Fàs luath air SiC Crystal Singilte a’ cleachdadhBulc CVD-SiCStòr tro dhòigh sublimation
Le bhith a 'cleachdadh ath-chuairteachadhBlocaichean CVD-SiCmar stòr SiC, chaidh criostalan SiC fhàs gu soirbheachail aig ìre 1.46 mm / h tron dòigh PVT. Tha meanbh-phìob a’ chriostail fhàs agus dùmhlachd gluasaid a’ nochdadh, a dh’aindeoin an ìre fàis àrd, gu bheil càileachd a’ chriostail sàr-mhath.
Silicon carbide (SiC)na semiconductor bann-leathann le feartan sàr-mhath airson tagraidhean ann an bholtadh àrd, cumhachd àrd, agus tricead àrd. Tha an t-iarrtas aige air fàs gu luath anns na bliadhnachan mu dheireadh, gu sònraichte ann an raon cumhachd semiconductor. Airson tagraidhean semiconductor cumhachd, bithear a’ fàs criostalan singilte SiC le bhith a’ sublimating stòr SiC fìor-ghlan aig 2100–2500 ° C, an uairsin ag ath-chriostalachadh air criostal sìl a’ cleachdadh an dòigh còmhdhail bhalbhaichean corporra (PVT), agus an uairsin a’ giullachd gus fo-stratan criostail singilte fhaighinn air wafers. . Gu traidiseanta,Criostalan SiCair am fàs a’ cleachdadh an dòigh PVT aig ìre fàis de 0.3 gu 0.8 mm / h gus smachd a chumail air criostalan, a tha gu math slaodach an taca ri stuthan criostail singilte eile a thathas a’ cleachdadh ann an tagraidhean leth-chonnsair. Nuair a thèid criostalan SiC fhàs aig ìrean fàis àrd a’ cleachdadh an dòigh PVT, cha deach diùltadh càileachd a’ toirt a-steach in-ghabhail gualain, purrachd nas lugha, fàs polycrystalline, cruthachadh crìochan gràin, agus easbhaidhean gluasaid agus porosity. Mar sin, cha deach fàs luath SiC a leasachadh, agus tha ìre fàis slaodach SiC air a bhith na chnap-starra mòr do chinneasachd substrates SiC.
Air an làimh eile, tha aithisgean o chionn ghoirid air fàs luath ann an SiC air a bhith a’ cleachdadh modhan tasgaidh ceò ceimigeach àrd-teòthachd (HTCVD) seach modh PVT. Bidh an dòigh HTCVD a’ cleachdadh bhalbhaichean anns a bheil Si agus C mar stòr SiC san reactair. Cha deach HTCVD a chleachdadh fhathast airson cinneasachadh mòr de SiC agus tha feum air tuilleadh rannsachaidh is leasachaidh airson malairteachadh. Gu inntinneach, eadhon aig ìre fàis àrd de ∼3 mm / h, faodar criostalan singilte SiC fhàs le càileachd criostail math a’ cleachdadh modh HTCVD. Aig an aon àm, chaidh co-phàirtean SiC a chleachdadh ann am pròiseasan semiconductor fo àrainneachdan cruaidh a dh ’fheumas smachd pròiseas fìor-ghlan. Airson tagraidhean pròiseas semiconductor, mar as trice bidh co-phàirtean SiC purrachd ∼99.9999% (∼6N) air an ullachadh leis a’ phròiseas CVD bho methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Ach, a dh’ aindeoin fìor-ghlanachd cho-phàirtean CVD-SiC, chaidh an toirt air falbh às deidh an cleachdadh. O chionn ghoirid, thathas air beachdachadh air co-phàirtean CVD-SiC a chaidh a dhubhadh às mar stòran SiC airson fàs criostail, ged a tha feum air cuid de phròiseasan ath-bheothachaidh a ’toirt a-steach pronnadh agus glanadh gus coinneachadh ri iarrtasan àrd stòr fàis criostail. Anns an sgrùdadh seo, chleachd sinn blocaichean CVD-SiC a chaidh a thilgeil air falbh gus stuthan ath-chuairteachadh mar stòr airson criostalan SiC fhàs. Chaidh na blocaichean CVD-SiC airson fàs criostail singilte ullachadh mar bhlocaichean pronnadh fo smachd meud, gu math eadar-dhealaichte ann an cumadh agus meud an taca ris a’ phùdar SiC malairteach a thathas a’ cleachdadh gu cumanta sa phròiseas PVT, agus mar sin bhathas an dùil gum biodh giùlan fàs criostail singilte SiC gu mòr. eadar-dhealaichte. Mus deach deuchainnean fàs criostail singilte SiC a dhèanamh, chaidh samhlaidhean coimpiutair a dhèanamh gus ìrean fàis àrd a choileanadh, agus chaidh an sòn teirmeach a rèiteachadh a rèir sin airson fàs criostail singilte. Às deidh fàs criostail, chaidh na criostalan fhàs a mheasadh le tomagrafaidheachd tar-roinneil, speactroscopaidh meanbh-Raman, eadar-dhealachadh X-ray àrd-rùn, agus cumadh-tìre X-ray beam geal synchrotron.
