Ukuaji wa Haraka wa SiC Single Crystal KutumiaWingi wa CVD-SiCChanzo kupitia Njia ya Usablimishaji
Kwa kutumia recycledVitalu vya CVD-SiCkama chanzo cha SiC, fuwele za SiC zilikuzwa kwa mafanikio kwa kiwango cha 1.46 mm/h kupitia mbinu ya PVT. Msongamano wa bomba ndogo la fuwele na mtengano wake unaonyesha kuwa licha ya ukuaji wa juu, ubora wa fuwele ni bora.
Silicon carbudi (SiC)ni semicondukta yenye upana-bendi yenye sifa bora kwa matumizi ya voltage ya juu, nguvu ya juu, na masafa ya juu. Mahitaji yake yameongezeka kwa kasi katika miaka ya hivi karibuni, hasa katika uwanja wa semiconductor ya nguvu. Kwa matumizi ya semiconductor ya nguvu, fuwele za SiC moja hukuzwa kwa kupunguza chanzo cha ubora wa juu cha SiC ifikapo 2100–2500°C, kisha kuangaziwa tena kwenye kioo cha mbegu kwa kutumia mbinu ya usafirishaji wa mvuke (PVT), ikifuatiwa na usindikaji ili kupata substrates moja za fuwele kwenye kaki. . Kijadi,fuwele za SiChukuzwa kwa kutumia mbinu ya PVT kwa kasi ya ukuaji wa 0.3 hadi 0.8 mm/h ili kudhibiti ung'avu wa fuwele, ambao ni wa polepole ikilinganishwa na nyenzo nyingine za fuwele zinazotumiwa katika utumizi wa semicondukta. Wakati fuwele za SiC zinapokuzwa kwa viwango vya juu vya ukuaji kwa kutumia mbinu ya PVT, uharibifu wa ubora ikiwa ni pamoja na inclusions za kaboni, kupungua kwa usafi, ukuaji wa polycrystalline, uundaji wa mpaka wa nafaka, na uharibifu na kasoro za porosity hazijaondolewa. Kwa hiyo, ukuaji wa haraka wa SiC haujaendelezwa, na kasi ya ukuaji wa polepole ya SiC imekuwa kikwazo kikubwa kwa uzalishaji wa substrates za SiC.
Kwa upande mwingine, ripoti za hivi majuzi juu ya ukuaji wa haraka wa SiC zimekuwa zikitumia njia za uwekaji wa mvuke wa kemikali ya halijoto ya juu (HTCVD) badala ya mbinu ya PVT. Mbinu ya HTCVD hutumia mvuke iliyo na Si na C kama chanzo cha SiC kwenye kinu. HTCVD bado haijatumika kwa uzalishaji mkubwa wa SiC na inahitaji utafiti zaidi na maendeleo kwa ajili ya biashara. Jambo la kufurahisha ni kwamba hata kwa kiwango cha juu cha ukuaji cha ~3 mm/h, fuwele za SiC single zinaweza kukuzwa kwa ubora mzuri wa fuwele kwa kutumia mbinu ya HTCVD. Wakati huo huo, vipengele vya SiC vimetumika katika michakato ya semiconductor chini ya mazingira magumu ambayo yanahitaji udhibiti wa juu sana wa mchakato wa usafi. Kwa maombi ya mchakato wa semiconductor, ~99.9999% (∼6N) vipengele vya SiC ya usafi kawaida hutayarishwa na mchakato wa CVD kutoka kwa methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Hata hivyo, licha ya usafi wa juu wa vipengele vya CVD-SiC, zimeondolewa baada ya matumizi. Hivi majuzi, vijenzi vya CVD-SiC vilivyotupwa vimezingatiwa kama vyanzo vya SiC vya ukuaji wa fuwele, ingawa michakato mingine ya uokoaji ikijumuisha kusagwa na utakaso bado inahitajika ili kukidhi mahitaji ya juu ya chanzo cha ukuaji wa fuwele. Katika utafiti huu, tulitumia vitalu vya CVD-SiC vilivyotupwa kuchakata nyenzo kama chanzo cha kukuza fuwele za SiC. Vitalu vya CVD-SiC kwa ukuaji wa fuwele moja vilitayarishwa kama vizuizi vilivyodhibitiwa vya saizi, tofauti sana kwa sura na saizi ikilinganishwa na poda ya SiC ya kibiashara inayotumika sana katika mchakato wa PVT, kwa hivyo tabia ya ukuaji wa fuwele moja ya SiC ilitarajiwa kuwa kubwa. tofauti. Kabla ya kufanya majaribio ya ukuaji wa fuwele moja ya SiC, uigaji wa kompyuta ulifanyika ili kufikia viwango vya juu vya ukuaji, na eneo la joto lilisanidiwa ipasavyo kwa ukuaji wa fuwele moja. Baada ya ukuaji wa fuwele, fuwele zilizokua zilitathminiwa kwa tomografia ya sehemu-mbali, uchunguzi wa micro-Raman, diffraction ya X-ray ya azimio la juu, na topografia ya X-ray ya boriti nyeupe ya synchrotron.
