Kalitate handiko SiC kristalen hazkundea lortzea Tenperatura Gradientearen Kontrolaren bidez Hasierako Hazkunde Fasean

Sarrera

Silizio karburoa (SiC) banda zabaleko material erdieroalea da, azken urteotan arreta handia jaso duena, tentsio altuko eta tenperatura altuko aplikazioetan duen errendimendu bikainagatik. Lurrun Garraio Fisikoaren (PVT) metodoen aurrerapen azkarrak SiC kristal bakarren kalitatea hobetzeaz gain, 150 mm-ko SiC kristal bakarren fabrikazioa ere lortu du. Hala ere, kalitateaSiC obleakoraindik hobekuntza gehiago behar du, batez ere akatsen dentsitatea murrizteari dagokionez. Jakina da hazitako SiC kristaletan hainbat akats daudela, batez ere SiC kristalen hazkuntza prozesuan akatsak sortzeko mekanismoak ez direlako nahikoa ulertzen. PVT hazkuntza-prozesuari buruzko ikerketa sakon gehiago beharrezkoa da SiC kristalen diametroa eta luzera areagotzeko, kristalizazio-tasa ere areagotzeko, eta, horrela, SiC-n oinarritutako gailuen merkaturatzea azkartzeko. Kalitate handiko SiC kristalen hazkundea lortzeko, hasierako hazkuntza-fasean tenperatura-gradientearen kontrolan zentratu ginen. Silizioan aberatsak diren gasek (Si, Si2C) hazi-kristalaren gainazala kaltetu dezaketenez hasierako hazkuntza-fasean, tenperatura-gradiente desberdinak ezarri genituen hasierako fasean eta hazkuntza-prozesu nagusian C/Si erlazioaren tenperatura konstanteetara egokitu ginen. Ikerketa honek sistematikoki aztertzen ditu prozesu-baldintza aldatuak erabiliz hazitako SiC kristalen hainbat ezaugarri.

Metodo esperimentalak

6 hazbeteko 4H-SiC bolen hazkundea PVT metodoa erabiliz egin zen 4°-ko ardatzetik kanpoko C-azaleko substratuetan. Hasierako hazkuntza faserako prozesu-baldintzak hobetzea proposatu zen. Hazkuntza-tenperatura 2300-2400°C artean ezarri zen, eta presioa 5-20 Torr-etan mantendu zen, nitrogeno eta argon gasaren ingurune batean. 6 hazbeteko4H-SiC obleakerdieroaleen prozesatzeko teknika estandarren bidez fabrikatu ziren. TheSiC obleakHasierako hazkuntza-fasean tenperatura-gradiente-baldintza desberdinen arabera prozesatu eta 600 °C-tan grabatu ziren 14 minutuz akatsak ebaluatzeko. Azaleko etch pit dentsitatea (EPD) mikroskopio optiko batekin (OM) neurtu zen. Zabalera osoa gehienezko erdian (FWHM) balioak eta maparen irudiak6 hazbeteko SiC obleakbereizmen handiko X izpien difrakzioaren (XRD) sistema baten bidez neurtu ziren.

Emaitzak eta Eztabaida

1. Irudia: SiC Kristalaren Hazkuntza Mekanismoaren eskema

Kalitate handiko SiC kristal bakarreko hazkuntza lortzeko, normalean beharrezkoa da purutasun handiko SiC hauts iturriak erabiltzea, C/Si erlazioa zehatz-mehatz kontrolatzea eta hazkunde-tenperatura eta presioa etengabe mantentzea. Gainera, funtsezkoak dira hazi-kristalen galera minimizatzea eta hazi-kristalaren gainazaleko akatsak ezabatzea hasierako hazkuntza-fasean. 1. irudiak ikerketa honetako SiC kristalen hazkuntza-mekanismoaren eskema erakusten du. 1. Irudian ikusten den bezala, lurrun-gasak (ST) hazi-kristalaren gainazalera garraiatzen dira, bertan hedatu eta kristala eratzen dute. Hazkuntzan parte hartzen ez duten gas batzuk (ST) kristalen gainazaletik desorbitu. Hazi-kristalaren gainazalean (SG) gas-kantitatea desorbatutako gasa (SD) gainditzen duenean, hazkuntza-prozesuak aurrera egiten du. Hori dela eta, hazkuntza-prozesuan zehar gas (SG)/gas (SD) erlazio egokia aztertu zen RF berogailuaren posizioa aldatuz.