Tha Figear 1 a’ sealltainn an stòr CVD-SiC a chaidh a chleachdadh airson fàs PVT de chriostalan SiC san sgrùdadh seo. Mar a chaidh a mhìneachadh san ro-ràdh, chaidh co-phàirtean CVD-SiC a cho-chur bho MTS leis a’ phròiseas CVD agus an cumadh airson cleachdadh semiconductor tro ghiollachd meacanaigeach. Chaidh N a dhopadh anns a’ phròiseas CVD gus seoltachd a choileanadh airson tagraidhean pròiseas leth-chonnsair. Às deidh a chleachdadh ann am pròiseasan leth-chonnsair, chaidh na co-phàirtean CVD-SiC a phronnadh gus an stòr ullachadh airson fàs criostail, mar a chithear ann am Figear 1. Chaidh an stòr CVD-SiC ullachadh mar phlàtaichean le tiugh cuibheasach de ∼0.5 mm agus meud mìrean cuibheasach de 49.75 mm.
Figear 1: Stòr CVD-SiC air ullachadh leis a’ phròiseas CVD stèidhichte air MTS.
A 'cleachdadh an stòr CVD-SiC a chithear ann am Figear 1, chaidh criostalan SiC fhàs leis an dòigh PVT ann am fùirneis teasachaidh inntrigidh. Gus measadh a dhèanamh air cuairteachadh teòthachd anns an raon teirmeach, chaidh còd atharrais malairteach VR-PVT 8.2 (STR, Poblachd Serbia) a chleachdadh. Chaidh an reactair leis a’ chrios teirmeach a mhodail mar mhodail axisymmetric 2D, mar a chithear ann am Figear 2, leis a’ mhodail mogaill aige. Tha a h-uile stuth a chaidh a chleachdadh san atharrais air a shealltainn ann am Figear 2, agus tha na feartan aca air an liostadh ann an Clàr 1. Stèidhichte air toraidhean an atharrais, chaidh criostalan SiC fhàs a’ cleachdadh modh PVT aig raon teòthachd 2250–2350 ° C ann an àile Ar aig 35 Torr airson 4 uairean. Chaidh wafer 4 ° far-axis 4H-SiC a chleachdadh mar shìol SiC. Chaidh na criostalan fhàs a mheasadh le speactroscopaidh micro-Raman (Witec, UHTS 300, a’ Ghearmailt) agus àrd-rùn XRD (HRXRD, X’Pert-PROMED, PANalytical, An Òlaind). Chaidh na co-chruinneachaidhean neo-dhìomhaireachd anns na criostalan SiC a chaidh fhàs a mheasadh a’ cleachdadh mòr-speactrometry ian àrd-sgoile (SIMS, Cameca IMS-6f, An Fhraing). Chaidh dùmhlachd gluasad nan criostalan fhàs a mheasadh a’ cleachdadh cumadh-tìre X-ray beam geal synchrotron aig Stòr Solais Pohang.
Figear 2: Diagram sòn teirmeach agus modail mogal de fhàs PVT ann am fùirneis teasachaidh inntrigidh.
Leis gu bheil modhan HTCVD agus PVT a’ fàs criostalan fo chothromachadh ìre gas-solid aig an aghaidh fàis, bhrosnaich fàs luath soirbheachail SiC le modh HTCVD dùbhlan fàs luath SiC leis an dòigh PVT san sgrùdadh seo. Bidh an dòigh HTCVD a’ cleachdadh stòr gas a tha furasta a smachdachadh air sruthadh, fhad ‘s a tha an dòigh PVT a’ cleachdadh stòr cruaidh nach bi a’ cumail smachd dìreach air sruthadh. Faodar smachd a chumail air an ìre sruth a tha air a thoirt don aghaidh fàis ann am modh PVT le ìre sublimation an stòr chruaidh tro smachd cuairteachadh teothachd, ach chan eil smachd mionaideach air cuairteachadh teòthachd ann an siostaman fàis practaigeach furasta a choileanadh.
