Sự tăng trưởng nhanh chóng của tinh thể đơn SiC khi sử dụngCVD-SiC số lượng lớnNguồn thông qua phương pháp thăng hoa
Bằng cách sử dụng tái chếKhối CVD-SiCLà nguồn SiC, tinh thể SiC đã được phát triển thành công với tốc độ 1,46 mm/h thông qua phương pháp PVT. Mật độ vi ống và sự lệch vị trí của tinh thể phát triển cho thấy rằng mặc dù tốc độ tăng trưởng cao nhưng chất lượng tinh thể vẫn rất tuyệt vời.
Cacbua silic (SiC)là chất bán dẫn dải rộng với các đặc tính tuyệt vời cho các ứng dụng ở điện áp cao, công suất cao và tần số cao. Nhu cầu của nó đã tăng nhanh trong những năm gần đây, đặc biệt là trong lĩnh vực bán dẫn điện. Đối với các ứng dụng bán dẫn điện, các tinh thể đơn SiC được phát triển bằng cách thăng hoa nguồn SiC có độ tinh khiết cao ở 2100–2500°C, sau đó kết tinh lại trên tinh thể mầm bằng phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT), sau đó xử lý để thu được chất nền đơn tinh thể trên tấm bán dẫn . Theo truyền thống,Tinh thể SiCđược trồng bằng phương pháp PVT với tốc độ tăng trưởng từ 0,3 đến 0,8 mm/h để kiểm soát độ kết tinh, tốc độ này tương đối chậm so với các vật liệu đơn tinh thể khác được sử dụng trong các ứng dụng bán dẫn. Khi các tinh thể SiC được phát triển ở tốc độ tăng trưởng cao bằng phương pháp PVT, sự suy giảm chất lượng bao gồm cả cacbon, độ tinh khiết giảm, sự phát triển đa tinh thể, sự hình thành ranh giới hạt và các khuyết tật về độ lệch và độ xốp vẫn chưa được loại trừ. Do đó, sự tăng trưởng nhanh chóng của SiC chưa được phát triển và tốc độ tăng trưởng chậm của SiC là trở ngại lớn cho năng suất của chất nền SiC.
Mặt khác, các báo cáo gần đây về sự tăng trưởng nhanh chóng của SiC đã sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (HTCVD) thay vì phương pháp PVT. Phương pháp HTCVD sử dụng hơi chứa Si và C làm nguồn SiC trong lò phản ứng. HTCVD vẫn chưa được sử dụng để sản xuất SiC quy mô lớn và cần nghiên cứu và phát triển thêm để thương mại hóa. Điều thú vị là, ngay cả ở tốc độ tăng trưởng cao ~ 3 mm/h, các tinh thể đơn SiC có thể được phát triển với chất lượng tinh thể tốt bằng phương pháp HTCVD. Trong khi đó, các thành phần SiC đã được sử dụng trong các quy trình bán dẫn trong môi trường khắc nghiệt đòi hỏi khả năng kiểm soát quy trình có độ tinh khiết cực cao. Đối với các ứng dụng quy trình bán dẫn, các thành phần SiC có độ tinh khiết ∼99,9999% (∼6N) thường được điều chế bằng quy trình CVD từ methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Tuy nhiên, mặc dù các thành phần CVD-SiC có độ tinh khiết cao nhưng chúng vẫn bị loại bỏ sau khi sử dụng. Gần đây, các thành phần CVD-SiC bị loại bỏ đã được coi là nguồn SiC cho sự phát triển tinh thể, mặc dù một số quy trình thu hồi bao gồm nghiền và tinh chế vẫn cần thiết để đáp ứng nhu cầu cao về nguồn phát triển tinh thể. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các khối CVD-SiC bị loại bỏ để tái chế vật liệu làm nguồn phát triển tinh thể SiC. Các khối CVD-SiC để tăng trưởng đơn tinh thể được chuẩn bị dưới dạng khối nghiền được kiểm soát kích thước, có hình dạng và kích thước khác biệt đáng kể so với bột SiC thương mại thường được sử dụng trong quy trình PVT, do đó hoạt động tăng trưởng đơn tinh thể SiC dự kiến sẽ khác biệt đáng kể khác biệt. Trước khi tiến hành các thí nghiệm tăng trưởng đơn tinh thể SiC, các mô phỏng trên máy tính đã được thực hiện để đạt được tốc độ tăng trưởng cao và vùng nhiệt được cấu hình phù hợp cho sự tăng trưởng đơn tinh thể. Sau khi tinh thể phát triển, các tinh thể phát triển được đánh giá bằng phương pháp chụp cắt lớp cắt ngang, quang phổ Raman vi mô, nhiễu xạ tia X có độ phân giải cao và địa hình tia X chùm tia trắng synchrotron.
