Paspas nga Pag-uswag sa SiC Single Crystal nga GigamitCVD-SiC BulkTinubdan pinaagi sa Sublimation Method
Pinaagi sa paggamit sa recycledMga bloke sa CVD-SiCisip tinubdan sa SiC, ang mga kristal sa SiC malampusong mitubo sa gikusgon nga 1.46 mm/h pinaagi sa pamaagi sa PVT. Ang mitubo nga kristal nga micropipe ug dislokasyon nga mga densidad nagpakita nga bisan pa sa taas nga pagtubo, ang kristal nga kalidad maayo kaayo.
Silicon carbide (SiC)usa ka lapad nga bandgap nga semiconductor nga adunay maayo kaayo nga mga kabtangan alang sa mga aplikasyon sa taas nga boltahe, taas nga gahum, ug taas nga frequency. Ang panginahanglan niini paspas nga mitubo sa bag-ohay nga mga tuig, labi na sa power semiconductor field. Para sa power semiconductor applications, ang SiC single crystals gipatubo pinaagi sa sublimating high-purity SiC source sa 2100-2500°C, unya pag-recrystallize ngadto sa seed crystal gamit ang physical vapor transport (PVT) nga pamaagi, gisundan sa pagproseso aron makakuha og single crystal substrates sa wafers. . Sa naandan,Mga kristal nga SiCgipatubo gamit ang pamaagi sa PVT sa usa ka rate sa pagtubo nga 0.3 hangtod 0.8 mm / h aron makontrol ang pagkakristal, nga medyo hinay kung itandi sa ubang mga materyal nga kristal nga gigamit sa mga aplikasyon sa semiconductor. Kung ang mga kristal sa SiC gipatubo sa taas nga rate sa pagtubo gamit ang pamaagi sa PVT, ang pagkadaot sa kalidad lakip ang mga paglakip sa carbon, pagkunhod sa kaputli, pagtubo sa polycrystalline, pagporma sa utlanan sa lugas, ug dislokasyon ug mga depekto sa porosity wala isalikway. Busa, ang paspas nga pagtubo sa SiC wala pa maugmad, ug ang hinay nga pagtubo nga rate sa SiC nahimong dakong babag sa pagka-produktibo sa SiC substrates.
Sa laing bahin, ang bag-o nga mga taho sa paspas nga pagtubo sa SiC naggamit ug high-temperature chemical vapor deposition (HTCVD) nga mga pamaagi kaysa PVT nga pamaagi. Ang HTCVD nga pamaagi naggamit ug alisngaw nga adunay Si ug C isip tinubdan sa SiC sa reaktor. Ang HTCVD wala pa magamit alang sa dinagkong produksiyon sa SiC ug nanginahanglan dugang nga panukiduki ug pag-uswag alang sa komersyalisasyon. Makapainteres, bisan sa taas nga rate sa pagtubo nga ~ 3 mm / h, ang SiC single nga mga kristal mahimong motubo nga adunay maayo nga kalidad sa kristal gamit ang pamaagi sa HTCVD. Samtang, ang mga sangkap sa SiC gigamit sa mga proseso sa semiconductor sa ilawom sa mapintas nga mga palibot nga nanginahanglan labi ka taas nga pagkontrol sa proseso sa kaputli. Alang sa mga aplikasyon sa proseso sa semiconductor, ang ∼99.9999% (∼6N) kaputli nga mga sangkap sa SiC kasagarang giandam sa proseso sa CVD gikan sa methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Bisan pa, bisan pa sa taas nga kaputli sa mga sangkap sa CVD-SiC, kini gilabay human magamit. Karong bag-o, ang gilabay nga mga sangkap sa CVD-SiC giisip nga mga gigikanan sa SiC alang sa pagtubo sa kristal, bisan kung ang pipila nga mga proseso sa pagbawi lakip ang pagdugmok ug pagputli gikinahanglan pa aron matubag ang taas nga mga panginahanglanon sa usa ka gigikanan sa pagtubo sa