प्रारंभिक विकास चरण में तापमान ढाल नियंत्रण के माध्यम से उच्च गुणवत्ता वाले SiC क्रिस्टल विकास प्राप्त करना

परिचय

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) एक वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री है जिसने उच्च-वोल्टेज और उच्च-तापमान अनुप्रयोगों में अपने असाधारण प्रदर्शन के कारण हाल के वर्षों में महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है। भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी) विधियों की तीव्र प्रगति ने न केवल SiC एकल क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार किया है, बल्कि 150 मिमी SiC एकल क्रिस्टल का निर्माण भी सफलतापूर्वक हासिल किया है। हालाँकि, की गुणवत्ताSiC वेफर्सअभी भी और सुधार की आवश्यकता है, विशेष रूप से दोष घनत्व को कम करने के संदर्भ में। यह सर्वविदित है कि विकसित SiC क्रिस्टल के भीतर विभिन्न दोष मौजूद होते हैं, मुख्य रूप से SiC क्रिस्टल विकास प्रक्रिया के दौरान दोष गठन तंत्र की अपर्याप्त समझ के कारण। पीवीटी विकास प्रक्रिया पर और अधिक गहन शोध SiC क्रिस्टल के व्यास और लंबाई को बढ़ाने के साथ-साथ क्रिस्टलीकरण दर को बढ़ाने के लिए आवश्यक है, जिससे SiC-आधारित उपकरणों के व्यावसायीकरण में तेजी आएगी। उच्च गुणवत्ता वाले SiC क्रिस्टल विकास को प्राप्त करने के लिए, हमने प्रारंभिक विकास चरण के दौरान तापमान ढाल नियंत्रण पर ध्यान केंद्रित किया। चूंकि सिलिकॉन युक्त गैसें (Si, Si2C) प्रारंभिक विकास चरण के दौरान बीज क्रिस्टल सतह को नुकसान पहुंचा सकती हैं, इसलिए हमने प्रारंभिक चरण में अलग-अलग तापमान प्रवणता स्थापित की और मुख्य विकास प्रक्रिया के दौरान निरंतर C/Si अनुपात तापमान स्थितियों को समायोजित किया। यह अध्ययन संशोधित प्रक्रिया स्थितियों का उपयोग करके उगाए गए SiC क्रिस्टल की विभिन्न विशेषताओं का व्यवस्थित रूप से पता लगाता है।

प्रयोगात्मक विधियों

6-इंच 4H-SiC बाउल्स की वृद्धि 4° ऑफ-एक्सिस सी-फेस सब्सट्रेट्स पर पीवीटी विधि का उपयोग करके की गई थी। प्रारंभिक विकास चरण के लिए बेहतर प्रक्रिया स्थितियां प्रस्तावित की गईं। विकास तापमान 2300-2400°C के बीच निर्धारित किया गया था, और नाइट्रोजन और आर्गन गैस के वातावरण में दबाव 5-20 Torr पर बनाए रखा गया था। 6 इंच4H-SiC वेफर्समानक अर्धचालक प्रसंस्करण तकनीकों के माध्यम से निर्मित किए गए थे।SiC वेफर्सप्रारंभिक विकास चरण में विभिन्न तापमान ढाल स्थितियों के अनुसार संसाधित किया गया और दोषों का मूल्यांकन करने के लिए 14 मिनट के लिए 600 डिग्री सेल्सियस पर खोदा गया। सतह के ईच पिट घनत्व (ईपीडी) को ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (ओएम) का उपयोग करके मापा गया था। आधी अधिकतम (एफडब्ल्यूएचएम) मानों पर पूरी चौड़ाई और छवियों का मानचित्रण6-इंच SiC वेफर्सउच्च-रिज़ॉल्यूशन एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) प्रणाली का उपयोग करके मापा गया।

परिणाम और चर्चा

चित्र 1: SiC क्रिस्टल ग्रोथ मैकेनिज्म का योजनाबद्ध

उच्च-गुणवत्ता वाले SiC एकल क्रिस्टल विकास को प्राप्त करने के लिए, आमतौर पर उच्च-शुद्धता वाले SiC पाउडर स्रोतों का उपयोग करना, C/Si अनुपात को सटीक रूप से नियंत्रित करना और निरंतर विकास तापमान और दबाव बनाए रखना आवश्यक है। इसके अतिरिक्त, प्रारंभिक विकास चरण के दौरान बीज क्रिस्टल के नुकसान को कम करना और बीज क्रिस्टल पर सतह दोषों के गठन को रोकना महत्वपूर्ण है। चित्र 1 इस अध्ययन में SiC क्रिस्टल विकास तंत्र के योजनाबद्ध चित्रण को दर्शाता है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, वाष्प गैसों (एसटी) को बीज क्रिस्टल की सतह पर ले जाया जाता है, जहां वे फैलती हैं और क्रिस्टल बनाती हैं। कुछ गैसें जो विकास में शामिल नहीं हैं (ST) क्रिस्टल की सतह से सोख लेती हैं। जब बीज क्रिस्टल सतह (एसजी) पर गैस की मात्रा अवशोषित गैस (एसडी) से अधिक हो जाती है, तो विकास प्रक्रिया आगे बढ़ती है। इसलिए, विकास प्रक्रिया के दौरान उचित गैस (एसजी)/गैस (एसडी) अनुपात का अध्ययन आरएफ हीटिंग कॉइल की स्थिति को बदलकर किया गया था।

