Бастапқы өсу фазасында температура градиентін бақылау арқылы жоғары сапалы SiC кристалының өсуіне қол жеткізу

Кіріспе

Кремний карбиді (SiC) - бұл жоғары вольтты және жоғары температуралық қолданбалардағы ерекше өнімділігінің арқасында соңғы жылдары айтарлықтай назар аударған кең жолақты жартылай өткізгіш материал. Физикалық буларды тасымалдау (PVT) әдістерінің жылдам дамуы SiC монокристалдарының сапасын жақсартып қана қоймай, сонымен қатар 150 мм SiC монокристалдарын өндіруге сәтті қол жеткізді. Дегенмен, сапасыSiC пластиналарыәсіресе ақаулардың тығыздығын азайту тұрғысынан әлі де жетілдіруді қажет етеді. Өскен SiC кристалдарында әртүрлі ақаулар бар екені белгілі, бұл ең алдымен SiC кристалының өсу процесі кезінде ақаулардың пайда болу механизмдерін жеткіліксіз түсінуге байланысты. SiC кристалдарының диаметрі мен ұзындығын ұлғайту, сонымен қатар кристалдану жылдамдығын арттыру, осылайша SiC негізіндегі құрылғылардың коммерциялануын жеделдету үшін PVT өсу процесі бойынша тереңдетілген зерттеулер қажет. SiC кристалының жоғары сапалы өсуіне қол жеткізу үшін біз өсудің бастапқы кезеңінде температура градиентін бақылауға назар аудардық. Кремнийге бай газдар (Si, Si2C) бастапқы өсу фазасында тұқымның кристалының бетіне зақым келтіруі мүмкін болғандықтан, біз бастапқы кезеңде әртүрлі температура градиенттерін орнаттық және негізгі өсу процесі кезінде тұрақты C/Si қатынасы температура шарттарына реттелдік. Бұл зерттеу модификацияланған процесс жағдайларын пайдаланып өсірілген SiC кристалдарының әртүрлі сипаттамаларын жүйелі түрде зерттейді.

Эксперименттік әдістер

6 дюймдік 4H-SiC бульдерінің өсуі 4° осьтен тыс C-беттік субстраттарда PVT әдісін қолдану арқылы орындалды. Бастапқы өсу фазасы үшін жақсартылған процесс шарттары ұсынылды. Өсу температурасы 2300-2400°C аралығында орнатылып, қысым азот пен аргон газы ортасында 5-20 Торр деңгейінде сақталды. 6 дюйм4H-SiC пластиналарыжартылай өткізгішті өңдеудің стандартты әдістері арқылы жасалды. TheSiC пластиналарыбастапқы өсу фазасында әртүрлі температуралық градиент шарттарына сәйкес өңделді және ақауларды бағалау үшін 600°C температурада 14 минут бойы оюланды. Беткі қабаттың тығыздығы (EPD) оптикалық микроскоптың (OM) көмегімен өлшенді. Жартылай максимумдағы толық ені (FWHM) мәндері және кескіндерді салыстыру6 дюймдік SiC пластиналарыжоғары ажыратымдылықты рентгендік дифракция (XRD) жүйесі арқылы өлшенді.

Нәтижелер мен пікірталас

1-сурет: SiC кристалының өсу механизмінің схемасы

SiC монокристалының жоғары сапалы өсуіне қол жеткізу үшін әдетте жоғары таза SiC ұнтақ көздерін пайдалану, C/Si қатынасын дәл бақылау және тұрақты өсу температурасы мен қысымын сақтау қажет. Сонымен қатар, бастапқы өсу кезеңінде тұқым кристалының жоғалуын азайту және тұқым кристалында беткі ақаулардың пайда болуын болдырмау өте маңызды. 1-сурет осы зерттеудегі SiC кристалының өсу механизмінің схемасын көрсетеді. 1-суретте көрсетілгендей, бу газдары (СТ) тұқымдық кристалдың бетіне тасымалданады, онда олар диффузияланады және кристалды құрайды. Өсуге қатыспайтын кейбір газдар (ST) кристалдың бетінен десорбцияланады. Тұқымның кристалының бетіндегі (СГ) газ мөлшері десорбцияланған газдан (СД) асып кетсе, өсу процесі жүреді. Сондықтан өсу процесі кезінде сәйкес газ (SG)/газ (SD) қатынасы РЖ қыздыру катушкасының орнын өзгерту арқылы зерттелді.

