автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Процессы обработки затравок для выращивания совершенных объемных монокристаллов полупроводникового карбида кремния методом ЛЭТИ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ОБРАБОТКИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КАРБИДА КРЕМНИЯ.

1.1 Требования к полупроводниковым материалам и подложкам.

1.2 Представление о строении нарушенного слоя монокристаллов после механической обработки.

1.3 Методы исследования нарушенных слоев монокристаллов.

1.3.1 Исследование методом химического травления.

1.3.2 Оптические методы исследования.

1.3.3 Дифракционные методы исследования.

1.3.4 Электронная микроскопия.

1.4 Механическая обработка i^p^ad :;.

1.5 Химико-механическая обработка карбида кремния.

1.6 Травление карбида кремния.

1.7 Ионно-плазменное травление карбида кремния.

1.8 Электрохимическая обработка карбида кремния.

ГЛАВА 2 МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА SIC.

2.1 Способы механической обработки монокристаллов.

2.2 Скорость механической шлифовки монокристаллов карбида кремния

2.3 Исследование поверхности обработанных пластин.

2.4 Двумерная модель шлифовки.

2.5 Экспериментальная проверка модели.

2.6 Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ SIC.

3.1 Механизм электрохимического травления карбида кремния.

3.2 Конструкция экспериментальной установки для электрохимического травления карбида кремния.

3.3 Влияния условий электрохимического травления карбида кремния на толщину получаемых пористых слоев.

3.4 Разработка методики удаления слоев пористого SiC.

3.5 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК НА КАЧЕСТВО ВЫРАЩИВАЕМЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ SIC.

4.1 Выращивание объемных монокристаллов SiC.

4.2 Высокотемпературная установка для выращивания объемных монокристаллов SiC.

4.3 Методика проведения экспериментов.

4.4 Влияние метода обработки поверхности подложки на качество выращиваемых монокристаллов SiC.

4.5 Выводы по четвертой главе.

Карбид кремния (SiC) - один из перспективных широкозонных полупроводниковых материалов для экстремальных условий эксплуатации. В отличие от других широкозонных полупроводников SiC может быть как электронным, так и дырочным. Присущее ему свойство политипизма дает в руки разработчиков не одно вещество, а семейство полупроводниковых материалов единого химического состава, но с широким набором свойств, определяющих особенности приборов. Ширина запрещенной зоны для SiC составляет от 2,4 до 3,3 эВ для разных модификаций. Его теплопроводность при комнатной температуре близка к теплопроводности меди, а это существенно для теплосъема при большой плотности тока. Высокая энергия связи между кремнием и углеродом обеспечивает высокую термическую, радиационную и химическую стойкость материалу и стабильность параметров приборов на его основе. В отличие от многих полупроводни-ковых соединений А В , карбид кремния состоит из широко распространенных в природе дешевых компонентов и не содержит редко встречающихся элементов.

Такое сочетание уникальных свойств SiC открывает перспективу создания элементной базы электроники, необходимой для систем производства и распределения электроэнергии, для систем контроля и управления ядерных реакторов, для систем контроля окружающей среды и других важных областей.

Все отмеченное выше обуславливает повышенный интерес к полупроводниковому карбиду кремния, который особенно усилился в последнее годы. В США, Японии, Германии и других промышленно развитых странах ведутся интенсивные исследования по SiC, растет число фирм, занимающихся выращиванием кристаллов и эпитаксиальных слоев SiC, изготовлением приборов на его основе. Ежегодно проводятся несколько международных конференций по карбиду кремния.

Однако на пути к созданию приборов на основе SiC стоит ряд трудностей как технологического, так и конструкторского плана. Одной из важных проблем на сегодняшний день является уменьшение плотности дефектов в выращиваемых монокристаллах и в частности уменьшение плотности микропор, что имеет огромное значение при создании силовых приборов. Факторов, влияющих на качество выращиваемых кристаллов достаточно много. И одним из немаловажных является качество поверхности затравки. Особенности основного на сегодняшний день метода получения объемных монокристаллов карбида кремния - метода ЛЭТИ - таковы, что исключить влияние затравки на растущий кристалл, путем, например, уменьшения ее размера, невозможно. Диаметр растущего монокристалла определяется диаметром затравки и его разращивание в процессе кристаллизации возможно лишь в небольших пределах.

Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование механического и электрохимического методов обработки поверхности монокристаллов карбида кремния, направленное на усовершенствования технологии подготовки затравок для сублимационного роста.

Исходя из поставленной цели диссертационной работы, были сформулированы следующие задачи:

- оптимизация процесса механической обработки карбида кремния с целью улучшения качества поверхности;

- исследование особенностей электрохимического травления карбида кремния;

- разработка основ технологии неселективного травления Si-грани карбидкремниевых подложек;

- исследование влияния способа обработки затравки для сублимационного роста на совершенство выращиваемых монокристаллов карбида кремния.

Проведенные исследования позволили получить новые научные результаты:

1. Предложен алгоритм теоретического расчета механической шлифовки карбида кремния, позволяющий свести к минимуму повреждение поверхности, сохраняя при этом приемлемую скорость обработки.

2. Исследовано влияние плотности тока, времени травления и состава электролита на скорость электрохимического травления карбида кремния.

3. Исследована взаимосвязь режимов механической и химической обработки карбидкремниевой затравки и плотности микропор в выращиваемых монокристаллах.

Практическая ценность работы:

1. Разработаны основы технологии получения слоев пористого карбида кремния толщиной до 70 мкм на С-грани и до 30 мкм на Si-грани.

2. Предложен способ неселективного травления Si-грани карбид-кремниевой подложки в расплаве КОН путем предварительного электрохимического травления в растворе HF.

3. Показано, что скорость травления пористого слоя на Si-грани карбидкремниевой пластины в расплаве КОН в два - три раза превышает скорость травления монокристалла.

4. Получены зависимости между условиями обработки затравки и плотностью пор в выращиваемом монокристалле SiC. Показано, что подготовка затравки путем электрохимического травления и последующего травления в расплаве КОН позволяет предотвратить проращивание пор из затравки в объем слитка.

На основе полученных результатов сформулированы следующие основные научные положения:

1. При электрохимическом травлении монокристаллов карбида кремния проявляется эффект полярности граней, а именно: скорость электрохимического травления С-грани значительно превышает скорость травления Si- грани.

2. Подготовка затравки путем электрохимического травления и последующего травления в расплаве КОН позволяет предотвратить проращивание пор из затравки в объем слитка.

4.5 Выводы по четвертой главе

1. Проведено экспериментальное исследование влияния способа обработки затравки на качество выращиваемых монокристаллов карбида кремния. Получены графики зависимости плотности пор в выращенном монокристалле от размера зерна абразива, используемого на этапе механической шлифовки.

2. Показано, что последовательная механическая шлифовка затравки на алмазных пастах с размером зерна от 40 до 1 мкм позволяет на порядок уменьшить плотность пор в монокристалле. Однако даже при полировке на самой тонкой пасте плотность пор остается выше, чем в затравке.

3. Травление затравки в расплаве КОН после механической шлифовки ведет к значительному уменьшению плотности пор при том же размере зерна абразива, однако на кремниевой грани травление в расплаве КОН носит селективный характер и поверхность после травления имеет весьма развитый рельеф. В результате все поры, проявившиеся на поверхности затравки, прорастают в объем монокристалла.

4. Применение при подготовке затравки методики электрохимического травления и последующего удаления пористого слоя в расплаве КОН позволяет избежать длительного процесса полировки на тонких пастах, поскольку уже при использовании пасты с зернистостью 20 мкм плотность пор в выращенном монокристалле ниже, чем в затравке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе теоретического расчета режимов механической шлифовки и полировки карбида кремния получены зависимости толщины слоя шлифовальной пасты от прикладываемого давления и скорости вращения диска. По результатам расчета произведена оптимизация процесса шлифовки с целью уменьшения повреждения поверхности.

2. Экспериментально исследованы особенности получения пористых слоев карбида кремния путем электрохимического травления. Получены зависимости толщины слоя от плотности тока, времени травления и состава электролита.

