उर्ध्वपातन विधि द्वारा CVD-SiC थोक स्रोत का उपयोग करके SiC एकल क्रिस्टल का तेजी से विकास

SiC सिंगल क्रिस्टल का तेजी से विकाससीवीडी-एसआईसी थोकऊर्ध्वपातन विधि के माध्यम से स्रोत
पुनर्नवीनीकरण का उपयोग करकेसीवीडी-एसआईसी ब्लॉकSiC स्रोत के रूप में, PVT विधि के माध्यम से SiC क्रिस्टल को 1.46 मिमी/घंटा की दर से सफलतापूर्वक उगाया गया। विकसित क्रिस्टल के माइक्रोपाइप और अव्यवस्था घनत्व से संकेत मिलता है कि उच्च विकास दर के बावजूद, क्रिस्टल की गुणवत्ता उत्कृष्ट है।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)उच्च वोल्टेज, उच्च शक्ति और उच्च आवृत्ति में अनुप्रयोगों के लिए उत्कृष्ट गुणों वाला एक वाइड-बैंडगैप अर्धचालक है। हाल के वर्षों में इसकी मांग तेजी से बढ़ी है, खासकर पावर सेमीकंडक्टर क्षेत्र में। पावर सेमीकंडक्टर अनुप्रयोगों के लिए, SiC एकल क्रिस्टल को 2100-2500 डिग्री सेल्सियस पर उच्च शुद्धता वाले SiC स्रोत को उर्ध्वपातित करके उगाया जाता है, फिर भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी) विधि का उपयोग करके बीज क्रिस्टल पर पुन: क्रिस्टलीकृत किया जाता है, इसके बाद वेफर्स पर एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट प्राप्त करने के लिए प्रसंस्करण किया जाता है। . परंपरागत रूप से,SiC क्रिस्टलक्रिस्टलीयता को नियंत्रित करने के लिए 0.3 से 0.8 मिमी/घंटा की वृद्धि दर पर पीवीटी विधि का उपयोग करके उगाया जाता है, जो अर्धचालक अनुप्रयोगों में उपयोग की जाने वाली अन्य एकल क्रिस्टल सामग्रियों की तुलना में अपेक्षाकृत धीमी है। जब पीवीटी विधि का उपयोग करके SiC क्रिस्टल उच्च विकास दर पर उगाए जाते हैं, तो कार्बन समावेशन, कम शुद्धता, पॉलीक्रिस्टलाइन वृद्धि, अनाज सीमा गठन, और अव्यवस्था और सरंध्रता दोष सहित गुणवत्ता में गिरावट से इनकार नहीं किया गया है। इसलिए, SiC की तीव्र वृद्धि विकसित नहीं हुई है, और SiC की धीमी वृद्धि दर SiC सबस्ट्रेट्स की उत्पादकता में एक बड़ी बाधा रही है।

