प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा तापमान ढाँचा नियन्त्रण मार्फत उच्च-गुणस्तरको SiC क्रिस्टल वृद्धि हासिल गर्दै

परिचय

सिलिकन कार्बाइड (SiC) एक फराकिलो-ब्यान्डग्याप सेमीकन्डक्टर सामग्री हो जसले हालैका वर्षहरूमा उच्च-भोल्टेज र उच्च-तापमान अनुप्रयोगहरूमा यसको असाधारण प्रदर्शनको कारणले महत्त्वपूर्ण ध्यान केन्द्रित गरेको छ। भौतिक भाप यातायात (PVT) विधिहरूको द्रुत प्रगतिले SiC एकल क्रिस्टलको गुणस्तर मात्र सुधार गरेको छैन तर 150mm SiC एकल क्रिस्टलको निर्माण पनि सफलतापूर्वक हासिल गरेको छ। तर, गुणस्तरकोSiC वेफर्सअझै पनि थप वृद्धि आवश्यक छ, विशेष गरी दोष घनत्व घटाउने सन्दर्भमा। यो राम्रोसँग ज्ञात छ कि बढेको SiC क्रिस्टल भित्र विभिन्न दोषहरू अवस्थित छन्, मुख्य रूपमा SiC क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रियाको क्रममा दोष निर्माण संयन्त्रको अपर्याप्त समझको कारणले। PVT बृद्धि प्रक्रियामा थप गहिरो अनुसन्धान SiC क्रिस्टलको व्यास र लम्बाइ बढाउनको लागि आवश्यक छ जबकि क्रिस्टलाइजेशन दर पनि बढाउँदै, जसले SiC- आधारित उपकरणहरूको व्यावसायीकरणलाई गति दिन्छ। उच्च-गुणस्तरको SiC क्रिस्टल वृद्धि हासिल गर्न, हामीले प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा तापमान ढाँचा नियन्त्रणमा ध्यान केन्द्रित गर्यौं। सिलिकन युक्त ग्यासहरू (Si, Si2C) ले प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा बीज क्रिस्टल सतहलाई हानि पुर्‍याउन सक्छ, हामीले प्रारम्भिक चरणमा विभिन्न तापमान ढाँचाहरू स्थापना गर्यौं र मुख्य वृद्धि प्रक्रियाको क्रममा स्थिर C/Si अनुपात तापमान अवस्थाहरूमा समायोजन गर्यौं। यस अध्ययनले परिमार्जित प्रक्रिया सर्तहरू प्रयोग गरेर बढेको SiC क्रिस्टलका विभिन्न विशेषताहरू व्यवस्थित रूपमा अन्वेषण गर्दछ।

प्रयोगात्मक विधिहरू

6-इन्च 4H-SiC बाउल्सको वृद्धि 4° अफ-अक्ष C-फेस सब्सट्रेटहरूमा PVT विधि प्रयोग गरेर प्रदर्शन गरिएको थियो। प्रारम्भिक वृद्धि चरणको लागि सुधारिएको प्रक्रिया अवस्थाहरू प्रस्ताव गरिएको थियो। वृद्धि तापमान 2300-2400 डिग्री सेल्सियस बीच सेट गरिएको थियो, र नाइट्रोजन र आर्गन ग्यासको वातावरणमा 5-20 टोरमा दबाब राखिएको थियो। ६ इन्च4H-SiC वेफर्समानक अर्धचालक प्रशोधन प्रविधिहरू मार्फत निर्माण गरिएको थियो। दSiC वेफर्सप्रारम्भिक वृद्धि चरणमा विभिन्न तापमान ढाँचा अवस्थाहरू अनुसार प्रशोधन गरिएको थियो र दोषहरू मूल्याङ्कन गर्न 14 मिनेटको लागि 600 डिग्री सेल्सियसमा कोरिएको थियो। सतहको ईच पिट घनत्व (EPD) लाई अप्टिकल माइक्रोस्कोप (OM) प्रयोग गरेर मापन गरिएको थियो। आधा अधिकतम (FWHM) मान र म्यापिङ छविहरूमा पूर्ण चौडाइ6 इन्च SiC वेफर्सउच्च रिजोल्युसन एक्स-रे विवर्तन (XRD) प्रणाली प्रयोग गरेर मापन गरिएको थियो।