Kielelezo cha 1 kinaonyesha chanzo cha CVD-SiC kilichotumika kwa ukuaji wa PVT wa fuwele za SiC katika utafiti huu. Kama ilivyoelezwa katika utangulizi, vipengele vya CVD-SiC viliunganishwa kutoka kwa MTS na mchakato wa CVD na kuundwa kwa matumizi ya semiconductor kupitia usindikaji wa mitambo. N iliwekwa katika mchakato wa CVD ili kufikia upitishaji wa maombi ya mchakato wa semiconductor. Baada ya kutumika katika michakato ya semiconductor, vijenzi vya CVD-SiC vilipondwa ili kuandaa chanzo cha ukuaji wa fuwele, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1. Chanzo cha CVD-SiC kilitayarishwa kama sahani zenye unene wa wastani wa ~ 0.5 mm na ukubwa wa wastani wa chembe. 49.75 mm.
Kielelezo cha 1: Chanzo cha CVD-SiC kilichotayarishwa na mchakato wa CVD unaotegemea MTS.
Kwa kutumia chanzo cha CVD-SiC kilichoonyeshwa kwenye Mchoro 1, fuwele za SiC zilikuzwa kwa mbinu ya PVT katika tanuru ya kupasha joto. Ili kutathmini usambazaji wa halijoto katika eneo la joto, msimbo wa uigaji wa kibiashara VR-PVT 8.2 (STR, Jamhuri ya Serbia) ulitumiwa. Reactor yenye ukanda wa joto iliundwa kama modeli ya 2D axisymmetric, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro wa 2, pamoja na muundo wake wa matundu. Nyenzo zote zinazotumiwa katika uigaji zimeonyeshwa kwenye Mchoro 2, na mali zao zimeorodheshwa katika Jedwali 1. Kulingana na matokeo ya simulizi, fuwele za SiC zilikuzwa kwa kutumia njia ya PVT kwa kiwango cha joto cha 2250-2350 ° C katika anga ya Ar. 35 Torr kwa masaa 4. Kaki ya 4° off-axis 4H-SiC ilitumika kama mbegu ya SiC. Fuwele zilizokuzwa zilitathminiwa na uchunguzi wa micro-Raman (Witec, UHTS 300, Ujerumani) na XRD ya ubora wa juu (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Uholanzi). Viwango vya uchafu katika fuwele za SiC zilizokua zilitathminiwa kwa kutumia tasnifu ya wingi wa ioni ya upili (SIMS, Cameca IMS-6f, Ufaransa). Msongamano wa mtengano wa fuwele zilizokua ulitathminiwa kwa kutumia topografia ya X-ray ya boriti nyeupe ya synchrotron kwenye Chanzo cha Mwanga cha Pohang.
Kielelezo cha 2: Mchoro wa eneo la joto na muundo wa matundu wa ukuaji wa PVT katika tanuru ya upashaji joto.
Kwa kuwa mbinu za HTCVD na PVT hukuza fuwele chini ya usawa wa awamu ya gesi-imara mbele ya ukuaji, ukuaji wa haraka wa SiC kwa njia ya HTCVD ulisababisha changamoto ya ukuaji wa haraka wa SiC kwa mbinu ya PVT katika utafiti huu. Mbinu ya HTCVD hutumia chanzo cha gesi ambacho kinadhibitiwa kwa urahisi na mtiririko, wakati mbinu ya PVT hutumia chanzo thabiti ambacho hakidhibiti mtiririko wa moja kwa moja. Kiwango cha mtiririko kinachotolewa kwa upande wa ukuaji katika mbinu ya PVT kinaweza kudhibitiwa na kiwango cha usablimishaji wa chanzo imara kupitia udhibiti wa usambazaji wa joto, lakini udhibiti sahihi wa usambazaji wa joto katika mifumo ya ukuaji wa vitendo si rahisi kufikia.
