ดังแสดงในรูปที่ 3 มีเทคนิคหลักสามประการที่มุ่งหวังที่จะให้ผลึกเดี่ยว SiC มีคุณภาพและประสิทธิภาพสูง ได้แก่ อิพิแทกซีเฟสของเหลว (LPE), การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) และการสะสมไอเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD) PVT เป็นกระบวนการที่ได้รับการยอมรับอย่างดีในการผลิตผลึกเดี่ยว SiC ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในผู้ผลิตเวเฟอร์รายใหญ่
อย่างไรก็ตาม กระบวนการทั้งสามนี้กำลังพัฒนาและสร้างสรรค์นวัตกรรมอย่างรวดเร็ว ยังไม่สามารถสรุปได้ว่ากระบวนการใดที่จะนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีรายงานการผลิตผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูงจากการเติบโตของสารละลายในอัตราที่ค่อนข้างสูงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเติบโตของ SiC จำนวนมากในเฟสของเหลวต้องใช้ความร้อนที่ต่ำกว่ากระบวนการระเหิดหรือการสะสม และยังแสดงให้เห็นถึงความเป็นเลิศในการผลิตพื้นผิว SiC ชนิด P (ตารางที่ 3) [33, 34]
รูปที่ 3: แผนผังของเทคนิคการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC หลักสามเทคนิค ได้แก่ (ก) เอพิแทกซีในเฟสของเหลว (ข) การขนส่งไอทางกายภาพ (ค) การสะสมไอเคมีที่อุณหภูมิสูง
ตารางที่ 3: การเปรียบเทียบ LPE, PVT และ HTCVD สำหรับการเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC [33, 34]
การเจริญเติบโตของสารละลายเป็นเทคโนโลยีมาตรฐานสำหรับการเตรียมสารกึ่งตัวนำแบบผสม [36] นักวิจัยพยายามพัฒนาผลึกในสารละลายตั้งแต่ทศวรรษ 1960 [37] เมื่อพัฒนาเทคโนโลยีแล้ว ความอิ่มตัวเกินของพื้นผิวการเจริญเติบโตสามารถควบคุมได้ดี ซึ่งทำให้วิธีการแก้ปัญหาเป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มดีสำหรับการได้แท่งผลึกเดี่ยวคุณภาพสูง
สำหรับการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC แหล่ง Si มาจากสารละลาย Si ที่มีความบริสุทธิ์สูงในขณะที่เบ้าหลอมกราไฟต์ทำหน้าที่สองอย่างคือ ฮีตเตอร์และแหล่งสารละลาย C ผลึกเดี่ยว SiC มีแนวโน้มที่จะเติบโตภายใต้อัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริกที่เหมาะสมเมื่ออัตราส่วนของ C และ Si ใกล้เคียงกับ 1 ซึ่งบ่งชี้ถึงความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่ต่ำกว่า [28] อย่างไรก็ตาม ที่ความดันบรรยากาศ SiC ไม่มีจุดหลอมเหลวและสลายตัวโดยตรงผ่านอุณหภูมิการระเหยที่สูงกว่าประมาณ 2,000 °C ตามการคาดการณ์ทางทฤษฎี สารละลาย SiC สามารถก่อตัวได้ภายใต้สภาวะที่รุนแรงเท่านั้น ซึ่งสามารถเห็นได้จากไดอะแกรมเฟสไบนารี Si-C (รูปที่ 4) โดยพิจารณาจากการไล่ระดับอุณหภูมิและระบบสารละลาย ยิ่ง C ในสารละลาย Si สูงขึ้นจะเปลี่ยนแปลงจาก 1at.% ถึง 13at.