Le bhith ag àrdachadh teòthachd an stòr anns an reactair PVT, faodar ìre fàis SiC àrdachadh le bhith ag àrdachadh ìre sublimation an stòr. Gus fàs criostail seasmhach a choileanadh, tha smachd teothachd aig an aghaidh fàis deatamach. Gus an ìre fàis àrdachadh gun a bhith a’ cruthachadh polycrystals, feumar caisead àrd-teòthachd a choileanadh aig an aghaidh fàis, mar a chithear le fàs SiC tro mhodh HTCVD. Bu chòir do ghiùlan teas dìreach gu cùl a’ chaip an teas cruinnichte aig an aghaidh fàis a sgaoileadh tro rèididheachd teirmeach chun uachdar fàis, a’ leantainn gu cruthachadh cus uachdar, ie, fàs polycrystalline.
Tha an dà phròiseas mòr-ghluasaid agus ath-chriostalachadh anns an dòigh PVT glè choltach ris an dòigh HTCVD, ged a tha iad eadar-dhealaichte anns an stòr SiC. Tha seo a’ ciallachadh gu bheil e comasach fàs gu luath ann an SiC cuideachd nuair a tha ìre sublimation an tobair SiC àrd gu leòr. Ach, tha grunn dhùbhlain ann a bhith a’ coileanadh criostalan singilte SiC de chàileachd àrd fo chumhachan fàis àrd tro dhòigh PVT. Mar as trice tha measgachadh de ghràinean beaga is mòra ann am pùdar malairteach. Mar thoradh air eadar-dhealachaidhean lùth uachdar, tha dùmhlachd àrd de neo-chunbhalachd aig mìrean beaga agus bidh iad sublimate ro ghràinean mòra, a’ leantainn gu dùmhlachd àrd de neo-chunbhalachd anns na tràth ìrean fàis den chriostail. A bharrachd air an sin, mar a bhios SiC cruaidh a ’lobhadh a-steach do ghnèithean bhalbhaichean mar C agus Si, SiC2 agus Si2C aig teòthachd àrd, tha e do-sheachanta gum bi C cruaidh a’ cruthachadh nuair a bhios an stòr SiC a ’dol thairis air modh PVT. Ma tha an cruth cruaidh C beag agus aotrom gu leòr, fo chumhachan fàis luath, faodar mìrean beaga C, ris an canar “Duslach C,” a ghiùlan chun uachdar criostal le mòr-ghluasad làidir, a’ leantainn gu in-ghabhail anns a ’chriostail fhàs. Mar sin, gus neo-chunbhalachd meatailt agus duslach C a lughdachadh, bu chòir smachd a chumail air meud gràin stòr SiC gu trast-thomhas nas lugha na 200 μm, agus cha bu chòir an ìre fàis a bhith nas àirde na ∼0.4 mm / h gus gluasad mòr slaodach a chumail suas agus casg a chuir air fleòdradh. C duslach. Tha neo-chunbhalachd meatailt agus duslach C a’ leantainn gu crìonadh criostalan SiC fàs, a tha nam prìomh chnapan-starra air fàs luath SiC tro mhodh PVT.
Anns an sgrùdadh seo, chaidh stòran CVD-SiC brùite às aonais mìrean beaga a chleachdadh, a ’cur às do dhuslach C air bhog fo ghluasad mòr làidir. Mar sin, chaidh an structar sòn teirmeach a dhealbhadh le bhith a’ cleachdadh modh PVT stèidhichte air atharrais ioma-fiosaigeach gus fàs SiC luath a choileanadh, agus tha an cuairteachadh teothachd samhlachail agus caisead teothachd air an sealltainn ann am Figear 3a.
Figear 3: (a) Sgaoileadh teòthachd agus caisead teòthachd faisg air aghaidh fàis an reactair PVT a gheibhear le mion-sgrùdadh eileamaid chrìochnaichte, agus (b) cuairteachadh teòthachd dìreach air an loidhne axisymmetric.
An coimeas ri suidheachaidhean sòn teirmeach àbhaisteach airson criostalan SiC a tha a’ fàs aig ìre fàis de 0.3 gu 0.8 mm / h fo chaisead teòthachd beag nas lugha na 1 ° C / mm, tha caisead teòthachd coimeasach mòr de ∼ aig na roghainnean sòn teirmeach san sgrùdadh seo. 3.8 ° C / mm aig teòthachd fàis ∼2268 ° C. Tha luach caisead teodhachd san sgrùdadh seo an coimeas ri fàs luath SiC aig ìre 2.4 mm/h a’ cleachdadh modh HTCVD, far a bheil an caisead teodhachd air a shuidheachadh gu ∼14 ° C/mm. Bhon cuairteachadh teòthachd dìreach a chithear ann am Figear 3b, dhearbh sinn nach robh caisead teothachd cùil a dh’ fhaodadh polycrystals a chruthachadh faisg air aghaidh an fhàs, mar a chaidh a mhìneachadh san litreachas.
