Hurtig vækst af SiC-enkeltkrystaller ved hjælp af CVD-SiC-bulkkilde ved sublimeringsmetode

Hurtig vækst af SiC Single Crystal ved hjælp afCVD-SiC BulkKilde via sublimeringsmetode
Ved at bruge genbrugCVD-SiC blokkesom SiC-kilden blev SiC-krystaller med succes dyrket med en hastighed på 1,46 mm/h gennem PVT-metoden. Den dyrkede krystals mikrorør og dislokationstætheder indikerer, at trods den høje væksthastighed er krystalkvaliteten fremragende.

Siliciumcarbid (SiC)er en bredbånds-halvleder med fremragende egenskaber til applikationer i højspænding, høj effekt og høj frekvens. Dens efterspørgsel er vokset hurtigt i de seneste år, især inden for effekthalvlederområdet. Til krafthalvlederapplikationer dyrkes SiC-enkeltkrystaller ved at sublimere en højren SiC-kilde ved 2100-2500°C, derefter omkrystalliseres på en frøkrystal ved hjælp af den fysiske damptransport (PVT) metode, efterfulgt af behandling for at opnå enkeltkrystalsubstrater på wafers . Traditionelt,SiC krystallerdyrkes ved hjælp af PVT-metoden med en væksthastighed på 0,3 til 0,8 mm/h for at kontrollere krystalliniteten, hvilket er relativt langsomt sammenlignet med andre enkeltkrystalmaterialer, der anvendes i halvlederanvendelser. Når SiC-krystaller dyrkes ved høje væksthastigheder ved hjælp af PVT-metoden, er kvalitetsforringelse inklusive kulstofindeslutninger, reduceret renhed, polykrystallinsk vækst, korngrænsedannelse og dislokation og porøsitetsdefekter ikke blevet udelukket. Derfor er hurtig vækst af SiC ikke blevet udviklet, og den langsomme væksthastighed af SiC har været en stor hindring for produktiviteten af ​​SiC-substrater.

På den anden side har de seneste rapporter om hurtig vækst af SiC brugt højtemperatur kemisk dampaflejring (HTCVD) metoder snarere end PVT-metoden. HTCVD-metoden bruger en damp indeholdende Si og C som SiC-kilden i reaktoren. HTCVD er endnu ikke blevet brugt til storskalaproduktion af SiC og kræver yderligere forskning og udvikling til kommercialisering. Interessant nok, selv ved en høj væksthastighed på ~3 mm/t, kan SiC-enkeltkrystaller dyrkes med god krystalkvalitet ved hjælp af HTCVD-metoden. I mellemtiden er SiC-komponenter blevet brugt i halvlederprocesser under barske miljøer, der kræver proceskontrol med ekstrem høj renhed. Til halvlederprocesapplikationer fremstilles SiC-komponenter med en renhed på ~99,9999% (~6N) sædvanligvis ved CVD-processen ud fra methyltrichlorsilan (CH3Cl3Si, MTS). På trods af den høje renhed af CVD-SiC-komponenter er de dog blevet kasseret efter brug. For nylig er kasserede CVD-SiC-komponenter blevet betragtet som SiC-kilder til krystalvækst, selvom nogle genvindingsprocesser, herunder knusning og oprensning, stadig er nødvendige for at opfylde de høje krav til en krystalvækstkilde. I denne undersøgelse brugte vi kasserede CVD-SiC-blokke til at genbruge materialer som en kilde til dyrkning af SiC-krystaller. CVD-SiC-blokkene til enkeltkrystalvækst blev fremstillet som størrelseskontrollerede knuste blokke, væsentligt forskellige i form og størrelse sammenlignet med det kommercielle SiC-pulver, der almindeligvis anvendes i PVT-processen, hvorfor opførselen af ​​SiC-enkeltkrystalvækst forventedes at være signifikant anderledes. Før udførelse af SiC-enkeltkrystalvæksteksperimenter, blev computersimuleringer udført for at opnå høje vækstrater, og den termiske zone blev konfigureret i overensstemmelse hermed til enkeltkrystalvækst. Efter krystalvækst blev de dyrkede krystaller bedømt ved tværsnitstomografi, mikro-Raman-spektroskopi, højopløsningsrøntgendiffraktion og synkrotron-hvidstrålerøntgentopografi.
Figur 1 viser CVD-SiC-kilden brugt til PVT-vækst af SiC-krystaller i denne undersøgelse. Som beskrevet i indledningen blev CVD-SiC-komponenter syntetiseret fra MTS ved CVD-processen og formet til halvlederbrug gennem mekanisk behandling. N blev dopet i CVD-processen for at opnå ledningsevne til halvlederprocesapplikationer. Efter brug i halvlederprocesser blev CVD-SiC-komponenterne knust for at forberede kilden til krystalvækst, som vist i figur 1. CVD-SiC-kilden blev fremstillet som plader med en gennemsnitlig tykkelse på ~0,5 mm og en gennemsnitlig partikelstørrelse på 49,75 mm.