Hình 1 cho thấy nguồn CVD-SiC được sử dụng để tăng trưởng PVT của tinh thể SiC trong nghiên cứu này. Như được mô tả trong phần giới thiệu, các thành phần CVD-SiC được tổng hợp từ MTS bằng quy trình CVD và được định hình để sử dụng chất bán dẫn thông qua xử lý cơ học. N được pha tạp trong quy trình CVD để đạt được độ dẫn điện cho các ứng dụng quy trình bán dẫn. Sau khi sử dụng trong các quy trình bán dẫn, các thành phần CVD-SiC được nghiền nát để chuẩn bị nguồn cho sự phát triển tinh thể, như trong Hình 1. Nguồn CVD-SiC được chuẩn bị dưới dạng các tấm có độ dày trung bình ∼0,5 mm và kích thước hạt trung bình là 49,75 mm.
Hình 1: Nguồn CVD-SiC được chuẩn bị bởi quy trình CVD dựa trên MTS.
Sử dụng nguồn CVD-SiC như trong Hình 1, tinh thể SiC được phát triển bằng phương pháp PVT trong lò gia nhiệt cảm ứng. Để đánh giá sự phân bố nhiệt độ trong vùng nhiệt, mã mô phỏng thương mại VR-PVT 8.2 (STR, Cộng hòa Serbia) đã được sử dụng. Lò phản ứng với vùng nhiệt được mô hình hóa dưới dạng mô hình đối xứng trục 2D, như trong Hình 2, với mô hình lưới của nó. Tất cả các vật liệu được sử dụng trong mô phỏng được thể hiện trong Hình 2 và các đặc tính của chúng được liệt kê trong Bảng 1. Dựa trên kết quả mô phỏng, tinh thể SiC được phát triển bằng phương pháp PVT ở khoảng nhiệt độ 2250–2350°C trong môi trường Ar ở nhiệt độ 35 Torr trong 4 giờ. Một tấm wafer 4H-SiC lệch trục 4° đã được sử dụng làm hạt giống SiC. Các tinh thể phát triển được đánh giá bằng phương pháp quang phổ vi Raman (Witec, UHTS 300, Đức) và XRD độ phân giải cao (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Hà Lan). Nồng độ tạp chất trong tinh thể SiC phát triển được đánh giá bằng phương pháp quang phổ khối ion thứ cấp động (SIMS, Cameca IMS-6f, Pháp). Mật độ lệch vị trí của các tinh thể phát triển được đánh giá bằng cách sử dụng địa hình tia X chùm tia trắng synchrotron tại Nguồn sáng Pohang.
Hình 2: Sơ đồ vùng nhiệt và mô hình lưới tăng trưởng PVT trong lò gia nhiệt cảm ứng.
Do các phương pháp HTCVD và PVT phát triển tinh thể ở trạng thái cân bằng pha khí-rắn ở mặt tăng trưởng, nên sự tăng trưởng nhanh chóng thành công của SiC bằng phương pháp HTCVD đã thúc đẩy thách thức về sự tăng trưởng nhanh chóng của SiC bằng phương pháp PVT trong nghiên cứu này. Phương pháp HTCVD sử dụng nguồn khí dễ dàng kiểm soát dòng chảy, trong khi phương pháp PVT sử dụng nguồn rắn không trực tiếp kiểm soát dòng chảy. Tốc độ dòng cung cấp cho mặt tăng trưởng trong phương pháp PVT có thể được kiểm soát bằng tốc độ thăng hoa của nguồn rắn thông qua kiểm soát phân bố nhiệt độ, nhưng không dễ đạt được việc kiểm soát chính xác sự phân bố nhiệt độ trong các hệ thống tăng trưởng thực tế.