2-сурет: SiC кристалының өсу процесінің шарттарының схемасы

2-суретте осы зерттеудегі SiC кристалының өсу процесінің шарттарының схемасы көрсетілген. Өсу процесінің әдеттегі температурасы 2300-ден 2400°C-қа дейін ауытқиды, қысым 5-тен 20 Торр аралығында сақталады. Өсу процесі кезінде температура градиенті dT=50~150°C деңгейінде сақталады ((а) дәстүрлі әдіс). Кейде бастапқы газдардың (Si2C, SiC2, Si) біркелкі емес жеткізілуі қабаттасудың ақауларына, политипті қосындыларға әкелуі мүмкін және осылайша кристалл сапасын нашарлатуы мүмкін. Сондықтан, бастапқы өсу фазасында, RF катушкасының орнын өзгерту арқылы, dT 50~100°C ішінде мұқият бақыланды, содан кейін негізгі өсу процесі кезінде dT=50~150°C дейін реттеледі ((b) жетілдірілген әдіс) . Температура градиентін (dT[°C] = Tbottom-Tupper) басқару үшін төменгі температура 2300°C деңгейінде бекітілді, ал жоғарғы температура 2270°C, 2250°C, 2200°C-тан 2150°C-қа дейін реттелді. 1-кестеде 10 сағаттан кейін әртүрлі температуралық градиент жағдайында өсірілген SiC буль бетінің оптикалық микроскоп (ОМ) суреттері берілген.

1-кесте: Әртүрлі температура градиенті жағдайында 10 сағат және 100 сағат бойы өсірілген SiC Boule бетінің оптикалық микроскоп (OM) кескіндері

Бастапқы dT=50°C кезінде SiC буль бетіндегі ақаудың тығыздығы 10 сағаттық өсуден кейін dT=30°C және dT=150°C кезіндегіден айтарлықтай төмен болды. dT=30°C кезінде бастапқы температура градиенті тым аз болуы мүмкін, нәтижесінде тұқым кристалы жоғалады және ақау пайда болады. Керісінше, жоғары бастапқы температура градиентінде (dT=150°C) тұрақсыз аса қанығу күйі орын алуы мүмкін, бұл политипті қосындыларға және жоғары бос концентрацияларға байланысты ақауларға әкеледі. Дегенмен, егер бастапқы температура градиенті оңтайландырылса, бастапқы ақаулардың пайда болуын барынша азайту арқылы жоғары сапалы кристалдардың өсуіне қол жеткізуге болады. 100 сағаттық өсуден кейін SiC буль бетіндегі ақау тығыздығы 10 сағаттан кейінгі нәтижелерге ұқсас болғандықтан, бастапқы өсу фазасында ақау түзілуін азайту жоғары сапалы SiC кристалдарын алудағы маңызды қадам болып табылады.

2-кесте: Әртүрлі температура градиенті жағдайларында сызылған SiC бульдерінің EPD мәндері

Вафли2-кестеде көрсетілгендей, SiC кристалдарының ақаулық тығыздығын зерттеу үшін 100 сағат бойы өсірілген булалардан дайындалған сызылған. Бастапқы dT=30°C және dT=150°C жағдайында өсірілген SiC кристалдарының EPD мәндері 35,880/см² және 25,660 болды. /см², сәйкесінше, оңтайландырылған жағдайларда (dT=50°C) өсірілген SiC кристалдарының EPD мәні 8,560/см² дейін айтарлықтай төмендеді.

3-кесте: Түрлі бастапқы температура градиенті жағдайында SiC кристалдарының FWHM мәндері және XRD салыстыру кескіндері

3-кестеде әртүрлі бастапқы температура градиенті жағдайында өсірілген SiC кристалдарының FWHM мәндері мен XRD карталық кескіндері берілген. Оңтайландырылған жағдайларда (dT=50°C) өсірілген SiC кристалдарының орташа FWHM мәні 18,6 доға секундын құрады, бұл басқа температура градиенті жағдайында өсірілген SiC кристалдарынан айтарлықтай төмен.

Қорытынды

Бастапқы өсу фазасының температура градиентінің SiC кристалының сапасына әсері катушка орнын өзгерту арқылы температура градиентін (dT[°C] = Tbottom-Tupper) бақылау арқылы зерттелді. Нәтижелер бастапқы dT=50°C жағдайында 10 сағаттық өсуден кейін SiC буль бетіндегі ақаудың тығыздығы dT=30°C және dT=150°C кезіндегіден айтарлықтай төмен екенін көрсетті. Оңтайландырылған жағдайларда (dT=50°C) өсірілген SiC кристалдарының орташа FWHM мәні 18,6 доға секундын құрады, бұл басқа жағдайларда өсірілген SiC кристалдарынан айтарлықтай төмен. Бұл бастапқы температура градиентін оңтайландыру бастапқы ақаулардың пайда болуын тиімді төмендететінін, осылайша жоғары сапалы SiC кристалының өсуіне қол жеткізетінін көрсетеді.**