Figur 1: CVD-SiC-kilde fremstillet af den MTS-baserede CVD-proces.

Ved at bruge CVD-SiC-kilden vist i figur 1 blev SiC-krystaller dyrket ved PVT-metoden i en induktionsvarmeovn. For at evaluere temperaturfordelingen i den termiske zone blev kommerciel simuleringskode VR-PVT 8.2 (STR, Serbien) brugt. Reaktoren med den termiske zone blev modelleret som en 2D aksesymmetrisk model, som vist i figur 2, med dens maskemodel. Alle materialer anvendt i simuleringen er vist i figur 2, og deres egenskaber er angivet i tabel 1. Baseret på simuleringsresultaterne blev SiC-krystaller dyrket ved hjælp af PVT-metoden ved et temperaturområde på 2250–2350°C i en Ar-atmosfære ved 35 Torr i 4 timer. En 4° off-akse 4H-SiC wafer blev brugt som SiC-frøet. De dyrkede krystaller blev evalueret ved mikro-Raman-spektroskopi (Witec, UHTS 300, Tyskland) og højopløsnings-XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, ​​PANalytical, Holland). Urenhedskoncentrationerne i de dyrkede SiC-krystaller blev evalueret ved hjælp af dynamisk sekundær ionmassespektrometri (SIMS, Cameca IMS-6f, Frankrig). Dislokationstætheden af ​​de dyrkede krystaller blev evalueret under anvendelse af synkrotron-hvidstrålerøntgentopografi ved Pohang-lyskilden.

Figur 2: Termisk zonediagram og maskemodel af PVT-vækst i en induktionsvarmeovn.

Da HTCVD- og PVT-metoder dyrker krystaller under gas-fastfase-ligevægt på vækstfronten, gav en vellykket hurtig vækst af SiC ved HTCVD-metoden udfordringen med hurtig vækst af SiC ved PVT-metoden i denne undersøgelse. HTCVD-metoden bruger en gaskilde, der er let flow-kontrolleret, mens PVT-metoden bruger en fast kilde, der ikke direkte styrer flow. Strømningshastigheden tilvejebragt til vækstfronten i PVT-metoden kan styres af sublimeringshastigheden af ​​den faste kilde gennem temperaturfordelingskontrol, men præcis kontrol af temperaturfordelingen i praktiske vækstsystemer er ikke let at opnå.
Ved at øge kildetemperaturen i PVT-reaktoren kan væksthastigheden af ​​SiC øges ved at øge kildens sublimeringshastighed. For at opnå stabil krystalvækst er temperaturkontrol på vækstfronten afgørende. For at øge væksthastigheden uden at danne polykrystaller, skal der opnås en højtemperaturgradient ved vækstfronten, som vist ved SiC-vækst via HTCVD-metoden. Utilstrækkelig lodret varmeledning til bagsiden af ​​hætten bør sprede den akkumulerede varme ved vækstfronten gennem termisk stråling til vækstoverfladen, hvilket fører til dannelsen af ​​overskydende overflader, dvs. polykrystallinsk vækst.
Både masseoverførsel og omkrystalliseringsprocesser i PVT-metoden ligner meget HTCVD-metoden, selvom de adskiller sig i SiC-kilden. Dette betyder, at hurtig vækst af SiC også er opnåelig, når sublimeringshastigheden af ​​SiC-kilden er tilstrækkelig høj. Men at opnå højkvalitets SiC-enkeltkrystaller under høje vækstbetingelser via PVT-metoden har flere udfordringer. Kommercielle pulvere indeholder typisk en blanding af små og store partikler. På grund af overfladeenergiforskelle har små partikler relativt høje urenhedskoncentrationer og sublimerer før store partikler, hvilket fører til høje urenhedskoncentrationer i de tidlige vækststadier af krystallen. Derudover, da fast SiC nedbrydes til damptyper som C og Si, SiC2 og Si2C ved høje temperaturer, dannes fast C uundgåeligt, når SiC-kilden sublimerer i PVT-metoden. Hvis det dannede faste C er lille og let nok, under hurtige vækstbetingelser, kan små C-partikler, kendt som "C-støv", transporteres til krystaloverfladen ved stærk masseoverførsel, hvilket resulterer i indeslutninger i den voksede krystal. For at reducere metalurenheder og C-støv bør partikelstørrelsen af ​​SiC-kilden derfor generelt kontrolleres til en diameter på mindre end 200 μm, og væksthastigheden bør ikke overstige ~0,4 mm/h for at opretholde langsom masseoverførsel og udelukke flydende C støv. Metalurenheder og C-støv fører til nedbrydning af dyrkede SiC-krystaller, som er de vigtigste hindringer for den hurtige vækst af SiC via PVT-metoden.
I denne undersøgelse blev der brugt knuste CVD-SiC-kilder uden små partikler, hvilket eliminerede flydende C-støv under kraftig masseoverførsel. Således blev den termiske zonestruktur designet ved hjælp af multifysisk simuleringsbaseret PVT-metode for at opnå hurtig SiC-vækst, og den simulerede temperaturfordeling og temperaturgradient er vist i figur 3a.

