การเติบโตอย่างรวดเร็วของผลึกเดี่ยว SiC โดยใช้แหล่งจำนวนมาก CVD-SiC โดยวิธีการระเหิด

การเติบโตอย่างรวดเร็วของการใช้ SiC Single CrystalCVD-SiC จำนวนมากแหล่งที่มาผ่านวิธีการระเหิด
โดยการนำกลับมาใช้ใหม่บล็อก CVD-SiCในฐานะแหล่งกำเนิด SiC ผลึก SiC สามารถเติบโตได้สำเร็จในอัตรา 1.46 มม./ชม. โดยวิธี PVT ไมโครไปป์ของคริสตัลที่โตแล้วและความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนบ่งชี้ว่าแม้จะมีอัตราการเติบโตสูง แต่คุณภาพของคริสตัลก็ยังดีเยี่ยม

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)เป็นเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้างที่มีคุณสมบัติดีเยี่ยมสำหรับการใช้งานในไฟฟ้าแรงสูง กำลังสูง และความถี่สูง ความต้องการของบริษัทเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านเซมิคอนดักเตอร์กำลัง สำหรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์กำลัง ผลึกเดี่ยว SiC จะถูกปลูกโดยการระเหิดแหล่ง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงที่อุณหภูมิ 2100–2500°C จากนั้นจึงตกผลึกใหม่บนผลึกเมล็ดโดยใช้วิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) ตามด้วยการประมวลผลเพื่อให้ได้ซับสเตรตผลึกเดี่ยวบนเวเฟอร์ . ตามเนื้อผ้าคริสตัล SiCปลูกด้วยวิธี PVT ที่อัตราการเติบโต 0.3 ถึง 0.8 มม./ชม. เพื่อควบคุมความเป็นผลึก ซึ่งค่อนข้างช้าเมื่อเทียบกับวัสดุผลึกเดี่ยวอื่นๆ ที่ใช้ในงานเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อปลูกผลึก SiC ที่อัตราการเติบโตสูงโดยใช้วิธี PVT จะไม่มีการตัดทอนคุณภาพซึ่งรวมถึงการรวมคาร์บอน ความบริสุทธิ์ที่ลดลง การเติบโตของโพลีคริสตัลไลน์ การสร้างขอบเขตของเกรน และข้อบกพร่องของการเคลื่อนตัวและรูพรุน ดังนั้นการเติบโตอย่างรวดเร็วของ SiC จึงไม่ได้รับการพัฒนา และอัตราการเติบโตที่ช้าของ SiC จึงเป็นอุปสรรคสำคัญต่อผลผลิตของซับสเตรต SiC

