سي وي ڊي-سي سي بلڪ ماخذ استعمال ڪندي SiC سنگل ڪرسٽل جي تيزيءَ سان ترقي

سي سي سنگل ڪرسٽل استعمال ڪرڻ جي تيز رفتارCVD-SiC بلڪذريعو Sublimation طريقو ذريعي
ٻيهر استعمال ڪنديCVD-SiC بلاڪجيئن سي سي ماخذ، سي سي ڪرسٽل ڪاميابيءَ سان 1.46 ملي ايم في ڪلاڪ جي رفتار سان پي وي ٽي طريقي سان وڌيا ويا. وڌندڙ ڪرسٽل جي مائڪروپائپ ۽ ڊسڪشن جي کثافت ظاهر ڪن ٿا ته اعلي ترقي جي شرح جي باوجود، ڪرسٽل معيار شاندار آهي.

Silicon ڪاربائيڊ (SiC)هڪ وسيع بينڊ گيپ سيميڪنڊڪٽر آهي جيڪو اعليٰ وولٽيج، اعليٰ طاقت ۽ اعليٰ تعدد ۾ ايپليڪيشنن لاءِ بهترين ملڪيتن سان گڏ آهي. تازو سالن ۾ ان جي طلب تيزيءَ سان وڌي وئي آهي، خاص طور تي پاور سيمڪڊڪٽر فيلڊ ۾. پاور سيميڪنڊڪٽر ايپليڪيشنن لاءِ، SiC سنگل ڪرسٽل 2100-2500°C تي اعليٰ پاڪائي واري SiC ماخذ کي ذيلي ڪري، پوءِ فزيڪل وانپر ٽرانسپورٽ (PVT) طريقي کي استعمال ڪندي ٻج جي ڪرسٽل تي ٻيهر ريسٽال ڪرڻ سان، بعد ۾ ويفرز تي سنگل کرسٽل سبسٽراٽس حاصل ڪرڻ لاءِ پروسيسنگ ذريعي پوکيا ويندا آهن. . روايتي طور تي،سي سي ڪرسٽل0.3 کان 0.8 mm/h جي واڌ جي شرح تي PVT طريقي سان پوکيا ويا آھن ڪرسٽل کي ڪنٽرول ڪرڻ لاءِ، جيڪو نسبتاً سست آھي ٻين سنگل کرسٽل مواد جي مقابلي ۾ جيڪو سيمي ڪنڊڪٽر ايپليڪيشنن ۾ استعمال ٿيندو آھي. جڏهن سي سي ڪرسٽل PVT طريقي سان استعمال ڪندي اعلي ترقي جي شرح تي پوکيا ويا آهن، معيار جي خرابي سميت ڪاربان شامل ڪرڻ، گھٽتائي، پولي کرسٽل جي واڌ، اناج جي حد جي ٺهڻ، ۽ بيزاري ۽ پورسيٽي خرابين کي رد نه ڪيو ويو آهي. تنهن ڪري، سي سي جي تيزيء سان ترقي نه ڪئي وئي آهي، ۽ سي سي جي سست ترقي جي شرح سي سي جي ذيلي ذخيرو جي پيداوار ۾ وڏي رڪاوٽ آهي.

