uit het gegroeide SiC wordt getoond in Figuur 4a. De dikte en groeisnelheid van het SiC-kristal getoond in Figuur 4a zijn respectievelijk 5,84 mm en 1,46 mm/uur. De impact van de SiC-bron op de kwaliteit, het polytype, de morfologie en de zuiverheid van het gegroeide SiC-kristal getoond in Figuur 4a werd onderzocht, zoals getoond in Figuren 4b-e. Het tomografiebeeld in dwarsdoorsnede in figuur 4b laat zien dat de kristalgroei convex van vorm was vanwege de suboptimale groeiomstandigheden. De micro-Raman-spectroscopie in figuur 4c identificeerde het gegroeide kristal echter als een enkele fase van 4H-SiC zonder enige polytype-insluitsels. De FWHM-waarde van de (0004) piek verkregen uit de röntgen-schommelcurve-analyse was 18,9 boogseconden, wat ook een goede kristalkwaliteit bevestigt.
Figuur 4: (a) Gegroeid SiC-kristal (groeisnelheid van 1,46 mm/uur) en de evaluatieresultaten ervan met (b) tomografie in dwarsdoorsnede, (c) micro-Raman-spectroscopie, (d) röntgenschommelcurve, en ( e) Röntgentopografie.
Figuur 4e toont de röntgentopografie met witte bundel die krassen en draaddislocaties in de gepolijste wafel van het gegroeide kristal identificeert. De dislocatiedichtheid van het gegroeide kristal werd gemeten als ~3000 ea/cm², iets hoger dan de dislocatiedichtheid van het kiemkristal, die ~2000 ea/cm² bedroeg. Er werd bevestigd dat het gegroeide kristal een relatief lage dislocatiedichtheid had, vergelijkbaar met de kristalkwaliteit van commerciële wafels. Interessant is dat snelle groei van SiC-kristallen werd bereikt met behulp van de PVT-methode met een gebroken CVD-SiC-bron onder een grote temperatuurgradiënt. De concentraties van B, Al en N in het gegroeide kristal waren respectievelijk 2,18 x 10¹⁶, 7,61 x 10¹⁵ en 1,98 x 10¹⁹ atomen/cm³. De concentratie van P in het gegroeide kristal lag onder de detectielimiet (<1,0 x 10¹⁴ atomen/cm³). De onzuiverheidsconcentraties waren voldoende laag voor ladingsdragers, behalve voor N, dat opzettelijk werd gedoteerd tijdens het CVD-proces.
Hoewel de kristalgroei in deze studie kleinschalig was gezien commerciële producten, heeft de succesvolle demonstratie van snelle SiC-groei met goede kristalkwaliteit met behulp van de CVD-SiC-bron via de PVT-methode aanzienlijke implicaties. Omdat CVD-SiC-bronnen, ondanks hun uitstekende eigenschappen, kostenconcurrerend zijn door het recyclen van afgedankte materialen, verwachten we dat hun wijdverspreide gebruik als een veelbelovende SiC-bron ter vervanging van SiC-poederbronnen. Om CVD-SiC-bronnen toe te passen voor snelle groei van SiC, is het optimaliseren van de temperatuurverdeling in het PVT-systeem vereist, wat verdere vragen oproept voor toekomstig onderzoek.
Conclusie
In deze studie werd de succesvolle demonstratie van snelle SiC-kristalgroei met behulp van gebroken CVD-SiC-blokken onder hoge temperatuurgradiëntomstandigheden via de PVT-methode bereikt. Interessant genoeg werd de snelle groei van SiC-kristallen gerealiseerd door de SiC-bron te vervangen door de PVT-methode. Verwacht wordt dat deze methode de grootschalige productie-efficiëntie van SiC-monokristallen aanzienlijk zal verhogen, waardoor uiteindelijk de kosten per eenheid van SiC-substraten zullen worden verlaagd en het wijdverbreide gebruik van krachtige energieapparaten zal worden bevorderd.
Posttijd: 19 juli 2024