Mezinbûna Bilez a Bikaranîna SiC Krîstala YekaneCVD-SiC BulkÇavkanî bi Rêbaza Sublimation
Bi karanîna vezîvirandinblokên CVD-SiCwekî çavkaniya SiC, krîstalên SiC bi rêjeya 1.46 mm / h bi rêbaza PVT bi serfirazî mezin bûn. Mîkrobopî ya krîstalê ya mezinbûyî û tîrêjên veqetandinê destnîşan dikin ku tevî rêjeya mezinbûnê ya bilind, kalîteya krîstal pir xweş e.
Silicon carbide (SiC)ji bo sepanên di voltaja bilind, hêza bilind, û frekansa bilind de nîvconduktorek berbelav-bandgap e ku xwedan taybetmendiyên hêja ye. Daxwaza wê di van salên dawî de bi lez mezin bûye, nemaze di warê nîvconduktorê hêzê de. Ji bo sepanên nîvconduktorê hêzê, yek krîstalên SiC bi sublimandina çavkaniya SiC ya paqijiya bilind li 2100-2500°C têne mezin kirin, dûv re bi karanîna rêbaza veguhaztina vaporê ya laşî (PVT) li ser krîstalek tov ji nû ve têne kristalîze kirin, li dûv re jî pêvajoyek ji bo bidestxistina substratên yek krîstal li ser waferan. . Bi kevneşopî,krîstalên SiCBi karanîna rêbaza PVT-ê bi rêjeyek mezinbûnê ya 0,3 heya 0,8 mm / h têne mezin kirin da ku krîstalbûnê kontrol bikin, ku li gorî materyalên din ên krîstal ên ku di sepanên nîvconduktorê de têne bikar anîn re bi hêdî hêdî ye. Dema ku krîstalên SiC bi rêjeyên mezinbûnê yên bilind bi karanîna rêbaza PVT têne mezin kirin, hilweşîna kalîteyê tevî tevlêbûna karbonê, kêmbûna paqijiyê, mezinbûna polîkristalîn, avakirina sînorên genim, û kêmasiyên veqetandî û poroziyê nehatiye derxistin. Ji ber vê yekê, mezinbûna bilez a SiC nehatiye pêşve xistin, û rêjeya mezinbûna hêdî ya SiC ji ber hilberîna substratên SiC re bûye astengek mezin.
Ji hêla din ve, raporên vê dawiyê yên li ser mezinbûna bilez a SiC-ê ji bilî rêbaza PVT, rêbazên hilweşandina vapora kîmyewî ya germahiya bilind (HTCVD) bikar tînin. Rêbaza HTCVD di reaktorê de vaporek ku Si û C tê de ye wekî çavkaniya SiC bikar tîne. HTCVD hîna ji bo hilberîna mezin a SiC nehatiye bikar anîn û ji bo bazirganiyê lêkolîn û pêşkeftina bêtir hewce dike. Balkêş e, tewra di rêjeyek mezinbûna ~3 mm / h de jî, krîstalên SiC yên yekane dikarin bi qalîteya krîstalê ya baş bi karanîna rêbaza HTCVD werin mezin kirin. Di vê navberê de, pêkhateyên SiC di pêvajoyên nîvconductor de di bin hawîrdorên dijwar de hatine bikar anîn ku hewceyê kontrolkirina pêvajoya paqijiya pir bilind e. Ji bo sepanên pêvajoya nîvconductor, ~99,9999% (~ 6N) pêkhateyên paqijiya SiC bi gelemperî ji hêla pêvajoya CVD ve ji methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS) têne amadekirin. Lêbelê, tevî paqijiya bilind a pêkhateyên CVD-SiC, ew piştî karanîna têne avêtin. Di van demên dawî de, hêmanên CVD-SiC yên hatine avêtin ji bo mezinbûna krîstal wekî çavkaniyên SiC têne hesibandin, her çend hin pêvajoyên vegerandinê tevî pelçiqandin û paqijkirinê hîn jî hewce ne ku daxwazên mezin ên çavkaniyek mezinbûna krîstal bicîh bînin. Di vê lêkolînê de, me blokên CVD-SiC yên rijandin bikar anîn da ku materyalan