ٻئي طرف، سي سي جي تيز رفتاري تي تازيون رپورٽون استعمال ڪري رهيا آهن تيز-درجه حرارت ڪيميائي وانپ جمع (HTCVD) طريقن جي بدران PVT طريقي سان. HTCVD طريقو هڪ وانپ استعمال ڪري ٿو جنهن ۾ Si ۽ C شامل آهن ري ايڪٽر ۾ SiC ماخذ طور. HTCVD اڃا تائين وڏي پيماني تي سي سي جي پيداوار لاء استعمال نه ڪيو ويو آهي ۽ تجارتي ڪرڻ لاء وڌيڪ تحقيق ۽ ترقي جي ضرورت آهي. دلچسپ ڳالهه اها آهي ته، ∼3 mm/h جي اعلي واڌ جي شرح تي به، SiC سنگل ڪرسٽل کي HTCVD طريقي سان استعمال ڪندي سٺي ڪرسٽل معيار سان پوکي سگهجي ٿو. ان کان علاوه، سي سي سي اجزاء سخت ماحول جي تحت سيمي ڪنڊڪٽر پروسيس ۾ استعمال ڪيا ويا آهن جيڪي انتهائي اعلي صفائي پروسيس ڪنٽرول جي ضرورت هونديون آهن. سيمي ڪنڊڪٽر پروسيسنگ ايپليڪيشنن لاءِ، ∼99.9999٪ (∼6N) پاڪائي سي سي جزا عام طور تي تيار ڪيا ويندا آهن CVD پروسيس ذريعي ميٿيلٽريچلوروسيلين (CH3Cl3Si، MTS). بهرحال، CVD-SiC اجزاء جي اعلي پاڪائي جي باوجود، انهن کي استعمال ڪرڻ کان پوء رد ڪيو ويو آهي. تازي طور تي، رد ٿيل CVD-SiC اجزاء کي ڪرسٽل جي واڌ لاء سي سي ذريعن طور سمجهيو ويو آهي، جيتوڻيڪ ڪجهه بحالي جي عملن سميت ڪرشنگ ۽ صاف ڪرڻ جي ضرورت آهي اڃا تائين ڪرسٽل ترقي جي ذريعن جي اعلي مطالبن کي پورو ڪرڻ لاء. هن مطالعي ۾، اسان استعمال ڪيو رد ٿيل CVD-SiC بلاڪ مواد کي ريچيڪل ڪرڻ لاءِ هڪ ذريعو طور تي سي سي ڪرسٽل کي وڌائڻ لاءِ. سنگل ڪرسٽل جي واڌ لاءِ CVD-SiC بلاڪ تيار ڪيا ويا سائيز-ڪنٽرول ٿيل ڪرش ٿيل بلاڪ جي طور تي، خاص طور تي شڪل ۽ سائيز ۾ مختلف تجارتي SiC پاؤڊر جي مقابلي ۾ عام طور تي PVT پروسيس ۾ استعمال ٿيل آهن، تنهن ڪري SiC سنگل ڪرسٽل جي ترقي جي رويي کي خاص طور تي توقع ڪئي وئي هئي. مختلف. SiC سنگل کرسٽل جي واڌ جي تجربن کي هلائڻ کان اڳ، ڪمپيوٽر جي تخليقن کي اعلي ترقي جي شرح حاصل ڪرڻ لاء انجام ڏنو ويو، ۽ حرارتي زون کي ترتيب ڏنل ھڪڙي ڪرسٽل جي ترقي لاء ترتيب ڏني وئي. ڪرسٽل جي واڌ کان پوءِ، وڌيل ڪرسٽل جو جائزو ورتو ويو ڪراس-سيڪشنل ٽوموگرافي، مائڪرو رامن اسپيڪٽرو اسڪوپي، هاءِ ريزوليوشن ايڪس-ري ڊفرڪشن، ۽ سنڪرٽران وائيٽ بيم ايڪس ري ٽوپوگرافي.
شڪل 1 ڏيکاري ٿو CVD-SiC ذريعو هن مطالعي ۾ سي سي ڪرسٽل جي PVT ترقي لاءِ استعمال ڪيو ويو. جيئن ته تعارف ۾ بيان ڪيو ويو آهي، CVD-SiC اجزاء MTS کان CVD پروسيسنگ ذريعي ٺهيل هئا ۽ ميڪيڪل پروسيسنگ ذريعي سيمي ڪنڊڪٽر استعمال لاء ٺهيل هئا. سي سي وي ڊي جي عمل ۾ سيمي ڪنڊڪٽر پروسيسنگ ايپليڪيشنن لاء چالکائي حاصل ڪرڻ لاء N کي ڊپ ڪيو ويو. سيمي ڪنڊڪٽر جي عملن ۾ استعمال ڪرڻ کان پوءِ، CVD-SiC جزن کي ڪرسٽل جي واڌ لاءِ ماخذ تيار ڪرڻ لاءِ ڪٽيو ويو، جيئن تصوير 1 ۾ ڏيکاريل آهي. CVD-SiC ماخذ پليٽن جي طور تي تيار ڪيو ويو جنهن جي سراسري ٿلهي ∼0.5 ملي ميٽر ۽ هڪ سراسري ٿلهي جي ماپ 49.75 ملي ميٽر

شڪل 1: CVD-SiC ذريعو MTS-based CVD پروسيس پاران تيار ڪيل.