Bằng cách tăng nhiệt độ nguồn trong lò phản ứng PVT, tốc độ tăng trưởng của SiC có thể tăng lên bằng cách tăng tốc độ thăng hoa của nguồn. Để đạt được sự tăng trưởng tinh thể ổn định, việc kiểm soát nhiệt độ ở phía trước tăng trưởng là rất quan trọng. Để tăng tốc độ tăng trưởng mà không hình thành đa tinh thể, cần phải đạt được độ dốc nhiệt độ cao ở mặt tăng trưởng, như thể hiện qua sự tăng trưởng SiC thông qua phương pháp HTCVD. Sự dẫn nhiệt theo chiều dọc không đủ tới mặt sau của nắp sẽ làm tiêu tán nhiệt tích lũy ở mặt trước phát triển thông qua bức xạ nhiệt đến bề mặt phát triển, dẫn đến sự hình thành các bề mặt dư thừa, tức là sự phát triển đa tinh thể.
Cả hai quá trình truyền khối và kết tinh lại trong phương pháp PVT đều rất giống với phương pháp HTCVD, mặc dù chúng khác nhau ở nguồn SiC. Điều này có nghĩa là sự tăng trưởng nhanh chóng của SiC cũng có thể đạt được khi tốc độ thăng hoa của nguồn SiC đủ cao. Tuy nhiên, việc đạt được các tinh thể đơn SiC chất lượng cao trong điều kiện tăng trưởng cao thông qua phương pháp PVT có một số thách thức. Bột thương mại thường chứa hỗn hợp các hạt nhỏ và lớn. Do sự khác biệt về năng lượng bề mặt, các hạt nhỏ có nồng độ tạp chất tương đối cao và thăng hoa trước các hạt lớn, dẫn đến nồng độ tạp chất cao trong giai đoạn đầu phát triển của tinh thể. Ngoài ra, khi SiC rắn phân hủy thành các loại hơi như C và Si, SiC2 và Si2C ở nhiệt độ cao, chất rắn C chắc chắn sẽ hình thành khi nguồn SiC thăng hoa trong phương pháp PVT. Nếu chất rắn C được hình thành đủ nhỏ và nhẹ, trong điều kiện tăng trưởng nhanh, các hạt C nhỏ, được gọi là “bụi C”, có thể được vận chuyển đến bề mặt tinh thể bằng cách truyền khối mạnh, dẫn đến sự tích tụ trong tinh thể phát triển. Do đó, để giảm tạp chất kim loại và bụi C, kích thước hạt của nguồn SiC thường phải được kiểm soát ở đường kính nhỏ hơn 200 μm và tốc độ tăng trưởng không được vượt quá ∼ 0,4 mm/h để duy trì sự truyền khối chậm và loại trừ hiện tượng trôi nổi. Bụi C. Tạp chất kim loại và bụi C dẫn đến sự xuống cấp của tinh thể SiC phát triển, đây là trở ngại chính cho sự phát triển nhanh chóng của SiC thông qua phương pháp PVT.
Trong nghiên cứu này, nguồn CVD-SiC được nghiền nát không có hạt nhỏ đã được sử dụng, loại bỏ bụi C trôi nổi khi truyền khối mạnh. Do đó, cấu trúc vùng nhiệt được thiết kế bằng phương pháp PVT dựa trên mô phỏng đa vật lý để đạt được sự tăng trưởng nhanh chóng của SiC và sự phân bố nhiệt độ mô phỏng và độ dốc nhiệt độ được thể hiện trong Hình 3a.
Hình 3: (a) Phân bố nhiệt độ và gradient nhiệt độ gần mặt trước tăng trưởng của lò phản ứng PVT thu được bằng phân tích phần tử hữu hạn và (b) phân bố nhiệt độ theo chiều dọc dọc theo đường đối xứng trục.
So với cài đặt vùng nhiệt điển hình để phát triển tinh thể SiC ở tốc độ tăng trưởng 0,3 đến 0,8 mm/h dưới gradient nhiệt độ nhỏ dưới 1 °C/mm, cài đặt vùng nhiệt trong nghiên cứu này có gradient nhiệt độ tương đối lớn ∼ 3,8 °C/mm ở nhiệt độ tăng trưởng ∼2268 °C. Giá trị gradient nhiệt độ trong nghiên cứu này có thể so sánh với sự tăng trưởng nhanh chóng của SiC với tốc độ 2,4 mm/h bằng phương pháp HTCVD, trong đó gradient nhiệt độ được đặt thành ∼14 ° C/mm. Từ sự phân bố nhiệt độ theo chiều dọc như trong Hình 3b, chúng tôi xác nhận rằng không có gradient nhiệt độ ngược nào có thể hình thành đa tinh thể hiện diện gần mặt trước tăng trưởng, như được mô tả trong tài liệu.
