Crescita rapida dell'utilizzo del monocristallo SiCCVD-SiC sfusoOrigine tramite metodo di sublimazione
Utilizzando riciclatoBlocchi CVD-SiCcome fonte di SiC, i cristalli di SiC sono stati cresciuti con successo a una velocità di 1,46 mm/h attraverso il metodo PVT. Il microtubo e la densità delle dislocazioni del cristallo cresciuto indicano che, nonostante l'elevato tasso di crescita, la qualità del cristallo è eccellente.
Carburo di silicio (SiC)è un semiconduttore ad ampio gap di banda con proprietà eccellenti per applicazioni ad alta tensione, alta potenza e alta frequenza. La sua domanda è cresciuta rapidamente negli ultimi anni, soprattutto nel campo dei semiconduttori di potenza. Per le applicazioni di semiconduttori di potenza, i singoli cristalli di SiC vengono coltivati sublimando la sorgente di SiC ad elevata purezza a 2100–2500 °C, quindi ricristallizzando su un cristallo seme utilizzando il metodo di trasporto fisico del vapore (PVT), seguito dalla lavorazione per ottenere substrati di cristallo singolo su wafer . Tradizionalmente,Cristalli di SiCvengono coltivati utilizzando il metodo PVT a una velocità di crescita compresa tra 0,3 e 0,8 mm/h per controllare la cristallinità, che è relativamente lenta rispetto ad altri materiali monocristallini utilizzati nelle applicazioni a semiconduttore. Quando i cristalli di SiC vengono coltivati a tassi di crescita elevati utilizzando il metodo PVT, non è stata esclusa la degradazione della qualità, comprese inclusioni di carbonio, purezza ridotta, crescita policristallina, formazione di bordi di grano e difetti di dislocazione e porosità. Pertanto, non è stata sviluppata una crescita rapida del SiC e il lento tasso di crescita del SiC ha rappresentato un ostacolo importante alla produttività dei substrati SiC.
D'altra parte, recenti rapporti sulla rapida crescita del SiC hanno utilizzato metodi di deposizione chimica in fase vapore ad alta temperatura (HTCVD) anziché il metodo PVT. Il metodo HTCVD utilizza un vapore contenente Si e C come fonte SiC nel reattore. HTCVD non è stato ancora utilizzato per la produzione su larga scala di SiC e richiede ulteriori ricerche e sviluppo per la commercializzazione. È interessante notare che, anche con un tasso di crescita elevato di circa 3 mm/h, i singoli cristalli di SiC possono essere coltivati con una buona qualità dei cristalli utilizzando il metodo HTCVD. Nel frattempo, i componenti SiC sono stati utilizzati nei processi dei semiconduttori in ambienti difficili che richiedono un controllo del processo di purezza estremamente elevata. Per le applicazioni di processo a semiconduttore, i componenti SiC con purezza pari a ∼99,9999% (∼6N) vengono solitamente preparati mediante il processo CVD da metiltriclorosilano (CH3Cl3Si, MTS). Tuttavia, nonostante l’elevata purezza dei componenti CVD-SiC, questi vengono scartati dopo l’uso. Recentemente, i componenti CVD-SiC scartati sono stati considerati come fonti SiC per la crescita dei cristalli, sebbene alcuni processi di recupero, tra cui la frantumazione e la purificazione, siano ancora necessari per soddisfare le elevate esigenze di una fonte di crescita dei cristalli. In questo studio, abbiamo utilizzato blocchi CVD-SiC scartati per riciclare materiali come fonte per la crescita di cristalli SiC. I blocchi CVD-SiC per la crescita del singolo cristallo sono stati preparati come blocchi frantumati a dimensione controllata, significativamente diversi per forma e dimensione rispetto alla polvere di SiC commerciale comunemente utilizzata nel processo PVT, quindi ci si aspettava che il comportamento della crescita del singolo cristallo di SiC fosse significativamente diverso. Prima di condurre esperimenti di crescita del singolo cristallo SiC, sono state eseguite simulazioni al computer per ottenere tassi di crescita elevati e la zona termica è stata configurata di conseguenza per la crescita del singolo cristallo. Dopo la crescita dei cristalli, i cristalli cresciuti sono stati valutati mediante tomografia in sezione trasversale, spettroscopia micro-Raman, diffrazione di raggi X ad alta risoluzione e topografia a raggi X a fascio bianco di sincrotrone.