Figur 3: (a) Temperaturfordeling og temperaturgradient nær vækstfronten af ​​PVT-reaktoren opnået ved finite element-analyse, og (b) vertikal temperaturfordeling langs den aksesymmetriske linje.
Sammenlignet med typiske termiske zoneindstillinger for dyrkning af SiC-krystaller med en væksthastighed på 0,3 til 0,8 mm/h under en lille temperaturgradient på mindre end 1 °C/mm, har de termiske zoneindstillinger i denne undersøgelse en relativt stor temperaturgradient på ~ 3,8 °C/mm ved en væksttemperatur på ~2268 °C. Temperaturgradientværdien i denne undersøgelse er sammenlignelig med den hurtige vækst af SiC med en hastighed på 2,4 mm/h ved brug af HTCVD-metoden, hvor temperaturgradienten er sat til ~14 °C/mm. Fra den lodrette temperaturfordeling vist i figur 3b bekræftede vi, at ingen omvendt temperaturgradient, der kunne danne polykrystaller, var til stede nær vækstfronten, som beskrevet i litteraturen.
Ved anvendelse af PVT-systemet blev SiC-krystaller dyrket fra CVD-SiC-kilden i 4 timer, som vist i figur 2 og 3. En repræsentativ SiC-krystalvækst fra den dyrkede SiC er vist i figur 4a. Tykkelsen og væksthastigheden af ​​SiC-krystallen vist i figur 4a er henholdsvis 5,84 mm og 1,46 mm/h. Virkningen af ​​SiC-kilden på kvaliteten, polytypen, morfologien og renheden af ​​den dyrkede SiC-krystal vist i figur 4a blev undersøgt, som vist i figur 4b-e. Tværsnitstomografibilledet i figur 4b viser, at krystalvæksten var konveksformet på grund af de suboptimale vækstbetingelser. Imidlertid identificerede mikro-Raman-spektroskopien i figur 4c den dyrkede krystal som en enkelt fase af 4H-SiC uden nogen polytype-indeslutninger. FWHM-værdien af ​​(0004) toppen opnået fra røntgen-rocking-kurveanalysen var 18,9 buesekunder, hvilket også bekræfter god krystalkvalitet.

Figur 4: (a) dyrket SiC-krystal (væksthastighed på 1,46 mm/h) og dets evalueringsresultater med (b) tværsnitstomografi, (c) mikro-Raman-spektroskopi, (d) røntgen-rokkekurve, og ( e) Røntgentopografi.

Figur 4e viser den hvide stråle røntgentopografi, der identificerer ridser og gevindforskydninger i den polerede wafer af den voksede krystal. Dislokationstætheden af ​​den dyrkede krystal blev målt til at være ~3000 ea/cm², lidt højere end dislokationstætheden af ​​podekrystallen, som var ~2000 ea/cm². Det blev bekræftet, at den dyrkede krystal havde en relativt lav dislokationstæthed, sammenlignelig med krystalkvaliteten af ​​kommercielle wafere. Interessant nok blev hurtig vækst af SiC-krystaller opnået ved hjælp af PVT-metoden med en knust CVD-SiC-kilde under en stor temperaturgradient. Koncentrationerne af B, Al og N i den dyrkede krystal var henholdsvis 2,18 x 1016, 7,61 x 1015 og 1,98 x 1019 atomer/cm3. Koncentrationen af ​​P i den dyrkede krystal var under detektionsgrænsen (<1,0 x 1014 atomer/cm3). Urenhedskoncentrationerne var tilstrækkelig lave til ladningsbærere, bortset fra N, som med vilje blev dopet under CVD-processen.
Selvom krystalvæksten i denne undersøgelse var lille i betragtning af kommercielle produkter, har den vellykkede demonstration af hurtig SiC-vækst med god krystalkvalitet ved hjælp af CVD-SiC-kilden gennem PVT-metoden betydelige implikationer. Da CVD-SiC-kilder på trods af deres fremragende egenskaber er omkostningskonkurrencedygtige ved at genbruge kasserede materialer, forventer vi, at deres udbredte udnyttelse som en lovende SiC-kilde kan erstatte SiC-pulverkilder. For at anvende CVD-SiC-kilder til hurtig vækst af SiC kræves optimering af temperaturfordelingen i PVT-systemet, hvilket stiller yderligere spørgsmål til fremtidig forskning.

Konklusion
I denne undersøgelse blev den vellykkede demonstration af hurtig SiC-krystalvækst ved hjælp af knuste CVD-SiC-blokke under højtemperaturgradientforhold gennem PVT-metoden opnået. Interessant nok blev den hurtige vækst af SiC-krystaller realiseret ved at erstatte SiC-kilden med PVT-metoden. Denne metode forventes at øge den store produktionseffektivitet af SiC-enkeltkrystaller betydeligt, hvilket i sidste ende reducerer enhedsomkostningerne for SiC-substrater og fremmer den udbredte brug af højtydende strømenheder.