צמיחה מהירה של גבישי SiC בודדים באמצעות מקור CVD-SiC בתפזורת בשיטת סובלימציה

צמיחה מהירה של SiC קריסטל יחיד באמצעותCVD-SiC Bulkמקור באמצעות שיטת סובלימציה
על ידי שימוש ממוחזרבלוקים CVD-SiCכמקור SiC, גבישי SiC גדלו בהצלחה בקצב של 1.46 מ"מ לשעה באמצעות שיטת PVT. צפיפות המיקרו-צינור והפריקה של הגביש הגדל מעידים שלמרות קצב הצמיחה הגבוה, איכות הגביש מעולה.

סיליקון קרביד (SiC)הוא מוליך למחצה רחב פסים עם תכונות מצוינות עבור יישומים במתח גבוה, הספק גבוה ותדר גבוה. הביקוש שלו גדל במהירות בשנים האחרונות, במיוחד בתחום מוליכים למחצה כוח. עבור יישומי מוליכים למחצה כוח, מגדלים גבישי SiC יחידים על ידי סובלימציה של מקור SiC בעל טוהר גבוה ב-2100-2500 מעלות צלזיוס, ולאחר מכן מתגבשים מחדש על גבי גביש זרע בשיטת הובלת אדים פיזית (PVT), ולאחר מכן עיבוד להשגת מצעי גביש בודדים על פרוסות . באופן מסורתי,גבישי SiCגדלים בשיטת PVT בקצב גדילה של 0.3 עד 0.8 מ"מ לשעה כדי לשלוט בגבישיות, שהיא איטית יחסית לחומרי גביש בודדים אחרים המשמשים ביישומי מוליכים למחצה. כאשר גבישי SiC גדלים בקצבי צמיחה גבוהים בשיטת PVT, פירוק איכות כולל תכלילי פחמן, טוהר מופחת, צמיחה רב גבישית, היווצרות גבול גרגר, פגמי נקע ונקבוביות לא נשלל. לכן, צמיחה מהירה של SiC לא פותחה, וקצב הצמיחה האיטי של SiC היווה מכשול עיקרי לפרודוקטיביות של מצעי SiC.

מצד שני, דיווחים אחרונים על צמיחה מהירה של SiC השתמשו בשיטות של שקיעה כימית בטמפרטורה גבוהה (HTCVD) ולא בשיטת PVT. שיטת HTCVD משתמשת באדי המכיל Si ו-C כמקור SiC בכור. HTCVD עדיין לא שימש לייצור בקנה מידה גדול של SiC ודורש מחקר ופיתוח נוספים לצורך מסחור. מעניין שגם בקצב צמיחה גבוה של ~3 מ"מ לשעה, ניתן לגדל גבישי SiC עם איכות גביש טובה בשיטת HTCVD. בינתיים, נעשה שימוש ברכיבי SiC בתהליכי מוליכים למחצה בסביבות קשות הדורשות בקרת תהליך טוהר גבוה במיוחד. עבור יישומי תהליך מוליכים למחצה, רכיבי SiC טוהר של ~99.9999% (~6N) מוכנים בדרך כלל בתהליך CVD מ-methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). עם זאת, למרות הטוהר הגבוה של רכיבי CVD-SiC, הם הושלכו לאחר השימוש. לאחרונה, רכיבי CVD-SiC שהושלכו נחשבו כמקורות SiC לצמיחת גבישים, למרות שכמה תהליכי התאוששות, כולל ריסוק וטיהור, עדיין נדרשים כדי לעמוד בדרישות הגבוהות של מקור צמיחת גבישים. במחקר זה, השתמשנו בלוקים CVD-SiC שנזרקו כדי למחזר חומרים כמקור לגידול גבישי SiC. בלוקי CVD-SiC לצמיחת גביש בודד הוכנו כבלוקים מרוסקים בשליטה בגודל, שונים באופן משמעותי בצורתם ובגודלם בהשוואה לאבקת ה-SiC המסחרית הנפוצה בתהליך ה-PVT, ומכאן שההתנהגות של צמיחת גביש בודד של SiC הייתה צפויה להיות משמעותית שׁוֹנֶה. לפני עריכת ניסויי צמיחת גביש בודד של SiC, בוצעו הדמיות ממוחשבות כדי להשיג קצבי צמיחה גבוהים, והאזור התרמי הוגדר בהתאם לגידול גביש בודד. לאחר צמיחת גבישים, הגבישים הגדלים הוערכו על ידי טומוגרפיה חתך רוחב, ספקטרוסקופיה מיקרו-ראמן, עקיפה ברזולוציה גבוהה וטופוגרפיה של קרני רנטגן סינכרוטרון.
איור 1 מציג את מקור CVD-SiC המשמש לצמיחת PVT של גבישי SiC במחקר זה. כפי שתואר במבוא, רכיבי CVD-SiC סונתזו מ-MTS על ידי תהליך CVD ועוצבו לשימוש מוליכים למחצה באמצעות עיבוד מכני. N סומם בתהליך CVD כדי להשיג מוליכות עבור יישומי תהליך מוליכים למחצה. לאחר שימוש בתהליכי מוליכים למחצה, רכיבי CVD-SiC נמחצו כדי להכין את המקור לצמיחת גבישים, כפי שמוצג באיור 1. מקור CVD-SiC הוכן כצלחות בעובי ממוצע של ~0.5 מ"מ וגודל חלקיקים ממוצע של 49.75 מ"מ.