दूसरी ओर, SiC की तीव्र वृद्धि पर हालिया रिपोर्ट में PVT विधि के बजाय उच्च तापमान वाले रासायनिक वाष्प जमाव (HTCVD) विधियों का उपयोग किया गया है। एचटीसीवीडी विधि रिएक्टर में SiC स्रोत के रूप में Si और C युक्त वाष्प का उपयोग करती है। HTCVD का उपयोग अभी तक SiC के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए नहीं किया गया है और व्यावसायीकरण के लिए और अधिक अनुसंधान और विकास की आवश्यकता है। दिलचस्प बात यह है कि ∼3 मिमी/घंटा की उच्च वृद्धि दर पर भी, एचटीसीवीडी विधि का उपयोग करके SiC एकल क्रिस्टल को अच्छी क्रिस्टल गुणवत्ता के साथ उगाया जा सकता है। इस बीच, कठोर वातावरण के तहत अर्धचालक प्रक्रियाओं में SiC घटकों का उपयोग किया गया है जिनके लिए अत्यधिक उच्च शुद्धता प्रक्रिया नियंत्रण की आवश्यकता होती है। सेमीकंडक्टर प्रक्रिया अनुप्रयोगों के लिए, ∼99.9999% (∼6N) शुद्धता वाले SiC घटक आमतौर पर मिथाइलट्राइक्लोरोसिलेन (CH3Cl3Si, MTS) से CVD प्रक्रिया द्वारा तैयार किए जाते हैं। हालाँकि, CVD-SiC घटकों की उच्च शुद्धता के बावजूद, उन्हें उपयोग के बाद त्याग दिया गया है। हाल ही में, छोड़े गए CVD-SiC घटकों को क्रिस्टल विकास के लिए SiC स्रोत माना गया है, हालांकि क्रिस्टल विकास स्रोत की उच्च मांगों को पूरा करने के लिए क्रशिंग और शुद्धिकरण सहित कुछ पुनर्प्राप्ति प्रक्रियाओं की अभी भी आवश्यकता है। इस अध्ययन में, हमने बढ़ते SiC क्रिस्टल के स्रोत के रूप में सामग्रियों को रीसायकल करने के लिए छोड़े गए CVD-SiC ब्लॉकों का उपयोग किया। एकल क्रिस्टल वृद्धि के लिए CVD-SiC ब्लॉकों को आकार-नियंत्रित कुचल ब्लॉकों के रूप में तैयार किया गया था, जो आमतौर पर PVT प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले वाणिज्यिक SiC पाउडर की तुलना में आकार और आकार में काफी भिन्न थे, इसलिए SiC एकल क्रिस्टल वृद्धि का व्यवहार काफी होने की उम्मीद थी। अलग। SiC एकल क्रिस्टल विकास प्रयोगों का संचालन करने से पहले, उच्च विकास दर प्राप्त करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन किया गया था, और थर्मल ज़ोन को एकल क्रिस्टल विकास के अनुसार कॉन्फ़िगर किया गया था। क्रिस्टल के विकास के बाद, विकसित क्रिस्टल का मूल्यांकन क्रॉस-सेक्शनल टोमोग्राफी, माइक्रो-रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, उच्च-रिज़ॉल्यूशन एक्स-रे विवर्तन और सिंक्रोट्रॉन व्हाइट बीम एक्स-रे स्थलाकृति द्वारा किया गया था।
चित्र 1 इस अध्ययन में SiC क्रिस्टल के PVT विकास के लिए उपयोग किए गए CVD-SiC स्रोत को दर्शाता है। जैसा कि परिचय में बताया गया है, सीवीडी-एसआईसी घटकों को सीवीडी प्रक्रिया द्वारा एमटीएस से संश्लेषित किया गया था और यांत्रिक प्रसंस्करण के माध्यम से अर्धचालक उपयोग के लिए आकार दिया गया था। सेमीकंडक्टर प्रक्रिया अनुप्रयोगों के लिए चालकता प्राप्त करने के लिए एन को सीवीडी प्रक्रिया में डोप किया गया था। सेमीकंडक्टर प्रक्रियाओं में उपयोग के बाद, CVD-SiC घटकों को क्रिस्टल विकास के लिए स्रोत तैयार करने के लिए कुचल दिया गया था, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। CVD-SiC स्रोत को ∼0.5 मिमी की औसत मोटाई और औसत कण आकार के साथ प्लेटों के रूप में तैयार किया गया था। 49.75 मिमी.

चित्र 1: एमटीएस-आधारित सीवीडी प्रक्रिया द्वारा तैयार सीवीडी-एसआईसी स्रोत।

चित्र 1 में दिखाए गए CVD-SiC स्रोत का उपयोग करते हुए, SiC क्रिस्टल को PVT विधि द्वारा एक इंडक्शन हीटिंग भट्टी में उगाया गया था। थर्मल ज़ोन में तापमान वितरण का मूल्यांकन करने के लिए, वाणिज्यिक सिमुलेशन कोड वीआर-पीवीटी 8.2 (एसटीआर, सर्बिया गणराज्य) का उपयोग किया गया था। थर्मल ज़ोन वाले रिएक्टर को 2डी एक्सिसिमेट्रिक मॉडल के रूप में तैयार किया गया था, जैसा कि चित्र 2 में इसके जाल मॉडल के साथ दिखाया गया है। सिमुलेशन में उपयोग की जाने वाली सभी सामग्रियों को चित्र 2 में दिखाया गया है, और उनके गुणों को तालिका 1 में सूचीबद्ध किया गया है। सिमुलेशन परिणामों के आधार पर, Ar वातावरण में 2250-2350 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज पर PVT विधि का उपयोग करके SiC क्रिस्टल उगाए गए थे। 4 घंटे के लिए 35 टोर. एक 4° ऑफ-अक्ष 4H-SiC वेफर का उपयोग SiC बीज के रूप में किया गया था। विकसित क्रिस्टल का मूल्यांकन माइक्रो-रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (विटेक, यूएचटीएस 300, जर्मनी) और उच्च-रिज़ॉल्यूशन एक्सआरडी (एचआरएक्सआरडी, एक्स'पर्ट-प्रोमेड, पैनालिटिकल, नीदरलैंड) द्वारा किया गया था। विकसित SiC क्रिस्टल में अशुद्धता सांद्रता का मूल्यांकन गतिशील माध्यमिक आयन द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS, कैमेका IMS-6f, फ्रांस) का उपयोग करके किया गया था। पोहांग प्रकाश स्रोत पर सिंक्रोट्रॉन सफेद बीम एक्स-रे स्थलाकृति का उपयोग करके विकसित क्रिस्टल के अव्यवस्था घनत्व का मूल्यांकन किया गया था।