تصوير 1 ۾ ڏيکاريل CVD-SiC ماخذ استعمال ڪندي، سي سي ڪرسٽل PVT طريقي سان انڊڪشن حرارتي فرنس ۾ پوکيا ويا. حرارتي علائقي ۾ درجه حرارت جي ورڇ جو جائزو وٺڻ لاء، تجارتي تخليق ڪوڊ VR-PVT 8.2 (STR، سربيا جي جمهوريه) استعمال ڪيو ويو. حرارتي زون سان ري ايڪٽر کي 2D محوري ماڊل جي طور تي ماڊل ڪيو ويو، جيئن تصوير 2 ۾ ڏيکاريل آهي، ان جي ميش ماڊل سان. سميوليشن ۾ استعمال ٿيندڙ سڀئي مواد شڪل 2 ۾ ڏيکاريل آهن، ۽ انهن جون خاصيتون جدول 1 ۾ ڏنل آهن. تخليق جي نتيجن جي بنياد تي، سي سي ڪرسٽل PVT طريقي سان 2250-2350 ° C جي درجه حرارت جي حد تي Ar ماحول ۾ پوکيا ويا آهن. 35 ٽور 4 ڪلاڪ لاء. هڪ 4 ° آف محور 4H-SiC ويفر استعمال ڪيو ويو SiC ٻج طور. وڌيل ڪرسٽل جو جائزو ورتو ويو مائڪرو-رامن اسپيڪٽروڪوپي (Witec، UHTS 300، جرمني) ۽ اعليٰ ريزوليوشن XRD (HRXRD، X'Pert-PROMED، PANalytical، هالينڊ). وڌايل سي سي ڪرسٽل ۾ ناپاڪي جي مقدار کي متحرڪ ثانوي آئن ماس اسپيڪٽروميٽري (SIMS، ڪيميڪا IMS-6f، فرانس) استعمال ڪندي جائزو ورتو ويو. پوهانگ لائيٽ ماخذ تي synchrotron white beam X-ray topography استعمال ڪندي اڀريل ڪرسٽل جي ڊسپوزيشن density جو جائزو ورتو ويو.

شڪل 2: حرارتي زون ڊاگرام ۽ پي وي ٽي جي ترقي جو ميش ماڊل انڊڪشن حرارتي فرنس ۾.