परिणाम र छलफल

चित्र १: SiC क्रिस्टल ग्रोथ मेकानिज्मको योजनाबद्ध

उच्च-गुणस्तरको SiC एकल क्रिस्टल वृद्धि हासिल गर्न, यो सामान्यतया उच्च-शुद्धता SiC पाउडर स्रोतहरू प्रयोग गर्न आवश्यक छ, C/Si अनुपातलाई ठीकसँग नियन्त्रण गर्नुहोस्, र स्थिर वृद्धि तापमान र दबाब कायम राख्नुहोस्। थप रूपमा, प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा बीउ क्रिस्टलको क्षतिलाई कम गर्न र बीउ क्रिस्टलमा सतह दोषहरूको गठनलाई दबाउन महत्त्वपूर्ण छ। चित्र 1 ले यस अध्ययनमा SiC क्रिस्टल वृद्धि संयन्त्रको योजनाबद्ध वर्णन गर्दछ। चित्र १ मा देखाइए अनुसार, बाष्प ग्यासहरू (ST) बीज क्रिस्टल सतहमा सारिन्छन्, जहाँ तिनीहरू फैलिन्छन् र क्रिस्टल बनाउँछन्। वृद्धि (ST) मा संलग्न नभएका केही ग्यासहरू क्रिस्टल सतहबाट डिसोर्ब हुन्छन्। जब बीज क्रिस्टल सतह (SG) मा ग्यास को मात्रा desorbed ग्यास (SD) भन्दा बढी हुन्छ, वृद्धि प्रक्रिया अगाडि बढ्छ। तसर्थ, वृद्धि प्रक्रियाको समयमा उपयुक्त ग्यास (SG)/ग्यास (SD) अनुपात RF तताउने कुण्डलको स्थिति परिवर्तन गरेर अध्ययन गरिएको थियो।

चित्र २: SiC क्रिस्टल ग्रोथ प्रक्रिया अवस्थाहरूको योजनाबद्ध

चित्र 2 ले यस अध्ययनमा SiC क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रिया अवस्थाहरूको योजनाबद्ध देखाउँछ। सामान्य वृद्धि प्रक्रियाको तापमान 2300 देखि 2400 डिग्री सेल्सियस सम्म हुन्छ, दबाब 5 देखि 20 Torr मा राखिन्छ। वृद्धि प्रक्रियाको समयमा, तापमान ढाँचा dT = 50 ~ 150 ° C (a) परम्परागत विधिमा कायम राखिएको छ। कहिलेकाहीँ, स्रोत ग्यासहरूको असमान आपूर्ति (Si2C, SiC2, Si) को परिणामले स्ट्याकिंग गल्तीहरू, पोलिटाइप समावेशहरू, र यसरी क्रिस्टलको गुणस्तर घटाउन सक्छ। तसर्थ, प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा, आरएफ कुण्डलको स्थिति परिवर्तन गरेर, dT लाई 50 ~ 100 ° C भित्र सावधानीपूर्वक नियन्त्रण गरिएको थियो, त्यसपछि dT = 50 ~ 150 ° C मा मुख्य वृद्धि प्रक्रिया (b) सुधारिएको विधिमा समायोजित गरियो। । तापक्रम ढाँचा (dT[°C] = Tbottom-Tupper) नियन्त्रण गर्न, तलको तापक्रम २३०० °C मा तय गरिएको थियो, र माथिको तापक्रम २२७०°C, २२५०°C, २२००°C बाट २१५०°C सम्म समायोजन गरिएको थियो। तालिका 1 ले 10 घण्टा पछि विभिन्न तापमान ढाँचा अवस्थाहरूमा बढेको SiC बुले सतहको अप्टिकल माइक्रोस्कोप (OM) छविहरू प्रस्तुत गर्दछ।

तालिका 1: विभिन्न तापमान ढाँचा अवस्थाहरूमा 10 घण्टा र 100 घण्टाको लागि बढेको SiC Boule सतहको अप्टिकल माइक्रोस्कोप (OM) छविहरू

