النمو السريع لبلورات SiC المفردة باستخدام مصدر الجزء الأكبر CVD-SiC بطريقة التسامي

النمو السريع لبلورة SiC المفردة باستخدامالأمراض القلبية الوعائية-سيك السائبةالمصدر عبر طريقة التسامي
باستخدام المعاد تدويرهاكتل CVD-SiCكمصدر SiC، تمت زراعة بلورات SiC بنجاح بمعدل 1.46 مم/ساعة من خلال طريقة PVT. تشير كثافة الأنابيب الدقيقة والخلع في البلورة المزروعة إلى أنه على الرغم من معدل النمو المرتفع، إلا أن جودة البلورة ممتازة.

كربيد السيليكون (SiC)عبارة عن أشباه موصلات واسعة النطاق ذات خصائص ممتازة للتطبيقات في الجهد العالي والطاقة العالية والتردد العالي. وقد نما الطلب عليها بسرعة في السنوات الأخيرة، وخاصة في مجال أشباه موصلات الطاقة. بالنسبة لتطبيقات أشباه موصلات الطاقة، تتم زراعة بلورات مفردة من كربيد السيليكون عن طريق تسامي مصدر كربيد السيليكون عالي النقاء عند درجة حرارة 2100-2500 درجة مئوية، ثم إعادة بلورتها على بلورة بذرة باستخدام طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT)، تليها المعالجة للحصول على ركائز بلورية مفردة على الرقائق. . تقليديا،بلورات كربيد السيليكونتتم زراعتها باستخدام طريقة PVT بمعدل نمو يتراوح بين 0.3 إلى 0.8 مم/ساعة للتحكم في التبلور، وهو بطيء نسبيًا مقارنة بالمواد البلورية المفردة الأخرى المستخدمة في تطبيقات أشباه الموصلات. عندما يتم زراعة بلورات SiC بمعدلات نمو عالية باستخدام طريقة PVT، لم يتم استبعاد تدهور الجودة بما في ذلك شوائب الكربون، وانخفاض النقاء، والنمو متعدد البلورات، وتكوين حدود الحبوب، وعيوب التفكك والمسامية. لذلك، لم يتم تطوير النمو السريع لـ SiC، وكان معدل النمو البطيء لـ SiC عقبة رئيسية أمام إنتاجية ركائز SiC.

من ناحية أخرى، فإن التقارير الأخيرة عن النمو السريع لـ SiC تستخدم طرق ترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HTCVD) بدلاً من طريقة PVT. تستخدم طريقة HTCVD بخارًا يحتوي على Si وC كمصدر SiC في المفاعل. لم يتم بعد استخدام HTCVD لإنتاج SiC على نطاق واسع ويتطلب المزيد من البحث والتطوير للتسويق. ومن المثير للاهتمام، أنه حتى عند معدل نمو مرتفع يبلغ ∼ 3 مم/ساعة، يمكن زراعة بلورات SiC المفردة بجودة بلورية جيدة باستخدام طريقة HTCVD. وفي الوقت نفسه، تم استخدام مكونات SiC في عمليات أشباه الموصلات في ظل بيئات قاسية تتطلب تحكمًا عالي النقاء في العملية. بالنسبة لتطبيقات عملية أشباه الموصلات، عادة ما يتم تحضير مكونات SiC ذات نقاء ∼ 99.9999٪ (∼ 6N) من خلال عملية CVD من ميثيل ثلاثي كلوروسيلان (CH3Cl3Si، MTS). ومع ذلك، على الرغم من النقاء العالي لمكونات CVD-SiC، فقد تم التخلص منها بعد الاستخدام. في الآونة الأخيرة، تم اعتبار مكونات CVD-SiC المهملة بمثابة مصادر SiC لنمو البلورات، على الرغم من أن بعض عمليات الاسترداد بما في ذلك التكسير والتنقية لا تزال مطلوبة لتلبية المتطلبات العالية لمصدر نمو البلورات. في هذه الدراسة، استخدمنا كتل CVD-SiC المهملة لإعادة تدوير المواد كمصدر لنمو بلورات SiC. تم تحضير كتل CVD-SiC للنمو البلوري الفردي ككتل مسحوقة يتم التحكم في حجمها، وتختلف بشكل كبير في الشكل والحجم مقارنة بمسحوق SiC التجاري المستخدم بشكل شائع في عملية PVT، ومن ثم كان من المتوقع أن يكون سلوك نمو بلورة SiC المفردة بشكل ملحوظ. مختلف. قبل إجراء تجارب نمو بلورة مفردة من SiC، تم إجراء عمليات محاكاة حاسوبية لتحقيق معدلات نمو عالية، وتم تكوين المنطقة الحرارية وفقًا لنمو بلورة مفردة. بعد نمو البلورات، تم تقييم البلورات المزروعة عن طريق التصوير المقطعي المقطعي، ومطيافية رامان الدقيقة، وحيود الأشعة السينية عالي الدقة، وتضاريس الأشعة السينية ذات الشعاع الأبيض السنكروتروني.
يوضح الشكل 1 مصدر CVD-SiC المستخدم لنمو PVT لبلورات SiC في هذه الدراسة. كما هو موضح في المقدمة، تم تصنيع مكونات CVD-SiC من MTS بواسطة عملية CVD وتشكيلها لاستخدام أشباه الموصلات من خلال المعالجة الميكانيكية. تم مخدر N في عملية CVD لتحقيق الموصلية لتطبيقات عملية أشباه الموصلات. بعد الاستخدام في عمليات أشباه الموصلات، تم سحق مكونات CVD-SiC لإعداد المصدر لنمو البلورات، كما هو موضح في الشكل 1. تم تحضير مصدر CVD-SiC على شكل ألواح بمتوسط ​​سمك ∼ 0.5 مم ومتوسط ​​حجم جسيم يبلغ 49.75 ملم.

