Der am häufigsten als Halbleitermaterial verwendete Siliziumkarbid-Kristall ist4H-SiC-Wafer. Siliziumkarbidkristalle haben jedoch mehrere Arten. Sobald die Bedingungen im Prozess des Siliziumkarbid-Kristallwachstums nicht gut kontrolliert werden, kann die resultierende Siliziumkarbid-Kristallstruktur 3C, 6H, 15R usw. sein, aber nicht 4H.

Bei der Züchtung von Siliziumkarbidkristallen sollten zwei Aspekte berücksichtigt werden:

1. Die Wachstumseigenschaften des SiC-Kristalls selbst. Das Hauptwachstumsmerkmal ist der Phasenübergangspunkt, einschließlich Schmelzpunkt und Zersetzungspunkt. Ein geeignetes Kristallwachstumsverfahren sollte basierend auf seinen Wachstumseigenschaften ausgewählt werden. Was das Wachstum großer Siliciumcarbidkristalle betrifft, sind die üblichen Verfahren das Flüssigphasenverfahren mit Fest-Flüssig-Phasenwechsel und das Gasphasenverfahren mit Fest-Gas-Phasenwechsel, die nach dem Phasenzustand klassifiziert werden, die an dem Prozess beteiligt sind. Im Allgemeinen wird das Festphasenverfahren nicht im Siliziumkarbid-Wachstumsprozess verwendet, da die Nachteile der reinen Fest-Fest-Phasenumwandlung schwer zu überwinden sind.
2. Die Bedingungen, denen das Gerät standhalten kann. Wenn die Bedingungen nicht erfüllt sind, ist es unmöglich zu wachsen. Darüber hinaus muss eine industrialisierte Produktion die Kosten berücksichtigen.

Die Eigenschaften von Siliziumkarbidkristallen können anhand des Phasendiagramms analysiert werden (Änderungen der Temperatur und anderer Ziehbedingungen sind nicht sehr genau):

Unter normalen Bedingungen hat sich Siliziumcarbid zersetzt, bevor es flüssig wird, so dass kein reines Siliziumcarbid in einem flüssigen Zustand am Wachstumsprozess von SiC-Kristallen teilnimmt. Wenn Si übermäßig ist, beträgt der Flüssigphasenbereich 0,01 % bis 19 %, und es ist möglich, das Flüssigphasenverfahren zu verwenden. Wenn die Temperatur jedoch höher als 1700 ℃ ist, verdampft eine große Menge an Si, so dass das SiC-Kristallwachstum nicht durch eine einfache binäre eutektische Wachstumstechnologie erreicht werden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gängigen Methoden für die Züchtung von Siliziumkarbid-Einkristallen mit der Flüssigphasenmethode zusammenhängen – die Methode des gleichmäßigen Schmelzens ist begrenzt, während die Methode des ungleichmäßigen Schmelzflusses (ternär und höher, wie Si-C-Cr) noch in der Entwicklung ist . Die Flüssigphasenmethode hat vier wesentliche Vorteile:

1. Durchmessererweiterung;
2. Verdicken;
3. P-Dotierfähig;
4. Die Versetzungsdichte ist um eine Größenordnung niedriger als der Impfkristall.

Es ist lustig, dass der Sublimations-Sublimationsprozess von Siliziumkarbid-Feststoffen (2400–2500°C) bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden kann, wodurch es möglich wird, Siliziumkarbid durch Sublimation zu züchten. Das Sublimationsverfahren ist eine Art Gasphasenverfahren zum Züchten von Siliziumkarbidkristallen, und das Gas bildet Kristalle auf der Oberfläche eines Festkörpers.

Die Simulation des Temperaturfeldes kann durch die Software Virtual Reactor (SiC) simuliert werden. Die für das 4H-SiC-Wachstum erforderliche Impfkristalltemperatur beträgt 2120–2200°C und der Luftdruck beträgt 500–3000 Pa; die für das Züchten von 6H-SiC-Siliciumcarbidkristallen erforderliche Impfkristalltemperatur beträgt 2200–2300°C und der Luftdruck beträgt 1000–10000 Pa.

