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介绍

碳化硅作为一种具有代表性的宽带隙半导体材料,由于其优异的半导体性能,在制造高温、高频、大功率电子器件方面显示出巨大的潜力。目前,碳化硅晶锭最成熟的制备技术是物理蒸汽输送法(PVT)。近年来,在增大晶体直径、消除外来多型夹杂物和微管密度几乎为零等方面取得了重大进展。然而,SiC晶体中仍存在位错密度高、残余应力大、碳包裹存在等缺陷。在这些缺陷中,碳包裹被认为是一个不可忽视的缺陷,因为它是晶体生长过程中微管和外来多型的重要来源。因此,碳夹杂物的存在大大降低了SiC晶体的质量,限制了SiC基器件的优异性能。

针对碳化硅晶体中的碳包裹体进行了多项研究。人们提出了不同的模型来解释碳包裹体的形成,如对流模型、扩散模型和浓度模型。一般来说,碳化硅粉末的石墨化和生长前沿的富c组分是公认的碳包裹体的两个来源。然而,迄今为止,关于碳包裹的形态、分布和演化还没有详细的研究,其形成机制仍不完全清楚。深入研究这些缺陷在晶体生长过程中的形成机制,是提高SiC基器件晶体质量和性能的前提。

本文系统地研究了碳化硅晶体中的碳包裹体。通过光学显微镜观察形貌,并根据形貌对碳包裹体进行分类。此外,研究了碳包裹体随晶体生长的演化过程,并提出了碳包裹体的形成机理。该研究有助于我们全面了解碳化硅晶体中的碳包裹体,并有助于减少碳化硅晶体中的碳包裹体,从而有助于提高晶体质量。

实验

采用PVT技术制备了直径为100 mm的4H-SiC单晶。用彩色高温计在2100~2300℃范围内监测坩埚顶盖温度。背景压力维持在10 ~ 30 mbar范围内,以Ar为载气。晶体生长后,用多线切割机切割成晶片,然后进行机械研磨和抛光。用光学显微镜(Olympus BX61)观察了碳包裹体的形貌和分布。此外,通过计算从同一晶体切割的不同晶圆中碳夹杂物的数量,记录了碳夹杂物随晶体生长的演化过程。为避免晶圆表面灰尘污染造成误会,所有晶圆在测量前均在洁净室处理。

结果与讨论

碳包裹体的形态与分布

碳包裹是碳化硅生长过程中的第二相包裹,在光学显微镜下观察碳化硅晶圆中呈黑点状。在我们的研究中,我们发现碳包裹体的尺寸在~5 ~1000 μm范围内变化很大。根据碳包裹体的大小,将其分为三种类型。如图1所示,Ⅰ型碳包裹体的尺寸一般在100 ~ 1000 μm之间。由于体积大,Ⅰ型碳夹杂物在SiC晶圆中是肉眼可见的黑点。虽然Ⅰ型碳包裹体形态不同,但都是由许多小碳颗粒组成。此外,Ⅰ型碳包裹体的分布具有随机性,没有发现明显的分布规律。

图1 Ⅰ型碳包裹体的图像。(a)~(d)显示了Ⅰ型碳包裹体的不同形态

图2为Ⅱ型碳包裹图像。结果表明,Ⅱ型碳包裹体的尺寸在20 ~ 50 μm之间。从图2(a)到图2(d),碳包裹体的密度远高于Ⅰ型碳包裹体。但也没有发现Ⅱ型碳包裹体的分布规律。此外,只有在一定的放大倍率下才能观察到Ⅱ型碳包裹体。

图2 Ⅱ型碳包裹体的图像。(a)~(d)为Ⅱ型碳包裹的不同分布

与上述两种类型的碳包裹体相反,Ⅲ型碳包裹体表现出完全不同的方式。一方面,Ⅲ型碳包裹体尺寸最小,约为5 μm;另一方面,Ⅲ型碳包裹体分布非常密集。图3为Ⅲ型碳包裹体的代表图像。注意由于其体积小,在显微镜下难以聚焦,导致图像相对模糊。