kristal. Sa kini nga pagtuon, gigamit namon ang gilabay nga mga bloke sa CVD-SiC aron ma-recycle ang mga materyales ingon usa ka gigikanan sa pagtubo sa mga kristal nga SiC. Ang mga bloke sa CVD-SiC alang sa usa ka kristal nga pagtubo giandam ingon nga gikontrol sa gidak-on nga nahugno nga mga bloke, nga lahi kaayo sa porma ug gidak-on kumpara sa komersyal nga SiC powder nga sagad gigamit sa proseso sa PVT, busa ang pamatasan sa SiC usa ka kristal nga pagtubo gilauman nga mahimong hinungdanon. lainlain. Sa wala pa ipahigayon ang SiC nga usa ka kristal nga eksperimento sa pagtubo, ang mga simulation sa kompyuter gihimo aron makab-ot ang taas nga rate sa pagtubo, ug ang thermal zone gi-configure sumala niana alang sa usa ka kristal nga pagtubo. Human sa pagtubo sa kristal, ang mitubo nga mga kristal gisusi pinaagi sa cross-sectional tomography, micro-Raman spectroscopy, high-resolution nga X-ray diffraction, ug synchrotron white beam X-ray topography.
Gipakita sa Figure 1 ang gigikanan sa CVD-SiC nga gigamit alang sa pagtubo sa PVT sa mga kristal nga SiC sa kini nga pagtuon. Sama sa gihulagway sa pasiuna, ang mga sangkap sa CVD-SiC gi-synthesize gikan sa MTS pinaagi sa proseso sa CVD ug giporma alang sa paggamit sa semiconductor pinaagi sa mekanikal nga pagproseso. Ang N gi-doped sa proseso sa CVD aron makab-ot ang conductivity alang sa mga aplikasyon sa proseso sa semiconductor. Human sa paggamit sa mga proseso sa semiconductor, ang mga sangkap sa CVD-SiC gidugmok aron maandam ang tinubdan alang sa pagtubo sa kristal, sama sa gipakita sa Figure 1. Ang tinubdan sa CVD-SiC giandam isip mga plato nga adunay average nga gibag-on nga ~ 0.5 mm ug usa ka average nga gidak-on sa partikulo sa 49.75 mm.
Hulagway 1: Ang gigikanan sa CVD-SiC nga giandam sa proseso sa CVD nga nakabase sa MTS.
Gigamit ang tinubdan sa CVD-SiC nga gipakita sa Figure 1, ang mga kristal sa SiC gipatubo sa pamaagi sa PVT sa usa ka induction heating furnace. Sa pagtimbang-timbang sa pag-apod-apod sa temperatura sa thermal zone, gigamit ang commercial simulation code VR-PVT 8.2 (STR, Republic of Serbia). Ang reactor nga adunay thermal zone gimodelo isip 2D axisymmetric nga modelo, sama sa gipakita sa Figure 2, uban ang mesh nga modelo niini. Ang tanan nga mga materyales nga gigamit sa simulation gipakita sa Figure 2, ug ang ilang mga kabtangan gilista sa Table 1. Base sa mga resulta sa simulation, ang mga kristal sa SiC gipatubo gamit ang PVT nga pamaagi sa temperatura nga range nga 2250-2350 ° C sa usa ka Ar atmosphere sa 35 Torr sulod sa 4 ka oras. Usa ka 4 ° off-axis 4H-SiC wafer ang gigamit isip binhi sa SiC. Ang mitubo nga mga kristal gi-evaluate sa micro-Raman spectroscopy (Witec, UHTS 300, Germany) ug high-resolution XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Netherlands). Ang mga konsentrasyon sa kahugawan sa gipatubo nga mga kristal nga SiC gisusi gamit ang dinamikong secondary ion mass spectrometry (SIMS, Cameca IMS-6f, France). Ang dislokasyon nga densidad sa mitubo nga mga kristal gisusi gamit ang synchrotron white beam X-ray topography sa Pohang Light Source.