الشكل 1: مصدر CVD-SiC الذي تم إعداده بواسطة عملية CVD المستندة إلى MTS.

باستخدام مصدر CVD-SiC الموضح في الشكل 1، تمت زراعة بلورات SiC بواسطة طريقة PVT في فرن التسخين بالحث. لتقييم توزيع درجة الحرارة في المنطقة الحرارية، تم استخدام كود المحاكاة التجارية VR-PVT 8.2 (STR، جمهورية صربيا). تم تصميم المفاعل ذو المنطقة الحرارية كنموذج ثنائي الأبعاد متماثل المحور، كما هو موضح في الشكل 2، مع نموذج شبكته. جميع المواد المستخدمة في المحاكاة موضحة في الشكل 2، ويتم سرد خصائصها في الجدول 1. بناءً على نتائج المحاكاة، تمت زراعة بلورات SiC باستخدام طريقة PVT في نطاق درجة حرارة 2250-2350 درجة مئوية في جو Ar عند 35 تور لمدة 4 ساعات. تم استخدام رقاقة 4H-SiC خارج المحور بزاوية 4 درجات كبذور SiC. تم تقييم البلورات المزروعة بواسطة التحليل الطيفي للرامان الدقيق (Witec، UHTS 300، ألمانيا) وXRD عالي الدقة (HRXRD، X'Pert-PROMED، PANalytical، هولندا). تم تقييم تركيزات الشوائب في بلورات SiC المزروعة باستخدام قياس الطيف الكتلي الأيوني الثانوي الديناميكي (SIMS، Cameca IMS-6f، France). تم تقييم كثافة خلع البلورات المزروعة باستخدام تضاريس الأشعة السينية ذات الشعاع الأبيض السنكروتروني في مصدر ضوء بوهانج.

الشكل 2: مخطط المنطقة الحرارية ونموذج الشبكة لنمو PVT في فرن التسخين بالحث.