ji nû ve vegerînin wekî çavkaniyek ji bo mezinbûna krîstalên SiC. Blokên CVD-SiC ji bo mezinbûna yek krîstal wekî blokên pelçiqandî yên bi pîvan-kontrolkirî hatine amade kirin, ku di şekl û mezinahiyê de li gorî toza SiC ya bazirganî ku bi gelemperî di pêvajoya PVT-ê de tê bikar anîn cûda cûda ne, ji ber vê yekê tevgeriya mezinbûna krîstal a SiC-ê tê texmîn kirin ku pir girîng be. wekîdin. Berî ku ceribandinên mezinbûna yek krîstal a SiC were meşandin, ji bo bidestxistina rêjeyên mezinbûnê yên bilind simulasyonên komputerê hatin kirin, û devera germî li gorî vê yekê ji bo mezinbûna yek krîstal hate mîheng kirin. Piştî mezinbûna krîstal, krîstalên mezinbûyî ji hêla tomografya xaça-beşê, spektroskopiya mîkro-Raman, berbelavkirina tîrêjê ya X-ya-çareseriyê, û topografya tîrêjê ya spî ya synchrotron ve hatin nirxandin.
Wêneyê 1 çavkaniya CVD-SiC ku ji bo mezinbûna PVT ya krîstalên SiC di vê lêkolînê de tê bikar anîn nîşan dide. Wekî ku di destpêkê de hatî diyar kirin, hêmanên CVD-SiC ji hêla pêvajoya CVD ve ji MTS-ê hatine sentez kirin û ji bo karanîna nîvconductor bi navgîniya pêvajoya mekanîkî ve hatine çêkirin. N di pêvajoya CVD-ê de dopîng kirin da ku ji bo sepanên pêvajoya nîvconductor bigihêje rêvegirtinê. Piştî ku di pêvajoyên nîvconductor de hatin bikar anîn, pêkhateyên CVD-SiC hatin pelçiqandin da ku çavkanî ji mezinbûna krîstal re were amadekirin, wekî ku di jimar 1 de tê xuyang kirin. Çavkaniya CVD-SiC wekî lewheyên bi stûrahiya navînî ~0,5 mm û mezinahiya parçikê ya navînî hate amadekirin. 49,75 mm.
Wêne 1: Çavkaniya CVD-SiC ku ji hêla pêvajoya CVD-based MTS ve hatî amadekirin.
Bi karanîna çavkaniya CVD-SiC ya ku di jimar 1 de hatî xuyang kirin, krîstalên SiC bi rêbaza PVT-ê di firna germkirina inductionê de hatin mezin kirin. Ji bo nirxandina belavkirina germahiyê li devera germî, koda simulasyona bazirganî VR-PVT 8.2 (STR, Komara Sirbîstan) hate bikar anîn. Reaktora bi qada germî wekî modela eksîsimetrîk a 2D, wekî ku di xêza 2-an de tê xuyang kirin, bi modela xweya mesh re hate model kirin. Hemî materyalên ku di simulasyonê de têne bikar anîn di jimar 2 de têne xuyang kirin, û taybetmendiyên wan di Tablo 1 de hatine rêz kirin. Li ser bingeha encamên simulasyonê, krîstalên SiC bi karanîna rêbaza PVT di navberek germahiya 2250-2350 °C de di atmosferek Ar de hatin mezin kirin. 35 Torr ji bo 4 saetan. Wek tovê SiC waferek 4°-ê ji eksê 4H-SiC hate bikar anîn. Krîstalên mezinbûyî bi spektroskopiya mîkro-Raman (Witec, UHTS 300, Elmanya) û XRD-ya rezîliya bilind (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Hollanda) hatin nirxandin. Girêdanên nepakiyê yên di krîstalên SiC yên mezinbûyî de bi karanîna spektrometriya girseyî ya ionê ya duyemîn a dînamîkî (SIMS, Cameca IMS-6f, Fransa) hatin nirxandin. Tîrêjiya veqetandinê ya krîstalên mezinbûyî bi karanîna topografya tîrêjê ya spî ya synchrotron li Çavkaniya Ronahî ya Pohang hate nirxandin.