Kwa kuongeza halijoto ya chanzo katika kinu cha PVT, kasi ya ukuaji wa SiC inaweza kuongezeka kwa kuongeza kiwango cha usablimishaji wa chanzo. Ili kufikia ukuaji thabiti wa fuwele, udhibiti wa halijoto katika sehemu ya mbele ya ukuaji ni muhimu. Ili kuongeza kasi ya ukuaji bila kuunda polycrystals, upinde rangi wa halijoto ya juu unahitaji kufikiwa katika sehemu ya mbele ya ukuaji, kama inavyoonyeshwa na ukuaji wa SiC kupitia mbinu ya HTCVD. Uendeshaji wa joto wa wima usiofaa kwa nyuma ya kofia unapaswa kuondokana na joto lililokusanywa mbele ya ukuaji kupitia mionzi ya joto kwenye uso wa ukuaji, na kusababisha kuundwa kwa nyuso za ziada, yaani, ukuaji wa polycrystalline.
Michakato yote miwili ya uhamishaji na urekebishaji wa fuwele katika mbinu ya PVT inafanana sana na mbinu ya HTCVD, ingawa zinatofautiana katika chanzo cha SiC. Hii ina maana kwamba ukuaji wa haraka wa SiC pia unaweza kufikiwa wakati kiwango cha usablimishaji wa chanzo cha SiC ni cha juu vya kutosha. Hata hivyo, kufikia fuwele za ubora wa juu wa SiC chini ya hali ya ukuaji wa juu kupitia mbinu ya PVT kuna changamoto kadhaa. Poda za kibiashara kwa kawaida huwa na mchanganyiko wa chembe ndogo na kubwa. Kwa sababu ya tofauti za nishati ya uso, chembe ndogo huwa na viwango vya juu vya uchafu na hukaa chini kabla ya chembe kubwa, na kusababisha viwango vya juu vya uchafu katika hatua za mwanzo za ukuaji wa fuwele. Zaidi ya hayo, SiC dhabiti inapooza na kuwa spishi za mvuke kama vile C na Si, SiC2 na Si2C kwenye viwango vya juu vya joto, C thabiti hujitokeza wakati chanzo cha SiC kinapopungua katika mbinu ya PVT. Ikiwa C imara iliyoundwa ni ndogo na nyepesi ya kutosha, chini ya hali ya ukuaji wa haraka, chembe ndogo za C, zinazojulikana kama "C vumbi," zinaweza kusafirishwa hadi kwenye uso wa fuwele kwa uhamishaji mkubwa wa molekuli, na kusababisha kuingizwa kwa kioo kilichokua. Kwa hivyo, ili kupunguza uchafu wa chuma na vumbi C, saizi ya chembe ya chanzo cha SiC inapaswa kudhibitiwa kwa kipenyo cha chini ya 200 μm, na kiwango cha ukuaji haipaswi kuzidi ~ 0.4 mm / h ili kudumisha uhamishaji wa polepole wa molekuli na kuwatenga kuelea. C vumbi. Uchafu wa metali na vumbi la C husababisha uharibifu wa fuwele za SiC zilizopandwa, ambazo ni vikwazo kuu kwa ukuaji wa haraka wa SiC kupitia njia ya PVT.
Katika utafiti huu, vyanzo vya CVD-SiC vilivyopondwa bila chembe ndogo vilitumiwa, kuondokana na vumbi vya C vinavyoelea chini ya uhamisho mkubwa wa molekuli. Kwa hivyo, muundo wa ukanda wa joto uliundwa kwa kutumia mbinu ya PVT ya simulation ya multifizikia ili kufikia ukuaji wa haraka wa SiC, na usambazaji wa joto unaoiga na upinde wa joto huonyeshwa kwenye Mchoro 3a.
Kielelezo cha 3: (a) Usambazaji wa halijoto na kipenyo cha halijoto karibu na sehemu ya mbele ya ukuaji wa kinu cha PVT kilichopatikana kwa uchanganuzi wa vipengele vyenye kikomo, na (b) usambazaji wima wa halijoto kwenye mstari wa axisymmetric.
Ikilinganishwa na mipangilio ya kawaida ya ukanda wa joto kwa ajili ya kukuza fuwele za SiC kwa kiwango cha ukuaji cha 0.3 hadi 0.8 mm/h chini ya kipenyo kidogo cha joto cha chini ya 1 °C/mm, mipangilio ya eneo la joto katika utafiti huu ina kipenyo kikubwa kiasi cha ~ ~ 3.8 °C/mm katika halijoto ya ukuaji ya ~2268°C. Thamani ya gradient ya halijoto katika utafiti huu inalinganishwa na ukuaji wa haraka wa SiC kwa kiwango cha 2.4 mm/h kwa kutumia mbinu ya HTCVD, ambapo gradient ya halijoto imewekwa ~14 °C/mm. Kutokana na usambazaji wima wa halijoto iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 3b, tulithibitisha kuwa hakuna kipenyo cha nyuma cha halijoto ambacho kinaweza kuunda fuwele za politani kilichokuwepo karibu na sehemu ya mbele ya ukuaji, kama ilivyofafanuliwa katika fasihi.