Bằng cách sử dụng hệ thống PVT, các tinh thể SiC được phát triển từ nguồn CVD-SiC trong 4 giờ, như trong Hình 2 và 3. Sự phát triển tinh thể SiC đại diện từ SiC phát triển được thể hiện trong Hình 4a. Độ dày và tốc độ tăng trưởng của tinh thể SiC thể hiện trong Hình 4a lần lượt là 5,84 mm và 1,46 mm/h. Tác động của nguồn SiC đến chất lượng, kiểu hình, hình thái và độ tinh khiết của tinh thể SiC phát triển được thể hiện trong Hình 4a đã được nghiên cứu, như trong Hình 4b-e. Hình ảnh chụp cắt lớp cắt ngang trong Hình 4b cho thấy sự phát triển của tinh thể có dạng lồi do các điều kiện phát triển dưới mức tối ưu. Tuy nhiên, quang phổ micro-Raman trong Hình 4c đã xác định tinh thể phát triển là một pha của 4H-SiC mà không có bất kỳ thể vùi polytype nào. Giá trị FWHM của đỉnh (0004) thu được từ phân tích đường cong rung chuyển tia X là 18,9 giây cung, cũng xác nhận chất lượng tinh thể tốt.
Hình 4: (a) Tinh thể SiC phát triển (tốc độ tăng trưởng 1,46 mm/h) và kết quả đánh giá của nó bằng (b) chụp cắt lớp cắt ngang, (c) quang phổ micro-Raman, (d) đường cong rung chuyển tia X, và ( e) Địa hình tia X.
Hình 4e cho thấy địa hình tia X chùm tia trắng xác định các vết xước và trật khớp ren trong tấm wafer được đánh bóng của tinh thể phát triển. Mật độ sai lệch của tinh thể phát triển được đo là ∼3000 ea/cm2, cao hơn một chút so với mật độ sai lệch của tinh thể hạt là ∼2000 ea/cm2. Tinh thể phát triển được xác nhận là có mật độ lệch vị trí tương đối thấp, có thể so sánh với chất lượng tinh thể của các tấm bán dẫn thương mại. Điều thú vị là sự phát triển nhanh chóng của tinh thể SiC đã đạt được bằng phương pháp PVT với nguồn CVD-SiC được nghiền nát dưới một gradient nhiệt độ lớn. Nồng độ của B, Al và N trong tinh thể phát triển lần lượt là 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ và 1,98 × 10¹⁹ nguyên tử/cm³. Nồng độ P trong tinh thể phát triển nằm dưới giới hạn phát hiện (<1,0 × 10¹⁴ nguyên tử/cm³). Nồng độ tạp chất đủ thấp đối với các chất mang điện, ngoại trừ N, được pha tạp có chủ ý trong quá trình CVD.
Mặc dù sự tăng trưởng tinh thể trong nghiên cứu này ở quy mô nhỏ khi xem xét các sản phẩm thương mại, việc chứng minh thành công sự tăng trưởng nhanh chóng của SiC với chất lượng tinh thể tốt sử dụng nguồn CVD-SiC thông qua phương pháp PVT có ý nghĩa quan trọng. Vì các nguồn CVD-SiC, mặc dù có đặc tính tuyệt vời nhưng lại có tính cạnh tranh về mặt chi phí bằng cách tái chế các vật liệu bỏ đi, chúng tôi hy vọng chúng sẽ được sử dụng rộng rãi như một nguồn SiC đầy hứa hẹn để thay thế các nguồn bột SiC. Để áp dụng các nguồn CVD-SiC cho sự tăng trưởng nhanh chóng của SiC, cần phải tối ưu hóa sự phân bố nhiệt độ trong hệ thống PVT, đặt ra những câu hỏi tiếp theo cho nghiên cứu trong tương lai.
Phần kết luận
Trong nghiên cứu này, người ta đã chứng minh thành công sự phát triển nhanh chóng của tinh thể SiC bằng cách sử dụng khối CVD-SiC được nghiền nát trong điều kiện gradient nhiệt độ cao thông qua phương pháp PVT. Điều thú vị là sự phát triển nhanh chóng của tinh thể SiC được thực hiện bằng cách thay thế nguồn SiC bằng phương pháp PVT. Phương pháp này dự kiến sẽ làm tăng đáng kể hiệu quả sản xuất quy mô lớn của các tinh thể đơn SiC, cuối cùng là giảm chi phí đơn vị của chất nền SiC và thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi các thiết bị điện hiệu suất cao.
Thời gian đăng: 19-07-2024