A 'cleachdadh an t-siostam PVT, chaidh criostalan SiC fhàs bhon stòr CVD-SiC airson 4 uairean, mar a chithear ann am Figearan 2 agus 3. Tha fàs criostail SiC riochdachail bhon SiC fhàsach air a shealltainn ann am Figear 4a. Is e an tighead agus an ìre fàis den chriostail SiC a chithear ann am Figear 4a 5.84 mm agus 1.46 mm / h, fa leth. Chaidh sgrùdadh a dhèanamh air buaidh stòr SiC air càileachd, polytype, morf-eòlas, agus purrachd a’ chriostail fhàsach SiC a chithear ann am Figear 4a, mar a chithear ann am Figearan 4b-e. Tha an ìomhaigh tomagrafaidheachd tar-roinneil ann am Figear 4b a’ sealltainn gun robh am fàs criostal ann an cumadh convex air sgàth nan suidheachaidhean fàis suboptimal. Ach, chomharraich an speactroscopaidh meanbh-Raman ann am Figear 4c an criostal fàs mar aon ìre de 4H-SiC às aonais in-ghabhail polytype sam bith. B ’e luach FWHM na stùc (0004) a fhuaireadh bhon sgrùdadh lùb rocaid X-ray 18.9 arcseconds, cuideachd a’ dearbhadh càileachd criostail math.
Figear 4: (a) Criostal SiC air fhàs (ìre fàis 1.46 mm / h) agus na toraidhean measaidh aige le (b) tomagrafaidheachd tar-roinneil, (c) speactroscopaidh meanbh-Raman, (d) lùb rocaid X-ray, agus ( e) cumadh X-ray.
Tha Figear 4e a’ sealltainn cumadh-tìre X-ray beam geal a’ comharrachadh sgrìoban agus gluasadan snàthainn ann an wafer snasta a’ chriostail fhàs. Chaidh dùmhlachd gluasad na criostal fhàs a thomhas gu bhith ∼3000 ea / cm², beagan nas àirde na dùmhlachd gluasad na criostal sìl, a bha ∼2000 ea / cm². Chaidh a dhearbhadh gu robh dùmhlachd gluasaid coimeasach ìosal aig a’ chriostail fhàs, an coimeas ri càileachd criostal wafers malairteach. Gu h-inntinneach, chaidh fàs luath de chriostalan SiC a choileanadh le bhith a’ cleachdadh an dòigh PVT le stòr CVD-SiC air a phronnadh fo chaismeachd teothachd mòr. B’ e na dùmhlachdan de B, Al, agus N anns a’ chriostail fhàs 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, agus 1.98 × 10¹⁹ dadaman / cm³, fa leth. Bha an dùmhlachd P anns a’ chriostail fhàs nas ìsle na a’ chrìoch lorgaidh (<1.0 × 10¹⁴ atoms/cm³). Bha na dùmhlachdan neo-chunbhalachd ìosal gu leòr airson luchd-giùlan chìsean, ach a-mhàin N, a chaidh a dhùsgadh a dh’aona ghnothach tron phròiseas CVD.
Ged a bha am fàs criostail san sgrùdadh seo air sgèile bheag a’ beachdachadh air toraidhean malairteach, tha buaidh mhòr aig taisbeanadh soirbheachail air fàs luath SiC le deagh chàileachd criostail a’ cleachdadh stòr CVD-SiC tron dòigh PVT. Leis gu bheil stòran CVD-SiC, a dh’ aindeoin na feartan sàr-mhath aca, farpaiseach a thaobh cosgais le bhith ag ath-chuairteachadh stuthan a chaidh a thilgeil air falbh, tha sinn an dùil gum bi iad air an cleachdadh gu farsaing mar stòr SiC gealltanach an àite stòran pùdar SiC. Gus tobraichean CVD-SiC a chuir an sàs airson fàs luath SiC, tha feum air an cuairteachadh teothachd as fheàrr san t-siostam PVT, a’ togail tuilleadh cheistean airson rannsachadh san àm ri teachd.
Co-dhùnadh
Anns an sgrùdadh seo, chaidh an taisbeanadh soirbheachail de fhàs criostail SiC luath a’ cleachdadh blocaichean CVD-SiC brùite fo chumhachan caisead àrd-teòthachd tro dhòigh PVT. Gu inntinneach, chaidh fàs luath criostalan SiC a thoirt gu buil le bhith a’ cur an àite an stòr SiC leis an dòigh PVT. Thathas an dùil gun àrdaich an dòigh seo èifeachdas cinneasachaidh mòr criostalan singilte SiC gu mòr, aig a’ cheann thall a’ lughdachadh cosgais aonad substrates SiC agus a’ brosnachadh cleachdadh farsaing de innealan cumhachd àrd-choileanaidh.
Ùine puist: Iuchar-19-2024