Введение к работе
Актуальность темы
Карбид кремния является уникальным по своим свойствам полупроводниковым материалом. В настоящее время известно более 120 политипов карбида кремния, среди которых наиболее часто встречаются ЗС, 6Н и 4Н. С точки зрения использования в электропике карбид кремния имеет широкий диапазон значений ширины запрещенной зоны: от 2.2 эВ (ЗС) до 3.3 эВ (2Н), а также высокие значения насыщения дрейфовой скорости электронов (2-Ю7 см/с для 6Н), напряженности пробоя электрического поля (5-Ю6 В/см) и теплопроводности (3.5 Вт/см-К) при 300 К. На основе карбида кремния возможно изготовление широкого спектра приборов, работающих при высоких температурах, на высоких частотах, светоизлучающих диодов видимого и ультрафиолетвого диапазона, датчиков ультрафиолетвого излучения, а также мощных и радиационностойких приборов.
Основная задача в настоящее время состоит в развитии массового производства монокристаллов карбида кремния с низкой концентрацией дефектов и высокой однородностью свойств по сечению. Для этого должны быть изучены процессы, протекающие в реакторе во время роста кристаллов. В настоящее время эти процессы еще недостаточно изучены вследствие невозможности проведения непосредственных экспериментальных исследований из-за очень высоких рабочих температур в зоне роста.
Быстрое развитие вычислительной техники за последние двадцать лет привело к возможности создания компьютерных программ, моделирующих различные технологические процессы. Разработанные математические модели и методы решения типовых задач технологии полупроводниковых материалов позволяют после некоторых упрощений моделей использовать персональные ЭВМ для проведения вычислительных экспериментов. Вычислительный эксперимент, дополняя натурный, дает возможность независимо изменять различные технологические параметры с целью выяснения их влияния на процессы, протекающие в ростовой зоне, и, таким образом, резко сократить материальные затраты на проведение экспериментов.
Ранее в лаборатории широкозонных полупроводников ЛЭТИ (в настоящее время СПбГЭТУ) была предложена модель массопереноса в режиме молекулярного пучка для условий получения карбида кремния «сэндвич-методом». В настоящее время выращивание монокристаллов SiC осуществляется, как правило, в среде инертного газа при давлениях не ниже 10"3 атм, и перенос материала осуществляется в диффузионном и, возможно, конвекционном режиме. Кроме того, в разработанных ранее моделях теплопереиоса в процессе роста монокристаллов SiC использовались значительные упрощения, и модели носили
оценочный характер. В связи с этим возникла необходимость создания новой модели, более полно описывающей эти процессы.
Как показывает анализ публикаций и материалов конференций последних лет, монокристаллы SiC, получаемые методом сублимации, содержат большое количество различных дефектов, что сдерживает широкое применение материале в электронике. Основными дефектами в кристаллах SiC являются микропоры дислокации, напряжения и блоки. Необходимость тщательного анализа причин возникновения дефектов в процессе роста обусловлена также невоспроизводимостью дефектной структуры и, следовательно, разбросоїу характеристик структурно-чувствительных свойств кристалла не только от образца к образцу, но и в пределах кристалла. Поэтому при разработке моделі: процессов, связанных с ростом монокристаллов карбида кремния, былг предусмотрена возможность ее применения для изучения причин образование некоторых дефектов.
Таким образом, тема диссертационной работы представляется актуальной.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы являлось изучение влиянш различных технологических условий на процесс получения объемны* монокристаллов карбида кремния, выявление некоторых причин возникновени; дефектов в кристаллах, а также упрощение подбора условий для полученш монокристаллов карбида кремния с помощью моделирования процессов связанных с ростом монокристаллов SiC методом сублимации.
Для выполнения поставленной цели были сформулированы конкретные задачи диссертационной работы:
-
Разработать модель для описания процессов тепло- и массопереноса пр* выращивании монокристаллов карбида кремния методом сублимации.
-
Разработать модель для расчета термоупругих напряжений, возникающих і слитках карбида кремния во время роста, а также для описания эволюцш микропор в кристаллах в условиях, близких к ростовым.
-
Создать пакет программ, позволяющих проведение вычислительны? экспериментов на основе разработанных моделей.
-
Изучить влияние различных технологических условий на процесс полученш объемных монокристаллов карбида кремния с помощью проведения сервд вычислительных экспериментов.
-
На основании анализа результатов проведенных вычислительны? экспериментов внести изменения в существующую технологию полученш монокристаллов SiC.
Методы исследовании
В настоящей работе для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования и вычислительного эксперимента, а также исследования плотности дислокаций и распределения напряжений в монокристаллах SiC методами рентгеновской топографии, рентгеновской дифрактометрии и химического травления в расплаве КОН.
Научная новизна работы
-
Создана комплексная модель для описания тепло- и массопереноса при выращивании монокристаллов карбида кремния методом сублимации, учитывающая перенос тепла теплопроводностью и излучением, а также массоперенос в диффузионном и конвекциошюм режимах.
-
Создан пакет программ и методика проведения вычислительных экспериментов. Таким образом, создано основное ядро для дальнейшего моделирования частных процессов образования различных дефектов и определения способов предотвращения их образования.
-
Переход к выращиванию монокристаллов большого диаметра (2 дюйма и выше) приводит к перераспределению сдвиговых напряжений в кристалле от фронта роста к тыльной стороне слитка и увеличению напряжений по абсолютной величине.
Научные положения, выносимые на защиту
Выращивание монокристаллов SiC в атмосфере водорода по сравнению с традиционной атмосферой аргона позволяет снизить изменение соотношения кремния к углероду в паровой фазе у поверхности роста в течение всего процесса.
При проведении сублимационного роста монокристаллов карбида кремния диаметром от 1 до 3 дюймов при температурах 2000-2500С, давлениях аргона или водорода 0.001-1 атм и соответствующих характерных размерах ростовой ячейки, число Рэлея не достигает критического значения, и реализуется диффузионный механизм массопереноса.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Международной конференции Европейского общества по исследованию материалов (EMRS-96, Страсбург, Франция, 1996); на Международной конференции по высокотемпературной электронике (НІТЕС-96, Альбукерк, США, 1996); на Международном научном семинаре "Полупроводниковый карбид кремния и приборы на его основе" {Новгород, 1995); на Международном научном семинаре "Карбид кремния и родственные материалы" (Новгород, 1997).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них три статьи и пять докладов на международных конференциях и семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 90 наименований. Основная часть работы изложена на 102 страницах машинописного текста. Работа содержит 38 рисунков и одну таблицу.