Figure 2: Diyagrama devera germî û modela tevnek mezinbûna PVT di firna germkirina induksiyonê de.
Ji ber ku rêbazên HTCVD û PVT krîstalan di bin hevsengiya qonaxa gaz-zelal de li eniya mezinbûnê mezin dikin, mezinbûna bilez a serfiraz a SiC bi rêbaza HTCVD di vê lêkolînê de dijwariya mezinbûna bilez a SiC-ê bi rêbaza PVT-ê vekir. Rêbaza HTCVD çavkaniyek gazê bikar tîne ku bi hêsanî diherike-kontrolkirî ye, dema ku rêbaza PVT çavkaniyek zexm bikar tîne ku rasterast herikînê kontrol nake. Rêjeya herikîna ku di rêbaza PVT de ji eniya mezinbûnê re tê peyda kirin dikare bi rêjeya sublimasyonê ya çavkaniya zexm bi navgîniya kontrolkirina belavkirina germahiyê ve were kontrol kirin, lê kontrolkirina rast a belavkirina germahiyê di pergalên mezinbûna pratîkî de ne hêsan e ku bigihîje.
Bi zêdekirina germahiya çavkaniyê di reaktora PVT de, rêjeya mezinbûna SiC dikare bi zêdebûna rêjeya sublimasyonê ya çavkaniyê were zêdekirin. Ji bo gihîştina mezinbûna krîstal a domdar, kontrolkirina germahiyê li eniya mezinbûnê pir girîng e. Ji bo zêdekirina rêjeya mezinbûnê bêyî avakirina polîkrîstalan, pêdivî ye ku li eniya mezinbûnê pileyek germahiya bilind were bidestxistin, wekî ku ji hêla mezinbûna SiC ve bi rêbaza HTCVD ve hatî destnîşan kirin. Germahiya ne têrker a vertîkal a li pişta kapikê divê germahiya berhevkirî ya li eniya mezinbûnê bi tîrêjên germî berbi rûbera mezinbûnê veqetîne, ku bibe sedema çêbûna rûberên zêde, ango, mezinbûna polîkristalîn.
Di rêbaza PVT de hem pêvajoyên veguheztina girseyî û hem jî ji nû ve krîstalîzasyonê pir dişibin rêbaza HTCVD, her çend ew di çavkaniya SiC de cûda dibin. Ev tê vê wateyê ku mezinbûna bilez a SiC di heman demê de dema ku rêjeya sublimation ya çavkaniya SiC têra xwe bilind be jî pêkan e. Lêbelê, bidestxistina yek-krîstalên SiC-ya-kalîteya bilind di bin şert û mercên mezinbûna bilind de bi riya rêbaza PVT gelek dijwarî hene. Tozên bazirganî bi gelemperî tevliheviyek ji perçeyên piçûk û mezin hene. Ji ber cûdahiyên enerjiya rûkalê, perçeyên piçûk xwedan hûrgelên nepakiyê yên nisbeten bilind in û li ber pariyên mezin hûr dibin, ku di qonaxên mezinbûna pêşîn ên krîstalê de rê li ber tansiyonên nepakiyê yên bilind vedike. Wekî din, ji ber ku SiC zexm di germahiyên bilind de di nav celebên buharê yên mîna C û Si, SiC2 û Si2C de vediqete, dema ku çavkaniya SiC di rêbaza PVT de binav dibe Ciya zexm çêdibe. Ger C-ya zexm a ku hatî çêkirin piçûk û têra xwe sivik be, di bin şert û mercên mezinbûna bilez de, pariyên C yên piçûk, ku wekî "toza C" têne zanîn, dikarin bi veguheztina girseyî ya bihêz berbi rûyê krîstalê ve werin veguheztin, û di encamê de krîstala mezinbûyî tê de cih digire. Ji ber vê yekê, ji bo kêmkirina nepaqijiyên metal û toza C, divê mezinahiya parçika çavkaniya SiC bi gelemperî bi pîvanek ji 200 μm kêmtir were kontrol kirin, û rêjeya mezinbûnê divê ji ~ 0,4 mm / h derbas nebe da ku veguheztina girseya hêdî bidome û lehiyê derxe. C toz. Nepaqijiyên metal û toza C dibe sedema hilweşîna krîstalên SiC yên mezin, ku astengên sereke ne li pêşiya mezinbûna bilez a SiC bi rêbaza PVT.