איור 1: מקור CVD-SiC שהוכן על ידי תהליך CVD מבוסס MTS.

באמצעות מקור CVD-SiC המוצג באיור 1, גבישי SiC גודלו בשיטת PVT בתנור חימום אינדוקציה. כדי להעריך את התפלגות הטמפרטורה באזור התרמי, נעשה שימוש בקוד סימולציה מסחרי VR-PVT 8.2 (STR, הרפובליקה של סרביה). הכור עם האזור התרמי עוצב כמודל ציסימטרי דו-ממדי, כפי שמוצג באיור 2, עם מודל הרשת שלו. כל החומרים בהם נעשה שימוש בסימולציה מוצגים באיור 2, ותכונותיהם מופיעות בטבלה 1. בהתבסס על תוצאות הסימולציה, גבישי SiC גודלו בשיטת PVT בטווח טמפרטורות של 2250-2350 מעלות צלזיוס באווירת Ar ב- 35 טור ל-4 שעות. רקיק 4H-SiC מחוץ לציר שימש כזרע SiC. הגבישים הגדלים הוערכו על ידי מיקרו-ראמאן ספקטרוסקופיה (Witec, UHTS 300, גרמניה) ו-XRD ברזולוציה גבוהה (HRXRD, X'Pert-PROMED, ​​PANalytical, הולנד). ריכוזי הטומאה בגבישי SiC הגדלים הוערכו באמצעות ספקטרומטריית מסה יונים משנית דינמית (SIMS, Cameca IMS-6f, צרפת). צפיפות הנקע של הגבישים הגדלים הוערכה באמצעות טופוגרפיה של קרני רנטגן סינכרוטרון במקור האור של פוהאנג.

איור 2: דיאגרמת אזור תרמי ומודל רשת של גידול PVT בתנור חימום אינדוקציה.

