ابتدائی نمو کے مرحلے میں درجہ حرارت کے تدریجی کنٹرول کے ذریعے اعلیٰ معیار کی SiC کرسٹل نمو حاصل کرنا

تعارف

سلکان کاربائیڈ (SiC) ایک وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر مواد ہے جس نے حالیہ برسوں میں ہائی وولٹیج اور اعلی درجہ حرارت کی ایپلی کیشنز میں اپنی غیر معمولی کارکردگی کی وجہ سے خاصی توجہ حاصل کی ہے۔ فزیکل ویپر ٹرانسپورٹ (PVT) طریقوں کی تیز رفتار ترقی نے نہ صرف SiC سنگل کرسٹل کے معیار کو بہتر بنایا ہے بلکہ 150mm SiC سنگل کرسٹل کی تیاری کو بھی کامیابی سے حاصل کیا ہے۔ تاہم، کے معیارSiC ویفرزخاص طور پر خرابی کی کثافت کو کم کرنے کے معاملے میں مزید اضافہ کی ضرورت ہے۔ یہ بات مشہور ہے کہ بڑھے ہوئے SiC کرسٹل کے اندر مختلف نقائص موجود ہیں، بنیادی طور پر SiC کرسٹل کی نمو کے عمل کے دوران خرابی کی تشکیل کے طریقہ کار کی ناکافی سمجھ کی وجہ سے۔ PVT کی ترقی کے عمل پر مزید گہرائی سے تحقیق ضروری ہے تاکہ SiC کرسٹل کے قطر اور لمبائی کو بڑھایا جا سکے جبکہ کرسٹلائزیشن کی شرح کو بھی بڑھایا جائے، اس طرح SiC پر مبنی آلات کی کمرشلائزیشن کو تیز کیا جائے۔ اعلیٰ معیار کی SiC کرسٹل نمو حاصل کرنے کے لیے، ہم نے ابتدائی نمو کے مرحلے کے دوران درجہ حرارت کے تدریجی کنٹرول پر توجہ مرکوز کی۔ چونکہ سلکان سے بھرپور گیسیں (Si, Si2C) ابتدائی نشوونما کے مرحلے کے دوران بیج کے کرسٹل کی سطح کو نقصان پہنچا سکتی ہیں، اس لیے ہم نے ابتدائی مرحلے میں درجہ حرارت کے مختلف گریڈینٹ قائم کیے اور اہم نشوونما کے عمل کے دوران درجہ حرارت کی مستقل C/Si تناسب کے ساتھ ایڈجسٹ کیا۔ یہ مطالعہ منظم طریقے سے تبدیل شدہ عمل کے حالات کا استعمال کرتے ہوئے اگائے جانے والے SiC کرسٹل کی مختلف خصوصیات کو تلاش کرتا ہے۔

تجرباتی طریقے

6 انچ 4H-SiC باؤلز کی نمو PVT طریقہ استعمال کرتے ہوئے 4° آف محور C-چہرہ ذیلی ذیلی جگہوں پر کی گئی۔ ابتدائی ترقی کے مرحلے کے لیے بہتر عمل کے حالات تجویز کیے گئے تھے۔ نمو کا درجہ حرارت 2300-2400 ° C کے درمیان مقرر کیا گیا تھا، اور نائٹروجن اور آرگن گیس کے ماحول میں دباؤ 5-20 Torr پر برقرار رکھا گیا تھا۔ 6 انچ4H-SiC ویفرزمعیاری سیمی کنڈکٹر پروسیسنگ تکنیک کے ذریعے من گھڑت تھے۔ دیSiC ویفرزابتدائی نمو کے مرحلے میں درجہ حرارت کے مختلف درجہ حرارت کے مطابق عمل کیا گیا اور نقائص کا اندازہ کرنے کے لیے 14 منٹ کے لیے 600 ° C پر رکھا گیا۔ سطح کی ایچ پٹ کثافت (EPD) کو آپٹیکل مائکروسکوپ (OM) کا استعمال کرتے ہوئے ماپا گیا۔ نصف زیادہ سے زیادہ (FWHM) اقدار اور نقشہ سازی کی تصاویر پر پوری چوڑائی6 انچ کے SiC ویفرزہائی ریزولوشن ایکس رے ڈفریکشن (XRD) سسٹم کا استعمال کرتے ہوئے ماپا گیا۔

