Crescimento rápido do uso de cristal único de SiCCVD-SiC em massaFonte via Método de Sublimação
Usando recicladoBlocos CVD-SiCcomo fonte de SiC, os cristais de SiC foram cultivados com sucesso a uma taxa de 1,46 mm/h através do método PVT. O microtubo do cristal crescido e as densidades de deslocamento indicam que, apesar da alta taxa de crescimento, a qualidade do cristal é excelente.
Carboneto de silício (SiC)é um semicondutor de banda larga com excelentes propriedades para aplicações em alta tensão, alta potência e alta frequência. Sua demanda tem crescido rapidamente nos últimos anos, especialmente na área de semicondutores de potência. Para aplicações de semicondutores de potência, os monocristais de SiC são cultivados sublimando a fonte de SiC de alta pureza a 2.100–2.500 ° C e, em seguida, recristalizando em um cristal semente usando o método de transporte físico de vapor (PVT), seguido de processamento para obter substratos de cristal único em wafers . Tradicionalmente,Cristais de SiCsão cultivados usando o método PVT a uma taxa de crescimento de 0,3 a 0,8 mm/h para controlar a cristalinidade, que é relativamente lenta em comparação com outros materiais de cristal único usados em aplicações de semicondutores. Quando os cristais de SiC são cultivados em altas taxas de crescimento usando o método PVT, a degradação da qualidade, incluindo inclusões de carbono, pureza reduzida, crescimento policristalino, formação de limites de grão e defeitos de deslocamento e porosidade, não foi descartada. Portanto, o rápido crescimento do SiC não foi desenvolvido, e a lenta taxa de crescimento do SiC tem sido um grande obstáculo à produtividade dos substratos de SiC.
Por outro lado, relatórios recentes sobre o rápido crescimento do SiC têm utilizado métodos de deposição química de vapor em alta temperatura (HTCVD) em vez do método PVT. O método HTCVD utiliza um vapor contendo Si e C como fonte de SiC no reator. O HTCVD ainda não foi utilizado para produção em larga escala de SiC e requer mais pesquisa e desenvolvimento para comercialização. Curiosamente, mesmo a uma alta taxa de crescimento de ~3 mm/h, os monocristais de SiC podem ser cultivados com boa qualidade de cristal usando o método HTCVD. Enquanto isso, os componentes de SiC têm sido usados em processos de semicondutores em ambientes agressivos que exigem controle de processo de pureza extremamente alta. Para aplicações de processos de semicondutores, componentes de SiC com pureza de ~99,9999% (~6N) são geralmente preparados pelo processo CVD a partir de metiltriclorossilano (CH3Cl3Si, MTS). Porém, apesar da alta pureza dos componentes CVD-SiC, eles foram descartados após o uso. Recentemente, os componentes CVD-SiC descartados foram considerados fontes de SiC para o crescimento de cristais, embora alguns processos de recuperação, incluindo britagem e purificação, ainda sejam necessários para atender às altas demandas de uma fonte de crescimento de cristais. Neste estudo, utilizamos blocos CVD-SiC descartados para reciclar materiais como fonte para o cultivo de cristais de SiC. Os blocos CVD-SiC para crescimento de cristal único foram preparados como blocos triturados de tamanho controlado, significativamente diferentes em forma e tamanho em comparação com o pó de SiC comercial comumente usado no processo PVT, portanto, esperava-se que o comportamento do crescimento de cristal único de SiC fosse significativamente diferente. Antes de conduzir experimentos de crescimento de cristal único de SiC, simulações de computador foram realizadas para atingir altas taxas de crescimento, e a zona térmica foi configurada de acordo para o crescimento de cristal único. Após o crescimento dos cristais, os cristais crescidos foram avaliados por tomografia transversal, espectroscopia micro-Raman, difração de raios X de alta resolução e topografia de raios X de feixe branco síncrotron.
A Figura 1 mostra a fonte CVD-SiC usada para o crescimento de PVT de cristais de SiC neste estudo. Conforme descrito na introdução, os componentes CVD-SiC foram sintetizados a partir de MTS pelo processo CVD e moldados para uso em semicondutores por meio de processamento mecânico. N foi dopado no processo CVD para obter condutividade para aplicações de processos de semicondutores. Após uso em processos de semicondutores, os componentes CVD-SiC foram triturados para preparar a fonte para crescimento de cristal, conforme mostrado na Figura 1. A fonte CVD-SiC foi preparada como placas com espessura média de ~0,5 mm e tamanho médio de partícula de 49,75 milímetros.
Figura 1: Fonte CVD-SiC preparada pelo processo CVD baseado em MTS.
