碳化硅升華生長(zhǎng)溫度測(cè)控研究

摘要：通過(guò)調(diào)節(jié)中頻感應(yīng)線圈的輸出功率來(lái)改變碳化硅升華生長(zhǎng)坩堝的加熱溫度，并采用 NaCl 和 Al2O3 進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，觀察不同輸出功率下燒結(jié)后的形貌變化，確定了相應(yīng)的溫度，得到了輸出功率與加熱溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了精確的溫度控制。將測(cè)溫結(jié)果與紅外光電高溫計(jì)的測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果制備SiC晶粒。拉曼光譜結(jié)果表明SiC多型為6H，SiC晶粒分布均勻，SiC晶粒尺寸均勻致密。

引言

第三代半導(dǎo)體材料SiC具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高臨界電場(chǎng)、高飽和電子漂移速度等優(yōu)異的物理性能，并且具有化學(xué)穩(wěn)定性和耐輻射性，是制備高性能半導(dǎo)體材料的有希望的候選材料。電力、耐高溫、高頻和耐輻射器件、紫外線探測(cè)器和短波長(zhǎng)發(fā)光二極管[1-3]。

物理氣相傳輸（PVT）生長(zhǎng)是制備大尺寸SiC晶體的主要方法。其基本工作原理是SiC粉末被加熱到2000℃升華，氣相在軸向溫度梯度的作用下轉(zhuǎn)移到SiC籽晶表面，并在溫度較低的SiC籽晶表面重結(jié)晶并定向生長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)[4]。氣體壓力、溫度場(chǎng)分布、氣相成分、籽晶質(zhì)量等各種參數(shù)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中起著重要作用，而且這些參數(shù)之間存在相關(guān)性，難以實(shí)現(xiàn)有效控制，因此，大量的微管、制備的碳化硅晶體中會(huì)存在位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、小角度晶界等缺陷[5-9]。這些缺陷嚴(yán)重影響晶體的質(zhì)量，其應(yīng)用前景和范圍受到限制。

坩堝內(nèi)溫度場(chǎng)分布是影響晶體質(zhì)量的重要因素[10]。由于各種SiC多型晶體具有一致的晶體相容性和相似的形成能，這往往會(huì)導(dǎo)致在一定條件下制備的SiC晶體中多種多型結(jié)構(gòu)共存[11,12]，因此坩堝內(nèi)溫度的精確控制對(duì)于獲得高的SiC晶體性能至關(guān)重要。優(yōu)質(zhì)碳化硅晶體。SiC晶體的生長(zhǎng)溫度超過(guò)2000℃，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中反應(yīng)室是密封的，這意味著我們只能使用紅外光電測(cè)溫儀從外部通過(guò)特定的窗口測(cè)量?jī)?nèi)部溫度，而在漫長(zhǎng)的晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，窗口很容易被污染，這使得兩者都會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。另外，由于溫度相對(duì)較高且存在氣體運(yùn)動(dòng)，只能得到相對(duì)溫度。這種測(cè)量方式對(duì)高質(zhì)量SiC晶體的生長(zhǎng)也有負(fù)面影響，因?yàn)闇y(cè)溫孔直接暴露在生長(zhǎng)室中，在高溫下有明顯的輻射現(xiàn)象，造成熱量損失和溫度場(chǎng)分布的變化，所制備的晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中容易出現(xiàn)缺陷。

在本文中，我們報(bào)告了一種精確測(cè)量和控制碳化硅升華生長(zhǎng)溫度的新方法。通過(guò)調(diào)節(jié)中頻感應(yīng)線圈的輸出功率來(lái)改變生長(zhǎng)坩堝內(nèi)的加熱溫度，觀察不同輸出功率下燒結(jié)的NaCl和Al2O3的形貌變化，確定相應(yīng)的溫度。系統(tǒng)研究了溫度與輸出功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到了SiC升華生長(zhǎng)溫度的測(cè)量和精確控制方法。測(cè)溫結(jié)果與紅外光電高溫計(jì)的測(cè)溫結(jié)果一致。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）和拉曼光譜分析了在適當(dāng)升華溫度下制備的SiC的生長(zhǎng)結(jié)果，并研究了中頻感應(yīng)線圈的輸出功率與加熱溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為升華生長(zhǎng)溫度的選擇和控制提供了依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以高純SiC粉(99.999%)、NaCl粉(99.99%)和Al2O3(99.99%)為原料,通過(guò)調(diào)節(jié)中頻感應(yīng)線圈的輸出功率來(lái)調(diào)節(jié)溫度。當(dāng)加熱NaCl和Al2O3時(shí)，腔內(nèi)壓力為10Torr，時(shí)間分別為1h和1.5h。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用紅外光電高溫計(jì)監(jiān)測(cè)溫度。然后，在原料區(qū)溫度為2300℃，室中壓力為10Torr，時(shí)間為2h進(jìn)行SiC升華生長(zhǎng)。使用拉曼光譜分析多型結(jié)構(gòu)，并使用FESEM表征所制備的SiC顆粒的表面形貌。

