उदात्तीकरण पद्धतीद्वारे CVD-SiC बल्क स्रोत वापरून SiC सिंगल क्रिस्टल्सची जलद वाढ

SiC सिंगल क्रिस्टल वापरून जलद वाढCVD-SiC बल्कउदात्तीकरण पद्धतीद्वारे स्त्रोत
पुनर्नवीनीकरण वापरूनCVD-SiC ब्लॉक्सSiC स्त्रोत म्हणून, SiC क्रिस्टल्स PVT ​​पद्धतीद्वारे 1.46 mm/h दराने यशस्वीरित्या वाढवले ​​गेले. वाढलेले क्रिस्टलचे मायक्रोपाइप आणि विस्थापन घनता हे दर्शविते की उच्च वाढ दर असूनही, क्रिस्टल गुणवत्ता उत्कृष्ट आहे.

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)उच्च व्होल्टेज, उच्च पॉवर आणि उच्च वारंवारता मधील अनुप्रयोगांसाठी उत्कृष्ट गुणधर्मांसह एक विस्तृत-बँडगॅप अर्धसंवाहक आहे. अलिकडच्या वर्षांत त्याची मागणी वेगाने वाढली आहे, विशेषत: पॉवर सेमीकंडक्टर क्षेत्रात. पॉवर सेमीकंडक्टर ऍप्लिकेशन्ससाठी, SiC सिंगल क्रिस्टल्स 2100-2500°C तापमानात उच्च-शुद्धता SiC सोर्स सबलिमेट करून वाढवले ​​जातात, नंतर फिजिकल वाष्प वाहतूक (PVT) पद्धतीचा वापर करून सीड क्रिस्टलवर पुनर्क्रिस्टल केले जाते, त्यानंतर वेफर्सवर सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट्स मिळविण्यासाठी प्रक्रिया केली जाते. . परंपरेने,SiC क्रिस्टल्सस्फटिकता नियंत्रित करण्यासाठी PVT पद्धतीचा वापर करून 0.3 ते 0.8 मिमी/ता या वाढीच्या दराने वाढ केली जाते, जी अर्धसंवाहक ऍप्लिकेशन्समध्ये वापरल्या जाणाऱ्या इतर सिंगल क्रिस्टल मटेरियलच्या तुलनेत तुलनेने मंद असते. जेव्हा PVT पद्धतीचा वापर करून SiC क्रिस्टल्सची वाढ उच्च दराने केली जाते, तेव्हा कार्बनचा समावेश, कमी शुद्धता, पॉलीक्रिस्टलाइन वाढ, धान्य सीमा निर्मिती आणि विस्थापन आणि सच्छिद्रता दोषांसह गुणवत्ता ऱ्हास नाकारला जात नाही. म्हणून, SiC ची जलद वाढ विकसित झाली नाही आणि SiC चा संथ वाढीचा दर SiC सब्सट्रेट्सच्या उत्पादकतेमध्ये एक मोठा अडथळा आहे.