جيئن ته HTCVD ۽ PVT طريقا ترقي جي محاذ تي گيس-سولڊ مرحلي جي توازن هيٺ ڪرسٽل وڌندا آهن، HTCVD طريقي سان SiC جي ڪامياب تيز رفتار ترقي هن ​​مطالعي ۾ PVT طريقي سان SiC جي تيز رفتار ترقي جي چيلنج کي وڌايو. HTCVD طريقو هڪ گيس جو ذريعو استعمال ڪري ٿو جيڪو آساني سان وهڪري تي ضابطو رکي ٿو، جڏهن ته PVT طريقو هڪ مضبوط ذريعو استعمال ڪري ٿو جيڪو سڌي طرح وهڪري کي ڪنٽرول نٿو ڪري. PVT طريقي ۾ ترقي جي محاذ تي مهيا ڪيل وهڪري جي شرح کي گرمي جي ورڇ واري ڪنٽرول ذريعي مضبوط ذريعن جي سربليميشن جي شرح ذريعي ڪنٽرول ڪري سگهجي ٿو، پر عملي ترقي واري نظام ۾ درجه حرارت جي ورڇ جو صحيح ڪنٽرول حاصل ڪرڻ آسان ناهي.
PVT ري ايڪٽر ۾ ماخذ جي گرمي پد کي وڌائڻ سان، سي سي جي واڌ جي شرح کي وڌائي سگھجي ٿو ماخذ جي ذلت جي شرح کي وڌائي. مستحڪم ڪرسٽل ترقي حاصل ڪرڻ لاء، ترقي جي سامهون درجه حرارت تي ڪنٽرول اهم آهي. پولي ڪرسٽل ٺاهڻ کان سواءِ ترقي جي شرح کي وڌائڻ لاءِ، ترقي جي محاذ تي هڪ اعليٰ درجه حرارت جي درجي کي حاصل ڪرڻ جي ضرورت آهي، جيئن HTCVD طريقي سان سي سي جي ترقي جي ذريعي ڏيکاريل آهي. ڪيپ جي پوئين پاسي عمودي گرمي جي وهڪري جي اڻپوري هجڻ کي گهرجي ته جمع ٿيل گرمي کي اڳتي وڌڻ واري مٿاڇري تي حرارتي تابڪاري ذريعي ترقي جي مٿاڇري تي ڦهلائي، اضافي سطحن جي ٺهڻ جي ڪري، يعني پولي ڪرسٽل جي واڌ.
ٻئي وڏي پئماني تي منتقلي ۽ ٻيهر ريسٽاللائيزيشن پروسيس PVT طريقي سان HTCVD طريقي سان تمام گهڻيون آهن، جيتوڻيڪ اهي سي سي ماخذ ۾ مختلف آهن. هن جو مطلب اهو آهي ته سي سي جي تيزيء سان ترقي پڻ حاصل ڪري سگهجي ٿي جڏهن سي سي سي جي ذخيري جي شرح ڪافي تيز آهي. جڏهن ته، PVT طريقي جي ذريعي اعلي ترقي جي حالتن هيٺ اعلي معيار جي سي سي سنگل ڪرسٽل حاصل ڪرڻ ۾ ڪيترائي چئلينج آهن. ڪمرشل پائوڊرن ۾ عام طور تي ننڍن ۽ وڏن ذرڙن جو مرکب هوندو آهي. مٿاڇري واري توانائي جي فرق جي ڪري، ننڍڙن ذرڙن ۾ ناپاڪيءَ جو ٿلهو نسبتاً وڌيڪ هوندو آهي ۽ وڏن ذرڙن جي اڳيان سرسبز هوندو آهي، جنهن جي ڪري ڪرسٽل جي شروعاتي واڌ جي مرحلن ۾ وڌيڪ ناپاڪي جو مرڪز هوندو آهي. اضافي طور تي، جيئن ته مضبوط SiC وانپ جي نسلن جهڙوڪ C ۽ Si، SiC2 ۽ Si2C ۾ تيز گرمي پد تي ٺهڪي اچي ٿي، سولڊ سي ناگزير طور تي ٺاهيندو آهي جڏهن سي سي جو ذريعو PVT طريقي سان ٺهڪي اچي ٿو. جيڪڏھن ٺھيل ٺھيل سي ننڍڙو ۽ ڪافي ھلڪو آھي، تيزي سان ترقي جي حالتن ۾، ننڍڙا C ذرات، جن کي ”سي ڊسٽ“ جي نالي سان سڃاتو وڃي ٿو، مضبوط ماس ٽرانسفر ذريعي ڪرسٽل جي مٿاڇري تي منتقل ٿي سگھن ٿا، جنھن جي نتيجي ۾ وڌندڙ ڪرسٽل ۾ شامل ٿي سگھن ٿا. تنهن ڪري، ڌاتو جي نجاست ۽ سي مٽي کي گهٽائڻ لاءِ، سي سي ماخذ جي ذري جي سائيز کي عام طور تي 200 μm کان گهٽ قطر تائين ڪنٽرول ڪرڻ گهرجي، ۽ واڌ جي شرح ∼0.4 ملي ايم / ايڇ کان وڌيڪ نه هجڻ گهرجي سست ماس ​​منتقلي کي برقرار رکڻ لاءِ ۽ سچل کي خارج ڪرڻ لاءِ. سي مٽي. ڌاتو جي نجاست ۽ سي مٽي وڌيل SiC ڪرسٽل جي زوال جو سبب بڻجن ٿا، جيڪي PVT طريقي سان سي سي جي تيزيءَ سان وڌڻ ۾ بنيادي رڪاوٽون آھن.
هن مطالعي ۾، ننڍن ذرات کان سواء CVD-SiC ذريعا استعمال ڪيا ويا، مضبوط ڪاميٽي جي منتقلي هيٺ سچل سي مٽي کي ختم ڪرڻ. اهڙيءَ طرح، تھرمل زون جي جوڙجڪ کي ملٽي فزڪس سموليشن تي ٻڌل PVT طريقو استعمال ڪندي ٺاھيو ويو آھي تيز رفتار سي سي ترقي حاصل ڪرڻ لاءِ، ۽ سمايل درجه حرارت جي ورڇ ۽ درجه حرارت جي درجي کي شڪل 3a ۾ ڏيکاريو ويو آھي.