La Figura 1 mostra la fonte CVD-SiC utilizzata per la crescita PVT dei cristalli SiC in questo studio. Come descritto nell'introduzione, i componenti CVD-SiC sono stati sintetizzati da MTS mediante il processo CVD e modellati per l'uso come semiconduttore mediante lavorazione meccanica. L'N è stato drogato nel processo CVD per ottenere conduttività per applicazioni di processo dei semiconduttori. Dopo l'uso nei processi a semiconduttore, i componenti CVD-SiC sono stati frantumati per preparare la fonte per la crescita dei cristalli, come mostrato nella Figura 1. La fonte CVD-SiC è stata preparata come piastre con uno spessore medio di ~0,5 mm e una dimensione media delle particelle di 49,75 mm.
Figura 1: Sorgente CVD-SiC preparata dal processo CVD basato su MTS.
Utilizzando la sorgente CVD-SiC mostrata nella Figura 1, i cristalli di SiC sono stati coltivati con il metodo PVT in un forno di riscaldamento a induzione. Per valutare la distribuzione della temperatura nella zona termica è stato utilizzato il codice di simulazione commerciale VR-PVT 8.2 (STR, Repubblica di Serbia). Il reattore con la zona termica è stato modellato come modello assialsimmetrico 2D, come mostrato nella Figura 2, con il suo modello a mesh. Tutti i materiali utilizzati nella simulazione sono mostrati nella Figura 2 e le loro proprietà sono elencate nella Tabella 1. Sulla base dei risultati della simulazione, i cristalli di SiC sono stati coltivati utilizzando il metodo PVT in un intervallo di temperature di 2250–2350°C in un'atmosfera di Ar a 35 Torr per 4 ore. Come seme SiC è stato utilizzato un wafer 4H-SiC fuori asse di 4°. I cristalli cresciuti sono stati valutati mediante spettroscopia micro-Raman (Witec, UHTS 300, Germania) e XRD ad alta risoluzione (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Paesi Bassi). Le concentrazioni di impurità nei cristalli di SiC cresciuti sono state valutate utilizzando la spettrometria di massa di ioni secondari dinamici (SIMS, Cameca IMS-6f, Francia). La densità di dislocazione dei cristalli cresciuti è stata valutata utilizzando la topografia a raggi X a raggio bianco di sincrotrone presso la sorgente luminosa di Pohang.
Figura 2: Diagramma della zona termica e modello mesh della crescita del PVT in un forno di riscaldamento a induzione.
Poiché i metodi HTCVD e PVT fanno crescere i cristalli in equilibrio di fase gas-solida sul fronte di crescita, la rapida crescita di SiC con il metodo HTCVD ha portato alla sfida della rapida crescita di SiC con il metodo PVT in questo studio. Il metodo HTCVD utilizza una fonte di gas facilmente controllabile dal flusso, mentre il metodo PVT utilizza una fonte solida che non controlla direttamente il flusso. La portata fornita al fronte di crescita nel metodo PVT può essere controllata dalla velocità di sublimazione della fonte solida attraverso il controllo della distribuzione della temperatura, ma un controllo preciso della distribuzione della temperatura nei sistemi di crescita pratici non è facile da ottenere.