Di vê lêkolînê de, çavkaniyên CVD-SiC yên pelçiqandî bêyî perçeyên piçûk hatine bikar anîn, ku toza C-ya di bin veguheztina girseyî ya bihêz de ji holê radike. Bi vî rengî, strukturê devera germî bi karanîna rêbaza PVT-ya-based simulasyona pirfizîkî hate sêwirandin da ku bigihîje mezinbûna bilez a SiC, û dabeşkirina germahiya simulkirî û pilana germahiyê di Figure 3a de têne xuyang kirin.
Wêneyê 3: (a) Dabeşkirina germahiyê û pilana germahiyê li nêzê eniya mezinbûnê ya reaktora PVT ku ji hêla analîza hêmanên dawî ve hatî wergirtin, û (b) dabeşkirina germahiya vertîkal li ser xeta asîmetrîk.
Li gorî mîhengên devera germî ya tîpîk ji bo mezinbûna krîstalên SiC bi rêjeyek mezinbûna 0,3 heta 0,8 mm / h di binê germahiya piçûktir a ji 1 °C / mm de, mîhengên devera germî di vê lêkolînê de xwedan pileyek germahiyek nisbeten mezin a ~ e. 3,8 °C/mm di germahiya mezinbûna ~2268 °C de. Di vê lêkolînê de nirxa pilana germahiyê bi mezinbûna bilez a SiC-ê bi rêjeya 2.4 mm / h bi karanîna rêbaza HTCVD-ê ve tête hevber kirin, ku li wir pileya germê li ~14 °C / mm tête danîn. Ji belavkirina germahiya vertîkal a ku di Figure 3b de hatî xuyang kirin, me piştrast kir ku wekî ku di wêjeyê de hatî diyar kirin, ti pileyek germahiya berevajî ya ku bikaribe polîkrîstalan çêbike, li nêzî eniya mezinbûnê tune bû.
Bi karanîna pergala PVT, krîstalên SiC ji çavkaniya CVD-SiC ji bo 4 demjimêran hatin mezin kirin, wekî ku di jimarên 2 û 3 de têne xuyang kirin. Nûneratiyek krîstal a SiC ji SiC-ya mezinbûyî di jimar 4a de tê xuyang kirin. Stûrbûn û rêjeya mezinbûna krîstala SiC ku di jimar 4a de tê nîşandan, bi rêzê ve 5,84 mm û 1,46 mm / h e. Bandora çavkaniya SiC ya li ser kalîte, pirtîp, morfolojî, û paqijiya krîstala SiC ya mezinbûyî ya ku di jimar 4a de hatî xuyang kirin hate lêkolîn kirin, wekî ku di jimarên 4b-e de tê xuyang kirin. Wêneya tomografya xaça ya di Xiflteya 4b de nîşan dide ku mezinbûna krîstal ji ber şert û mercên mezinbûnê yên ne-optimal bi şeklê vekêşan bû. Lêbelê, spektroskopiya mîkro-Raman a di xêza 4c de krîstala mezinbûyî wekî qonaxek yekane ya 4H-SiC bêyî tevlêbûna polîtîp nas kir. Nirxa FWHM ya lûtkeya (0004) ya ku ji analîza tîrêjê ya rontgenê hatî wergirtin 18,9 saniyeyên arkê bû, di heman demê de qalîteya krîstalê ya baş jî piştrast dike.