شڪل 3: (a) گرمي پد جي ورڇ ۽ گرمي پد جي درجي بندي PVT ري ايڪٽر جي اڳڀرائي جي ويجهو، محدود عنصرن جي تجزيي ذريعي حاصل ڪئي وئي، ۽ (b) محوري ليڪ سان گڏ عمودي درجه حرارت جي ورڇ.
0.3 کان 0.8 mm/h جي واڌ جي شرح تي SiC ڪرسٽل کي وڌائڻ لاءِ عام حرارتي زون سيٽنگن جي مقابلي ۾ 1 °C/mm کان گھٽ درجه حرارت جي گريڊيئنٽ هيٺ، هن مطالعي ۾ حرارتي زون جي سيٽنگن ۾ نسبتاً وڏي درجه حرارت جو درجو آهي ∼ 3.8 °C/mm وڌ ۾ وڌ گرمي پد ∼2268°C. هن مطالعي ۾ درجه حرارت جي درجه بندي جي قيمت 2.4 ملي ايم / ايڇ جي رفتار سان SIC جي تيز رفتار سان HTCVD طريقي سان استعمال ڪندي آهي، جتي درجه حرارت جي درجه بندي ∼ 14 ° C/mm تي مقرر ڪئي وئي آهي. شڪل 3b ۾ ڏيکاريل عمودي درجه حرارت جي ورڇ مان، اسان تصديق ڪئي ته ڪو به پٺتي پيل درجه حرارت جو درجو جيڪو پولي ڪرسٽل ٺاهي سگهي ٿو ترقي جي سامهون جي ويجهو موجود نه هو، جيئن ادب ۾ بيان ڪيو ويو آهي.
PVT سسٽم کي استعمال ڪندي، SiC ڪرسٽل CVD-SiC ماخذ کان 4 ڪلاڪن تائين وڌيا ويا، جيئن شڪل 2 ۽ 3 ۾ ڏيکاريل آهي. هڪ نمائندي SiC ڪرسٽل ترقي يافته SiC مان ڏيکاريل آهي شڪل 4a ۾. شڪل 4a ۾ ڏيکاريل SiC ڪرسٽل جي ٿلهي ۽ واڌ جي شرح ترتيبوار 5.84 ملي ايم ۽ 1.46 ملي ايم / ايڇ آهي. تصوير 4a ۾ ڏيکاريل وڌندڙ SiC کرسٽل جي معيار، پوليٽائپ، مورفولوجي، ۽ پاڪائي تي سي سي ماخذ جو اثر تحقيق ڪيو ويو، جيئن تصوير 4b-e ۾ ڏيکاريل آهي. شڪل 4b ۾ ڪراس-سيڪشنل ٽوموگرافي واري تصوير ڏيکاري ٿي ته ڪرسٽل جي واڌ ويجهڙائيءَ جي شڪل واري هئي، ڇاڪاڻ ته ترقيءَ واري حالت جي ڪري. جڏهن ته، شڪل 4c ۾ مائڪرو-رامن اسپيڪٽرو اسڪوپي جي سڃاڻپ ڪئي وئي آهي وڌندڙ ڪرسٽل 4H-SiC جي هڪ واحد مرحلي طور بغير ڪنهن به پولي ٽائپ جي شموليت جي. X-ray راڪنگ وکر تجزيي مان حاصل ڪيل (0004) چوٽي جو FWHM قدر 18.9 آرڪي سيڪنڊ هو، پڻ سٺي ڪرسٽل معيار جي تصديق ڪري ٿي.

شڪل 4: (a) Grown SiC کرسٽل (1.46 mm/h جي واڌ جي شرح) ۽ ان جي تشخيص جا نتيجا (b) ڪراس-سيڪشنل ٽوموگرافي، (c) مائڪرو-رامن اسپيڪٽرو اسڪوپي، (d) ايڪس-ري راڪنگ وکر، ۽ ( e) ايڪس ري ٽوپوگرافي.

