تحقيق نمو كريستال SiC عالي الجودة من خلال التحكم في تدرج درجة الحرارة في مرحلة النمو الأولية

مقدمة

كربيد السيليكون (SiC) عبارة عن مادة شبه موصلة واسعة النطاق وقد حظيت باهتمام كبير في السنوات الأخيرة بسبب أدائها الاستثنائي في التطبيقات ذات الجهد العالي ودرجات الحرارة العالية. لم يؤد التقدم السريع في طرق نقل البخار الفيزيائي (PVT) إلى تحسين جودة بلورات SiC المفردة فحسب، بل نجح أيضًا في تحقيق تصنيع بلورات مفردة من SiC مقاس 150 مم. ومع ذلك، فإن نوعيةرقائق كربيد السيليكونلا يزال يتطلب المزيد من التحسين، لا سيما من حيث تقليل كثافة العيوب. من المعروف أن هناك عيوبًا مختلفة موجودة داخل بلورات SiC المزروعة، ويرجع ذلك أساسًا إلى عدم الفهم الكافي لآليات تكوين العيوب أثناء عملية نمو بلورات SiC. يعد إجراء مزيد من الأبحاث المتعمقة حول عملية نمو PVT ضروريًا لزيادة قطر وطول بلورات SiC مع تعزيز معدل التبلور أيضًا، وبالتالي تسريع تسويق الأجهزة المعتمدة على SiC. لتحقيق نمو بلوري SiC عالي الجودة، ركزنا على التحكم في تدرج درجة الحرارة خلال مرحلة النمو الأولية. نظرًا لأن الغازات الغنية بالسيليكون (Si، Si2C) قد تلحق الضرر بسطح بلورة البذور أثناء مرحلة النمو الأولية، فقد أنشأنا تدرجات مختلفة لدرجة الحرارة في المرحلة الأولية وقمنا بتعديلها لظروف درجة حرارة نسبة C / Si الثابتة أثناء عملية النمو الرئيسية. تستكشف هذه الدراسة بشكل منهجي الخصائص المختلفة لبلورات SiC المزروعة باستخدام ظروف العملية المعدلة.

الطرق التجريبية

تم إجراء نمو كرات 4H-SiC مقاس 6 بوصات باستخدام طريقة PVT على ركائز C-face خارج المحور بزاوية 4 درجات. تم اقتراح تحسين ظروف العملية لمرحلة النمو الأولية. تم ضبط درجة حرارة النمو بين 2300-2400 درجة مئوية، وتم الحفاظ على الضغط عند 5-20 تور، في بيئة من غاز النيتروجين والأرجون. 6 بوصةرقائق 4H-SiCتم تصنيعها من خلال تقنيات معالجة أشباه الموصلات القياسية. الرقائق كربيد السيليكونتمت معالجتها وفقًا لظروف التدرج الحراري المختلفة في مرحلة النمو الأولية وحفرها عند 600 درجة مئوية لمدة 14 دقيقة لتقييم العيوب. تم قياس كثافة الحفرة (EPD) للسطح باستخدام المجهر الضوئي (OM). العرض الكامل بنصف الحد الأقصى لقيم (FWHM) وصور التعيين لـرقائق كربيد السيليكون مقاس 6 بوصةتم قياسها باستخدام نظام حيود الأشعة السينية عالي الدقة (XRD).

النتائج والمناقشة

الشكل 1: رسم تخطيطي لآلية نمو كريستال SiC

لتحقيق نمو بلوري مفرد عالي الجودة من SiC، من الضروري عادةً استخدام مصادر مسحوق SiC عالية النقاء، والتحكم بدقة في نسبة C/Si، والحفاظ على درجة حرارة وضغط نمو ثابتين. بالإضافة إلى ذلك، يعد تقليل فقدان بلورة البذور وقمع تكوين العيوب السطحية على بلورة البذور خلال مرحلة النمو الأولية أمرًا بالغ الأهمية. يوضح الشكل 1 المخطط التخطيطي لآلية نمو بلورات SiC في هذه الدراسة. كما هو مبين في الشكل 1، يتم نقل غازات البخار (ST) إلى سطح بلورة البذور، حيث تنتشر وتشكل البلورة. تمتز بعض الغازات غير المشاركة في النمو (ST) من السطح البلوري. عندما تتجاوز كمية الغاز الموجودة على سطح بلورة البذور (SG) الغاز الممتص (SD)، تستمر عملية النمو. ولذلك، تمت دراسة نسبة الغاز (SG)/الغاز (SD) المناسبة أثناء عملية النمو عن طريق تغيير موضع ملف تسخين التردد اللاسلكي.