Utilizando a fonte CVD-SiC mostrada na Figura 1, os cristais de SiC foram cultivados pelo método PVT em um forno de aquecimento por indução. Para avaliar a distribuição de temperatura na zona térmica, foi utilizado o código de simulação comercial VR-PVT 8.2 (STR, República da Sérvia). O reator com zona térmica foi modelado como um modelo axissimétrico 2D, conforme mostrado na Figura 2, com seu modelo de malha. Todos os materiais utilizados na simulação são mostrados na Figura 2, e suas propriedades estão listadas na Tabela 1. Com base nos resultados da simulação, os cristais de SiC foram cultivados usando o método PVT a uma faixa de temperatura de 2.250 a 2.350°C em uma atmosfera de Ar a 35 Torr por 4 horas. Um wafer 4H-SiC fora do eixo de 4° foi usado como semente de SiC. Os cristais crescidos foram avaliados por espectroscopia micro-Raman (Witec, UHTS 300, Alemanha) e XRD de alta resolução (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Holanda). As concentrações de impurezas nos cristais de SiC cultivados foram avaliadas utilizando espectrometria de massa dinâmica de íons secundários (SIMS, Cameca IMS-6f, França). A densidade de deslocamento dos cristais crescidos foi avaliada usando topografia de raios X de feixe branco síncrotron na fonte de luz Pohang.
Figura 2: Diagrama de zona térmica e modelo de malha de crescimento de PVT em um forno de aquecimento por indução.
Como os métodos HTCVD e PVT crescem cristais sob equilíbrio de fase gás-sólida na frente de crescimento, o rápido crescimento bem-sucedido do SiC pelo método HTCVD gerou o desafio do rápido crescimento do SiC pelo método PVT neste estudo. O método HTCVD utiliza uma fonte de gás que é facilmente controlada pelo fluxo, enquanto o método PVT utiliza uma fonte sólida que não controla diretamente o fluxo. A taxa de fluxo fornecida à frente de crescimento no método PVT pode ser controlada pela taxa de sublimação da fonte sólida através do controle de distribuição de temperatura, mas o controle preciso da distribuição de temperatura em sistemas de crescimento práticos não é fácil de conseguir.
Ao aumentar a temperatura da fonte no reator PVT, a taxa de crescimento do SiC pode ser aumentada aumentando a taxa de sublimação da fonte. Para alcançar um crescimento cristalino estável, o controle da temperatura na frente de crescimento é crucial. Para aumentar a taxa de crescimento sem formar policristais, é necessário alcançar um gradiente de alta temperatura na frente de crescimento, como mostrado pelo crescimento de SiC através do método HTCVD. A condução vertical inadequada de calor para a parte de trás da tampa deve dissipar o calor acumulado na frente de crescimento através da radiação térmica para a superfície de crescimento, levando à formação de superfícies excessivas, isto é, crescimento policristalino.
Os processos de transferência de massa e recristalização no método PVT são muito semelhantes ao método HTCVD, embora difiram na fonte de SiC. Isto significa que o rápido crescimento do SiC também é alcançável quando a taxa de sublimação da fonte de SiC é suficientemente alta. No entanto, obter cristais únicos de SiC de alta qualidade sob condições de alto crescimento através do método PVT apresenta vários desafios. Os pós comerciais normalmente contêm uma mistura de partículas pequenas e grandes. Devido às diferenças de energia superficial, as partículas pequenas têm concentrações de impurezas relativamente altas e sublimam antes das partículas grandes, levando a altas concentrações de impurezas nos estágios iniciais de crescimento do cristal. Além disso, à medida que o SiC sólido se decompõe em espécies de vapor como C e Si, SiC2 e Si2C em altas temperaturas, o C sólido inevitavelmente se forma quando a fonte de SiC sublima no método PVT. Se o C sólido formado for pequeno e leve o suficiente, sob condições de crescimento rápido, pequenas partículas de C, conhecidas como “poeira C”, podem ser transportadas para a superfície do cristal por forte transferência de massa, resultando em inclusões no cristal crescido. Portanto, para reduzir impurezas metálicas e poeira C, o tamanho das partículas da fonte de SiC geralmente deve ser controlado para um diâmetro inferior a 200 μm, e a taxa de crescimento não deve exceder ~0,4 mm/h para manter a transferência lenta de massa e excluir a flutuação. C poeira. Impurezas metálicas e poeira C levam à degradação dos cristais de SiC crescidos, que são os principais obstáculos ao rápido crescimento do SiC através do método PVT.
Neste estudo, foram utilizadas fontes de CVD-SiC trituradas sem pequenas partículas, eliminando poeira flutuante de C sob forte transferência de massa. Assim, a estrutura da zona térmica foi projetada usando o método PVT baseado em simulação multifísica para alcançar um rápido crescimento de SiC, e a distribuição de temperatura simulada e o gradiente de temperatura são mostrados na Figura 3a.