2. Irudia: SiC Crystal Growth Process Baldintzen eskema

2. irudiak SiC kristalen hazkuntza-prozesuaren baldintzen eskema erakusten du ikerketa honetan. Hazkuntza-prozesu tipikoko tenperatura 2300 eta 2400 °C bitartekoa da, presioa 5 eta 20 Torr-en mantenduz. Hazkuntza prozesuan, tenperatura-gradientea dT=50~150°C-tan mantentzen da ((a) metodo konbentzionala). Batzuetan, iturriko gasen hornikuntza irregularrak (Si2C, SiC2, Si) pilaketa akatsak sor ditzake, politipo-inklusioak eta, beraz, kristalen kalitatea hondatu. Hori dela eta, hasierako hazkuntza-fasean, RF bobinaren posizioa aldatuz, dT arretaz kontrolatu zen 50 ~ 100 °C barruan, gero dT = 50 ~ 150 °C-ra egokitu zen hazkunde-prozesu nagusian ((b) metodo hobetua) . Tenperatura-gradientea kontrolatzeko (dT[°C] = Tbottom-Tupper), beheko tenperatura 2300°C-tan finkatu zen, eta goiko tenperatura 2270°C, 2250°C, 2200°C-tik 2150°C-ra egokitu zen. 1. taulan 10 ordu igaro ondoren tenperatura-gradiente-baldintza desberdinetan hazitako SiC boule gainazaleko mikroskopio optikoaren (OM) irudiak aurkezten dira.

1. taula: Mikroskopio optikoko (OM) SiC Boule gainazaleko irudiak 10 orduz eta 100 orduz hazitako tenperatura-gradiente-baldintza desberdinetan

Hasierako dT=50°C-an, SiC bolaren gainazaleko akatsen dentsitatea 10 orduko hazkuntzaren ondoren dT=30°C eta dT=150°C azpian baino nabarmen txikiagoa izan zen. dT=30°C-tan, hasierako tenperatura-gradientea txikiegia izan daiteke, hazi-kristalen galera eta akatsak sortzearen ondorioz. Alderantziz, hasierako tenperatura-gradiente altuago batean (dT=150°C), gainsaturazio-egoera ezegonkorra gerta daiteke, politipo-inklusioak eta akatsak eraginez hutsune-kontzentrazio handien ondorioz. Dena den, hasierako tenperatura-gradientea optimizatzen bada, kalitate handiko kristalen hazkundea lor daiteke hasierako akatsen sorrera gutxituz. 100 orduko hazkuntzaren ondoren SiC bolaren gainazaleko akatsen dentsitatea 10 ordu igarotakoan emaitzen antzekoa zenez, hasierako hazkuntza fasean akatsen eraketa murriztea da kalitate handiko SiC kristalak lortzeko urrats kritikoa.

2. taula: SiC grabatutako bolen EPD balioak tenperatura-gradiente-baldintza desberdinetan

Ostia100 orduz hazitako boletatik prestatutako SiC kristalen akatsen dentsitatea aztertzeko grabatu ziren, 2. taulan erakusten den moduan. Hasierako dT=30°C eta dT=150°C-tan hazitako SiC kristalen EPD balioak 35.880/cm² eta 25.660 izan ziren. /cm², hurrenez hurren, baldintza optimizatuetan hazitako SiC kristalen EPD balioa (dT=50°C) nabarmen murriztu zen 8.560/cm²-ra.

3. Taula: FWHM balioak eta XRD Mapping Irudiak SiC kristalen hasierako tenperatura-gradiente-baldintza desberdinetan

3. taulan hasierako tenperatura-gradiente-baldintza desberdinetan hazitako SiC kristalen FWHM balioak eta XRD mapa-irudiak aurkezten dira. Baldintza optimizatuetan hazitako SiC kristalen batez besteko FWHM balioa (dT=50 °C) 18,6 arkusegundokoa izan zen, beste tenperatura-gradiente baldintzetan hazitako SiC kristalen baino nabarmen txikiagoa.

Ondorioa

Hasierako hazkuntza faseko tenperatura-gradienteak SiC kristalen kalitatean duen eragina aztertu zen, tenperatura-gradientea kontrolatuz (dT[°C] = Tbottom-Tupper) bobinaren posizioa aldatuz. Emaitzek erakutsi zuten SiC bolaren gainazaleko akatsen dentsitatea hasierako dT=50°C baldintzetan 10 ordu hazi ondoren dT=30°C eta dT=150°C-tan baino nabarmen txikiagoa izan zela. Baldintza optimizatuetan hazitako SiC kristalen batez besteko FWHM balioa (dT=50 °C) 18,6 arkusegundokoa izan zen, beste baldintza batzuetan hazitako SiC kristalen baino nabarmen txikiagoa. Horrek adierazten du hasierako tenperatura-gradientea optimizatzeak hasierako akatsen sorrera eraginkortasunez murrizten duela, eta, horrela, kalitate handiko SiC kristalen hazkundea lortzen da.**