প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট নিয়ন্ত্রণের মাধ্যমে উচ্চ-মানের SiC ক্রিস্টাল বৃদ্ধি অর্জন

ভূমিকা

সিলিকন কার্বাইড (SiC) একটি প্রশস্ত-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপাদান যা সাম্প্রতিক বছরগুলিতে উচ্চ-ভোল্টেজ এবং উচ্চ-তাপমাত্রার অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে ব্যতিক্রমী কর্মক্ষমতার কারণে উল্লেখযোগ্য মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। ফিজিক্যাল ভ্যাপার ট্রান্সপোর্ট (PVT) পদ্ধতির দ্রুত অগ্রগতি শুধুমাত্র SiC একক ক্রিস্টালের গুণমানকে উন্নত করেনি কিন্তু সফলভাবে 150mm SiC একক স্ফটিক তৈরিও করেছে। তবে এর গুণমানSiC ওয়েফারএখনও আরও বর্ধনের প্রয়োজন, বিশেষ করে ত্রুটির ঘনত্ব কমানোর ক্ষেত্রে। এটা সুপরিচিত যে বড় হওয়া SiC স্ফটিকগুলির মধ্যে বিভিন্ন ত্রুটি বিদ্যমান, প্রাথমিকভাবে SiC স্ফটিক বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার সময় ত্রুটি গঠনের প্রক্রিয়াগুলির অপর্যাপ্ত বোঝার কারণে। PVT বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার উপর আরও গভীর গবেষণা করা প্রয়োজন যাতে SiC স্ফটিকগুলির ব্যাস এবং দৈর্ঘ্য বাড়ানোর পাশাপাশি স্ফটিককরণের হার বাড়ানো যায়, যার ফলে SiC-ভিত্তিক ডিভাইসগুলির বাণিজ্যিকীকরণ ত্বরান্বিত হয়। উচ্চ-মানের SiC স্ফটিক বৃদ্ধি অর্জনের জন্য, আমরা প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট নিয়ন্ত্রণের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করেছি। যেহেতু সিলিকন-সমৃদ্ধ গ্যাসগুলি (Si, Si2C) প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে বীজের স্ফটিক পৃষ্ঠের ক্ষতি করতে পারে, তাই আমরা প্রাথমিক পর্যায়ে বিভিন্ন তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট স্থাপন করেছি এবং মূল বৃদ্ধি প্রক্রিয়া চলাকালীন ধ্রুবক C/Si অনুপাত তাপমাত্রার অবস্থার সাথে সামঞ্জস্য করেছি। এই অধ্যয়নটি পরিবর্তিত প্রক্রিয়ার শর্তগুলি ব্যবহার করে উত্থিত SiC স্ফটিকগুলির বিভিন্ন বৈশিষ্ট্য পদ্ধতিগতভাবে অন্বেষণ করে।

পরীক্ষামূলক পদ্ধতি

6-ইঞ্চি 4H-SiC বাউলের ​​বৃদ্ধি 4° অফ-অক্ষ সি-ফেস সাবস্ট্রেটে PVT পদ্ধতি ব্যবহার করে সম্পাদিত হয়েছিল। প্রাথমিক বৃদ্ধি পর্বের জন্য উন্নত প্রক্রিয়া অবস্থার প্রস্তাব করা হয়েছিল। বৃদ্ধির তাপমাত্রা 2300-2400 ডিগ্রি সেলসিয়াসের মধ্যে সেট করা হয়েছিল এবং নাইট্রোজেন এবং আর্গন গ্যাসের পরিবেশে চাপ 5-20 টর-এ বজায় রাখা হয়েছিল। 6-ইঞ্চি4H-SiC ওয়েফারমান অর্ধপরিবাহী প্রক্রিয়াকরণ কৌশল মাধ্যমে গড়া ছিল. দSiC ওয়েফারপ্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে বিভিন্ন তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট অবস্থা অনুযায়ী প্রক্রিয়া করা হয়েছিল এবং ত্রুটিগুলি মূল্যায়ন করার জন্য 14 মিনিটের জন্য 600°C এ খোদাই করা হয়েছিল। একটি অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপ (ওএম) ব্যবহার করে পৃষ্ঠের এচ পিট ঘনত্ব (EPD) পরিমাপ করা হয়েছিল। অর্ধেক সর্বোচ্চ (FWHM) মান এবং ম্যাপিং চিত্রে সম্পূর্ণ প্রস্থ6-ইঞ্চি SiC ওয়েফারএকটি উচ্চ-রেজোলিউশন এক্স-রে ডিফ্রাকশন (XRD) সিস্টেম ব্যবহার করে পরিমাপ করা হয়েছিল।