Figura 3: (a) Distribuição de temperatura e gradiente de temperatura próximo à frente de crescimento do reator PVT obtido por análise de elementos finitos, e (b) distribuição vertical de temperatura ao longo da linha axissimétrica.
Em comparação com as configurações típicas da zona térmica para o cultivo de cristais de SiC a uma taxa de crescimento de 0,3 a 0,8 mm/h sob um pequeno gradiente de temperatura inferior a 1 °C/mm, as configurações da zona térmica neste estudo têm um gradiente de temperatura relativamente grande de ∼ 3,8°C/mm a uma temperatura de crescimento de ~2268°C. O valor do gradiente de temperatura neste estudo é comparável ao rápido crescimento do SiC a uma taxa de 2,4 mm/h usando o método HTCVD, onde o gradiente de temperatura é definido para ∼14 °C/mm. A partir da distribuição vertical de temperatura mostrada na Figura 3b, confirmamos que nenhum gradiente reverso de temperatura que pudesse formar policristais estava presente próximo à frente de crescimento, conforme descrito na literatura.
Utilizando o sistema PVT, os cristais de SiC foram cultivados a partir da fonte CVD-SiC durante 4 horas, como mostrado nas Figuras 2 e 3. Um crescimento representativo do cristal de SiC a partir do SiC cultivado é mostrado na Figura 4a. A espessura e a taxa de crescimento do cristal de SiC mostrado na Figura 4a são 5,84 mm e 1,46 mm/h, respectivamente. O impacto da fonte de SiC na qualidade, politipo, morfologia e pureza do cristal de SiC cultivado mostrado na Figura 4a foi investigado, como mostrado nas Figuras 4b-e. A imagem de tomografia transversal na Figura 4b mostra que o crescimento do cristal tinha formato convexo devido às condições de crescimento abaixo do ideal. No entanto, a espectroscopia micro-Raman na Figura 4c identificou o cristal crescido como uma fase única de 4H-SiC sem quaisquer inclusões politípicas. O valor FWHM do pico (0004) obtido a partir da análise da curva oscilante de raios X foi de 18,9 segundos de arco, confirmando também a boa qualidade do cristal.
Figura 4: (a) Cristal de SiC cultivado (taxa de crescimento de 1,46 mm/h) e seus resultados de avaliação com (b) tomografia transversal, (c) espectroscopia micro-Raman, (d) curva de balanço de raios X e ( e) Topografia radiográfica.
A Figura 4e mostra a topografia de raios X de feixe branco identificando arranhões e deslocamentos de rosca na pastilha polida do cristal crescido. A densidade de deslocamento do cristal cultivado foi medida em ~3.000 ea/cm², ligeiramente superior à densidade de deslocamento do cristal semente, que foi de ~2.000 ea/cm². Foi confirmado que o cristal cultivado tinha densidade de deslocamento relativamente baixa, comparável à qualidade do cristal dos wafers comerciais. Curiosamente, o rápido crescimento de cristais de SiC foi alcançado usando o método PVT com uma fonte de CVD-SiC triturada sob um grande gradiente de temperatura. As concentrações de B, Al e N no cristal cultivado foram 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ e 1,98 × 10¹⁹ átomos/cm³, respectivamente. A concentração de P no cristal crescido estava abaixo do limite de detecção (<1,0 × 10¹⁴ átomos/cm³). As concentrações de impurezas foram suficientemente baixas para portadores de carga, exceto para N, que foi dopado intencionalmente durante o processo de CVD.
Embora o crescimento de cristais neste estudo tenha sido em pequena escala considerando produtos comerciais, a demonstração bem-sucedida do rápido crescimento de SiC com boa qualidade de cristal usando a fonte CVD-SiC através do método PVT tem implicações significativas. Como as fontes CVD-SiC, apesar de suas excelentes propriedades, são competitivas em termos de custo pela reciclagem de materiais descartados, esperamos sua utilização generalizada como uma fonte promissora de SiC para substituir as fontes de SiC em pó. Para aplicar fontes CVD-SiC para o rápido crescimento do SiC, é necessária a otimização da distribuição de temperatura no sistema PVT, levantando novas questões para pesquisas futuras.
Conclusão
Neste estudo, foi alcançada a demonstração bem-sucedida do rápido crescimento de cristais de SiC usando blocos CVD-SiC triturados sob condições de gradiente de alta temperatura através do método PVT. Curiosamente, o rápido crescimento dos cristais de SiC foi realizado através da substituição da fonte de SiC pelo método PVT. Espera-se que este método aumente significativamente a eficiência da produção em larga escala de monocristais de SiC, reduzindo, em última análise, o custo unitário dos substratos de SiC e promovendo o uso generalizado de dispositivos de energia de alto desempenho.
Horário da postagem: 19 de julho de 2024