दुसरीकडे, SiC च्या जलद वाढीच्या अलीकडील अहवालांमध्ये PVT पद्धतीऐवजी उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प संचय (HTCVD) पद्धती वापरल्या गेल्या आहेत. HTCVD पद्धत अणुभट्टीमध्ये SiC स्त्रोत म्हणून Si आणि C असलेली वाफ वापरते. HTCVD चा वापर अद्याप SiC च्या मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी केला गेला नाही आणि व्यावसायीकरणासाठी पुढील संशोधन आणि विकास आवश्यक आहे. विशेष म्हणजे, ∼3 मिमी/तास या उच्च वाढीच्या दरानेही, HTCVD पद्धतीचा वापर करून SiC सिंगल क्रिस्टल्स चांगल्या क्रिस्टल गुणवत्तेसह वाढवता येतात. दरम्यान, अत्यंत उच्च शुद्धता प्रक्रिया नियंत्रण आवश्यक असलेल्या कठोर वातावरणात सेमीकंडक्टर प्रक्रियांमध्ये SiC घटक वापरले गेले आहेत. सेमीकंडक्टर प्रक्रिया ऍप्लिकेशन्ससाठी, ∼99.9999% (∼6N) शुद्धता SiC घटक सामान्यतः मेथिल्ट्रिक्लोरोसिलेन (CH3Cl3Si, MTS) पासून CVD प्रक्रियेद्वारे तयार केले जातात. तथापि, CVD-SiC घटकांची उच्च शुद्धता असूनही, ते वापरल्यानंतर टाकून दिले गेले आहेत. अलीकडे, टाकून दिलेले CVD-SiC घटक क्रिस्टल वाढीसाठी SiC स्त्रोत मानले गेले आहेत, जरी क्रिस्टल वाढीच्या स्त्रोताच्या उच्च मागणी पूर्ण करण्यासाठी क्रशिंग आणि शुद्धीकरणासह काही पुनर्प्राप्ती प्रक्रिया अद्याप आवश्यक आहेत. या अभ्यासात, आम्ही SiC क्रिस्टल्स वाढवण्याचा स्त्रोत म्हणून सामग्रीचा पुनर्वापर करण्यासाठी टाकून दिलेले CVD-SiC ब्लॉक वापरले. सिंगल क्रिस्टल ग्रोथसाठी CVD-SiC ब्लॉक्स आकार-नियंत्रित क्रश ब्लॉक्स म्हणून तयार करण्यात आले होते, जे PVT प्रक्रियेमध्ये सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या व्यावसायिक SiC पावडरच्या तुलनेत आकार आणि आकारात लक्षणीय भिन्न होते, त्यामुळे SiC सिंगल क्रिस्टल वाढीचे वर्तन लक्षणीयरीत्या अपेक्षित होते. भिन्न SiC सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ प्रयोग आयोजित करण्यापूर्वी, उच्च वाढ दर प्राप्त करण्यासाठी संगणक सिम्युलेशन केले गेले आणि एकल क्रिस्टल वाढीसाठी थर्मल झोन त्यानुसार कॉन्फिगर केले गेले. क्रिस्टलच्या वाढीनंतर, वाढलेल्या क्रिस्टल्सचे क्रॉस-सेक्शनल टोमोग्राफी, मायक्रो-रामन स्पेक्ट्रोस्कोपी, उच्च-रिझोल्यूशन एक्स-रे डिफ्रॅक्शन आणि सिंक्रोट्रॉन व्हाईट बीम एक्स-रे टोपोग्राफी द्वारे मूल्यांकन केले गेले.
आकृती 1 या अभ्यासात SiC क्रिस्टल्सच्या PVT वाढीसाठी वापरला जाणारा CVD-SiC स्त्रोत दाखवते. प्रस्तावनेत वर्णन केल्याप्रमाणे, CVD-SiC घटक CVD प्रक्रियेद्वारे MTS मधून संश्लेषित केले गेले आणि यांत्रिक प्रक्रियेद्वारे अर्धसंवाहक वापरासाठी आकार दिला गेला. सेमीकंडक्टर प्रक्रिया ऍप्लिकेशन्ससाठी चालकता प्राप्त करण्यासाठी CVD प्रक्रियेमध्ये एन डोप केले गेले. सेमीकंडक्टर प्रक्रियेत वापरल्यानंतर, आकृती 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, क्रिस्टल वाढीसाठी स्त्रोत तयार करण्यासाठी CVD-SiC घटकांना चिरडले गेले. CVD-SiC स्त्रोत ∼ 0.5 मिमी आणि सरासरी कण आकाराच्या प्लेट्सच्या रूपात तयार केले गेले. 49.75 मिमी.

आकृती 1: MTS-आधारित CVD प्रक्रियेद्वारे तयार केलेला CVD-SiC स्त्रोत.

आकृती 1 मध्ये दर्शविलेल्या CVD-SiC स्त्रोताचा वापर करून, SiC क्रिस्टल्स PVT ​​पद्धतीने इंडक्शन हीटिंग फर्नेसमध्ये वाढवले ​​गेले. थर्मल झोनमधील तापमान वितरणाचे मूल्यांकन करण्यासाठी, व्यावसायिक सिम्युलेशन कोड VR-PVT 8.2 (STR, सर्बिया प्रजासत्ताक) वापरला गेला. थर्मल झोनसह अणुभट्टी 2D अक्षसिमेट्रिक मॉडेल म्हणून तयार केली गेली होती, आकृती 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, त्याच्या जाळीच्या मॉडेलसह. सिम्युलेशनमध्ये वापरलेली सर्व सामग्री आकृती 2 मध्ये दर्शविली आहे आणि त्यांचे गुणधर्म तक्ता 1 मध्ये सूचीबद्ध आहेत. सिम्युलेशन परिणामांवर आधारित, SiC क्रिस्टल्स PVT ​​पद्धतीचा वापर करून 2250-2350 डिग्री सेल्सिअस तापमान श्रेणीत Ar वातावरणात वाढवले ​​गेले आहेत. 4 तासांसाठी 35 टॉर. एक 4° ऑफ-अक्ष 4H-SiC वेफर SiC बियाणे म्हणून वापरले गेले. वाढलेल्या क्रिस्टल्सचे सूक्ष्म-रामन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Witec, UHTS 300, जर्मनी) आणि उच्च-रिझोल्यूशन XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, ​​PANalytical, Netherlands) द्वारे मूल्यांकन केले गेले. डायनॅमिक सेकंडरी आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS, Cameca IMS-6f, France) वापरून वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्समधील अशुद्धता एकाग्रतेचे मूल्यांकन केले गेले. पोहांग प्रकाश स्रोत येथे सिंक्रोट्रॉन व्हाईट बीम एक्स-रे टोपोग्राफी वापरून वाढलेल्या क्रिस्टल्सच्या विस्थापन घनतेचे मूल्यांकन केले गेले.