(a) PVT-Verfahren zur Züchtung von Siliciumcarbidkristallen

(b) Das interne Temperaturfeld des durch das PVT-Verfahren gezüchteten SiC-Kristalls

Das theoretische Temperaturfeld für das Züchten von hochreinem halbisolierendem 6-Zoll-SiC: Die Impfkristalltemperatur beträgt 2200 ° C, der Wachstumsdruck beträgt 30 mbar, die H2 + Ar-Atmosphäre und die Dicke kann 22 mm erreichen.

Die Dampfphasenmethode züchtet Kristalle:

Ob der Hauptprozess dieses Verfahrens eine chemische Reaktion ist, kann in physikalische Dampfabscheidung und chemische Dampfabscheidung unterteilt werden.

Die physikalische Gasphasenabscheidung:

Der Hauptprozess dieser Methode ist ein physikalischer Prozess, und es findet keine chemische Reaktion statt. Das Rohmaterialgas ist Siliziumkarbid, und das erhaltene Wachstum ist ebenfalls Siliziumkarbid. Unter Berücksichtigung der spezifischen Ausrüstung umfasst die physikalische Gasphasenabscheidung die Sublimations-Kondensation (Physical Vapor Transport, kurz PVT), die Vakuumverdampfung, das Sputtern, die Ionenstrahlabscheidung, die Molekularstrahlepitaxie und die Laserabtragung. Gesetz und so weiter.

Für die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, als CVD bezeichnet) muss es die Erzeugung chemischer Reaktionen beinhalten. In ähnlicher Weise umfasst die chemische Gasphasenabscheidung Dampfphasenepitaxie, Hot-Filament-Verfahren, chemische Gasphasenabscheidung mit Mikrowellenplasma, metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) und so weiter.

Beispielsweise wird GaAs durch das MOCVD-Verfahren gezüchtet. Die typische experimentelle Methode ist:

Der Druck beträgt 8 kPa, die Temperatur 500-630°C; Das Rohmaterial ist das Mischgas aus TMGa/AsH3, das von H2 getragen wird. Unter solchen Bedingungen reagieren TMGa+AsH3+H2, um GaAs zu erzeugen.

In ähnlicher Weise kann Siliziumkarbid Einkristalle unter Verwendung von physikalischem Dampftransport und chemischer Dampfabscheidung bei hoher Temperatur züchten. Wie in der Abbildung unten gezeigt, ist das Ausgangsmaterial für den physikalischen Dampftransport festes Siliziumkarbid, das sich nach dem Erhitzen in ein Gas verwandelt und schließlich auf der Oberfläche des Impfkristalls zu einem Kristall wächst (Hinweis: Das PVT-Verfahren erfordert einen Impfkristall, andernfalls handelt es sich um eine Lely-Methode). Allerdings ist die chemische Gasphasenabscheidung anders. Das Rohmaterial ist Gas, und eine chemische Reaktion findet direkt auf der Oberfläche des Impfkristalls statt, um Kristalle zu bilden.

Abb. 1 PVT-Verfahren des physikalischen Dampftransports

Abb. 2 Hochtemperatur-CVD-Verfahren (HT-CVD).

Das Kristallwachstum von Siliziumkarbid durch das PVT-Verfahren ist ein komplexer physikalischer und chemischer Prozess. Bei hohen Temperaturen umfasst der grundlegende Siliziumkarbid-Kristallwachstumsprozess die Zersetzung und Sublimation von Rohmaterialien, Massentransport und Oberflächenkristallisation von Impfkristallen. Das Wachstum von Siliziumkarbid durch physikalischen Dampftransport hat zwei intrinsische Eigenschaften:

1. Der Rohstoff ist festes Siliziumkarbid, daher ist die Reinheit nicht leicht zu kontrollieren;
2. Bei der Umwandlung von Pulver in Gas können verschiedene Gase entstehen.

Das feste SiC-Pulver zersetzt und sublimiert in mehrere unterschiedliche Gasphasenkomponenten. Die wichtigsten gasförmigen Komponenten sind Si, SiC, Si2C und SiC2. Die Reaktionsformel ist wie folgt; C im Graphittiegel kann mit Si-Dampf reagieren und dabei SiC2 und Si2C erzeugen; Zusätzlich gibt es eine kleine Menge an C, C2, Si2, Si3, Si2C3 usw. in der Gasphasenzusammensetzung, aber sie können vernachlässigt werden.