% การอิ่มตัวของ C ที่ขับเคลื่อน อัตราการเติบโตจะเร็วขึ้น ในขณะที่แรง C ที่ต่ำของการเติบโตคือความอิ่มตัวของ C ที่ถูกครอบงำโดยความดัน 109 Pa และอุณหภูมิที่สูงกว่า 3,200 °C การทำให้อิ่มตัวเกินระดับสามารถผลิตพื้นผิวเรียบได้ [22, 36-38] อุณหภูมิระหว่าง 1,400 ถึง 2,800 °C ความสามารถในการละลายของ C ในสารละลายซิลิกอนจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 1at.% ถึง 13at.% แรงผลักดันของการเจริญเติบโตคือความอิ่มตัวเกินระดับ C ซึ่งถูกครอบงำโดยการไล่ระดับอุณหภูมิและระบบสารละลาย ยิ่งความอิ่มตัวเกินระดับ C สูงขึ้น อัตราการเจริญเติบโตก็จะยิ่งเร็วขึ้น ในขณะที่ความอิ่มตัวเกินระดับ C ต่ำจะผลิตพื้นผิวเรียบ [22, 36-38]
รูปที่ 4: แผนภาพเฟสไบนารีของ Si-C [40]
การเติมธาตุโลหะทรานสิชั่นหรือธาตุหายากลงในซิลิกอนไม่เพียงแต่จะช่วยลดอุณหภูมิการเจริญเติบโตได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังดูเหมือนจะเป็นวิธีเดียวที่จะปรับปรุงความสามารถในการละลายของคาร์บอนในซิลิกอนหลอมเหลวได้อย่างมาก การเติมโลหะกลุ่มทรานสิชั่น เช่น ไททาเนียม [8, 14-16, 19, 40-52], โครเมียม [29, 30, 43, 50, 53-75], โคบอลต์ [63, 76], เหล็ก [77-80] เป็นต้น หรือโลหะหายาก เช่น ซีอี [81], วาย [82], ซิลิกอนหลอมเหลว จะทำให้ความสามารถในการละลายของคาร์บอนเกิน 50at.% ในสถานะที่ใกล้เคียงกับสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ นอกจากนี้ เทคนิค LPE ยังเหมาะสำหรับการใช้สารเจือปน P ในซิลิกอน ซึ่งสามารถทำได้โดยการผสมโลหะผสม Al ลงในซิลิกอนหลอมเหลว
ตัวทำละลาย [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83] อย่างไรก็ตาม การผสม Al นำไปสู่การเพิ่มความต้านทานของผลึกเดี่ยว SiC ชนิด P [49, 56] นอกเหนือจากการเจริญเติบโตของชนิด N ภายใต้การเติมไนโตรเจน
การเจริญเติบโตของสารละลายโดยทั่วไปเกิดขึ้นในบรรยากาศก๊าซเฉื่อย แม้ว่าฮีเลียม (He) จะมีราคาแพงกว่าอาร์กอน แต่เป็นที่นิยมของนักวิชาการหลายคนเนื่องจากมีความหนืดต่ำกว่าและมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า (8 เท่าของอาร์กอน) [85] อัตราการอพยพและปริมาณโครเมียมใน 4H-SiC นั้นใกล้เคียงกันภายใต้บรรยากาศฮีเลียมและอาร์กอน ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการเติบโตภายใต้สภาวะ Heresults มีอัตราการเติบโตที่สูงกว่าการเติบโตภายใต้สภาวะ Ar เนื่องมาจากการกระจายความร้อนที่มากขึ้นของตัวเก็บเมล็ด [68] ฮีเลียมขัดขวางการก่อตัวของช่องว่างภายในผลึกที่เติบโตและนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเองในสารละลาย จากนั้นจึงสามารถได้สัณฐานวิทยาพื้นผิวที่ราบรื่น [86]
เอกสารฉบับนี้จะแนะนำการพัฒนา การใช้งาน และคุณสมบัติของอุปกรณ์ SiC และวิธีการหลักสามวิธีในการปลูกผลึกเดี่ยว SiC ในส่วนต่อไปนี้ จะมีการทบทวนเทคนิคการปลูกผลึกเดี่ยว SiC ในปัจจุบันและพารามิเตอร์หลักที่เกี่ยวข้อง และสุดท้าย ได้มีการเสนอแนวทางที่กล่าวถึงความท้าทายและงานในอนาคตเกี่ยวกับการปลูกผลึกเดี่ยว SiC จำนวนมากโดยใช้วิธีการปลูกด้วยสารละลาย
เวลาโพสต์ : 01-07-2024