चित्र 2: SiC क्रिस्टल विकास प्रक्रिया स्थितियों का योजनाबद्ध आरेख

चित्र 2 इस अध्ययन में SiC क्रिस्टल विकास प्रक्रिया स्थितियों का योजनाबद्ध चित्रण दिखाता है। सामान्य विकास प्रक्रिया का तापमान 2300 से 2400°C तक होता है, दबाव 5 से 20 Torr पर बना रहता है। विकास प्रक्रिया के दौरान, तापमान प्रवणता dT=50~150°C ((a) पारंपरिक विधि) पर बनाए रखी जाती है। कभी-कभी, स्रोत गैसों (Si2C, SiC2, Si) की असमान आपूर्ति के परिणामस्वरूप स्टैकिंग दोष, पॉलीटाइप समावेशन हो सकता है, और इस प्रकार क्रिस्टल की गुणवत्ता ख़राब हो सकती है। इसलिए, प्रारंभिक विकास चरण में, आरएफ कॉइल की स्थिति को बदलकर, डीटी को 50 ~ 100 डिग्री सेल्सियस के भीतर सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया गया था, फिर मुख्य विकास प्रक्रिया के दौरान डीटी = 50 ~ 150 डिग्री सेल्सियस पर समायोजित किया गया ((बी) बेहतर विधि) . तापमान प्रवणता (dT[°C] = Tbottom-Tupper) को नियंत्रित करने के लिए, नीचे का तापमान 2300°C पर तय किया गया था, और शीर्ष तापमान को 2270°C, 2250°C, 2200°C से 2150°C तक समायोजित किया गया था। तालिका 1 10 घंटों के बाद विभिन्न तापमान प्रवणता स्थितियों के तहत उगाई गई SiC बाउल सतह की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (ओएम) छवियां प्रस्तुत करती है।

तालिका 1: ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (ओएम) विभिन्न तापमान ढाल स्थितियों के तहत 10 घंटे और 100 घंटे तक विकसित SiC बाउल सतह की छवियां

प्रारंभिक dT=50°C पर, 10 घंटे की वृद्धि के बाद SiC बाउल सतह पर दोष घनत्व dT=30°C और dT=150°C की तुलना में काफी कम था। dT=30°C पर, प्रारंभिक तापमान प्रवणता बहुत छोटी हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप बीज क्रिस्टल नष्ट हो सकता है और दोष बन सकता है। इसके विपरीत, उच्च प्रारंभिक तापमान प्रवणता (dT=150°C) पर, एक अस्थिर सुपरसैचुरेशन स्थिति उत्पन्न हो सकती है, जिससे उच्च रिक्ति सांद्रता के कारण पॉलीटाइप समावेशन और दोष हो सकते हैं। हालाँकि, यदि प्रारंभिक तापमान प्रवणता को अनुकूलित किया जाता है, तो प्रारंभिक दोषों के गठन को कम करके उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल विकास को प्राप्त किया जा सकता है। चूँकि 100 घंटे की वृद्धि के बाद SiC बाउल सतह पर दोष घनत्व 10 घंटे के बाद के परिणामों के समान था, प्रारंभिक विकास चरण के दौरान दोष गठन को कम करना उच्च गुणवत्ता वाले SiC क्रिस्टल प्राप्त करने में महत्वपूर्ण कदम है।

तालिका 2: विभिन्न तापमान प्रवणता स्थितियों के तहत नक़्क़ाशीदार SiC बाउल्स का ईपीडी मान

वेफर्सजैसा कि तालिका 2 में दिखाया गया है, SiC क्रिस्टल के दोष घनत्व का अध्ययन करने के लिए 100 घंटे तक उगाए गए गुलदस्ते से तैयार किया गया था। प्रारंभिक dT=30°C और dT=150°C के तहत उगाए गए SiC क्रिस्टल का EPD मान 35,880/cm² और 25,660 था। /cm², क्रमशः, जबकि अनुकूलित परिस्थितियों (dT=50°C) के तहत उगाए गए SiC क्रिस्टल का EPD मान काफी कम होकर 8,560/cm² हो गया।

तालिका 3: विभिन्न प्रारंभिक तापमान ढाल स्थितियों के तहत एफडब्ल्यूएचएम मान और एसआईसी क्रिस्टल की एक्सआरडी मैपिंग छवियां

तालिका 3 विभिन्न प्रारंभिक तापमान ढाल स्थितियों के तहत उगाए गए SiC क्रिस्टल के FWHM मान और XRD मैपिंग छवियां प्रस्तुत करती है। अनुकूलित परिस्थितियों (dT=50°C) के तहत उगाए गए SiC क्रिस्टल का औसत FWHM मान 18.6 आर्कसेकंड था, जो अन्य तापमान प्रवणता स्थितियों के तहत उगाए गए SiC क्रिस्टल की तुलना में काफी कम है।

निष्कर्ष

कुंडल की स्थिति को बदलकर तापमान प्रवणता (dT[°C] = Tbottom-Tupper) को नियंत्रित करके SiC क्रिस्टल गुणवत्ता पर प्रारंभिक विकास चरण तापमान प्रवणता के प्रभाव का अध्ययन किया गया था। परिणामों से पता चला कि प्रारंभिक dT=50°C परिस्थितियों में 10 घंटे की वृद्धि के बाद SiC बाउल सतह पर दोष घनत्व dT=30°C और dT=150°C की तुलना में काफी कम था। अनुकूलित परिस्थितियों (dT=50°C) के तहत उगाए गए SiC क्रिस्टल का औसत FWHM मान 18.6 आर्कसेकंड था, जो अन्य परिस्थितियों में उगाए गए SiC क्रिस्टल की तुलना में काफी कम है। यह इंगित करता है कि प्रारंभिक तापमान प्रवणता को अनुकूलित करने से प्रारंभिक दोषों का निर्माण प्रभावी ढंग से कम हो जाता है, जिससे उच्च गुणवत्ता वाली SiC क्रिस्टल वृद्धि प्राप्त होती है।**