ในทางกลับกัน รายงานล่าสุดเกี่ยวกับการเติบโตอย่างรวดเร็วของ SiC ได้ใช้วิธีการสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD) มากกว่าวิธี PVT วิธี HTCVD ใช้ไอที่มี Si และ C เป็นแหล่ง SiC ในเครื่องปฏิกรณ์ HTCVD ยังไม่ได้ถูกนำมาใช้เพื่อการผลิต SiC ขนาดใหญ่ และต้องการการวิจัยและพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อการพาณิชย์ สิ่งที่น่าสนใจคือ แม้ที่อัตราการเติบโตสูงถึง ∼3 มม./ชม. ผลึกเดี่ยว SiC ก็สามารถเติบโตได้ด้วยคุณภาพคริสตัลที่ดีโดยใช้วิธี HTCVD ในขณะเดียวกัน ส่วนประกอบ SiC ได้ถูกนำมาใช้ในกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ภายใต้สภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งต้องการการควบคุมกระบวนการที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก สำหรับการใช้งานในกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ ส่วนประกอบ SiC ที่มีความบริสุทธิ์ ∼99.9999% (∼6N) มักจะเตรียมโดยกระบวนการ CVD จากเมทิลไตรคลอโรซิเลน (CH3Cl3Si, MTS) อย่างไรก็ตาม แม้ว่าส่วนประกอบ CVD-SiC จะมีความบริสุทธิ์สูง แต่ส่วนประกอบเหล่านั้นก็ถูกทิ้งหลังการใช้งาน เมื่อเร็วๆ นี้ ส่วนประกอบ CVD-SiC ที่ถูกทิ้งได้รับการพิจารณาว่าเป็นแหล่ง SiC สำหรับการเติบโตของคริสตัล แม้ว่ากระบวนการกู้คืนบางอย่าง รวมถึงการบดและการทำให้บริสุทธิ์ ยังคงจำเป็นต้องตอบสนองความต้องการที่สูงของแหล่งการเติบโตของคริสตัล ในการศึกษานี้ เราใช้บล็อก CVD-SiC ที่ถูกทิ้งเพื่อรีไซเคิลวัสดุเป็นแหล่งสำหรับการเติบโตของผลึก SiC บล็อก CVD-SiC สำหรับการเติบโตของผลึกเดี่ยวถูกเตรียมเป็นบล็อกบดที่มีการควบคุมขนาด ซึ่งมีรูปร่างและขนาดแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับผง SiC เชิงพาณิชย์ที่ใช้กันทั่วไปในกระบวนการ PVT ดังนั้นพฤติกรรมของการเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC จึงคาดว่าจะมีนัยสำคัญ แตกต่าง. ก่อนที่จะดำเนินการทดลองการเติบโตของผลึกเดี่ยวของ SiC ได้มีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อให้ได้อัตราการเติบโตที่สูง และโซนความร้อนได้รับการกำหนดค่าตามการเติบโตของผลึกเดี่ยว หลังจากการเติบโตของผลึก ผลึกที่โตแล้วได้รับการประเมินโดยการตรวจเอกซเรย์แบบตัดขวาง ไมโครรามันสเปกโทรสโกปี การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ความละเอียดสูง และภูมิประเทศรังสีเอกซ์ลำแสงสีขาวซินโครตรอน
รูปที่ 1 แสดงแหล่งที่มา CVD-SiC ที่ใช้สำหรับการเติบโต PVT ของผลึก SiC ในการศึกษานี้ ตามที่อธิบายไว้ในบทนำ ส่วนประกอบ CVD-SiC ได้รับการสังเคราะห์จาก MTS โดยกระบวนการ CVD และขึ้นรูปเพื่อใช้เซมิคอนดักเตอร์ผ่านการประมวลผลทางกล N ถูกเจือในกระบวนการ CVD เพื่อให้ได้ค่าการนำไฟฟ้าสำหรับการใช้งานในกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ หลังจากใช้ในกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ ส่วนประกอบ CVD-SiC จะถูกบดขยี้เพื่อเตรียมแหล่งที่มาสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก ดังแสดงในรูปที่ 1 แหล่งกำเนิด CVD-SiC ถูกเตรียมเป็นแผ่นที่มีความหนาเฉลี่ย 0.5 มม. และขนาดอนุภาคเฉลี่ยที่ 49.75 มม.

รูปที่ 1: แหล่งที่มา CVD-SiC ที่จัดทำโดยกระบวนการ CVD ที่ใช้ MTS

การใช้แหล่งกำเนิด CVD-SiC ที่แสดงในรูปที่ 1 ทำให้ผลึก SiC เติบโตโดยวิธี PVT ในเตาให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ เพื่อประเมินการกระจายอุณหภูมิในเขตความร้อน มีการใช้รหัสจำลองเชิงพาณิชย์ VR-PVT 8.2 (STR, สาธารณรัฐเซอร์เบีย) เครื่องปฏิกรณ์ที่มีโซนความร้อนได้รับการสร้างแบบจำลองเป็นแบบจำลองสมมาตรแกน 2 มิติ ดังแสดงในรูปที่ 2 ด้วยแบบจำลองตาข่าย วัสดุทั้งหมดที่ใช้ในการจำลองแสดงไว้ในรูปที่ 2 และคุณสมบัติแสดงอยู่ในตารางที่ 1 จากผลการจำลอง ผลึก SiC ถูกปลูกโดยใช้วิธี PVT ที่อุณหภูมิ 2250–2350°C ในบรรยากาศ Ar ที่ 35 Torr เป็นเวลา 4 ชั่วโมง เวเฟอร์ 4H-SiC นอกแกน 4° ถูกใช้เป็นเมล็ด SiC ผลึกที่ปลูกได้รับการประเมินโดยไมโครรามานสเปกโทรสโกปี (Witec, UHTS 300, เยอรมนี) และ XRD ความละเอียดสูง (HRXRD, X'Pert-PROMED, ​​PANalytical, เนเธอร์แลนด์) ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในผลึก SiC ที่ปลูกได้รับการประเมินโดยใช้ไดนามิกสเปกโตรมิเตอร์มวลไอออนทุติยภูมิ (SIMS, Cameca IMS-6f, ฝรั่งเศส) ประเมินความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนของผลึกที่ปลูกโดยใช้ภูมิประเทศเอ็กซ์เรย์ลำแสงสีขาวซินโครตรอนที่แหล่งกำเนิดแสงโปฮัง

