SiC ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ചയ്ക്കുള്ള മൂന്ന് പ്രധാന സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ

ചിത്രം 3-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഉയർന്ന നിലവാരവും കാര്യക്ഷമതയും ഉള്ള SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ നൽകാൻ ലക്ഷ്യമിടുന്ന മൂന്ന് പ്രബല സാങ്കേതിക വിദ്യകളുണ്ട്: ലിക്വിഡ് ഫേസ് എപ്പിറ്റാക്സി (LPE), ഫിസിക്കൽ വേപ്പർ ട്രാൻസ്പോർട്ട് (PVT), ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള കെമിക്കൽ വേപ്പർ ഡിപ്പോസിഷൻ (HTCVD). പ്രധാന വേഫർ നിർമ്മാതാക്കളിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു സുസ്ഥിരമായ പ്രക്രിയയാണ് PVT.

എന്നിരുന്നാലും, മൂന്ന് പ്രക്രിയകളും അതിവേഗം വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നതും നൂതനമായിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നതുമാണ്. ഭാവിയിൽ ഏത് പ്രക്രിയയാണ് വ്യാപകമായി സ്വീകരിക്കപ്പെടുക എന്ന് ഇതുവരെ ഉറപ്പിക്കാൻ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ല. പ്രത്യേകിച്ചും, ലായനി വളർച്ചയിലൂടെ ഗണ്യമായ നിരക്കിൽ ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ സമീപ വർഷങ്ങളിൽ റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്, ദ്രാവക ഘട്ടത്തിൽ SiC ബൾക്ക് വളർച്ചയ്ക്ക് സപ്ലൈമേഷൻ അല്ലെങ്കിൽ ഡിപ്പോസിഷൻ പ്രക്രിയയേക്കാൾ കുറഞ്ഞ താപനില ആവശ്യമാണ്, കൂടാതെ P-തരം SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കുന്നതിൽ ഇത് മികവ് പ്രകടമാക്കുന്നു (പട്ടിക 3) [33, 34].

ചിത്രം 3: മൂന്ന് പ്രബലമായ SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ചാ സാങ്കേതിക വിദ്യകളുടെ സ്കീമാറ്റിക്: (എ) ദ്രാവക ഘട്ടം എപ്പിറ്റാക്സി; (ബി) ഭൗതിക നീരാവി ഗതാഗതം; (സി) ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള രാസ നീരാവി നിക്ഷേപം

പട്ടിക 3: SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകൾ വളർത്തുന്നതിനുള്ള LPE, PVT, HTCVD എന്നിവയുടെ താരതമ്യം [33, 34]

സംയുക്ത അർദ്ധചാലകങ്ങൾ തയ്യാറാക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു സ്റ്റാൻഡേർഡ് സാങ്കേതികവിദ്യയാണ് ലായനി വളർച്ച [36]. 1960-കൾ മുതൽ, ഗവേഷകർ ലായനിയിൽ ഒരു ക്രിസ്റ്റൽ വികസിപ്പിക്കാൻ ശ്രമിച്ചു [37]. സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തുകഴിഞ്ഞാൽ, വളർച്ചാ പ്രതലത്തിന്റെ സൂപ്പർസാച്ചുറേഷൻ നന്നായി നിയന്ത്രിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ ഇൻഗോട്ടുകൾ ലഭിക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു വാഗ്ദാന സാങ്കേതികവിദ്യയായി പരിഹാര രീതിയെ മാറ്റുന്നു.

SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലിന്റെ ലായനി വളർച്ചയ്ക്ക്, Si സ്രോതസ്സ് ഉയർന്ന ശുദ്ധമായ Si ഉരുകലിൽ നിന്നാണ് ഉണ്ടാകുന്നത്, അതേസമയം ഗ്രാഫൈറ്റ് ക്രൂസിബിൾ ഇരട്ട ആവശ്യങ്ങൾക്കായി ഉപയോഗിക്കുന്നു: ഹീറ്റർ, C ലായനി ഉറവിടം. C, Si എന്നിവയുടെ അനുപാതം 1 ന് അടുത്തായിരിക്കുമ്പോൾ SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകൾ അനുയോജ്യമായ സ്റ്റോയിക്കിയോമെട്രിക് അനുപാതത്തിൽ വളരാൻ സാധ്യതയുണ്ട്, ഇത് കുറഞ്ഞ വൈകല്യ സാന്ദ്രതയെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു [28]. എന്നിരുന്നാലും, അന്തരീക്ഷമർദ്ദത്തിൽ, SiC ദ്രവണാങ്കം കാണിക്കുന്നില്ല, കൂടാതെ 2,000 °C കവിയുന്ന താപനിലയിൽ ബാഷ്പീകരണം വഴി നേരിട്ട് വിഘടിക്കുന്നു. സൈദ്ധാന്തിക പ്രതീക്ഷകൾ അനുസരിച്ച് SiC ഉരുകുന്നത്, Si-C ബൈനറി ഫേസ് ഡയഗ്രാമിൽ (ചിത്രം 4) നിന്ന് കാണാൻ കഴിയും, താപനില ഗ്രേഡിയന്റും ലായനി സിസ്റ്റവും അനുസരിച്ച്. Si ഉരുകുന്നതിൽ C ഉയർന്നത് 1at.% മുതൽ 13at.% വരെ വ്യത്യാസപ്പെടുന്നു. ഡ്രൈവിംഗ് C സൂപ്പർസാച്ചുറേഷൻ, വളർച്ചാ നിരക്ക് വേഗത്തിലാകും, അതേസമയം വളർച്ചയുടെ കുറഞ്ഞ C ബലം C സൂപ്പർസാച്ചുറേഷൻ ആണ്, അത് 109 Pa മർദ്ദവും 3,200 °C ന് മുകളിലുള്ള താപനിലയും ആധിപത്യം പുലർത്തുന്നു. ഇത് സൂപ്പർസാച്ചുറേഷൻ വഴി ഒരു മിനുസമാർന്ന പ്രതലം സൃഷ്ടിക്കുന്നു [22, 36-38]. 1,400 നും 2,800 °C നും ഇടയിലുള്ള താപനിലയിൽ, Si ഉരുകുന്നതിൽ C യുടെ ലയിക്കുന്നത 1at.% മുതൽ 13at.% വരെ വ്യത്യാസപ്പെടുന്നു. വളർച്ചയുടെ പ്രേരകശക്തി താപനില ഗ്രേഡിയന്റും ലായനി സിസ്റ്റവും ആധിപത്യം പുലർത്തുന്ന C സൂപ്പർസാച്ചുറേഷനാണ്. C സൂപ്പർസാച്ചുറേഷൻ കൂടുന്തോറും വളർച്ചാ നിരക്ക് വേഗത്തിലാകും, അതേസമയം കുറഞ്ഞ C സൂപ്പർസാച്ചുറേഷൻ മിനുസമാർന്ന പ്രതലം സൃഷ്ടിക്കുന്നു [22, 36-38].

ചിത്രം 4: Si-C ബൈനറി ഫേസ് ഡയഗ്രം [40]