الشكل 2: رسم تخطيطي لظروف عملية نمو كريستال SiC

يوضح الشكل 2 المخطط التخطيطي لظروف عملية نمو بلورات SiC في هذه الدراسة. تتراوح درجة حرارة عملية النمو النموذجية من 2300 إلى 2400 درجة مئوية، مع الحفاظ على الضغط عند 5 إلى 20 تور. أثناء عملية النمو، يتم الحفاظ على التدرج في درجة الحرارة عند dT = 50 ~ 150 درجة مئوية ((أ) بالطريقة التقليدية). في بعض الأحيان، قد يؤدي الإمداد غير المتكافئ لغازات المصدر (Si2C، SiC2، Si) إلى حدوث أخطاء في التراص، وشوائب متعددة الأنواع، وبالتالي تدهور جودة البلورة. لذلك، في مرحلة النمو الأولية، من خلال تغيير موضع ملف التردد اللاسلكي، تم التحكم في dT بعناية في حدود 50 إلى 100 درجة مئوية، ثم تم تعديله إلى dT = 50 إلى 150 درجة مئوية أثناء عملية النمو الرئيسية ((ب) الطريقة المحسنة) . للتحكم في تدرج درجة الحرارة (dT[°C] = Tbottom-Tupper)، تم تثبيت درجة الحرارة السفلية عند 2300 درجة مئوية، وتم ضبط درجة الحرارة العلوية من 2270 درجة مئوية، 2250 درجة مئوية، 2200 درجة مئوية إلى 2150 درجة مئوية. يعرض الجدول 1 صور المجهر الضوئي (OM) لسطح كرة SiC المزروعة تحت ظروف التدرج الحراري المختلفة بعد 10 ساعات.

الجدول 1: صور المجهر الضوئي (OM) لسطح SiC Boule المزروع لمدة 10 ساعات و100 ساعة في ظل ظروف التدرج الحراري المختلفة

عند dT الأولي = 50 درجة مئوية، كانت كثافة الخلل على سطح كرة SiC بعد 10 ساعات من النمو أقل بكثير من تلك الموجودة تحت dT = 30 درجة مئوية وdT = 150 درجة مئوية. عند dT = 30 درجة مئوية، قد يكون التدرج الأولي لدرجة الحرارة صغيرًا جدًا، مما يؤدي إلى فقدان بلورة البذور وتكوين الخلل. على العكس من ذلك، عند تدرج درجة حرارة أولية أعلى (dT = 150 درجة مئوية)، قد تحدث حالة تشبع فائق غير مستقرة، مما يؤدي إلى شوائب وعيوب متعددة الأنواع بسبب تركيزات الشواغر العالية. ومع ذلك، إذا تم تحسين التدرج الأولي لدرجة الحرارة، يمكن تحقيق نمو بلوري عالي الجودة عن طريق تقليل تكوين العيوب الأولية. نظرًا لأن كثافة الخلل على سطح كرة SiC بعد 100 ساعة من النمو كانت مماثلة للنتائج بعد 10 ساعات، فإن تقليل تكوين الخلل أثناء مرحلة النمو الأولية هو الخطوة الحاسمة في الحصول على بلورات SiC عالية الجودة.

الجدول 2: قيم EPD لكرات SiC المحفورة تحت ظروف التدرج الحراري المختلفة

الرقائقتم حفرها المحضرة من الكرات المزروعة لمدة 100 ساعة لدراسة كثافة الخلل في بلورات SiC، كما هو مبين في الجدول 2. وكانت قيم EPD لبلورات SiC المزروعة تحت dT = 30 درجة مئوية وdT = 150 درجة مئوية هي 35880/سم² و25660 /سم²، على التوالي، في حين أن قيمة EPD لبلورات SiC المزروعة في ظل الظروف المحسنة (dT = 50 درجة مئوية) انخفضت بشكل كبير إلى 8,560/سم².

الجدول 3: قيم FWHM وصور رسم خرائط XRD لبلورات SiC في ظل ظروف التدرج الأولي المختلفة لدرجة الحرارة

يعرض الجدول 3 قيم FWHM وصور خرائط XRD لبلورات SiC المزروعة في ظل ظروف تدرج أولية مختلفة في درجات الحرارة. كان متوسط ​​قيمة FWHM لبلورات SiC المزروعة في ظل ظروف محسنة (dT = 50 درجة مئوية) 18.6 ثانية قوسية، وهو أقل بكثير من بلورات SiC المزروعة في ظل ظروف التدرج الحراري الأخرى.

خاتمة

تمت دراسة تأثير التدرج الأولي لدرجة حرارة مرحلة النمو على جودة بلورة SiC من خلال التحكم في التدرج في درجة الحرارة (dT[°C] = Tbottom-Tupper) عن طريق تغيير موضع الملف. أظهرت النتائج أن كثافة الخلل على سطح كرة SiC بعد 10 ساعات من النمو في ظل الظروف الأولية dT = 50 درجة مئوية كانت أقل بكثير من تلك الموجودة تحت dT = 30 درجة مئوية وdT = 150 درجة مئوية. كان متوسط ​​قيمة FWHM لبلورات SiC المزروعة في ظل الظروف المحسنة (dT = 50 درجة مئوية) 18.6 ثانية قوسية، وهو أقل بكثير من بلورات SiC المزروعة في ظروف أخرى. يشير هذا إلى أن تحسين تدرج درجة الحرارة الأولية يقلل بشكل فعال من تكوين العيوب الأولية، وبالتالي تحقيق نمو بلوري SiC عالي الجودة.**