आकृती 2: इंडक्शन हीटिंग फर्नेसमध्ये PVT वाढीचे थर्मल झोन आकृती आणि जाळीचे मॉडेल.

HTCVD आणि PVT पद्धती गॅस-सॉलिड फेज समतोल अंतर्गत स्फटिक वाढवत असल्याने, HTCVD पद्धतीद्वारे SiC ची यशस्वी जलद वाढ या अभ्यासात PVT पद्धतीद्वारे SiC च्या जलद वाढीचे आव्हान निर्माण करते. HTCVD पद्धत वायू स्त्रोत वापरते जी सहजपणे प्रवाह-नियंत्रित केली जाते, तर PVT पद्धत घन स्त्रोत वापरते जी थेट प्रवाह नियंत्रित करत नाही. पीव्हीटी पद्धतीमध्ये वाढीच्या आघाडीला प्रदान केलेला प्रवाह दर तापमान वितरण नियंत्रणाद्वारे घन स्त्रोताच्या उदात्तीकरण दराद्वारे नियंत्रित केला जाऊ शकतो, परंतु व्यावहारिक वाढ प्रणालींमध्ये तापमान वितरणाचे अचूक नियंत्रण साध्य करणे सोपे नाही.
पीव्हीटी अणुभट्टीमध्ये स्त्रोत तापमान वाढवून, स्त्रोताचा उदात्तीकरण दर वाढवून SiC चा वाढीचा दर वाढवता येतो. स्थिर क्रिस्टल वाढ साध्य करण्यासाठी, वाढीच्या आघाडीवर तापमान नियंत्रण महत्वाचे आहे. पॉलीक्रिस्टल्स न बनवता वाढीचा दर वाढवण्यासाठी, HTCVD पद्धतीद्वारे SiC वाढ दर्शविल्याप्रमाणे, वाढीच्या आघाडीवर उच्च-तापमान ग्रेडियंट प्राप्त करणे आवश्यक आहे. टोपीच्या मागील बाजूस अपर्याप्त उभ्या उष्णतेच्या वहनाने वाढीच्या समोरील बाजूस थर्मल रेडिएशनद्वारे वाढीच्या पृष्ठभागावर जमा झालेली उष्णता नष्ट केली पाहिजे, ज्यामुळे अतिरिक्त पृष्ठभाग तयार होतात, म्हणजे पॉलीक्रिस्टलाइन वाढ होते.
PVT पद्धतीतील मास ट्रान्सफर आणि रीक्रिस्टलायझेशन या दोन्ही प्रक्रिया HTCVD पद्धतीसारख्याच आहेत, जरी त्या SiC स्त्रोतामध्ये भिन्न आहेत. याचा अर्थ असा की जेव्हा SiC स्त्रोताचा उदात्तीकरण दर पुरेसा जास्त असतो तेव्हा SiC ची जलद वाढ देखील साध्य करता येते. तथापि, PVT पद्धतीद्वारे उच्च वाढीच्या परिस्थितीत उच्च-गुणवत्तेचे SiC सिंगल क्रिस्टल्स प्राप्त करणे अनेक आव्हाने आहेत. व्यावसायिक पावडरमध्ये सामान्यत: लहान आणि मोठ्या कणांचे मिश्रण असते. पृष्ठभागावरील उर्जेतील फरकांमुळे, लहान कणांमध्ये तुलनेने उच्च अशुद्धता सांद्रता असते आणि मोठ्या कणांपूर्वी अशुद्धता जास्त असते, ज्यामुळे क्रिस्टलच्या सुरुवातीच्या वाढीच्या अवस्थेत उच्च अशुद्धता सांद्रता येते. याशिवाय, घन SiC उच्च तापमानात C आणि Si, SiC2 आणि Si2C सारख्या वाष्प प्रजातींमध्ये विघटित होत असल्याने, PVT पद्धतीमध्ये SiC स्त्रोत sublimates तेव्हा घन C अपरिहार्यपणे तयार होतो. जर तयार केलेला घन C लहान आणि पुरेसा हलका असेल तर, जलद वाढीच्या परिस्थितीत, "C धूळ" म्हणून ओळखले जाणारे लहान C कण मजबूत वस्तुमान हस्तांतरणाद्वारे क्रिस्टल पृष्ठभागावर वाहून नेले जाऊ शकतात, परिणामी वाढलेल्या क्रिस्टलमध्ये समावेश होतो. म्हणून, धातूची अशुद्धता आणि C धूळ कमी करण्यासाठी, SiC स्त्रोताचा कण आकार साधारणपणे 200 μm पेक्षा कमी व्यासावर नियंत्रित केला पाहिजे आणि मंद वस्तुमान हस्तांतरण राखण्यासाठी आणि फ्लोटिंग वगळण्यासाठी वाढीचा दर ∼ 0.4 mm/h पेक्षा जास्त नसावा. सी धूळ. धातूची अशुद्धता आणि C धूळ वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्सच्या ऱ्हासास कारणीभूत ठरते, जे PVT पद्धतीद्वारे SiC च्या जलद वाढीसाठी मुख्य अडथळे आहेत.
या अभ्यासात, लहान कणांशिवाय क्रश केलेले CVD-SiC स्त्रोत वापरले गेले, मजबूत वस्तुमान हस्तांतरण अंतर्गत फ्लोटिंग सी धूळ काढून टाकले. अशाप्रकारे, जलद SiC वाढ साध्य करण्यासाठी मल्टीफिजिक्स सिम्युलेशन-आधारित PVT पद्धतीचा वापर करून थर्मल झोन स्ट्रक्चर तयार केले गेले आणि सिम्युलेटेड तापमान वितरण आणि तापमान ग्रेडियंट आकृती 3a मध्ये दर्शविले आहे.