結(jié)果與討論

NaCl 和 Al2O3 的溫度測(cè)量

將30g NaCl樣品置于相同結(jié)構(gòu)的石墨坩堝中，通過(guò)中頻感應(yīng)線圈對(duì)坩堝進(jìn)行加熱（見(jiàn)圖1），輸出功率設(shè)置為4.5 kw、4.2 kw、4.1 kw、4.0 kw、3.9 kw，功率分別為3.8 kw和3.7 kw，結(jié)果如表1所示。當(dāng)輸出功率小于3.9 kw時(shí)，由于坩堝內(nèi)溫度升高，氯化鈉樣品形成較小的硬度結(jié)塊，坩堝蓋上出現(xiàn)微量升華顆粒。在這些輸出功率下未達(dá)到 NaCl 的熔點(diǎn)（801 ℃）。當(dāng)輸出功率大于4.0 kw時(shí)，隨著輸出功率的增加，NaCl樣品開(kāi)始熔化，并在坩堝蓋內(nèi)表面重結(jié)晶，原料區(qū)殘留的NaCl量減少，坩堝內(nèi)表面晶粒數(shù)量減少。坩堝蓋明顯增大。因此，我們認(rèn)為，當(dāng)中頻感應(yīng)線圈的輸出功率為4.0 kw時(shí)，加熱溫度約為NaCl的熔點(diǎn)溫度（801 ℃）。

圖1 石墨坩堝示意圖；（一）原料區(qū)；(2)晶粒生長(zhǎng)區(qū)域。

表1 不同輸出功率下NaCl樣品的燒結(jié)結(jié)果。

同樣，將30g Al2O3樣品置于同一坩堝中加熱，輸出功率分別設(shè)置為8.0kw、7.9kw、7.8kw、7.7kw、7.6kw、7.5kw和7.4kw。結(jié)果如表2所示。當(dāng)輸出功率小于7.6 kw時(shí)，由于坩堝內(nèi)溫度未達(dá)到Al2O3的熔點(diǎn)(2030 ℃)，Al2O3樣品形成較小的硬度結(jié)塊，坩堝蓋上出現(xiàn)微量的升華晶粒。當(dāng)輸出功率大于7.7 kw時(shí)，Al2O3樣品開(kāi)始在坩堝蓋內(nèi)表面熔化并再結(jié)晶，隨著輸出功率的增加，原料區(qū)殘留Al2O3量減少，晶粒數(shù)量增加。剩余樣品和Al2O3晶粒的形貌如圖2所示。剩余的Al2O3表現(xiàn)出明顯的沸騰狀態(tài)，并且Al2O3晶粒的尺寸隨著輸出功率的增加而增大，這表明當(dāng)介質(zhì)的輸出功率工頻感應(yīng)線圈功率為7.7kW，加熱溫度約為Al2O3的熔點(diǎn)溫度（2030℃）。

圖2 不同輸出功率下Al2O3樣品的形貌；(a) 7.7 千瓦和 (b) 8.0 千瓦；不同輸出功率下坩堝蓋上Al2O3顆粒的形貌；(c) 7.7 千瓦和 (d) 8.0 千瓦。

表2 不同輸出功率下Al2O3樣品的燒結(jié)結(jié)果。

中頻感應(yīng)線圈的輸出功率與加熱溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可近似視為線性關(guān)系。利用上述實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)，可以建立輸出功率與加熱溫度之間的定量關(guān)系：

y = 3.01 × 10^-3^x + 1.59 (y > 3)

式中，x為加熱溫度，y為中頻感應(yīng)線圈的輸出功率，式中y>3。

基于上述定量關(guān)系，在任意輸出功率下都可以獲得相應(yīng)的溫度，這對(duì)SiC升華生長(zhǎng)的溫度控制具有重要意義，為我們實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)溫度的精確控制提供了可能。