نتائج اور بحث

شکل 1: SiC کرسٹل گروتھ میکانزم کا اسکیمیٹک

اعلیٰ معیار کی SiC سنگل کرسٹل نمو حاصل کرنے کے لیے، عام طور پر اعلیٰ پاکیزگی والے SiC پاؤڈر ذرائع کا استعمال کرنا، C/Si تناسب کو درست طریقے سے کنٹرول کرنا، اور مسلسل ترقی کے درجہ حرارت اور دباؤ کو برقرار رکھنا ضروری ہے۔ مزید برآں، ابتدائی نشوونما کے مرحلے کے دوران بیج کے کرسٹل کے نقصان کو کم کرنا اور بیج کرسٹل پر سطحی نقائص کی تشکیل کو دبانا بہت ضروری ہے۔ چترا 1 اس مطالعے میں SiC کرسٹل گروتھ میکانزم کے اسکیمیٹک کی وضاحت کرتا ہے۔ جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے، بخارات کی گیسیں (ST) کو بیج کرسٹل کی سطح پر منتقل کیا جاتا ہے، جہاں وہ پھیل کر کرسٹل بناتے ہیں۔ کچھ گیسیں جو نمو میں شامل نہیں ہیں (ST) کرسٹل کی سطح سے desorb کرتی ہیں۔ جب بیج کی کرسٹل سطح (SG) پر گیس کی مقدار desorbed gas (SD) سے زیادہ ہو جاتی ہے تو ترقی کا عمل آگے بڑھتا ہے۔ لہذا، ترقی کے عمل کے دوران مناسب گیس (SG)/گیس (SD) تناسب کا مطالعہ RF ہیٹنگ کوائل کی پوزیشن کو تبدیل کرکے کیا گیا۔

شکل 2: SiC کرسٹل گروتھ پروسیس کنڈیشنز کا اسکیمیٹک

شکل 2 اس مطالعہ میں SiC کرسٹل ترقی کے عمل کے حالات کی منصوبہ بندی کو ظاہر کرتا ہے۔ عام ترقی کے عمل کا درجہ حرارت 2300 سے 2400 ° C تک ہوتا ہے، دباؤ 5 سے 20 Torr پر برقرار رہتا ہے۔ ترقی کے عمل کے دوران، درجہ حرارت کا میلان dT=50~150°C (a) روایتی طریقہ پر برقرار رکھا جاتا ہے۔ بعض اوقات، ماخذ گیسوں کی غیر مساوی فراہمی (Si2C، SiC2، Si) کے نتیجے میں اسٹیکنگ فالٹس، پولی ٹائپ انکلوژن، اور اس طرح کرسٹل کے معیار کو گرا سکتا ہے۔ لہذا، ابتدائی ترقی کے مرحلے میں، RF کنڈلی کی پوزیشن کو تبدیل کر کے، dT کو احتیاط سے 50~100°C کے اندر کنٹرول کیا گیا، پھر dT=50~150°C کے ساتھ بنیادی نمو کے عمل کے دوران ایڈجسٹ کیا گیا (b) بہتر طریقہ) . درجہ حرارت کے میلان کو کنٹرول کرنے کے لیے (dT[°C] = Tbottom-Tupper)، نیچے کا درجہ حرارت 2300°C پر طے کیا گیا تھا، اور اوپر کا درجہ حرارت 2270°C، 2250°C، 2200°C سے 2150°C پر ایڈجسٹ کیا گیا تھا۔ جدول 1 10 گھنٹے کے بعد مختلف درجہ حرارت کے تدریجی حالات میں اگنے والی SiC بولی سطح کی آپٹیکل مائکروسکوپ (OM) تصاویر پیش کرتا ہے۔

جدول 1: مختلف درجہ حرارت کے تدریجی حالات کے تحت 10 گھنٹے اور 100 گھنٹے تک اگائی گئی SiC بولی سطح کی آپٹیکل مائکروسکوپ (OM) تصاویر

