ప్రారంభ వృద్ధి దశలో ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత నియంత్రణ ద్వారా అధిక-నాణ్యత SiC క్రిస్టల్ వృద్ధిని సాధించడం

పరిచయం

సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) అనేది వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్, ఇది అధిక-వోల్టేజ్ మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత అప్లికేషన్‌లలో దాని అసాధారణ పనితీరు కారణంగా ఇటీవలి సంవత్సరాలలో గణనీయమైన దృష్టిని ఆకర్షించింది. ఫిజికల్ వేపర్ ట్రాన్స్‌పోర్ట్ (PVT) పద్ధతుల యొక్క వేగవంతమైన పురోగతి SiC సింగిల్ స్ఫటికాల నాణ్యతను మెరుగుపరచడమే కాకుండా 150mm SiC సింగిల్ స్ఫటికాల తయారీని కూడా విజయవంతంగా సాధించింది. అయితే, నాణ్యతSiC పొరలుముఖ్యంగా లోపం సాంద్రతను తగ్గించే విషయంలో ఇంకా మరింత మెరుగుదల అవసరం. పెరిగిన SiC స్ఫటికాలలో వివిధ లోపాలు ఉన్నాయని అందరికీ తెలుసు, ప్రధానంగా SiC క్రిస్టల్ వృద్ధి ప్రక్రియలో లోపం ఏర్పడే విధానాలపై తగినంత అవగాహన లేకపోవడం. SiC స్ఫటికాల యొక్క వ్యాసం మరియు పొడవును పెంచడానికి PVT వృద్ధి ప్రక్రియపై మరింత లోతైన పరిశోధన అవసరం, అదే సమయంలో స్ఫటికీకరణ రేటును పెంచుతుంది, తద్వారా SiC-ఆధారిత పరికరాల వాణిజ్యీకరణను వేగవంతం చేస్తుంది. అధిక-నాణ్యత గల SiC క్రిస్టల్ వృద్ధిని సాధించడానికి, మేము ప్రారంభ వృద్ధి దశలో ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత నియంత్రణపై దృష్టి సారించాము. ప్రారంభ వృద్ధి దశలో సిలికాన్ అధికంగా ఉండే వాయువులు (Si, Si2C) విత్తన స్ఫటిక ఉపరితలాన్ని దెబ్బతీస్తాయి కాబట్టి, మేము ప్రారంభ దశలో వేర్వేరు ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతలను ఏర్పాటు చేసాము మరియు ప్రధాన వృద్ధి ప్రక్రియలో స్థిరమైన C/Si నిష్పత్తి ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులకు సర్దుబాటు చేసాము. ఈ అధ్యయనం సవరించిన ప్రక్రియ పరిస్థితులను ఉపయోగించి పెరిగిన SiC స్ఫటికాల యొక్క వివిధ లక్షణాలను క్రమపద్ధతిలో అన్వేషిస్తుంది.

ప్రయోగాత్మక పద్ధతులు

4° ఆఫ్-యాక్సిస్ C-ఫేస్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై PVT పద్ధతిని ఉపయోగించి 6-అంగుళాల 4H-SiC బౌల్స్ పెరుగుదల జరిగింది. ప్రారంభ వృద్ధి దశ కోసం మెరుగైన ప్రక్రియ పరిస్థితులు ప్రతిపాదించబడ్డాయి. పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత 2300-2400 ° C మధ్య సెట్ చేయబడింది మరియు నత్రజని మరియు ఆర్గాన్ వాయువు వాతావరణంలో ఒత్తిడి 5-20 టోర్ వద్ద నిర్వహించబడుతుంది. 6-అంగుళాల4H-SiC పొరలుప్రామాణిక సెమీకండక్టర్ ప్రాసెసింగ్ పద్ధతుల ద్వారా తయారు చేయబడ్డాయి. దిSiC పొరలుప్రారంభ వృద్ధి దశలో వివిధ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత పరిస్థితుల ప్రకారం ప్రాసెస్ చేయబడ్డాయి మరియు లోపాలను అంచనా వేయడానికి 14 నిమిషాల పాటు 600 ° C వద్ద చెక్కబడ్డాయి. ఉపరితలం యొక్క ఎట్చ్ పిట్ సాంద్రత (EPD) ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ (OM) ఉపయోగించి కొలుస్తారు. పూర్తి వెడల్పు సగం గరిష్ట (FWHM) విలువలు మరియు మ్యాపింగ్ ఇమేజ్‌లు6-అంగుళాల SiC పొరలుఅధిక-రిజల్యూషన్ ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ (XRD) వ్యవస్థను ఉపయోగించి కొలుస్తారు.