نظرًا لأن طرق HTCVD وPVT تنمو بلورات في ظل توازن الطور الغازي الصلب على جبهة النمو، فإن النمو السريع الناجح لـ SiC بواسطة طريقة HTCVD دفع إلى تحدي النمو السريع لـ SiC بواسطة طريقة PVT في هذه الدراسة. تستخدم طريقة HTCVD مصدر غاز يمكن التحكم في تدفقه بسهولة، بينما تستخدم طريقة PVT مصدرًا صلبًا لا يتحكم في التدفق بشكل مباشر. يمكن التحكم في معدل التدفق المقدم إلى جبهة النمو بطريقة PVT من خلال معدل التسامي للمصدر الصلب من خلال التحكم في توزيع درجة الحرارة، ولكن التحكم الدقيق في توزيع درجة الحرارة في أنظمة النمو العملية ليس من السهل تحقيقه.
من خلال زيادة درجة حرارة المصدر في مفاعل PVT، يمكن زيادة معدل نمو SiC عن طريق زيادة معدل التسامي للمصدر. لتحقيق نمو بلوري مستقر، يعد التحكم في درجة الحرارة في جبهة النمو أمرًا بالغ الأهمية. لزيادة معدل النمو دون تكوين بلورات متعددة، يجب تحقيق تدرج عالي الحرارة على جبهة النمو، كما هو موضح من خلال نمو SiC عبر طريقة HTCVD. يجب أن يؤدي التوصيل الحراري الرأسي غير الكافي إلى الجزء الخلفي من الغطاء إلى تبديد الحرارة المتراكمة في جبهة النمو من خلال الإشعاع الحراري إلى سطح النمو، مما يؤدي إلى تكوين أسطح زائدة، أي نمو متعدد البلورات.
تتشابه عمليتا النقل الجماعي وإعادة البلورة في طريقة PVT إلى حد كبير مع طريقة HTCVD، على الرغم من اختلافهما في مصدر SiC. وهذا يعني أن النمو السريع لـ SiC يمكن تحقيقه أيضًا عندما يكون معدل التسامي لمصدر SiC مرتفعًا بدرجة كافية. ومع ذلك، فإن تحقيق بلورات مفردة عالية الجودة من SiC في ظل ظروف نمو عالية عبر طريقة PVT يواجه العديد من التحديات. تحتوي المساحيق التجارية عادةً على خليط من الجزيئات الصغيرة والكبيرة. بسبب اختلافات الطاقة السطحية، تحتوي الجزيئات الصغيرة على تركيزات شوائب عالية نسبيًا وتتسامى قبل الجسيمات الكبيرة، مما يؤدي إلى تركيزات عالية من الشوائب في مراحل النمو المبكرة للبلورة. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن SiC الصلب يتحلل إلى أنواع بخار مثل C وSi وSiC2 وSi2C عند درجات حرارة عالية، فإن C الصلب يتشكل حتمًا عندما يتسامي مصدر SiC في طريقة PVT. إذا كانت المادة الصلبة المتكونة C صغيرة وخفيفة بدرجة كافية، في ظل ظروف النمو السريع، يمكن نقل جزيئات C الصغيرة، المعروفة باسم "غبار C"، إلى السطح البلوري عن طريق نقل الكتلة القوي، مما يؤدي إلى وجود شوائب في البلورة المزروعة. لذلك، لتقليل الشوائب المعدنية وغبار C، يجب التحكم بشكل عام في حجم جسيمات مصدر SiC بقطر أقل من 200 ميكرومتر، ويجب ألا يتجاوز معدل النمو ∼ 0.4 مم / ساعة للحفاظ على النقل البطيء للكتلة واستبعاد العائمة ج الغبار . تؤدي الشوائب المعدنية وغبار C إلى تدهور بلورات SiC المزروعة، والتي تعد العقبات الرئيسية أمام النمو السريع لـ SiC عبر طريقة PVT.
في هذه الدراسة، تم استخدام مصادر CVD-SiC المسحوقة بدون جزيئات صغيرة، مما يزيل غبار C العائم في ظل نقل جماعي قوي. وبالتالي، تم تصميم هيكل المنطقة الحرارية باستخدام طريقة PVT القائمة على محاكاة الفيزياء المتعددة لتحقيق نمو سريع في SiC، ويظهر الشكل 3 أ توزيع درجة الحرارة المحاكية وتدرج درجة الحرارة.

الشكل 3: (أ) توزيع درجة الحرارة وتدرج درجة الحرارة بالقرب من جبهة النمو لمفاعل PVT التي تم الحصول عليها عن طريق تحليل العناصر المحدودة، و (ب) توزيع درجة الحرارة الرأسية على طول الخط المتماثل المحوري.
مقارنةً بإعدادات المنطقة الحرارية النموذجية لنمو بلورات SiC بمعدل نمو يتراوح من 0.3 إلى 0.8 مم / ساعة تحت تدرج صغير في درجة الحرارة أقل من 1 درجة مئوية / مم، فإن إعدادات المنطقة الحرارية في هذه الدراسة لها تدرج كبير نسبيًا في درجة الحرارة يبلغ ∼ 3.8 درجة مئوية / مم عند درجة حرارة نمو ∼ 2268 درجة مئوية. قيمة التدرج في درجة الحرارة في هذه الدراسة قابلة للمقارنة بالنمو السريع لـ SiC بمعدل 2.4 مم / ساعة باستخدام طريقة HTCVD، حيث يتم ضبط التدرج في درجة الحرارة على ∼ 14 درجة مئوية / مم. من توزيع درجة الحرارة العمودي الموضح في الشكل 3ب، أكدنا أنه لا يوجد تدرج عكسي في درجة الحرارة يمكن أن يشكل بلورات متعددة بالقرب من جبهة النمو، كما هو موضح في الأدبيات.
باستخدام نظام PVT، تمت زراعة بلورات SiC من مصدر CVD-SiC لمدة 4 ساعات، كما هو موضح في الشكلين 2 و3. ويبين الشكل 4أ نمو بلورات SiC التمثيلية من SiC المزروع. يبلغ سمك ومعدل نمو بلورة SiC الموضحة في الشكل 4أ 5.84 مم و1.46 مم/ساعة، على التوالي. تم دراسة تأثير مصدر SiC على الجودة، والأنواع المتعددة، والتشكل، ونقاء بلورة SiC المزروعة الموضحة في الشكل 4أ، كما هو موضح في الأشكال 4b-e. تُظهر صورة التصوير المقطعي المقطعي في الشكل 4ب أن النمو البلوري كان على شكل محدب بسبب ظروف النمو دون المستوى الأمثل. ومع ذلك، حدد التحليل الطيفي للرامان الصغير في الشكل 4ج البلورة المزروعة كمرحلة واحدة من 4H-SiC دون أي شوائب متعددة الأنواع. كانت قيمة FWHM للذروة (0004) التي تم الحصول عليها من تحليل منحنى تأرجح الأشعة السينية 18.9 ثانية قوسية، مما يؤكد أيضًا جودة الكريستال الجيدة.