图3 Ⅲ型碳包裹体的图像

碳包裹体演化

为了研究不同类型碳包裹体的形成机制,测量了碳包裹体在晶体中的分布演化。图4为晶体生长中Ⅰ型和Ⅱ型碳包裹碳化硅数量变化趋势,横轴表示生长阶段的不同时期。可见,Ⅰ型和Ⅱ型碳包裹对生长阶段有明显的依赖性,主要出现在生长早期。

图4 碳包裹体的演化与晶体生长的关系。

众所周知,PVT的生长主要包括三个过程:加热、晶体生长和冷却。生长腔温度在1800 ~ 2000℃范围内,SiC粉末在晶体生长前发生升华和分解。根据以往的报道,SiC功率主要分解为Si、Si2C和SiC2三种非化学计量气体。三种组分的分压关系为:P(Si) >P(Si2C)≈P(SiC2)。因此,在生长早期就形成了富硅条件。当多余的Si进入生长腔时,首先与石墨坩埚壁发生反应,在坩埚壁表面形成一层薄薄的SiC层。然而,薄碳化硅层与石墨坩埚之间的结合很弱,在随后的加热过程中很容易分离。

当生长温度升高时,薄SiC层分解为C颗粒和含Si组分。C颗粒容易受到生长气体的驱动而吸附在籽晶表面。因此,在生长前沿建立了富c的条件,导致晶体中的Ⅰ型碳包裹体。认为Ⅰ型碳夹杂物的形态与石墨坩埚中预先形成的薄SiC层相同,并释放出Si组分。随着生长温度的升高,石墨坩埚上SiC薄层的形成和分解概率降低。因此,生长中后期形成Ⅰ型碳包裹体的可能性降低。图5为Ⅰ型碳包裹体的形成过程。

图5 Ⅰ型碳包裹体的形成过程。(a) T1时SiC粉末升华,(b) T2时SiC薄层形成,(c) T3时石墨壁上SiC层分解,碳颗粒吸附在籽晶上。注意温度T1 < T2 < T3。

与Ⅰ型碳包裹体相似,Ⅱ型碳包裹体也随着晶体生长的进行呈现减少的趋势。认为Ⅱ型碳包裹体与生长腔内硅碳比有关。在加热和生长初期,生长体系处于富硅状态。随着晶体的生长,Si相的高分压会导致部分Si相从坩埚中泄漏。随着晶体生长的进行,生长腔内Si/C比值逐渐降低,甚至进入富C状态。因此,Si组分对石墨构件的腐蚀程度降低,形成的碳夹杂物尺寸变小,尤其是在生长后期。在高温、低生长压力和温度梯度条件下,向下的重力和向上的阻力决定了碳颗粒是否会被输送到生长前缘。计算得到碳颗粒的最大直径为31.6 μm。考虑到我们实验中的生长参数与他的计算参数的差异,我们认为Ⅱ型碳包裹体的直径与他的计算结果是一致的。

对于Ⅲ型碳夹杂物,不同生长阶段晶圆在特定微观视场内的分布密度没有明显变化。也就是说,Ⅲ型碳包裹体对生长阶段的依赖性较小,Ⅲ型碳包裹体可能与生长前沿热力学平衡的局部变化有关,有待进一步研究。

总结

综上所述,本文系统地研究了碳化硅晶体中的碳包裹体。根据碳包裹体形态,将其分为三种类型。Ⅰ型碳包裹体尺寸最大,为100 ~ 1000 μm,Ⅲ型碳包裹体尺寸最小,为5 μm。Ⅱ型碳包裹体中等大小,为20 ~ 50 μm。结合晶体生长的演化,Ⅰ型和Ⅱ型碳包裹体均可归因于过量Si与石墨坩埚的反应,尤其是在生长前期和生长初期。相反,Ⅲ型碳包裹体对生长期的依赖性较小,表明其与生长表面热力学平衡的局部变化有关,有待进一步研究。


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