ఫలితాలు మరియు చర్చ

మూర్తి 1: SiC క్రిస్టల్ గ్రోత్ మెకానిజం యొక్క స్కీమాటిక్

అధిక-నాణ్యత గల SiC సింగిల్ క్రిస్టల్ వృద్ధిని సాధించడానికి, అధిక-స్వచ్ఛత SiC పౌడర్ మూలాలను ఉపయోగించడం, C/Si నిష్పత్తిని ఖచ్చితంగా నియంత్రించడం మరియు స్థిరమైన వృద్ధి ఉష్ణోగ్రత మరియు ఒత్తిడిని నిర్వహించడం అవసరం. అదనంగా, విత్తన స్ఫటిక నష్టాన్ని తగ్గించడం మరియు ప్రారంభ వృద్ధి దశలో విత్తన స్ఫటికంపై ఉపరితల లోపాలు ఏర్పడకుండా అణచివేయడం చాలా కీలకం. ఈ అధ్యయనంలో SiC క్రిస్టల్ గ్రోత్ మెకానిజం యొక్క స్కీమాటిక్‌ను మూర్తి 1 వివరిస్తుంది. మూర్తి 1లో చూపినట్లుగా, ఆవిరి వాయువులు (ST) విత్తన స్ఫటిక ఉపరితలానికి రవాణా చేయబడతాయి, అక్కడ అవి వ్యాప్తి చెందుతాయి మరియు క్రిస్టల్‌ను ఏర్పరుస్తాయి. పెరుగుదల (ST)లో పాల్గొనని కొన్ని వాయువులు క్రిస్టల్ ఉపరితలం నుండి విసర్జించబడతాయి. విత్తన స్ఫటిక ఉపరితలంపై (SG) వాయువు మొత్తం నిర్జలీకరణ వాయువు (SD) కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, వృద్ధి ప్రక్రియ కొనసాగుతుంది. అందువల్ల, వృద్ధి ప్రక్రియలో తగిన గ్యాస్ (SG)/గ్యాస్ (SD) నిష్పత్తి RF తాపన కాయిల్ యొక్క స్థానాన్ని మార్చడం ద్వారా అధ్యయనం చేయబడింది.

మూర్తి 2: SiC క్రిస్టల్ గ్రోత్ ప్రాసెస్ కండిషన్స్ యొక్క స్కీమాటిక్

ఈ అధ్యయనంలో SiC క్రిస్టల్ గ్రోత్ ప్రాసెస్ పరిస్థితుల స్కీమాటిక్‌ను మూర్తి 2 చూపిస్తుంది. సాధారణ పెరుగుదల ప్రక్రియ ఉష్ణోగ్రత 2300 నుండి 2400 ° C వరకు ఉంటుంది, పీడనం 5 నుండి 20 టోర్ వద్ద నిర్వహించబడుతుంది. వృద్ధి ప్రక్రియలో, ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత dT=50~150°C ((a) సంప్రదాయ పద్ధతి) వద్ద నిర్వహించబడుతుంది. కొన్నిసార్లు, మూల వాయువుల అసమాన సరఫరా (Si2C, SiC2, Si) స్టాకింగ్ లోపాలు, పాలీటైప్ చేరికలు మరియు తద్వారా క్రిస్టల్ నాణ్యతను దిగజార్చవచ్చు. అందువల్ల, ప్రారంభ వృద్ధి దశలో, RF కాయిల్ యొక్క స్థానాన్ని మార్చడం ద్వారా, dT 50~100°C లోపల జాగ్రత్తగా నియంత్రించబడుతుంది, తర్వాత ప్రధాన వృద్ధి ప్రక్రియలో dT=50~150°Cకి సర్దుబాటు చేయబడింది ((బి) మెరుగైన పద్ధతి) . ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతను (dT[°C] = Tbottom-Tupper) నియంత్రించడానికి, దిగువ ఉష్ణోగ్రత 2300°C వద్ద స్థిరపరచబడింది మరియు ఎగువ ఉష్ణోగ్రత 2270°C, 2250°C, 2200°C నుండి 2150°Cకి సర్దుబాటు చేయబడింది. 10 గంటల తర్వాత వివిధ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత పరిస్థితులలో పెరిగిన SiC బౌల్ ఉపరితలం యొక్క ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ (OM) చిత్రాలను టేబుల్ 1 అందిస్తుంది.