चित्र 2: इंडक्शन हीटिंग भट्टी में पीवीटी वृद्धि का थर्मल ज़ोन आरेख और जाल मॉडल।

चूंकि एचटीसीवीडी और पीवीटी विधियां विकास के मोर्चे पर गैस-ठोस चरण संतुलन के तहत क्रिस्टल विकसित करती हैं, एचटीसीवीडी विधि द्वारा सीआईसी की सफल तीव्र वृद्धि ने इस अध्ययन में पीवीटी विधि द्वारा सीआईसी की तीव्र वृद्धि की चुनौती को प्रेरित किया। एचटीसीवीडी विधि एक गैस स्रोत का उपयोग करती है जो आसानी से प्रवाह-नियंत्रित होता है, जबकि पीवीटी विधि एक ठोस स्रोत का उपयोग करती है जो सीधे प्रवाह को नियंत्रित नहीं करती है। पीवीटी विधि में विकास के मोर्चे पर प्रदान की जाने वाली प्रवाह दर को तापमान वितरण नियंत्रण के माध्यम से ठोस स्रोत की उर्ध्वपातन दर द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है, लेकिन व्यावहारिक विकास प्रणालियों में तापमान वितरण का सटीक नियंत्रण हासिल करना आसान नहीं है।
पीवीटी रिएक्टर में स्रोत तापमान को बढ़ाकर, स्रोत की उर्ध्वपातन दर को बढ़ाकर SiC की वृद्धि दर को बढ़ाया जा सकता है। स्थिर क्रिस्टल वृद्धि प्राप्त करने के लिए, विकास के मोर्चे पर तापमान नियंत्रण महत्वपूर्ण है। पॉलीक्रिस्टल बनाए बिना विकास दर बढ़ाने के लिए, विकास के मोर्चे पर एक उच्च तापमान प्रवणता हासिल करने की आवश्यकता है, जैसा कि एचटीसीवीडी विधि के माध्यम से SiC विकास द्वारा दिखाया गया है। टोपी के पीछे अपर्याप्त ऊर्ध्वाधर ताप संचालन से वृद्धि के मोर्चे पर एकत्रित ऊष्मा थर्मल विकिरण के माध्यम से वृद्धि की सतह पर समाप्त हो जानी चाहिए, जिससे अतिरिक्त सतहों का निर्माण होगा, यानी, पॉलीक्रिस्टलाइन वृद्धि।
पीवीटी विधि में बड़े पैमाने पर स्थानांतरण और पुन: क्रिस्टलीकरण दोनों प्रक्रियाएं एचटीसीवीडी विधि के समान हैं, हालांकि वे SiC स्रोत में भिन्न हैं। इसका मतलब यह है कि SiC की तीव्र वृद्धि तब भी प्राप्त की जा सकती है जब SiC स्रोत की उर्ध्वपातन दर पर्याप्त रूप से अधिक हो। हालाँकि, पीवीटी विधि के माध्यम से उच्च विकास स्थितियों के तहत उच्च गुणवत्ता वाले SiC एकल क्रिस्टल प्राप्त करने में कई चुनौतियाँ हैं। वाणिज्यिक पाउडर में आमतौर पर छोटे और बड़े कणों का मिश्रण होता है। सतह ऊर्जा अंतर के कारण, छोटे कणों में अपेक्षाकृत उच्च अशुद्धता सांद्रता होती है और बड़े कणों से पहले ऊर्ध्वपातन होता है, जिससे क्रिस्टल के प्रारंभिक विकास चरणों में उच्च अशुद्धता सांद्रता होती है। इसके अतिरिक्त, जैसे ही ठोस SiC उच्च तापमान पर C और Si, SiC2 और Si2C जैसी वाष्प प्रजातियों में विघटित होता है, तब ठोस C अनिवार्य रूप से बनता है जब SiC स्रोत PVT विधि में उर्ध्वपातित होता है। यदि गठित ठोस सी छोटा और पर्याप्त हल्का है, तो तेजी से विकास की स्थिति के तहत, छोटे सी कण, जिन्हें "सी धूल" के रूप में जाना जाता है, को मजबूत द्रव्यमान स्थानांतरण द्वारा क्रिस्टल की सतह पर ले जाया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप विकसित क्रिस्टल में समावेशन होता है। इसलिए, धातु की अशुद्धियों और सी धूल को कम करने के लिए, SiC स्रोत के कण आकार को आम तौर पर 200 μm से कम के व्यास तक नियंत्रित किया जाना चाहिए, और धीमी द्रव्यमान स्थानांतरण को बनाए रखने और फ्लोटिंग को बाहर करने के लिए विकास दर ∼0.4 मिमी/घंटा से अधिक नहीं होनी चाहिए। सी धूल. धातु की अशुद्धियाँ और C धूल विकसित SiC क्रिस्टल के क्षरण का कारण बनती हैं, जो PVT विधि के माध्यम से SiC के तेजी से विकास में मुख्य बाधाएँ हैं।
इस अध्ययन में, छोटे कणों के बिना कुचले हुए सीवीडी-एसआईसी स्रोतों का उपयोग किया गया, जिससे मजबूत द्रव्यमान स्थानांतरण के तहत तैरती सी धूल को नष्ट कर दिया गया। इस प्रकार, थर्मल जोन संरचना को तेजी से SiC वृद्धि प्राप्त करने के लिए मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन-आधारित पीवीटी विधि का उपयोग करके डिजाइन किया गया था, और सिम्युलेटेड तापमान वितरण और तापमान ढाल चित्र 3 ए में दिखाए गए हैं।