സംക്രമണ ലോഹ മൂലകങ്ങളോ അപൂർവ-ഭൂമി മൂലകങ്ങളോ ഡോപ്പിംഗ് ചെയ്യുന്നത് വളർച്ചാ താപനില ഫലപ്രദമായി കുറയ്ക്കുക മാത്രമല്ല, Si ഉരുകുന്നതിലെ കാർബൺ ലയിക്കാനുള്ള കഴിവ് ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്താനുള്ള ഒരേയൊരു മാർഗ്ഗമാണെന്ന് തോന്നുന്നു. Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], തുടങ്ങിയ സംക്രമണ ഗ്രൂപ്പ് ലോഹങ്ങളോ Ce [81], Y [82], Sc, തുടങ്ങിയ അപൂർവ ഭൂമി ലോഹങ്ങളോ Si ഉരുകുന്നതിൽ ചേർക്കുന്നത് തെർമോഡൈനാമിക് സന്തുലിതാവസ്ഥയോട് അടുത്ത അവസ്ഥയിൽ കാർബൺ ലയിക്കാനുള്ള കഴിവ് 50at.% കവിയാൻ അനുവദിക്കുന്നു. മാത്രമല്ല, SiC യുടെ P-തരം ഡോപ്പിംഗിന് LPE സാങ്കേതികത അനുകൂലമാണ്, Al നെ അലോയ് ചെയ്തുകൊണ്ട് ഇത് നേടാനാകും.
ലായകം [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. എന്നിരുന്നാലും, Al ന്റെ സംയോജനം P-തരം SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ പ്രതിരോധശേഷി വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിലേക്ക് നയിക്കുന്നു [49, 56]. നൈട്രജൻ ഡോപ്പിംഗിന് കീഴിലുള്ള N-തരം വളർച്ചയ്ക്ക് പുറമേ,

ലായനി വളർച്ച സാധാരണയായി ഒരു നിഷ്ക്രിയ വാതക അന്തരീക്ഷത്തിലാണ് നടക്കുന്നത്. ഹീലിയം (He) ആർഗണിനേക്കാൾ വിലയേറിയതാണെങ്കിലും, അതിന്റെ കുറഞ്ഞ വിസ്കോസിറ്റിയും ഉയർന്ന താപ ചാലകതയും (ആർഗണിന്റെ 8 മടങ്ങ്) കാരണം പല പണ്ഡിതന്മാരും ഇതിനെ അനുകൂലിക്കുന്നു [85]. 4H-SiC യിലെ മൈഗ്രേഷൻ നിരക്കും Cr ഉള്ളടക്കവും He യും Ar അന്തരീക്ഷവും അനുസരിച്ച് സമാനമാണ്, വിത്ത് ഹോൾഡറിന്റെ വലിയ താപ വിസർജ്ജനം കാരണം Ar നും കീഴിലുള്ള വളർച്ചയേക്കാൾ ഉയർന്ന വളർച്ചാ നിരക്കിൽ ഹെസൾട്ടുകൾക്ക് കീഴിലുള്ള വളർച്ചയുണ്ടെന്ന് തെളിയിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട് [68]. വളർന്ന ക്രിസ്റ്റലിനുള്ളിലെ ശൂന്യത രൂപപ്പെടുന്നതിനെയും ലായനിയിൽ സ്വയമേവയുള്ള ന്യൂക്ലിയേഷനെയും ഇത് തടസ്സപ്പെടുത്തുന്നു, അപ്പോൾ, സുഗമമായ ഉപരിതല രൂപഘടന ലഭിക്കും [86].

ഈ പ്രബന്ധം SiC ഉപകരണങ്ങളുടെ വികസനം, പ്രയോഗങ്ങൾ, ഗുണവിശേഷതകൾ, SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ വളർത്തുന്നതിനുള്ള മൂന്ന് പ്രധാന രീതികൾ എന്നിവ പരിചയപ്പെടുത്തി. തുടർന്നുള്ള വിഭാഗങ്ങളിൽ, നിലവിലുള്ള പരിഹാര വളർച്ചാ സാങ്കേതിക വിദ്യകളും അനുബന്ധ പ്രധാന പാരാമീറ്ററുകളും അവലോകനം ചെയ്തു. അവസാനമായി, പരിഹാര രീതി വഴി SiC സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ ബൾക്ക് വളർച്ചയെക്കുറിച്ചുള്ള വെല്ലുവിളികളെയും ഭാവി പ്രവർത്തനങ്ങളെയും കുറിച്ച് ചർച്ച ചെയ്യുന്ന ഒരു കാഴ്ചപ്പാട് നിർദ്ദേശിക്കപ്പെട്ടു.