आकृती 3: (अ) मर्यादित घटक विश्लेषणाद्वारे प्राप्त PVT अणुभट्टीच्या वाढीच्या समोर तापमानाचे वितरण आणि तापमान ग्रेडियंट आणि (b) अक्षीय सममितीय रेषेसह उभ्या तापमानाचे वितरण.
1 °C/mm पेक्षा कमी तापमान ग्रेडियंट अंतर्गत 0.3 ते 0.8 mm/h या वाढीच्या दराने SiC क्रिस्टल्स वाढवण्यासाठी ठराविक थर्मल झोन सेटिंग्जच्या तुलनेत, या अभ्यासातील थर्मल झोन सेटिंग्जमध्ये ∼ तापमानाचा ग्रेडियंट तुलनेने मोठा आहे. ∼2268°C च्या वाढीच्या तापमानात 3.8 °C/mm. या अभ्यासातील तापमान ग्रेडियंट मूल्य हे HTCVD पद्धतीचा वापर करून 2.4 mm/h दराने SiC च्या वेगवान वाढीशी तुलना करता येते, जेथे तापमान ग्रेडियंट ∼14 °C/mm वर सेट केले जाते. आकृती 3b मध्ये दर्शविलेल्या उभ्या तापमान वितरणावरून, आम्ही पुष्टी केली की साहित्यात वर्णन केल्याप्रमाणे पॉलीक्रिस्टल्स तयार करू शकणारे कोणतेही उलट तापमान ग्रेडियंट ग्रोथ फ्रंटजवळ उपस्थित नव्हते.
PVT प्रणाली वापरून, आकृती 2 आणि 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, SiC क्रिस्टल्स CVD-SiC स्त्रोतापासून 4 तासांसाठी उगवले गेले. वाढलेल्या SiC मधून प्रतिनिधी SiC क्रिस्टल वाढ आकृती 4a मध्ये दर्शविली आहे. आकृती 4a मध्ये दर्शविलेल्या SiC क्रिस्टलची जाडी आणि वाढीचा दर अनुक्रमे 5.84 mm आणि 1.46 mm/h आहे. आकृती 4a मध्ये दर्शविलेल्या SiC क्रिस्टलची गुणवत्ता, पॉलीटाइप, आकारविज्ञान आणि शुद्धतेवर SiC स्त्रोताचा प्रभाव तपासण्यात आला, आकृती 4b-e मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे. आकृती 4b मधील क्रॉस-सेक्शनल टोमोग्राफी प्रतिमा दर्शविते की स्फटिकाची वाढ उत्तल-आकाराची होती, ज्यामुळे वाढीच्या अव्वल स्थितीमुळे. तथापि, आकृती 4c मधील सूक्ष्म-रामन स्पेक्ट्रोस्कोपीने कोणत्याही पॉलिटाइप समावेशाशिवाय 4H-SiC चा एकच टप्पा म्हणून वाढलेले क्रिस्टल ओळखले. एक्स-रे रॉकिंग वक्र विश्लेषणातून मिळालेल्या (0004) शिखराचे FWHM मूल्य 18.9 आर्कसेकंद होते, जे चांगल्या क्रिस्टल गुणवत्तेची देखील पुष्टी करते.