प्रारम्भिक dT=50°C मा, 10 घन्टाको वृद्धि पछि SiC बुले सतहमा दोष घनत्व dT=30°C र dT=150°C अन्तर्गतको तुलनामा उल्लेखनीय रूपमा कम थियो। dT=30°C मा, प्रारम्भिक तापमान ढाँचा धेरै सानो हुन सक्छ, जसको परिणामस्वरूप बीज क्रिस्टलको क्षति र दोष निर्माण हुन्छ। यसको विपरित, उच्च प्रारम्भिक तापमान ढाँचा (dT=150°C) मा, एक अस्थिर सुपरस्याचुरेसन अवस्था हुन सक्छ, जसले पोलिटाइप समावेशन र उच्च रिक्तता सांद्रताको कारण दोषहरू निम्त्याउन सक्छ। यद्यपि, यदि प्रारम्भिक तापमान ढाँचालाई अनुकूलित गरिएको छ भने, प्रारम्भिक दोषहरूको गठनलाई कम गरेर उच्च-गुणस्तरको क्रिस्टल वृद्धि हासिल गर्न सकिन्छ। 100 घण्टा बृद्धि पछि SiC बोउल सतहमा दोष घनत्व 10 घण्टा पछि नतिजा जस्तै भएको हुनाले, प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा दोष गठन कम गर्नु उच्च-गुणस्तरको SiC क्रिस्टलहरू प्राप्त गर्ने महत्त्वपूर्ण चरण हो।

तालिका २: बिभिन्न तापमान ग्रेडियन्ट सर्तहरू अन्तर्गत Etched SiC बाउल्सको EPD मानहरू

वेफर्स100 घण्टाको लागि उब्जाइएको बाउल्सबाट तयार पारिएको SiC क्रिस्टलको दोष घनत्व अध्ययन गर्न नक्काशी गरिएको थियो, तालिका 2 मा देखाइएको छ। प्रारम्भिक dT=30°C र dT=150°C अन्तर्गत बढेको SiC क्रिस्टलहरूको EPD मानहरू 35,880/cm² र 25,660 थिए। /cm², क्रमशः, जबकि अनुकूलित परिस्थितिहरूमा बढेको SiC क्रिस्टलहरूको EPD मान (dT=50°C) उल्लेखनीय रूपमा 8,560/cm² मा घट्यो।

तालिका 3: विभिन्न प्रारम्भिक तापमान ग्रेडियन्ट सर्तहरू अन्तर्गत SiC क्रिस्टलहरूको FWHM मानहरू र XRD म्यापिङ छविहरू

तालिका 3 ले विभिन्न प्रारम्भिक तापमान ढाँचा अवस्थाहरूमा बढेको SiC क्रिस्टलहरूको FWHM मानहरू र XRD म्यापिङ छविहरू प्रस्तुत गर्दछ। अनुकूलित अवस्था (dT=50°C) अन्तर्गत बढेको SiC क्रिस्टलको औसत FWHM मान 18.6 आर्कसेकेन्ड थियो, जुन अन्य तापक्रम ढाँचाको अवस्थाहरूमा उब्जाइएको SiC क्रिस्टलहरूको भन्दा उल्लेखनीय रूपमा कम थियो।

निष्कर्ष

SiC क्रिस्टल गुणस्तरमा प्रारम्भिक वृद्धि चरण तापमान ढाँचाको प्रभावलाई तापमान ढाँचा (dT [°C] = Tbottom-Tupper) को कुण्डल स्थिति परिवर्तन गरेर नियन्त्रण गरेर अध्ययन गरिएको थियो। नतिजाहरूले देखाए कि प्रारम्भिक dT = 50 ° C सर्तहरू अन्तर्गत 10 घण्टाको वृद्धि पछि SiC boule सतहमा दोष घनत्व dT = 30 ° C र dT = 150 ° C अन्तर्गतको भन्दा उल्लेखनीय रूपमा कम थियो। अनुकूलित अवस्थाहरूमा बढेको SiC क्रिस्टलहरूको औसत FWHM मान (dT=50°C) 18.6 आर्कसेकेन्ड थियो, जुन अन्य अवस्थाहरूमा उब्जाइएको SiC क्रिस्टलहरूको भन्दा उल्लेखनीय रूपमा कम थियो। यसले संकेत गर्छ कि प्रारम्भिक तापमान ढाँचालाई अनुकूलन गर्नाले प्रभावकारी रूपमा प्रारम्भिक दोषहरूको गठनलाई कम गर्छ, जसले गर्दा उच्च गुणस्तरको SiC क्रिस्टल वृद्धि हासिल हुन्छ।**