ابتدائی dT = 50 ° C پر، 10 گھنٹے کی نمو کے بعد SiC بول سطح پر خرابی کی کثافت dT = 30 ° C اور dT = 150 ° C کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم تھی۔ dT=30°C پر، ابتدائی درجہ حرارت کا میلان بہت چھوٹا ہو سکتا ہے، جس کے نتیجے میں بیج کرسٹل کا نقصان اور خرابی پیدا ہوتی ہے۔ اس کے برعکس، اعلی ابتدائی درجہ حرارت کے میلان (dT=150°C) پر، ایک غیر مستحکم سپر سیچوریشن حالت واقع ہو سکتی ہے، جس کے نتیجے میں پولی ٹائپ کی شمولیت اور زیادہ خالی جگہوں کی وجہ سے نقائص پیدا ہوتے ہیں۔ تاہم، اگر ابتدائی درجہ حرارت کے میلان کو بہتر بنایا جائے تو، ابتدائی نقائص کی تشکیل کو کم سے کم کرکے اعلیٰ معیار کی کرسٹل نمو حاصل کی جاسکتی ہے۔ چونکہ 100 گھنٹے کی نمو کے بعد SiC بولی سطح پر خرابی کی کثافت 10 گھنٹے کے بعد کے نتائج کی طرح تھی، اس لیے ابتدائی ترقی کے مرحلے کے دوران خرابی کی تشکیل کو کم کرنا اعلیٰ معیار کے SiC کرسٹل حاصل کرنے کا ایک اہم مرحلہ ہے۔

جدول 2: مختلف درجہ حرارت کے تدریجی حالات کے تحت Etched SiC بولس کی EPD قدریں

ویفرز100 گھنٹے تک اگائے جانے والے باؤلز سے تیار کردہ سی سی کرسٹل کی خرابی کی کثافت کا مطالعہ کرنے کے لیے کھدائی کی گئی تھی، جیسا کہ جدول 2 میں دکھایا گیا ہے۔ ابتدائی dT=30°C اور dT=150°C کے تحت اگائے گئے SiC کرسٹل کی EPD قدریں 35,880/cm² اور 25,660 تھیں۔ بالترتیب /cm²، جبکہ بہتر حالات (dT=50°C) کے تحت اگائے گئے SiC کرسٹل کی EPD قدر نمایاں طور پر 8,560/cm² تک کم ہو گئی۔

جدول 3: مختلف ابتدائی درجہ حرارت کے تدریجی حالات کے تحت SiC کرسٹلز کی FWHM قدریں اور XRD نقشہ سازی کی تصاویر

جدول 3 مختلف ابتدائی درجہ حرارت کے تدریجی حالات میں اگائے گئے SiC کرسٹل کی FWHM اقدار اور XRD نقشہ سازی کی تصاویر پیش کرتا ہے۔ بہتر حالات (dT=50°C) کے تحت اگائے جانے والے SiC کرسٹل کی اوسط FWHM ویلیو 18.6 آرک سیکنڈ تھی، جو کہ دیگر درجہ حرارت کے تدریجی حالات میں اگائے جانے والے SiC کرسٹل کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم ہے۔

نتیجہ

SiC کرسٹل کے معیار پر ابتدائی نمو کے مرحلے کے درجہ حرارت کے میلان کے اثر کا مطالعہ کوائل کی پوزیشن کو تبدیل کرکے درجہ حرارت کے میلان (dT[°C] = Tbottom-Tupper) کو کنٹرول کرکے کیا گیا۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ ابتدائی dT = 50 ° C حالات کے تحت 10 گھنٹے کی ترقی کے بعد SiC بول سطح پر خرابی کی کثافت dT = 30 ° C اور dT = 150 ° C کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم تھی۔ بہتر حالات میں اگائے گئے SiC کرسٹل کی اوسط FWHM ویلیو (dT=50°C) 18.6 آرک سیکنڈ تھی، جو کہ دیگر حالات میں اگائے جانے والے SiC کرسٹل سے نمایاں طور پر کم ہے۔ اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ درجہ حرارت کے ابتدائی میلان کو بہتر بنانا مؤثر طریقے سے ابتدائی نقائص کی تشکیل کو کم کرتا ہے، اس طرح اعلیٰ معیار کی SiC کرسٹل نمو حاصل ہوتی ہے۔**