Kwa kutumia mfumo wa PVT, fuwele za SiC zilikuzwa kutoka chanzo cha CVD-SiC kwa saa 4, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2 na 3. Ukuaji wa kioo wa SiC kutoka kwa SiC iliyokua umeonyeshwa kwenye Mchoro 4a. Unene na kasi ya ukuaji wa fuwele ya SiC iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 4a ni 5.84 mm na 1.46 mm/h, mtawalia. Athari ya chanzo cha SiC kwenye ubora, aina nyingi, mofolojia, na usafi wa fuwele ya SiC iliyokuzwa iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 4a ilichunguzwa, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4b-e. Picha ya tomografia ya sehemu mtambuka katika Mchoro wa 4b inaonyesha kuwa ukuaji wa fuwele ulikuwa na umbo la mbonyeo kutokana na hali duni ya ukuaji. Hata hivyo, taswira ndogo ya Raman katika Kielelezo 4c ilitambua fuwele iliyokuzwa kama awamu moja ya 4H-SiC bila mijumuisho ya aina nyingi. Thamani ya FWHM ya kilele cha (0004) iliyopatikana kutokana na uchanganuzi wa mikondo ya X-ray ilikuwa sekunde 18.9, pia ikithibitisha ubora mzuri wa fuwele.
Mchoro wa 4: (a) Kioo cha SiC kilichokua (kiwango cha ukuaji wa 1.46 mm/h) na matokeo ya tathmini yake kwa (b) tomografia ya sehemu mbalimbali, (c) uchunguzi wa micro-Raman, (d) mkunjo wa X-ray, na ( e) Topografia ya X-ray.
Mchoro wa 4e unaonyesha topografia ya boriti nyeupe ya X-ray inayotambua mikwaruzo na mitengano ya nyuzi katika kaki iliyong'aa ya fuwele iliyokuzwa. Msongamano wa kutenganisha fuwele iliyokuzwa ulipimwa kuwa ~3000 ea/cm², juu kidogo kuliko msongamano wa kutenguka kwa fuwele ya mbegu, ambayo ilikuwa ~2000 ea/cm². Kioo kilichokuzwa kilithibitishwa kuwa na msongamano mdogo wa kutengana, ikilinganishwa na ubora wa fuwele wa kaki za kibiashara. Inashangaza, ukuaji wa haraka wa fuwele za SiC ulipatikana kwa kutumia njia ya PVT na chanzo kilichovunjika cha CVD-SiC chini ya gradient kubwa ya joto. Viwango vya B, Al, na N katika fuwele iliyokua vilikuwa 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, na 1.98 × 10¹⁹ atomi/cm³, mtawalia. Mkusanyiko wa P katika fuwele iliyokua ulikuwa chini ya kikomo cha utambuzi (<1.0 × 10¹⁴ atomi/cm³). Viwango vya uchafu vilikuwa vya chini vya kutosha kwa wabebaji wa malipo, isipokuwa N, ambayo ilipunguzwa kwa makusudi wakati wa mchakato wa CVD.
Ingawa ukuaji wa kioo katika utafiti huu ulikuwa mdogo kwa kuzingatia bidhaa za kibiashara, maonyesho ya mafanikio ya ukuaji wa haraka wa SiC na ubora mzuri wa kioo kwa kutumia chanzo cha CVD-SiC kupitia njia ya PVT ina athari kubwa. Kwa kuwa vyanzo vya CVD-SiC, licha ya mali zao bora, ni za ushindani wa gharama kwa kuchakata nyenzo zilizotupwa, tunatarajia utumiaji wao mkubwa kama chanzo cha kuahidi cha SiC kuchukua nafasi ya vyanzo vya poda vya SiC. Ili kutumia vyanzo vya CVD-SiC kwa ukuaji wa haraka wa SiC, kuboresha usambazaji wa halijoto katika mfumo wa PVT inahitajika, kuuliza maswali zaidi kwa utafiti wa siku zijazo.
Hitimisho
Katika utafiti huu, maonyesho ya mafanikio ya ukuaji wa haraka wa kioo wa SiC kwa kutumia vitalu vya CVD-SiC vilivyopigwa chini ya hali ya juu ya joto la gradient kupitia njia ya PVT ilipatikana. Inafurahisha, ukuaji wa haraka wa fuwele za SiC ulipatikana kwa kuchukua nafasi ya chanzo cha SiC na njia ya PVT. Njia hii inatarajiwa kuongeza kwa kiasi kikubwa ufanisi mkubwa wa uzalishaji wa fuwele moja ya SiC, hatimaye kupunguza gharama ya kitengo cha substrates za SiC na kukuza matumizi makubwa ya vifaa vya nguvu vya juu vya utendaji.
Muda wa kutuma: Jul-19-2024