الشكل 4: (أ) بلورة SiC المزروعة (معدل نمو 1.46 مم/ساعة) ونتائج تقييمها باستخدام (ب) التصوير المقطعي المقطعي، (ج) التحليل الطيفي للرامان الصغير، (د) منحنى تأرجح الأشعة السينية، و ( ه) تضاريس الأشعة السينية.

يوضح الشكل 4 هـ تضاريس الأشعة السينية ذات الشعاع الأبيض التي تحدد الخدوش وخلع الخيوط في الرقاقة المصقولة للبلورة المزروعة. تم قياس كثافة خلع البلورة المزروعة لتكون ∼ 3000 ea/cm²، وهي أعلى قليلاً من كثافة خلع بلورة البذور، والتي كانت ∼ 2000 ea/cm². تم التأكد من أن كثافة الخلع منخفضة نسبيًا في البلورة المزروعة، مقارنة بالجودة البلورية للرقائق التجارية. ومن المثير للاهتمام، أنه تم تحقيق نمو سريع لبلورات SiC باستخدام طريقة PVT مع مصدر CVD-SiC المسحوق تحت تدرج كبير في درجة الحرارة. كانت تركيزات B وAl وN في البلورة المزروعة 2.18 × 10¹⁶ و7.61 × 10¹⁵ و1.98 × 10¹⁹ ذرة/سم³ على التوالي. كان تركيز P في البلورة المزروعة أقل من حد الكشف (<1.0 × 10¹⁴ ذرات/سم³). كانت تركيزات الشوائب منخفضة بما فيه الكفاية لحاملات الشحنة، باستثناء N، الذي تم تخديره عمدًا أثناء عملية الأمراض القلبية الوعائية.
على الرغم من أن النمو البلوري في هذه الدراسة كان على نطاق صغير بالنظر إلى المنتجات التجارية، إلا أن العرض الناجح للنمو السريع لـ SiC بجودة بلورية جيدة باستخدام مصدر CVD-SiC من خلال طريقة PVT له آثار كبيرة. نظرًا لأن مصادر CVD-SiC، على الرغم من خصائصها الممتازة، تعد تنافسية من حيث التكلفة من خلال إعادة تدوير المواد المهملة، فإننا نتوقع استخدامها على نطاق واسع كمصدر واعد لـ SiC ليحل محل مصادر مسحوق SiC. لتطبيق مصادر CVD-SiC للنمو السريع لـ SiC، مطلوب تحسين توزيع درجة الحرارة في نظام PVT، مما يطرح المزيد من الأسئلة للبحث المستقبلي.

خاتمة
في هذه الدراسة، تم تحقيق العرض الناجح للنمو السريع لبلورات SiC باستخدام كتل CVD-SiC المسحوقة تحت ظروف التدرج ذات درجة الحرارة العالية من خلال طريقة PVT. ومن المثير للاهتمام، أن النمو السريع لبلورات SiC قد تحقق عن طريق استبدال مصدر SiC بطريقة PVT. من المتوقع أن تؤدي هذه الطريقة إلى زيادة كبيرة في كفاءة الإنتاج على نطاق واسع لبلورات SiC المفردة، مما يؤدي في النهاية إلى تقليل تكلفة وحدة ركائز SiC وتعزيز الاستخدام الواسع النطاق لأجهزة الطاقة عالية الأداء.