चित्र 3: (ए) परिमित तत्व विश्लेषण द्वारा प्राप्त पीवीटी रिएक्टर के विकास मोर्चे के पास तापमान वितरण और तापमान ढाल, और (बी) अक्षसममितीय रेखा के साथ ऊर्ध्वाधर तापमान वितरण।
1 डिग्री सेल्सियस/मिमी से कम के छोटे तापमान प्रवणता के तहत 0.3 से 0.8 मिमी/घंटा की वृद्धि दर पर SiC क्रिस्टल को बढ़ाने के लिए विशिष्ट थर्मल ज़ोन सेटिंग्स की तुलना में, इस अध्ययन में थर्मल ज़ोन सेटिंग्स में अपेक्षाकृत बड़ा तापमान प्रवणता है ∼ ∼2268°C के विकास तापमान पर 3.8°C/मिमी। इस अध्ययन में तापमान प्रवणता मान एचटीसीवीडी विधि का उपयोग करके 2.4 मिमी/घंटा की दर से SiC की तीव्र वृद्धि के बराबर है, जहां तापमान प्रवणता ∼14 डिग्री सेल्सियस/मिमी पर सेट है। चित्र 3 बी में दिखाए गए ऊर्ध्वाधर तापमान वितरण से, हमने पुष्टि की कि कोई भी विपरीत तापमान प्रवणता जो पॉलीक्रिस्टल बना सकती है, विकास के मोर्चे के पास मौजूद नहीं थी, जैसा कि साहित्य में वर्णित है।
पीवीटी प्रणाली का उपयोग करते हुए, सीवीडी-एसआईसी स्रोत से 4 घंटे के लिए सीआईसी क्रिस्टल उगाए गए, जैसा कि चित्र 2 और 3 में दिखाया गया है। विकसित सीआईसी से एक प्रतिनिधि सीआईसी क्रिस्टल विकास चित्र 4 ए में दिखाया गया है। चित्र 4ए में दिखाए गए SiC क्रिस्टल की मोटाई और वृद्धि दर क्रमशः 5.84 मिमी और 1.46 मिमी/घंटा है। चित्र 4a में दिखाए गए विकसित SiC क्रिस्टल की गुणवत्ता, बहुप्रकार, आकारिकी और शुद्धता पर SiC स्रोत के प्रभाव की जांच की गई, जैसा कि चित्र 4b-e में दिखाया गया है। चित्र 4 बी में क्रॉस-सेक्शनल टोमोग्राफी छवि से पता चलता है कि उप-इष्टतम विकास स्थितियों के कारण क्रिस्टल विकास उत्तल आकार का था। हालाँकि, चित्र 4c में माइक्रो-रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी ने बिना किसी पॉलीटाइप समावेशन के 4H-SiC के एकल चरण के रूप में विकसित क्रिस्टल की पहचान की। एक्स-रे रॉकिंग कर्व विश्लेषण से प्राप्त (0004) शिखर का एफडब्ल्यूएचएम मान 18.9 आर्कसेकंड था, जो अच्छी क्रिस्टल गुणवत्ता की भी पुष्टि करता है।