आकृती 4: (अ) वाढलेला SiC क्रिस्टल (वाढीचा दर 1.46 मिमी/ता) आणि त्याचे मूल्यमापन परिणाम (b) क्रॉस-सेक्शनल टोमोग्राफी, (c) मायक्रो-रामन स्पेक्ट्रोस्कोपी, (d) क्ष-किरण रॉकिंग वक्र, आणि ( e) एक्स-रे टोपोग्राफी.

आकृती 4e वाढलेल्या क्रिस्टलच्या पॉलिश वेफरमध्ये स्क्रॅच आणि थ्रेडिंग डिस्लोकेशन ओळखणारी पांढरी बीम एक्स-रे टोपोग्राफी दाखवते. वाढलेल्या क्रिस्टलची विस्थापन घनता ∼3000 ea/cm² इतकी मोजली गेली, जी बीज क्रिस्टलच्या विस्थापन घनतेपेक्षा थोडी जास्त, जी ∼2000 ea/cm² होती. वाढलेल्या क्रिस्टलमध्ये व्यावसायिक वेफर्सच्या क्रिस्टल गुणवत्तेच्या तुलनेत तुलनेने कमी विस्थापन घनता असल्याची पुष्टी झाली. विशेष म्हणजे, मोठ्या तापमान ग्रेडियंट अंतर्गत क्रश केलेल्या CVD-SiC स्त्रोतासह PVT पद्धतीचा वापर करून SiC क्रिस्टल्सची जलद वाढ झाली. वाढलेल्या क्रिस्टलमध्ये B, Al आणि N चे प्रमाण अनुक्रमे 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵ आणि 1.98 × 10¹⁹ अणू/cm³ होते. वाढलेल्या क्रिस्टलमधील P चे प्रमाण शोध मर्यादेपेक्षा कमी होते (<1.0 × 10¹⁴ अणू/cm³). CVD प्रक्रियेदरम्यान जाणूनबुजून डोप केलेले N वगळता, चार्ज वाहकांसाठी अशुद्धता एकाग्रता पुरेशी कमी होती.
जरी या अभ्यासातील क्रिस्टल वाढ व्यावसायिक उत्पादनांचा विचार करता लहान प्रमाणात झाली असली तरी, PVT पद्धतीद्वारे CVD-SiC स्त्रोत वापरून चांगल्या क्रिस्टल गुणवत्तेसह जलद SiC वाढीचे यशस्वी प्रात्यक्षिक लक्षणीय परिणाम देते. CVD-SiC स्त्रोत, त्यांचे उत्कृष्ट गुणधर्म असूनही, टाकून दिलेल्या सामग्रीचे पुनर्वापर करून किंमत-स्पर्धात्मक आहेत, आम्ही आशा करतो की SiC पावडर स्त्रोत बदलण्यासाठी एक आशादायक SiC स्त्रोत म्हणून त्यांचा व्यापक उपयोग होईल. SiC च्या जलद वाढीसाठी CVD-SiC स्त्रोत लागू करण्यासाठी, PVT प्रणालीमध्ये तापमान वितरण ऑप्टिमाइझ करणे आवश्यक आहे, भविष्यातील संशोधनासाठी पुढील प्रश्न उभे करतील.

निष्कर्ष
या अभ्यासात, PVT पद्धतीद्वारे उच्च-तापमान ग्रेडियंट परिस्थितीत क्रश केलेल्या CVD-SiC ब्लॉक्सचा वापर करून जलद SiC क्रिस्टल वाढीचे यशस्वी प्रात्यक्षिक साध्य केले गेले. विशेष म्हणजे, SiC स्फटिकांची जलद वाढ पीव्हीटी पद्धतीसह SiC स्त्रोत बदलून लक्षात आली. या पद्धतीमुळे SiC सिंगल क्रिस्टल्सच्या मोठ्या प्रमाणात उत्पादन कार्यक्षमतेत लक्षणीय वाढ होण्याची अपेक्षा आहे, शेवटी SiC सब्सट्रेट्सची युनिट किंमत कमी होईल आणि उच्च-कार्यक्षमता उर्जा उपकरणांच्या व्यापक वापरास प्रोत्साहन मिळेल.