SiC(s)=Si(g)↑+C(s)

2SiC(s)=Si2C(g) ↑+C(s)

2SiC(s)=SiC2(g) ↑+Si(l,g) ↑

SiC(s)=SiC(g) ↑

C(s) + Si (l, g) = SiC(s)

Während des Zersetzungsprozesses von SiC-Rohstoffen ist aufgrund der ungleichmäßigen Sublimation der Rohstoffe die Anzahl der Si-Atome in der Gasphasenzusammensetzung weitaus größer als die Anzahl der C-Atome. Ein hohes nichtstöchiometrisches Verhältnis bewirkt die Trennung von Si und C. Si reichert sich in der Gasphase an, während C in der festen Phase aggregiert. Das Aufwachsmaterial wird derzeit stark graphitisiert. Theoretisch ist es das idealste Wachstumsverfahren, das Si:C-Verhältnis bei 1:1 nahe der Wachstumsgrenzfläche zu halten, aber es ist schwierig, das Verhältnis im tatsächlichen Siliziumcarbid-Kristallwachstumsprozess aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund kann das stöchiometrische Verhältnis aufrechterhalten werden, indem dem Wachstumsmaterial eine geeignete Menge an Si zugesetzt wird, um das überschüssige C auszugleichen.

Wenn die Gase Si, SiC, Si2C, SiC2 die Oberfläche des Impfkristalls erreichen, werden im metastabilen Bereich kontinuierlich Kristalle gebildet:

SiC(g) =SiC(s)

Si (g) + SiC2 (g) = 2SiC(s)

Si2C (g) +SiC2 (g) =3SiC(s)

Daher erfordern die Defekte des gezüchteten Siliziumkarbid-Einkristalls mehr technische Mittel zur Kontrolle, und es wird im Allgemeinen verwendet, um leitfähige SiC-Substrate herzustellen.

Das chemische Dampfabscheidungsverfahren verwendet spezielle Gase als Rohmaterialien, was höhere Kosten verursacht. Jetzt können damit nur noch halbisolierende SiC-Substrate hergestellt werden. Die beiden typischen chemischen Reaktionswege sind wie folgt:

C2H (g) + 2SiH4 (g) — 2SiC(s) + 6H2 (g)

3SiH4 (g) + C3H8 (g) — 3SiC(s) + 10H2(g)

Nur bei Verwendung von SiH4 werden Si-Tröpfchen gebildet, wenn V (Si): V (H2) > 0,05 %. Dann können Halogene in die Rohmaterialien eingeführt werden, was Si-Defekte reduzieren kann. Die verwendeten Typen umfassen HCl, SiCl4, SiHCl3, CH3Cl, SiCl3H3 und SiH3Cl.

Die erforderliche Ausrüstung kann die horizontale Heißwand CVD-VP508 sein, einschließlich absichtlicher Dopingwachstumszone, unbeabsichtigter Dopingwachstumszone, Heizsystem, Kühlsystem, Vakuumsystem, Gasversorgungssystem, Abgasbehandlungssystem, Steuersystem und Alarmsystem.

Das Züchtungsverfahren für Siliziumkarbid-Kristalle umfasst das Reinigen des Substrats (Impfkristall), das Ätzen unter Vakuum und das anschließende epitaxiale Züchten:

Substratvorbereitung und -reinigung——Einbringen des Substrats in die Reaktionskammer——Vakuum——Hochtemperatur-In-situ-Ätzen des Substrats——Injektion des ursprünglichen Gases für das epitaktische Wachstum von SiC——Das Experiment ist beendet, Probe entnehmen

Wachstumsrate: 5-10um/h, der Standardprozess ist wie folgt:

1. Si-Quelle: SiH4SiHCl3 SiCl4
2. C-Quelle: CH4C2H6 C3H8 CCl4
3. Trägergas: H2, Ar
4. Temperatur: 1200-1800℃
5. Luftdruck: 10-1000mbar

PS: 1 bar = 1 atm = 100 kPa, leicht zu vergleichen mit dem Standard-Atmosphärendruck

Dies ist das Hauptverfahren für die Züchtung von Siliziumkarbidkristallen, die beiden Dampfphasenverfahren: PVT-Verfahren und HTCVD-Verfahren.

 

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