चित्र 4: (ए) विकसित सीआईसी क्रिस्टल (1.46 मिमी/घंटा की वृद्धि दर) और इसके मूल्यांकन के परिणाम (बी) क्रॉस-सेक्शनल टोमोग्राफी, (सी) माइक्रो-रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, (डी) एक्स-रे रॉकिंग कर्व, और ( ई) एक्स-रे स्थलाकृति।

चित्र 4e सफेद किरण एक्स-रे स्थलाकृति को दिखाता है जो विकसित क्रिस्टल के पॉलिश वेफर में खरोंच और थ्रेडिंग अव्यवस्थाओं की पहचान करता है। विकसित क्रिस्टल का अव्यवस्था घनत्व ∼3000 ea/cm² मापा गया, जो कि बीज क्रिस्टल के अव्यवस्था घनत्व से थोड़ा अधिक है, जो ∼2000 ea/cm² था। विकसित क्रिस्टल में अपेक्षाकृत कम अव्यवस्था घनत्व होने की पुष्टि की गई, जो वाणिज्यिक वेफर्स की क्रिस्टल गुणवत्ता के बराबर है। दिलचस्प बात यह है कि बड़े तापमान प्रवणता के तहत कुचले हुए सीवीडी-सीआईसी स्रोत के साथ पीवीटी विधि का उपयोग करके सीआईसी क्रिस्टल की तेजी से वृद्धि हासिल की गई थी। विकसित क्रिस्टल में बी, अल और एन की सांद्रता क्रमशः 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, और 1.98 × 10¹⁹ परमाणु/सेमी³ थी। विकसित क्रिस्टल में पी की सांद्रता पता लगाने की सीमा (<1.0 × 10¹⁴ परमाणु/सेमी³) से कम थी। एन को छोड़कर, चार्ज वाहकों के लिए अशुद्धता सांद्रता पर्याप्त रूप से कम थी, जिसे सीवीडी प्रक्रिया के दौरान जानबूझकर डोप किया गया था।
हालाँकि वाणिज्यिक उत्पादों पर विचार करते हुए इस अध्ययन में क्रिस्टल की वृद्धि छोटे पैमाने पर थी, लेकिन पीवीटी विधि के माध्यम से सीवीडी-सीआईसी स्रोत का उपयोग करके अच्छी क्रिस्टल गुणवत्ता के साथ तेजी से सीआईसी वृद्धि के सफल प्रदर्शन के महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं। चूँकि CVD-SiC स्रोत, अपने उत्कृष्ट गुणों के बावजूद, त्याग दी गई सामग्रियों को पुनर्चक्रित करके लागत-प्रतिस्पर्धी हैं, हम SiC पाउडर स्रोतों को बदलने के लिए एक आशाजनक SiC स्रोत के रूप में उनके व्यापक उपयोग की उम्मीद करते हैं। SiC की तीव्र वृद्धि के लिए CVD-SiC स्रोतों को लागू करने के लिए, PVT प्रणाली में तापमान वितरण को अनुकूलित करना आवश्यक है, जो भविष्य के शोध के लिए और प्रश्न प्रस्तुत करता है।

निष्कर्ष
इस अध्ययन में, पीवीटी विधि के माध्यम से उच्च तापमान ढाल स्थितियों के तहत कुचल सीवीडी-सीआईसी ब्लॉकों का उपयोग करके तेजी से सीआईसी क्रिस्टल विकास का सफल प्रदर्शन हासिल किया गया था। दिलचस्प बात यह है कि SiC स्रोत को PVT विधि से बदलने से SiC क्रिस्टल की तीव्र वृद्धि का एहसास हुआ। इस विधि से SiC एकल क्रिस्टल की बड़े पैमाने पर उत्पादन क्षमता में उल्लेखनीय वृद्धि होने की उम्मीद है, अंततः SiC सब्सट्रेट की इकाई लागत कम हो जाएगी और उच्च-प्रदर्शन वाले बिजली उपकरणों के व्यापक उपयोग को बढ़ावा मिलेगा।