מכיוון ששיטות HTCVD ו-PVT מגדלות גבישים תחת איזון פאזה מוצק גז בחזית הצמיחה, צמיחה מהירה מוצלחת של SiC בשיטת HTCVD עוררה את האתגר של צמיחה מהירה של SiC בשיטת PVT במחקר זה. שיטת HTCVD משתמשת במקור גז הנשלט בקלות בזרימה, בעוד ששיטת PVT משתמשת במקור מוצק שאינו שולט ישירות בזרימה. ניתן לשלוט בקצב הזרימה המסופק לחזית הצמיחה בשיטת PVT על ידי קצב הסובלימציה של המקור המוצק באמצעות בקרת חלוקת הטמפרטורה, אך שליטה מדויקת בחלוקת הטמפרטורה במערכות גידול מעשיות אינה קלה להשגה.
על ידי הגדלת טמפרטורת המקור בכור PVT, ניתן להגביר את קצב הצמיחה של SiC על ידי הגדלת קצב הסובלימציה של המקור. כדי להשיג צמיחת גבישים יציבה, בקרת טמפרטורה בחזית הצמיחה היא קריטית. כדי להגביר את קצב הגדילה מבלי ליצור פוליגריסטלים, יש להשיג שיפוע בטמפרטורה גבוהה בחזית הצמיחה, כפי שמוצג על ידי גידול SiC בשיטת HTCVD. הולכת חום אנכית לא מספקת לחלק האחורי של הכובע אמורה לפזר את החום המצטבר בחזית הגידול באמצעות קרינה תרמית אל משטח הגידול, מה שמוביל להיווצרות משטחים עודפים, כלומר, גידול רב גבישי.
גם תהליכי העברה המונית וגם תהליכי התגבשות מחדש בשיטת PVT דומים מאוד לשיטת HTCVD, אם כי הם שונים במקור ה-SiC. המשמעות היא שצמיחה מהירה של SiC ניתנת להשגה גם כאשר קצב הסובלימציה של מקור ה- SiC גבוה מספיק. עם זאת, להשגת גבישי SiC בודדים באיכות גבוהה בתנאי צמיחה גבוהים באמצעות שיטת PVT יש מספר אתגרים. אבקות מסחריות מכילות בדרך כלל תערובת של חלקיקים קטנים וגדולים. בשל הבדלי אנרגיית פני השטח, לחלקיקים קטנים יש ריכוזי טומאה גבוהים יחסית והם עוברים סובלימציה לפני חלקיקים גדולים, מה שמוביל לריכוזי טומאה גבוהים בשלבי הצמיחה המוקדמים של הגביש. בנוסף, כאשר SiC מוצק מתפרק למיני אדים כמו C ו- Si, SiC2 ו- Si2C בטמפרטורות גבוהות, C מוצק נוצר בהכרח כאשר מקור ה-SiC עובר סובלימציה בשיטת PVT. אם המוצק C שנוצר הוא קטן וקל מספיק, בתנאי צמיחה מהירים, חלקיקי C קטנים, הידועים בשם "אבק C", יכולים להיות מועברים אל פני הגביש על ידי העברת מסה חזקה, וכתוצאה מכך תכלילים בגביש הגדל. לכן, כדי להפחית זיהומי מתכת ואבק C, יש לשלוט בדרך כלל על גודל החלקיקים של מקור ה-SiC לקוטר של פחות מ-200 מיקרומטר, וקצב הצמיחה לא יעלה על ~0.4 מ"מ לשעה כדי לשמור על העברת מסה איטית ולא לכלול ציפה ג אבק. זיהומי מתכת ואבק C מובילים לפירוק של גבישי SiC שגדלו, שהם המכשולים העיקריים לצמיחה המהירה של SiC בשיטת PVT.
במחקר זה, נעשה שימוש במקורות CVD-SiC כתושים ללא חלקיקים קטנים, ביטול אבק C צף בהעברת מסה חזקה. לפיכך, מבנה האזור התרמי תוכנן באמצעות שיטת PVT מבוססת סימולציה מולטי-פיזיקה כדי להשיג צמיחה מהירה של SiC, ופיזור הטמפרטורה המדומה ושיפוע הטמפרטורה מוצגים באיור 3a.

איור 3: (א) חלוקת טמפרטורה ושיפוע טמפרטורה ליד חזית הצמיחה של כור ה-PVT המתקבלת על ידי ניתוח אלמנטים סופיים, ו-(ב) חלוקת טמפרטורה אנכית לאורך הקו הציסימטרי.
בהשוואה להגדרות אזור תרמי טיפוסי לגידול גבישי SiC בקצב צמיחה של 0.3 עד 0.8 מ"מ לשעה תחת שיפוע טמפרטורה קטן של פחות מ-1 מעלות צלזיוס למ"מ, להגדרות האזור התרמי במחקר זה יש שיפוע טמפרטורה גדול יחסית של ~ 3.8 מעלות צלזיוס/מ"מ בטמפרטורת גידול של ~2268 מעלות צלזיוס. ערך שיפוע הטמפרטורה במחקר זה דומה לצמיחה המהירה של SiC בקצב של 2.4 מ"מ לשעה בשיטת HTCVD, כאשר שיפוע הטמפרטורה מוגדר ל -14 מעלות צלזיוס למ"מ. מהתפלגות הטמפרטורה האנכית המוצגת באיור 3b, אישרנו כי לא היה שיפוע טמפרטורה הפוך שיכול ליצור פוליקריסטלים ליד חזית הצמיחה, כמתואר בספרות.
באמצעות מערכת PVT, גבישי SiC גדלו ממקור CVD-SiC במשך 4 שעות, כפי שמוצג באיורים 2 ו-3. גידול גבישי SiC מייצג מ-SiC הגדל מוצג באיור 4a. העובי וקצב הצמיחה של גביש SiC המוצג באיור 4a הם 5.84 מ"מ ו-1.46 מ"מ לשעה, בהתאמה. ההשפעה של מקור ה-SiC על האיכות, הפוליטיפ, המורפולוגיה והטוהר של גביש ה-SiC הגדל המוצג באיור 4a נחקרה, כפי שמוצג באיורים 4b-e. תמונת הטומוגרפיה החתך באיור 4b מראה שגידול הגביש היה קמור עקב תנאי הצמיחה הלא אופטימליים. עם זאת, הספקטרוסקופיה המיקרו-ראמן באיור 4c זיהתה את הגביש הגדל כפאזה אחת של 4H-SiC ללא כל תכלילים פוליטיפיים. ערך ה-FWHM של השיא (0004) שהתקבל מניתוח עקומת הנדנדה של קרני רנטגן היה 18.9 שניות קשת, מה שמאשר גם איכות גביש טובה.