รูปที่ 2: แผนภาพโซนความร้อนและแบบจำลองตาข่ายของการเติบโตของ PVT ในเตาให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ

เนื่องจากวิธี HTCVD และ PVT เติบโตผลึกภายใต้สมดุลเฟสก๊าซ-ของแข็งที่หน้าการเจริญเติบโต การเติบโตอย่างรวดเร็วของ SiC โดยวิธี HTCVD ที่ประสบความสำเร็จ ทำให้เกิดความท้าทายในการเติบโตอย่างรวดเร็วของ SiC โดยวิธี PVT ในการศึกษานี้ วิธี HTCVD ใช้แหล่งก๊าซที่ควบคุมการไหลได้ง่าย ในขณะที่วิธี PVT ใช้แหล่งของแข็งที่ไม่ได้ควบคุมการไหลโดยตรง อัตราการไหลที่จ่ายให้กับแนวการเจริญเติบโตในวิธี PVT สามารถควบคุมได้โดยอัตราการระเหิดของแหล่งของแข็งผ่านการควบคุมการกระจายอุณหภูมิ แต่การควบคุมการกระจายอุณหภูมิอย่างแม่นยำในระบบการเติบโตเชิงปฏิบัตินั้นไม่ใช่เรื่องง่าย
การเพิ่มอุณหภูมิแหล่งกำเนิดในเครื่องปฏิกรณ์ PVT จะช่วยเพิ่มอัตราการเติบโตของ SiC ได้โดยการเพิ่มอัตราการระเหิดของแหล่งกำเนิด เพื่อให้เกิดการเติบโตของคริสตัลที่เสถียร การควบคุมอุณหภูมิที่ด้านหน้าการเติบโตจึงเป็นสิ่งสำคัญ ในการเพิ่มอัตราการเติบโตโดยไม่สร้างโพลีคริสตัล จะต้องบรรลุการไล่ระดับที่อุณหภูมิสูงที่หน้าการเติบโต ดังที่แสดงโดยการเติบโตของ SiC ผ่านวิธี HTCVD การนำความร้อนในแนวตั้งไปทางด้านหลังของฝาไม่เพียงพอควรกระจายความร้อนสะสมที่ด้านหน้าของการเจริญเติบโตผ่านการแผ่รังสีความร้อนไปยังพื้นผิวของการเจริญเติบโต ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของพื้นผิวส่วนเกิน เช่น การเจริญเติบโตของผลึกโพลีคริสตัลไลน์
ทั้งกระบวนการถ่ายโอนมวลและกระบวนการตกผลึกซ้ำในวิธี PVT นั้นคล้ายคลึงกับวิธี HTCVD มาก แม้ว่าแหล่งที่มา SiC จะต่างกันก็ตาม ซึ่งหมายความว่า SiC จะเติบโตอย่างรวดเร็วได้เช่นกันเมื่ออัตราการระเหิดของแหล่งกำเนิด SiC สูงเพียงพอ อย่างไรก็ตาม การบรรลุผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงภายใต้สภาวะการเติบโตสูงด้วยวิธี PVT นั้นมีความท้าทายหลายประการ ผงเชิงพาณิชย์มักมีส่วนผสมของอนุภาคขนาดเล็กและขนาดใหญ่ เนื่องจากความแตกต่างของพลังงานพื้นผิว อนุภาคขนาดเล็กจึงมีความเข้มข้นของสารเจือปนค่อนข้างสูงและมีการระเหิดก่อนอนุภาคขนาดใหญ่ ส่งผลให้ความเข้มข้นของสารเจือปนสูงในระยะแรกของการเจริญเติบโตของคริสตัล นอกจากนี้ เนื่องจาก SiC ที่เป็นของแข็งสลายตัวเป็นไอ เช่น C และ Si, SiC2 และ Si2C ที่อุณหภูมิสูง ของแข็ง C จึงก่อตัวขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้เมื่อแหล่งกำเนิด SiC ระเหิดในวิธี PVT หากของแข็ง C ที่ก่อตัวมีขนาดเล็กและเบาเพียงพอ ภายใต้สภาวะการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็ว อนุภาค C ขนาดเล็กที่เรียกว่า "ฝุ่น C" สามารถเคลื่อนย้ายไปยังพื้นผิวผลึกได้โดยการถ่ายโอนมวลที่รุนแรง ส่งผลให้เกิดการรวมตัวในผลึกที่โตเต็มที่ ดังนั้น เพื่อลดสิ่งเจือปนของโลหะและฝุ่น C โดยทั่วไปขนาดอนุภาคของแหล่งกำเนิด SiC ควรถูกควบคุมให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 200 μm และอัตราการเติบโตไม่ควรเกิน ∼0.4 มม./ชม. เพื่อรักษาการถ่ายโอนมวลที่ช้าและไม่รวมการลอยตัว ซี ฝุ่น. สิ่งเจือปนของโลหะและฝุ่น C ทำให้เกิดการย่อยสลายของผลึก SiC ที่โตแล้ว ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการเติบโตอย่างรวดเร็วของ SiC ผ่านวิธี PVT
ในการศึกษานี้ มีการใช้แหล่ง CVD-SiC ที่ถูกบดโดยไม่มีอนุภาคขนาดเล็ก ซึ่งช่วยกำจัดฝุ่น C ที่ลอยอยู่ภายใต้การถ่ายเทมวลที่รุนแรง ดังนั้น โครงสร้างโซนความร้อนจึงได้รับการออกแบบโดยใช้วิธี PVT ที่ใช้การจำลองแบบหลายฟิสิกส์เพื่อให้บรรลุการเติบโต SiC อย่างรวดเร็ว และการกระจายอุณหภูมิจำลองและการไล่ระดับอุณหภูมิจะแสดงในรูปที่ 3a