紅外測(cè)溫

在上述測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中，我們認(rèn)為輸出功率與加熱溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系是線性的，以驗(yàn)證上述對(duì)應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確性，我們將計(jì)算結(jié)果與紅外光電高溫計(jì)測(cè)量的溫度進(jìn)行了比較，選擇的三種輸出功率分別為7.7 kw、8.2 kw和8.5 kw。根據(jù)上述關(guān)系，對(duì)應(yīng)的溫度分別為2029.9℃、2196℃、2295.7℃。為了準(zhǔn)確獲得各輸出功率對(duì)應(yīng)的加熱溫度，各輸出功率設(shè)定值保持30 min以上進(jìn)行熱平衡。加熱溫度隨著輸出功率設(shè)定值的增加而逐漸升高，當(dāng)加熱時(shí)間持續(xù)30 min以上時(shí)趨于穩(wěn)定（見(jiàn)圖3）。輸出功率為7.7kw、8.2kw、8.5kw時(shí)，實(shí)測(cè)溫度分別為2030℃、2193.1℃、2287.7℃，與計(jì)算結(jié)果分別相差0.1℃、-2.9℃、-8℃。隨著溫度升高，差異增大，這是由于熱損失導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際加熱溫度相比略低，這是由隔熱毛氈溫度計(jì)孔造成的。同樣的原因，紅外測(cè)溫方法也不適合監(jiān)測(cè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中坩堝內(nèi)部的溫度，因?yàn)闇囟扔?jì)孔處的熱輻射會(huì)影響溫度場(chǎng)的均勻性和所制備晶體的質(zhì)量。同時(shí)，上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了我們從NaCl和Al2O3燒結(jié)實(shí)驗(yàn)中得到的定量關(guān)系的可靠性和可行性。

圖 3 (a) 輸出功率和 (b) 加熱溫度的加熱時(shí)間依賴性。

拉曼光譜分析

微激光拉曼光譜是測(cè)定SiC晶體多晶型的常用方法，因此，通過(guò)拉曼光譜對(duì)制備的SiC晶粒進(jìn)行了表征（見(jiàn)圖4）。根據(jù)聲子色散曲線，6H-SiC一般為軸模A、平面模E1和平面模E2，其對(duì)應(yīng)的拉曼位移為967 cm-1、889 cm-1、788 cm-1、777 cm-1、766 cm-1、513.5 cm-1、504 cm-1、266 cm-1、241 cm-1、150 cm-1 和 146 cm-1 按降序排列[13,14]。從圖 4 可以看出，所制備的 SiC 晶粒的拉曼位移與 6H-SiC 一致，因此 SiC 多型體為 6H，說(shuō)明在適宜的溫度和壓力下，在不加籽晶的情況下，所得產(chǎn)物為 6H-SiC。

圖4 6H-SiC晶粒的拉曼光譜。

表面形貌分析

圖5(a)為SiC晶粒的照片，可以看出SiC晶粒均勻致密，表明SiC升華生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度場(chǎng)合適且均勻。圖5(b)是生長(zhǎng)的SiC晶粒的FESEM圖像?？梢钥闯?，升華生長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有籽晶，所制備的SiC晶粒尺寸均勻致密，這也歸功于適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ΑＲ虼?，再次?yàn)證了我們的測(cè)溫方法的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)坩堝內(nèi)加熱溫度的精確監(jiān)測(cè)和控制。

結(jié)論

綜上，通過(guò) NaCl 和 Al2O3 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，得到了中頻感應(yīng)線圈的輸出功率與坩堝內(nèi)加熱溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與溫度進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所獲得的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確性和可靠性。采用紅外光電高溫計(jì)測(cè)量。采用該控溫方法在2300 ℃下制備了SiC，并對(duì)制備的SiC進(jìn)行了FESEM和拉曼光譜表征，結(jié)果表明，在適宜的溫度和壓力下制備的SiC多型體為6H，晶粒均勻致密。上述結(jié)果表明，通過(guò)溫度測(cè)量可以確定生長(zhǎng)坩堝內(nèi)的溫度，實(shí)現(xiàn)了精確的溫度控制。

來(lái)源：半導(dǎo)體信息

審核編輯：湯梓紅