Figure 4: (a) Krîstala SiC ya mezinbûyî (rêjeya mezinbûnê 1,46 mm/h) û encamên nirxandina wê bi (b) tomografya xaçerê, (c) spektroskopiya mîkro-Raman, (d) tîrêjên rontgenê, û ( e) Topografiya rontgenê.
Figure 4e topografya tîrêjê ya X-ê ya spî nîşan dide ku xiş û veqetînên tîrêjê di wafera paqijkirî ya krîstala mezinbûyî de nas dike. Tîrêjiya veqetandinê ya krîstala mezinbûyî hate pîvandin ku ~ 3000 ea/cm² be, piçekî ji tîrêjiya veqetandina krîstala tovê, ku ~2000 ea/cm² bû. Krîstala mezinbûyî hate pejirandin ku xwedan tîrêjiya veqetandinê ya nisbeten kêm e, ku bi qalîteya krîstal a waferên bazirganî ve tê berhev kirin. Balkêş e, mezinbûna bilez a krîstalên SiC bi karanîna rêbaza PVT bi çavkaniyek CVD-SiC ya pelçiqandî di binê germahiyek mezin de hate bidestxistin. Giraniyên B, Al, û N di krîstala mezinbûyî de bi rêzdarî 2,18 × 1016, 7,61 × 1015, û 1,98 × 1019 atom / cm3 bûn. Kêmbûna P di krîstala mezinbûyî de li jêr sînorê tespîtê bû (<1.0 × 1014 atom / cm3). Giraniyên nepaqijiyê ji bo hilgirên bargiraniyê têra xwe kêm bûn, ji bilî N, ku di pêvajoya CVD de bi mebest hate dop kirin.
Her çend mezinbûna krîstalê di vê lêkolînê de ji ber hilberên bazirganiyê piçûktir bû, xwenîşandana serketî ya mezinbûna bilez a SiC bi qalîteya krîstalê ya baş bi karanîna çavkaniya CVD-SiC bi riya rêbaza PVT ve xwedî bandorên girîng e. Ji ber ku çavkaniyên CVD-SiC, tevî taybetmendiyên wan ên hêja, ji hêla vezîvirandina materyalên avêtinê ve lêçûn-reqabetê ne, em li bendê ne ku karanîna wan a berbelav wekî çavkaniyek SiC ya sozdar li şûna çavkaniyên toza SiC-ê bigire. Ji bo sepandina çavkaniyên CVD-SiC ji bo mezinbûna bilez a SiC, xweşbînkirina belavkirina germahiyê di pergala PVT de hewce ye, ku ji bo lêkolîna pêşerojê pirsên din jî dipirse.
Xelasî
Di vê lêkolînê de, xwenîşandana serketî ya mezinbûna bilez a krîstalê ya SiC bi karanîna blokên CVD-SiC yên pelçiqandî di bin şert û mercên germahiya bilind de bi riya rêbaza PVT hate bidestxistin. Balkêş e, mezinbûna bilez a krîstalên SiC bi veguheztina çavkaniya SiC bi rêbaza PVT ve hate fêm kirin. Tê çaverê kirin ku ev rêbaz bi girîngî karbidestiya hilberîna mezin a krîstalên SiC yekalî zêde bike, di dawiyê de lêçûna yekîneya substratên SiC kêm bike û karanîna berbelav a cîhazên hêza performansa bilind pêşve bixe.
Dema şandinê: Tîrmeh-19-2024