รูปที่ 3: (a) การกระจายอุณหภูมิและการไล่ระดับอุณหภูมิใกล้กับด้านหน้าการเติบโตของเครื่องปฏิกรณ์ PVT ที่ได้จากการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์เอลิเมนต์ และ (b) การกระจายอุณหภูมิในแนวตั้งตามแนวแกนสมมาตร
เมื่อเปรียบเทียบกับการตั้งค่าโซนความร้อนทั่วไปสำหรับการปลูกผลึก SiC ที่อัตราการเติบโต 0.3 ถึง 0.8 มม./ชม. ภายใต้การไล่ระดับอุณหภูมิเล็กน้อยที่น้อยกว่า 1 °C/มม. การตั้งค่าโซนความร้อนในการศึกษานี้มีการไล่ระดับอุณหภูมิที่ค่อนข้างใหญ่ที่ ∼ 3.8 °C/มม. ที่อุณหภูมิการเติบโต ∼2268°C ค่าการไล่ระดับของอุณหภูมิในการศึกษานี้เทียบได้กับการเติบโตอย่างรวดเร็วของ SiC ในอัตรา 2.4 มิลลิเมตร/ชั่วโมง โดยใช้วิธี HTCVD โดยตั้งค่าการไล่ระดับของอุณหภูมิไว้ที่ ∼14 °C/มม. จากการกระจายอุณหภูมิแนวตั้งที่แสดงในรูปที่ 3b เรายืนยันว่าไม่มีการไล่ระดับอุณหภูมิแบบย้อนกลับที่สามารถสร้างโพลีคริสตัลได้ใกล้กับหน้าการเติบโตตามที่อธิบายไว้ในวรรณคดี
เมื่อใช้ระบบ PVT ผลึก SiC ถูกปลูกจากแหล่ง CVD-SiC เป็นเวลา 4 ชั่วโมง ดังแสดงในรูปที่ 2 และ 3 การเติบโตของผลึก SiC ที่เป็นตัวแทนจาก SiC ที่เติบโตจะแสดงในรูปที่ 4a ความหนาและอัตราการเติบโตของผลึก SiC ที่แสดงในรูปที่ 4a คือ 5.84 มม. และ 1.46 มม./ชม. ตามลำดับ มีการตรวจสอบผลกระทบของแหล่งกำเนิด SiC ต่อคุณภาพ โพลีไทป์ สัณฐานวิทยา และความบริสุทธิ์ของคริสตัล SiC ที่ปลูกแล้วที่แสดงในรูปที่ 4a ได้รับการตรวจสอบ ดังแสดงในรูปที่ 4b-e ภาพเอกซเรย์ภาคตัดขวางในรูปที่ 4b แสดงให้เห็นว่าการเติบโตของผลึกนั้นมีรูปทรงนูนเนื่องจากสภาวะการเติบโตที่ต่ำกว่าปกติ อย่างไรก็ตาม สเปกโทรสโกปีไมโครรามานในรูปที่ 4c ระบุคริสตัลที่โตแล้วเป็นเฟสเดียวของ 4H-SiC โดยไม่มีการรวมโพลีไทป์ใดๆ ค่า FWHM ของจุดสูงสุด (0004) ที่ได้จากการวิเคราะห์เส้นโค้งการเอ็กซ์เรย์โยกคือ 18.9 อาร์ควินาที ซึ่งยังยืนยันคุณภาพของผลึกที่ดีอีกด้วย