Figure 2: Thermal zone diagram ug mesh nga modelo sa pagtubo sa PVT sa usa ka induction heating furnace.
Tungod kay ang HTCVD ug PVT nga mga pamaagi nagpatubo sa mga kristal ubos sa gas-solid phase equilibrium sa growth front, ang malampuson nga paspas nga pagtubo sa SiC pinaagi sa HTCVD nga pamaagi nag-aghat sa hagit sa paspas nga pagtubo sa SiC pinaagi sa PVT nga pamaagi niini nga pagtuon. Ang HTCVD nga pamaagi naggamit sa usa ka tinubdan sa gas nga dali nga kontrolado sa pag-agos, samtang ang pamaagi sa PVT naggamit sa usa ka lig-on nga tinubdan nga dili direktang nagkontrol sa dagan. Ang rate sa pag-agos nga gihatag sa atubangan sa pagtubo sa pamaagi sa PVT mahimong kontrolado sa sublimation rate sa solidong tinubdan pinaagi sa pagkontrol sa pag-apod-apod sa temperatura, apan ang tukma nga pagkontrol sa pag-apod-apod sa temperatura sa praktikal nga mga sistema sa pagtubo dili sayon nga makab-ot.
Pinaagi sa pagdugang sa temperatura sa tinubdan sa PVT reactor, ang pagtubo sa SiC mahimong madugangan pinaagi sa pagdugang sa sublimation rate sa tinubdan. Aron makab-ot ang lig-on nga pagtubo sa kristal, ang pagkontrol sa temperatura sa atubangan sa pagtubo hinungdanon. Aron madugangan ang rate sa pagtubo nga dili maporma ang mga polycrystals, ang usa ka taas nga temperatura nga gradient kinahanglan nga makab-ot sa atubangan sa pagtubo, ingon gipakita sa pagtubo sa SiC pinaagi sa pamaagi sa HTCVD. Ang dili igo nga bertikal nga pagpadagan sa kainit sa likod sa takup kinahanglan nga mawala ang natipon nga kainit sa atubangan sa pagtubo pinaagi sa thermal radiation sa pagtubo sa nawong, nga mosangpot sa pagporma sa sobra nga mga ibabaw, ie, polycrystalline nga pagtubo.
Ang mga proseso sa pagbalhin sa masa ug pag-recrystallization sa pamaagi sa PVT parehas kaayo sa pamaagi sa HTCVD, bisan kung lahi sila sa gigikanan sa SiC. Kini nagpasabot nga ang paspas nga pagtubo sa SiC mahimo usab nga makab-ot kung ang sublimation rate sa tinubdan sa SiC igo nga taas. Bisan pa, ang pagkab-ot sa taas nga kalidad nga SiC nga usa ka kristal sa ilawom sa taas nga kahimtang sa pagtubo pinaagi sa pamaagi sa PVT adunay daghang mga hagit. Ang mga komersyal nga pulbos kasagarang adunay sagol nga gagmay ug dagkong mga partikulo. Tungod sa mga kalainan sa enerhiya sa nawong, ang gagmay nga mga partikulo adunay medyo taas nga konsentrasyon sa kahugawan ug sublimate sa atubangan sa dagkong mga partikulo, nga nagdala ngadto sa taas nga konsentrasyon sa kahugawan sa unang mga yugto sa pagtubo sa kristal. Dugang pa, samtang ang solid SiC madunot ngadto sa mga espisye sa alisngaw sama sa C ug Si, SiC2 ug Si2C sa taas nga temperatura, ang solid C dili malikayan nga maporma kung ang tinubdan sa SiC sublimate sa pamaagi sa PVT. Kung ang naporma nga solidong C gamay ug igo nga kahayag, ubos sa paspas nga pagtubo nga mga kondisyon, ang gagmay nga mga partikulo sa C, nga nailhan nga "C dust," mahimong madala ngadto sa kristal nga nawong pinaagi sa kusog nga pagbalhin sa masa, nga moresulta sa mga inklusyon sa nagtubo nga kristal. Busa, aron makunhuran ang mga hugaw sa metal ug abug sa C, ang gidak-on sa partikulo sa gigikanan sa SiC kinahanglan nga kontrolahon sa usa ka diametro nga dili moubos sa 200 μm, ug ang rate sa pagtubo kinahanglan dili molapas sa ~ 0.4 mm / h aron mapadayon ang hinay nga pagbalhin sa masa ug dili iapil ang paglutaw. C abog. Ang mga hugaw sa metal ug C nga abog mosangpot sa pagkadaot sa mga nagtubo nga kristal nga SiC, nga mao ang mga nag-unang babag sa paspas nga pagtubo sa SiC pinaagi sa pamaagi sa PVT.