టేబుల్ 1: వివిధ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత పరిస్థితులలో 10 గంటలు మరియు 100 గంటల పాటు పెరిగిన SiC బౌల్ ఉపరితలం యొక్క ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ (OM) చిత్రాలు

ప్రారంభ dT=50°C వద్ద, 10 గంటల వృద్ధి తర్వాత SiC బౌల్ ఉపరితలంపై లోపం సాంద్రత dT=30°C మరియు dT=150°C కంటే గణనీయంగా తక్కువగా ఉంది. dT=30°C వద్ద, ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత చాలా తక్కువగా ఉండవచ్చు, ఫలితంగా విత్తన స్ఫటిక నష్టం మరియు లోపం ఏర్పడుతుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, అధిక ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత వద్ద (dT=150°C), అస్థిరమైన సూపర్‌సాచురేషన్ స్థితి ఏర్పడవచ్చు, ఇది అధిక ఖాళీ సాంద్రతల కారణంగా పాలీటైప్ చేరికలు మరియు లోపాలకు దారితీస్తుంది. అయినప్పటికీ, ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత ఆప్టిమైజ్ చేయబడితే, ప్రారంభ లోపాల ఏర్పాటును తగ్గించడం ద్వారా అధిక-నాణ్యత క్రిస్టల్ పెరుగుదలను సాధించవచ్చు. 100 గంటల వృద్ధి తర్వాత SiC బౌల్ ఉపరితలంపై లోపం సాంద్రత 10 గంటల తర్వాత ఫలితాల మాదిరిగానే ఉన్నందున, ప్రారంభ వృద్ధి దశలో లోపం ఏర్పడటాన్ని తగ్గించడం అధిక-నాణ్యత SiC స్ఫటికాలను పొందడంలో కీలకమైన దశ.

టేబుల్ 2: వివిధ ఉష్ణోగ్రత గ్రేడియంట్ పరిస్థితులలో చెక్కబడిన SiC బౌల్స్ యొక్క EPD విలువలు

పొరలుపట్టిక 2లో చూపిన విధంగా SiC స్ఫటికాల యొక్క లోప సాంద్రతను అధ్యయనం చేయడానికి 100 గంటల పాటు పెరిగిన బౌల్స్ నుండి తయారుచేయబడింది. ప్రారంభ dT=30°C మరియు dT=150°C కింద పెరిగిన SiC స్ఫటికాల EPD విలువలు 35,880/cm² మరియు 25,660 /సెం², వరుసగా, అయితే ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన పరిస్థితులలో (dT=50°C) పెరిగిన SiC స్ఫటికాల EPD విలువ గణనీయంగా 8,560/cm²కి తగ్గించబడింది.

టేబుల్ 3: వివిధ ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత గ్రేడియంట్ పరిస్థితుల్లో SiC స్ఫటికాల FWHM విలువలు మరియు XRD మ్యాపింగ్ చిత్రాలు

వివిధ ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత పరిస్థితులలో పెరిగిన SiC స్ఫటికాల FWHM విలువలు మరియు XRD మ్యాపింగ్ చిత్రాలను టేబుల్ 3 అందిస్తుంది. ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన పరిస్థితులలో (dT=50°C) పెరిగిన SiC స్ఫటికాల సగటు FWHM విలువ 18.6 ఆర్క్‌సెకన్‌లు, ఇతర ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత పరిస్థితులలో పెరిగిన SiC స్ఫటికాల కంటే చాలా తక్కువ.

తీర్మానం

కాయిల్ స్థానాన్ని మార్చడం ద్వారా ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతను (dT[°C] = Tbottom-Tupper) నియంత్రించడం ద్వారా SiC క్రిస్టల్ నాణ్యతపై ప్రారంభ వృద్ధి దశ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత ప్రభావం అధ్యయనం చేయబడింది. ప్రారంభ dT = 50 ° C పరిస్థితులలో 10 గంటల వృద్ధి తర్వాత SiC బౌల్ ఉపరితలంపై లోపం సాంద్రత dT = 30 ° C మరియు dT = 150 ° C కంటే గణనీయంగా తక్కువగా ఉందని ఫలితాలు చూపించాయి. ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన పరిస్థితులలో (dT=50°C) పెరిగిన SiC స్ఫటికాల సగటు FWHM విలువ 18.6 ఆర్క్‌సెకన్లు, ఇతర పరిస్థితులలో పెరిగిన SiC స్ఫటికాల కంటే చాలా తక్కువ. ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతను ఆప్టిమైజ్ చేయడం వలన ప్రారంభ లోపాల ఏర్పాటును సమర్థవంతంగా తగ్గిస్తుందని, తద్వారా అధిక-నాణ్యత SiC క్రిస్టల్ వృద్ధిని సాధించవచ్చని ఇది సూచిస్తుంది.**