ফলাফল এবং আলোচনা

চিত্র 1: SiC ক্রিস্টাল গ্রোথ মেকানিজমের পরিকল্পিত

উচ্চ-মানের SiC একক স্ফটিক বৃদ্ধি অর্জনের জন্য, সাধারণত উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার উত্স ব্যবহার করা, C/Si অনুপাতকে সুনির্দিষ্টভাবে নিয়ন্ত্রণ করা এবং ধ্রুবক বৃদ্ধির তাপমাত্রা এবং চাপ বজায় রাখা প্রয়োজন। উপরন্তু, প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে বীজ স্ফটিকের ক্ষতি কম করা এবং বীজ স্ফটিকের উপরিভাগের ত্রুটিগুলিকে দমন করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। চিত্র 1 এই গবেষণায় SiC স্ফটিক বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার পরিকল্পিত চিত্রিত করে। চিত্র 1 এ দেখানো হয়েছে, বাষ্প গ্যাস (ST) বীজ স্ফটিক পৃষ্ঠে পরিবাহিত হয়, যেখানে তারা ছড়িয়ে পড়ে এবং স্ফটিক গঠন করে। কিছু গ্যাস বৃদ্ধির সাথে জড়িত নয় (ST) স্ফটিক পৃষ্ঠ থেকে শোষণ করে। যখন বীজ স্ফটিক পৃষ্ঠে গ্যাসের পরিমাণ (SG) ডিজর্বড গ্যাস (SD) ছাড়িয়ে যায়, তখন বৃদ্ধির প্রক্রিয়াটি এগিয়ে যায়। অতএব, বৃদ্ধির প্রক্রিয়া চলাকালীন উপযুক্ত গ্যাস (SG)/গ্যাস (SD) অনুপাত RF হিটিং কয়েলের অবস্থান পরিবর্তন করে অধ্যয়ন করা হয়েছিল।

চিত্র 2: SiC ক্রিস্টাল বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার অবস্থার পরিকল্পিত

চিত্র 2 এই গবেষণায় SiC স্ফটিক বৃদ্ধি প্রক্রিয়া অবস্থার পরিকল্পিত দেখায়। সাধারণ বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার তাপমাত্রা 2300 থেকে 2400°C পর্যন্ত, চাপ 5 থেকে 20 টর-এ বজায় থাকে। বৃদ্ধি প্রক্রিয়া চলাকালীন, তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট dT=50~150°C (a) প্রচলিত পদ্ধতিতে বজায় রাখা হয়। কখনও কখনও, উত্স গ্যাসের (Si2C, SiC2, Si) অসম সরবরাহের ফলে স্ট্যাকিং ফল্ট, পলিটাইপ অন্তর্ভুক্তি এবং এইভাবে স্ফটিক গুণমান হ্রাস পেতে পারে। তাই, প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে, আরএফ কয়েলের অবস্থান পরিবর্তন করে, dT সাবধানে 50~100°C এর মধ্যে নিয়ন্ত্রিত হয়েছিল, তারপর dT=50~150°C এর সাথে সমন্বয় করা হয়েছিল প্রধান বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার সময় (b) উন্নত পদ্ধতি) . তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট নিয়ন্ত্রণ করতে (dT[°C] = Tbottom-Tupper), নীচের তাপমাত্রা 2300°C এ স্থির করা হয়েছিল, এবং উপরের তাপমাত্রা 2270°C, 2250°C, 2200°C থেকে 2150°C থেকে সামঞ্জস্য করা হয়েছিল। সারণী 1 10 ঘন্টা পরে বিভিন্ন তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট অবস্থার অধীনে জন্মানো SiC বাউল পৃষ্ঠের অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপ (OM) চিত্রগুলি উপস্থাপন করে।

সারণী 1: অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপ (ওএম) বিভিন্ন তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট অবস্থার অধীনে 10 ঘন্টা এবং 100 ঘন্টার জন্য বেড়ে ওঠা SiC বাউল পৃষ্ঠের ছবি