Niini nga pagtuon, gigamit ang nahugno nga mga tinubdan sa CVD-SiC nga walay gagmay nga mga partikulo, nga nagwagtang sa naglutaw nga abog sa C ubos sa kusog nga pagbalhin sa masa. Busa, ang istruktura sa thermal zone gidisenyo gamit ang multiphysics simulation-based PVT nga pamaagi aron makab-ot ang paspas nga pagtubo sa SiC, ug ang simulated temperature distribution ug temperature gradient gipakita sa Figure 3a.
Figure 3: (a) Temperatura distribution ug temperature gradient duol sa growth front sa PVT reactor nga nakuha pinaagi sa finite element analysis, ug (b) vertical temperature distribution sa linya sa axisymmetric.
Kung itandi sa tipikal nga mga setting sa thermal zone alang sa pagtubo sa mga kristal nga SiC sa usa ka rate sa pagtubo nga 0.3 hangtod 0.8 mm / h sa ilawom sa gamay nga gradient sa temperatura nga ubos sa 1 °C / mm, ang mga setting sa thermal zone sa kini nga pagtuon adunay medyo dako nga gradient sa temperatura nga ∼ 3.8 °C/mm sa temperatura sa pagtubo nga ∼2268°C. Ang gradient sa temperatura nga bili niini nga pagtuon ikatandi sa paspas nga pagtubo sa SiC sa gikusgon nga 2.4 mm/h gamit ang HTCVD nga pamaagi, diin ang temperatura gradient gitakda sa ~14 °C/mm. Gikan sa bertikal nga pag-apod-apod sa temperatura nga gipakita sa Figure 3b, among gipamatud-an nga walay reverse temperature gradient nga mahimong polycrystals nga anaa duol sa pagtubo sa atubangan, sama sa gihulagway sa literatura.
Gamit ang sistema sa PVT, ang mga kristal sa SiC gipatubo gikan sa gigikanan sa CVD-SiC sulod sa 4 ka oras, ingon sa gipakita sa Mga Figure 2 ug 3. Ang usa ka representante nga pagtubo sa kristal nga SiC gikan sa gipatubo nga SiC gipakita sa Figure 4a. Ang gibag-on ug rate sa pagtubo sa SiC nga kristal nga gipakita sa Figure 4a mao ang 5.84 mm ug 1.46 mm / h, matag usa. Ang epekto sa tinubdan sa SiC sa kalidad, polytype, morphology, ug kaputli sa gipatubo nga SiC nga kristal nga gipakita sa Figure 4a gisusi, sama sa gipakita sa Figures 4b-e. Ang cross-sectional tomography nga hulagway sa Figure 4b nagpakita nga ang kristal nga pagtubo kay convex-shaped tungod sa suboptimal nga mga kondisyon sa pagtubo. Bisan pa, ang micro-Raman spectroscopy sa Figure 4c nagpaila sa mitubo nga kristal isip usa ka hugna sa 4H-SiC nga walay bisan unsang polytype inclusions. Ang kantidad sa FWHM sa (0004) peak nga nakuha gikan sa X-ray rocking curve analysis mao ang 18.9 arcseconds, nagpamatuod usab sa maayo nga kristal nga kalidad.