Aumentando la temperatura della sorgente nel reattore PVT, il tasso di crescita del SiC può essere aumentato aumentando il tasso di sublimazione della sorgente. Per ottenere una crescita stabile dei cristalli, il controllo della temperatura sul fronte di crescita è fondamentale. Per aumentare il tasso di crescita senza formare policristalli, è necessario raggiungere un gradiente ad alta temperatura sul fronte di crescita, come dimostrato dalla crescita del SiC tramite il metodo HTCVD. Una conduzione verticale inadeguata del calore verso la parte posteriore del cappuccio dovrebbe dissipare il calore accumulato sul fronte di crescita attraverso la radiazione termica sulla superficie di crescita, portando alla formazione di superfici in eccesso, cioè crescita policristallina.
Sia i processi di trasferimento di massa che quelli di ricristallizzazione nel metodo PVT sono molto simili al metodo HTCVD, sebbene differiscano nella sorgente SiC. Ciò significa che è possibile ottenere una crescita rapida del SiC anche quando il tasso di sublimazione della fonte SiC è sufficientemente elevato. Tuttavia, ottenere cristalli singoli SiC di alta qualità in condizioni di crescita elevata tramite il metodo PVT presenta diverse sfide. Le polveri commerciali contengono tipicamente una miscela di particelle piccole e grandi. A causa delle differenze di energia superficiale, le particelle piccole hanno concentrazioni di impurità relativamente elevate e sublimano prima delle particelle più grandi, portando ad elevate concentrazioni di impurità nelle prime fasi di crescita del cristallo. Inoltre, poiché il SiC solido si decompone in specie di vapore come C e Si, SiC2 e Si2C ad alte temperature, il C solido si forma inevitabilmente quando la fonte SiC sublima nel metodo PVT. Se il solido C formato è sufficientemente piccolo e leggero, in condizioni di crescita rapida, piccole particelle di C, note come “polvere di C”, possono essere trasportate sulla superficie del cristallo mediante un forte trasferimento di massa, risultando in inclusioni nel cristallo cresciuto. Pertanto, per ridurre le impurità metalliche e la polvere di C, la dimensione delle particelle della sorgente SiC dovrebbe generalmente essere controllata a un diametro inferiore a 200 μm e il tasso di crescita non dovrebbe superare ∼0,4 mm/h per mantenere un trasferimento di massa lento ed escludere il galleggiamento Polvere C. Le impurità metalliche e la polvere di C portano alla degradazione dei cristalli di SiC cresciuti, che rappresentano i principali ostacoli alla rapida crescita del SiC tramite il metodo PVT.
In questo studio sono state utilizzate sorgenti CVD-SiC frantumate senza piccole particelle, eliminando la polvere di C galleggiante sotto un forte trasferimento di massa. Pertanto, la struttura della zona termica è stata progettata utilizzando il metodo PVT basato sulla simulazione multifisica per ottenere una rapida crescita del SiC e la distribuzione della temperatura simulata e il gradiente di temperatura sono mostrati nella Figura 3a.
Figura 3: (a) Distribuzione della temperatura e gradiente di temperatura vicino al fronte di crescita del reattore PVT ottenuto mediante analisi agli elementi finiti e (b) distribuzione della temperatura verticale lungo la linea assialsimmetrica.
Rispetto alle tipiche impostazioni della zona termica per la crescita di cristalli di SiC a un tasso di crescita compreso tra 0,3 e 0,8 mm/h con un piccolo gradiente di temperatura inferiore a 1 °C/mm, le impostazioni della zona termica in questo studio hanno un gradiente di temperatura relativamente ampio di ∼ 3,8 °C/mm ad una temperatura di crescita di ∼2268°C. Il valore del gradiente di temperatura in questo studio è paragonabile alla rapida crescita di SiC a una velocità di 2,4 mm/h utilizzando il metodo HTCVD, dove il gradiente di temperatura è impostato su ~14 °C/mm. Dalla distribuzione verticale della temperatura mostrata nella Figura 3b, abbiamo confermato che non era presente alcun gradiente di temperatura inverso che potesse formare policristalli vicino al fronte di crescita, come descritto in letteratura.