شڪل 4e ڏيکاري ٿو اڇي شعاع جي X-ray ٽوپوگرافي کي سڃاڻي ٿو ڇڪڻ ۽ ٿريڊنگ ڊسلوڪشن کي اڀريل ڪرسٽل جي پالش ٿيل ويفر ۾. پوکيل ڪرسٽل جي ڊسلوڪشن ڊينسٽي ∼3000 ea/cm² ماپ ڪئي وئي، جيڪا ٻج جي ڪرسٽل جي ڊسلوڪشن ڊينسٽي کان ٿورو وڌيڪ هئي، جيڪا ∼2000 ea/cm² هئي. وڌيل ڪرسٽل جي تصديق ڪئي وئي هئي ته نسبتاً گهٽ ڊسلوڪشن جي کثافت، تجارتي ويفرز جي ڪرسٽل جي معيار جي مقابلي ۾. دلچسپ ڳالهه اها آهي ته، سي سي ڪرسٽل جي تيزيء سان ترقي حاصل ڪئي وئي PVT طريقي سان استعمال ڪندي CVD-SiC ذريعن سان وڏي درجه حرارت جي درجي هيٺ. وڌيل ڪرسٽل ۾ B، Al، ۽ N جي ڪنسنٽريشن 2.18 × 10¹⁶، 7.61 × 10¹⁵، ۽ 1.98 × 10¹⁹ ايٽم/cm³، ترتيبوار هئي. وڌيل ڪرسٽل ۾ P جو ڪنسنٽريشن معلوم ڪرڻ جي حد کان هيٺ هو (<1.0 × 10¹⁴ ائٽمس/cm³). چارج ڪيريئرز لاءِ ناپاڪيءَ جو تناسب ڪافي گهٽ هو، سواءِ N جي، جنهن کي CVD جي عمل دوران عمدي طور تي ڊاپ ڪيو ويو هو.
جيتوڻيڪ هن مطالعي ۾ ڪرسٽل جي ترقي ننڍي پيماني تي تجارتي شين تي غور ڪندي هئي، پي وي ٽي طريقي جي ذريعي CVD-SiC ذريعو استعمال ڪندي سٺي ڪرسٽل معيار سان تيز سي سي جي ترقي جو ڪامياب مظاهرو اهم اثر آهي. CVD-SiC ذريعن کان وٺي، انهن جي شاندار ملڪيتن جي باوجود، رد ٿيل مواد کي ٻيهر استعمال ڪندي قيمتي مقابلي ۾ آهن، اسان انهن جي وسيع استعمال جي اميد رکون ٿا هڪ واعدو ڪندڙ SiC ذريعو طور SiC پاؤڊر ذريعن کي تبديل ڪرڻ لاء. سي وي ڊي-سي سي ذريعن کي لاڳو ڪرڻ لاءِ سي سي جي تيز رفتار ترقي لاءِ، پي وي ٽي سسٽم ۾ درجه حرارت جي ورڇ کي بهتر ڪرڻ جي ضرورت آهي، مستقبل جي تحقيق لاءِ وڌيڪ سوال پيدا ڪرڻ.

نتيجو
هن مطالعي ۾، تيز رفتار سي وي ڊي-سي سي سي بلاڪ استعمال ڪندي تيز رفتار سي سي سي ڪرسٽل جي ترقي جو ڪامياب مظاهرو PVT طريقي سان حاصل ڪيو ويو. دلچسپ ڳالهه اها آهي ته، سي سي ڪرسٽل جي تيز رفتار ترقي کي پي وي ٽي طريقي سان سي سي ماخذ کي تبديل ڪندي محسوس ڪيو ويو. اهو طريقو وڏي پيماني تي سي سي سنگل ڪرسٽل جي وڏي پيماني تي پيداوار جي ڪارڪردگي کي وڌائڻ جي اميد رکي ٿو، آخرڪار سي سي سبسٽريٽ جي يونٽ جي قيمت کي گهٽائڻ ۽ اعلي ڪارڪردگي پاور ڊوائيسز جي وسيع استعمال کي وڌائڻ.