איור 4: (א) גביש SiC גדל (קצב צמיחה של 1.46 מ"מ לשעה) ותוצאות הערכתו עם (ב) טומוגרפיה חתך רוחב, (ג) ספקטרוסקופיה מיקרו-ראמאן, (ד) עקומת נדנדה של קרני רנטגן, ו- ( ה) טופוגרפית רנטגן.

איור 4e מציג את הטופוגרפיה של קרני רנטגן של הקרן הלבנה המזהה שריטות ונקעים בהברגה בפרוסה המלוטשת של הגביש הגדל. צפיפות הנקע של הגביש הגדל נמדדה כ-3000 ea/cm², מעט גבוהה יותר מצפיפות הנקע של גביש הזרע, שהיה ~2000 ea/cm². אושרה שלגביש שגדל יש צפיפות נקע נמוכה יחסית, הדומה לאיכות הגביש של פרוסות מסחריות. מעניין לציין שצמיחה מהירה של גבישי SiC הושגה בשיטת PVT עם מקור CVD-SiC מרוסק תחת שיפוע טמפרטורה גדול. הריכוזים של B, Al ו-N בגביש הגדל היו 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵ ו-1.98 × 10¹⁹ אטומים/ס"מ³, בהתאמה. ריכוז P בגביש הגדל היה מתחת לגבול הגילוי (<1.0 × 10¹⁴ אטומים/ס"מ³). ריכוזי הטומאה היו נמוכים מספיק עבור נושאי מטען, למעט N, שסומם בכוונה במהלך תהליך CVD.
למרות שגידול הגבישים במחקר זה היה בקנה מידה קטן בהתחשב במוצרים מסחריים, להדגמה המוצלחת של צמיחת SiC מהירה עם איכות גביש טובה באמצעות מקור CVD-SiC באמצעות שיטת PVT יש השלכות משמעותיות. מכיוון שמקורות CVD-SiC, למרות תכונותיהם המצוינות, הם בעלי עלות תחרותית על ידי מיחזור חומרים שנזרקו, אנו מצפים שהשימוש הנרחב שלהם כמקור SiC מבטיח להחליף מקורות אבקת SiC. כדי ליישם מקורות CVD-SiC לצמיחה מהירה של SiC, נדרש אופטימיזציה של פיזור הטמפרטורה במערכת ה-PVT, ומציב שאלות נוספות למחקר עתידי.

מַסְקָנָה
במחקר זה, הושגה הדגמה מוצלחת של צמיחת גבישי SiC מהירה באמצעות בלוקים מרוסקים של CVD-SiC בתנאי שיפוע בטמפרטורה גבוהה באמצעות שיטת PVT. מעניין לציין שהצמיחה המהירה של גבישי SiC התממשה על ידי החלפת מקור SiC בשיטת PVT. שיטה זו צפויה להגדיל באופן משמעותי את יעילות הייצור בקנה מידה גדול של גבישי SiC בודדים, בסופו של דבר להפחית את עלות היחידה של מצעי SiC ולקדם את השימוש הנרחב בהתקני כוח בעלי ביצועים גבוהים.