Utilizzando il sistema PVT, i cristalli di SiC sono stati fatti crescere dalla sorgente CVD-SiC per 4 ore, come mostrato nelle Figure 2 e 3. Una crescita rappresentativa dei cristalli di SiC dal SiC cresciuto è mostrata nella Figura 4a. Lo spessore e il tasso di crescita del cristallo SiC mostrato nella Figura 4a sono rispettivamente 5,84 mm e 1,46 mm/h. È stato studiato l'impatto della fonte SiC su qualità, politipo, morfologia e purezza del cristallo SiC cresciuto mostrato nella Figura 4a, come mostrato nelle Figure 4b-e. L'immagine della tomografia in sezione trasversale nella Figura 4b mostra che la crescita dei cristalli era di forma convessa a causa delle condizioni di crescita non ottimali. Tuttavia, la spettroscopia micro-Raman nella Figura 4c ha identificato il cristallo cresciuto come una fase singola di 4H-SiC senza inclusioni di politipo. Il valore FWHM del picco (0004) ottenuto dall'analisi della curva di oscillazione dei raggi X è stato di 18,9 secondi d'arco, confermando anche una buona qualità dei cristalli.
Figura 4: (a) Cristallo SiC cresciuto (tasso di crescita di 1,46 mm/h) e risultati della sua valutazione con (b) tomografia in sezione trasversale, (c) spettroscopia micro-Raman, (d) curva di oscillazione dei raggi X e ( e) Topografia a raggi X.
La Figura 4e mostra la topografia a raggi X del raggio bianco che identifica graffi e dislocazioni della filettatura nel wafer lucidato del cristallo cresciuto. La densità di dislocazione del cristallo cresciuto è stata misurata in circa 3000 ea/cm², leggermente superiore alla densità di dislocazione del cristallo seme, che era di circa 2000 ea/cm². È stato confermato che il cristallo cresciuto ha una densità di dislocazione relativamente bassa, paragonabile alla qualità cristallina dei wafer commerciali. È interessante notare che la rapida crescita dei cristalli di SiC è stata ottenuta utilizzando il metodo PVT con una sorgente CVD-SiC frantumata sotto un ampio gradiente di temperatura. Le concentrazioni di B, Al e N nel cristallo cresciuto erano rispettivamente 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ e 1,98 × 10¹⁹ atomi/cm³. La concentrazione di P nel cristallo cresciuto era inferiore al limite di rilevamento (<1,0 × 10¹⁴ atomi/cm³). Le concentrazioni di impurità erano sufficientemente basse per i portatori di carica, ad eccezione dell'N, che è stato drogato intenzionalmente durante il processo CVD.
Sebbene la crescita dei cristalli in questo studio fosse su piccola scala considerando i prodotti commerciali, la dimostrazione riuscita della rapida crescita del SiC con una buona qualità dei cristalli utilizzando la sorgente CVD-SiC attraverso il metodo PVT ha implicazioni significative. Poiché le fonti CVD-SiC, nonostante le loro eccellenti proprietà, sono competitive in termini di costi riciclando i materiali di scarto, ci aspettiamo il loro utilizzo diffuso come promettente fonte di SiC per sostituire le fonti di polvere di SiC. Per applicare le fonti CVD-SiC per una rapida crescita del SiC, è necessaria l’ottimizzazione della distribuzione della temperatura nel sistema PVT, ponendo ulteriori domande per la ricerca futura.
Conclusione
In questo studio è stata ottenuta con successo la dimostrazione della rapida crescita dei cristalli di SiC utilizzando blocchi CVD-SiC frantumati in condizioni di gradiente ad alta temperatura attraverso il metodo PVT. È interessante notare che la rapida crescita dei cristalli di SiC è stata realizzata sostituendo la sorgente di SiC con il metodo PVT. Si prevede che questo metodo aumenterà in modo significativo l’efficienza di produzione su larga scala dei singoli cristalli SiC, riducendo in definitiva il costo unitario dei substrati SiC e promuovendo l’uso diffuso di dispositivi di potenza ad alte prestazioni.
Orario di pubblicazione: 19 luglio 2024