รูปที่ 4: (a) คริสตัล SiC ที่เติบโต (อัตราการเติบโต 1.46 มม./ชม.) และผลการประเมินด้วย (b) เอกซเรย์ภาคตัดขวาง (c) สเปกโทรสโกปีไมโครรามัน (ง) เส้นโค้งการโยกด้วยเอ็กซ์เรย์ และ ( e) ภูมิประเทศเอ็กซ์เรย์

รูปที่ 4e แสดงภูมิประเทศของรังสีเอกซ์ด้วยลำแสงสีขาว ซึ่งระบุรอยขีดข่วนและการเคลื่อนตัวของเกลียวในแผ่นเวเฟอร์ขัดเงาของคริสตัลที่โตแล้ว ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนของผลึกที่ปลูกนั้นวัดได้ที่ ∼ 3, 000 ea / cm ² ซึ่งสูงกว่าความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนของผลึกเมล็ดซึ่งอยู่ที่ ∼ 2, 000 ea / cm ² เล็กน้อย ผลึกที่ปลูกแล้วได้รับการยืนยันว่ามีความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ค่อนข้างต่ำ เทียบได้กับคุณภาพผลึกของเวเฟอร์เชิงพาณิชย์ สิ่งที่น่าสนใจคือการเติบโตอย่างรวดเร็วของผลึก SiC ทำได้สำเร็จโดยใช้วิธี PVT ที่มีแหล่งกำเนิด CVD-SiC ที่ถูกบดภายใต้การไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่ ความเข้มข้นของ B, Al และ N ในผลึกที่โตแล้วคือ 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵ และ 1.98 × 10¹⁹ อะตอม/ซม. ตามลำดับ ความเข้มข้นของ P ในผลึกที่โตแล้วต่ำกว่าขีดจำกัดการตรวจจับ (<1.0 × 10¹⁴ อะตอม/ซม.) ความเข้มข้นของสารเจือปนต่ำเพียงพอสำหรับตัวพาประจุ ยกเว้น N ซึ่งได้รับการเจือโดยเจตนาในระหว่างกระบวนการ CVD
แม้ว่าการเติบโตของผลึกในการศึกษานี้จะมีขนาดเล็กเมื่อพิจารณาถึงผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ แต่การสาธิตความสำเร็จของการเติบโตอย่างรวดเร็วของ SiC ด้วยคุณภาพผลึกที่ดีโดยใช้แหล่ง CVD-SiC ผ่านวิธี PVT มีนัยสำคัญ เนื่องจากแหล่งที่มา CVD-SiC แม้จะมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม แต่ก็มีการแข่งขันด้านต้นทุนโดยการรีไซเคิลวัสดุที่ถูกทิ้ง เราจึงคาดหวังว่าจะมีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในฐานะแหล่ง SiC ที่มีแนวโน้มที่จะทดแทนแหล่งผง SiC หากต้องการใช้แหล่งที่มา CVD-SiC เพื่อการเติบโตอย่างรวดเร็วของ SiC จำเป็นต้องมีการปรับการกระจายอุณหภูมิในระบบ PVT ให้เหมาะสม ทำให้เกิดคำถามเพิ่มเติมสำหรับการวิจัยในอนาคต

บทสรุป
ในการศึกษานี้ ประสบความสำเร็จในการสาธิตการเติบโตของผลึก SiC อย่างรวดเร็วโดยใช้บล็อก CVD-SiC ที่บดภายใต้สภาวะเกรเดียนต์ที่อุณหภูมิสูงด้วยวิธี PVT สิ่งที่น่าสนใจคือการเติบโตอย่างรวดเร็วของผลึก SiC เกิดขึ้นได้จากการแทนที่แหล่ง SiC ด้วยวิธี PVT วิธีนี้คาดว่าจะเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตผลึกเดี่ยว SiC ในวงกว้างได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนต่อหน่วยของซับสเตรต SiC ได้ในที่สุด และส่งเสริมการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงอย่างกว้างขวาง