Figure 4: (a) Gitubo nga SiC nga kristal (growth rate nga 1.46 mm/h) ug ang mga resulta sa evaluation niini nga adunay (b) cross-sectional tomography, (c) micro-Raman spectroscopy, (d) X-ray rocking curve, ug ( e) X-ray topograpiya.
Ang Figure 4e nagpakita sa white beam X-ray topography nga nagpaila sa mga garas ug threading dislocations sa gipasinaw nga wafer sa mitubo nga kristal. Ang dislokasyon nga densidad sa mitubo nga kristal gisukod nga ∼3000 ea/cm², mas taas gamay kay sa dislokasyon nga densidad sa binhi nga kristal, nga ∼2000 ea/cm². Ang gipatubo nga kristal gipamatud-an nga adunay medyo ubos nga dislokasyon nga densidad, ikatandi sa kristal nga kalidad sa komersyal nga mga wafer. Makapainteres, ang paspas nga pagtubo sa mga kristal nga SiC nakab-ot gamit ang pamaagi sa PVT nga adunay nadugmok nga gigikanan sa CVD-SiC sa ilawom sa usa ka dako nga gradient sa temperatura. Ang mga konsentrasyon sa B, Al, ug N sa gipatubo nga kristal mao ang 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, ug 1.98 × 10¹⁹ atoms/cm³, matag usa. Ang konsentrasyon sa P sa mitubo nga kristal kay ubos sa detection limit (<1.0 × 10¹⁴ atoms/cm³). Ang mga konsentrasyon sa kahugawan igo nga ubos alang sa mga tagdala sa bayad, gawas sa N, nga gituyo nga doped sa panahon sa proseso sa CVD.
Bisan kung ang pagtubo sa kristal sa kini nga pagtuon gamay ra nga gikonsiderar ang mga komersyal nga produkto, ang malampuson nga pagpakita sa paspas nga pagtubo sa SiC nga adunay maayo nga kalidad sa kristal gamit ang gigikanan sa CVD-SiC pinaagi sa pamaagi sa PVT adunay hinungdanon nga mga implikasyon. Tungod kay ang mga gigikanan sa CVD-SiC, bisan pa sa ilang maayo kaayo nga mga kabtangan, ang gasto-competitive pinaagi sa pag-recycle sa mga gilabay nga mga materyales, gipaabut namon ang ilang kaylap nga paggamit ingon usa ka gisaad nga gigikanan sa SiC nga ilisan ang mga gigikanan sa pulbos sa SiC. Aron ma-apply ang mga gigikanan sa CVD-SiC alang sa paspas nga pagtubo sa SiC, gikinahanglan ang pag-optimize sa pag-apod-apod sa temperatura sa sistema sa PVT, nga nagpatunghag dugang nga mga pangutana alang sa umaabot nga panukiduki.
Panapos
Niini nga pagtuon, ang malampuson nga pagpakita sa paspas nga pagtubo sa kristal nga SiC gamit ang nahugno nga mga bloke sa CVD-SiC ubos sa mga kondisyon sa gradient sa taas nga temperatura pinaagi sa pamaagi sa PVT nakab-ot. Makapainteres, ang paspas nga pagtubo sa mga kristal nga SiC natuman pinaagi sa pag-ilis sa gigikanan sa SiC sa pamaagi sa PVT. Ang kini nga pamaagi gilauman nga madugangan ang dako nga kahusayan sa produksiyon sa mga single nga kristal sa SiC, nga sa katapusan makunhuran ang gasto sa yunit sa mga substrate sa SiC ug gipasiugda ang kaylap nga paggamit sa mga high-performance power device.
Oras sa pag-post: Hul-19-2024