প্রাথমিক dT=50°C এ, 10 ঘন্টা বৃদ্ধির পর SiC বাউল পৃষ্ঠে ত্রুটির ঘনত্ব dT=30°C এবং dT=150°C এর তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে কম ছিল। dT=30°C এ, প্রাথমিক তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট খুব ছোট হতে পারে, যার ফলে বীজ স্ফটিক ক্ষয় এবং ত্রুটি তৈরি হয়। বিপরীতভাবে, একটি উচ্চতর প্রাথমিক তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্টে (dT=150°C), একটি অস্থির সুপারস্যাচুরেশন অবস্থা ঘটতে পারে, যা উচ্চ শূন্যতার ঘনত্বের কারণে পলিটাইপ অন্তর্ভুক্তি এবং ত্রুটির দিকে পরিচালিত করে। যাইহোক, যদি প্রাথমিক তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট অপ্টিমাইজ করা হয়, প্রাথমিক ত্রুটিগুলির গঠন কমিয়ে উচ্চ-মানের স্ফটিক বৃদ্ধি অর্জন করা যেতে পারে। যেহেতু 100 ঘন্টা বৃদ্ধির পরে SiC বাউল পৃষ্ঠে ত্রুটির ঘনত্ব 10 ঘন্টা পরে ফলাফলের অনুরূপ ছিল, তাই প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে ত্রুটির গঠন হ্রাস করা উচ্চ-মানের SiC স্ফটিক প্রাপ্তির গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ।

সারণি 2: বিভিন্ন তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট অবস্থার অধীনে খোদাই করা SiC বাউলের ​​EPD মান

ওয়েফারস100 ঘন্টার জন্য জন্মানো বাউলগুলি থেকে প্রস্তুত করা হয়েছে SiC স্ফটিকগুলির ত্রুটির ঘনত্ব অধ্যয়ন করার জন্য, যেমনটি সারণী 2 এ দেখানো হয়েছে। প্রাথমিক dT=30°C এবং dT=150°C এর অধীনে বেড়ে ওঠা SiC স্ফটিকগুলির EPD মান ছিল 35,880/cm² এবং 25,660 /cm², যথাক্রমে, যেখানে অপ্টিমাইজড অবস্থার (dT=50°C) অধীনে বেড়ে ওঠা SiC স্ফটিকগুলির EPD মান উল্লেখযোগ্যভাবে 8,560/cm² এ কমে গেছে।

সারণি 3: বিভিন্ন প্রাথমিক তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট অবস্থার অধীনে SiC ক্রিস্টালগুলির FWHM মান এবং XRD ম্যাপিং চিত্র

সারণি 3 বিভিন্ন প্রাথমিক তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট অবস্থার অধীনে জন্মানো SiC স্ফটিকগুলির FWHM মান এবং XRD ম্যাপিং চিত্র উপস্থাপন করে। অপ্টিমাইজড অবস্থার (dT=50°C) অধীনে জন্মানো SiC স্ফটিকগুলির গড় FWHM মান ছিল 18.6 আর্কসেকেন্ড, অন্যান্য তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট অবস্থার অধীনে জন্মানো SiC স্ফটিকগুলির তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে কম।

উপসংহার

কয়েলের অবস্থান পরিবর্তন করে তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট (dT[°C] = Tbottom-Tupper) নিয়ন্ত্রণ করে SiC স্ফটিক মানের উপর প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্টের প্রভাব অধ্যয়ন করা হয়েছিল। ফলাফলগুলি দেখায় যে প্রাথমিক dT=50°C অবস্থার অধীনে 10 ঘন্টা বৃদ্ধির পরে SiC বাউল পৃষ্ঠে ত্রুটির ঘনত্ব dT=30°C এবং dT=150°C এর তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে কম ছিল। অপ্টিমাইজ করা অবস্থার (dT=50°C) অধীনে জন্মানো SiC স্ফটিকগুলির গড় FWHM মান ছিল 18.6 আর্কসেকেন্ড, অন্যান্য অবস্থার অধীনে জন্মানো SiC স্ফটিকগুলির তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে কম। এটি ইঙ্গিত দেয় যে প্রাথমিক তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট অপ্টিমাইজ করা কার্যকরভাবে প্রাথমিক ত্রুটিগুলির গঠন হ্রাস করে, যার ফলে উচ্চ-মানের SiC স্ফটিক বৃদ্ধি অর্জন করা যায়।**