3. Показано, что травление пористого слоя на Si- грани в расплаве КОН происходит неселективно.

4. Показано, что скорость травления пористого карбида кремния в расплаве КОН на Si-грани увеличивается в 2-3 раза по сравнению со скоростью травления монокристалла.

5. Экспериментально исследовано влияния методов обработки подложки на качество выращиваемых на ней монокристаллов. Получена зависимость плотности пор в выращиваемом монокристалле от размера зерна абразива алмазной пасты, используемой для шлифовки затравки.

6. Показано, что подготовка затравки путем электрохимического травления и последующего травления в расплаве КОН позволяет предотвратить проращивание пор из затравки в объем слитка.

1. Дзендзиро Ода Обработка поверхности полупроводников, влияние резкии шлифовки / «Никон буцури таккайси», 1962. т.2, №17. - с.809-818.

2. Капустина Т.П., Порохова Т.Г., Тарновская JI.B. Строение поверхностного слоя шлифованных пластин кремния и германия / «Изв. Вузов. Сер. Приборостроение», 1964. т. VII, №4. - с. 9-12.

3. Никотенко В.И., Мышляев М.М., Еременко В.Г. О пластической деформации кремния в области хрупкого разрушения / «Физика твердого тела», 1967. т.9, №9. - с. 2604-2610.

4. Stikler R., Booker g. Surface damage on abraded silicon specimens / Phil.

5. Magazine, 1963. №8. - p. 859-875.

6. Мошковский A.C. Дефектный слой шлифованного кварца. В кн.: Материалы научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ. Сер. Приборостроение и средства автоматики. М., 1967, с.5.

7. Амосов Р.М, Малинин А.Ю., Маркова Т.Н. Электронно-микроскопические исследования поверхностных нарушений в кремнии, возникающих при механической полировке / «Электронная техника. Сер. Материалы», 1970. вып. 3. - с. 28-31.

8. Солман Р., Ашби К. Современная металлография. Пер. с англ. М., Атомиздат, 1970.

9. Galeckas A. Petrauskas М. Wahab Q. Nonlinear optical investigation of silicon carbide surface properties / Nuclear instruments & methods in physics research, 1992. vol. 65 № 1. - p. 4357

10. Semond F. Douillard L. Jaussaud C. Scanning Tunneling Microscopy Studyof Single Domain beta-SiC(lOO) Surfaces: Growth and Morphology / Surface review and letters, 1998. vol. 5, № 1. - p. 207

11. Yamamoto Т. Maki Т. Kobayashi Т. Surface observation of beta-SiC substrate after negative bias treatment in diamond deposition / Applied surface science, 1997.-vol. 117 /118. p.582

12. Классен-Неклюдова M.B. Выявление и исследование дислокаций в кристаллах различными методами. В кн.: Методы и приборы для контроля качества кристаллов рубина / М., Изд-во АН СССР, 1968. с 19-41.

13. Уманский Я.С. Рентгенография металлов. М., «Металлургия», 1967.

14. К. Maeda, К. Suzuki, S. Fujita, М. Ichihara and S. Hyodo, Defects in Plastically deformed 6H SiC single crystals studied by transmission electron microscopy / Philos. Mag. 1988. A. 57. - p. 573.

15. Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерения параметров полупроводниковых материалов. М., «Металлургия», 1970.

16. Жукова JI.A., Гуревич М.А. Электронография поверхностных слоев и пленок полупроводниковых материалов. М., «Металлургия», 1971.

17. Ирвинг Б. Химическое травление полупроводников В Сб. Травление полупроводников / М., Мир, 1965. с. 9-61.

18. Фост Дж. Травление карбида кремния. В Сб. Травление полупроводников / М., Мир, 1965. с. 265.

19. Drum С.М. Phys. Stat. Solidy, 9, 1965. p. 127.

20. Долотов Н.И., Левчук Б.И., Мааров В.В., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Влияние механической обработки на структуру поверхности монокристаллов карбида кремния / Физика и химия обработки материалов. -№4, 1986.-стр. 69-71.

21. S. Dutta, Improved processing of a-SiC / Advanced Ceramic Mat. 1988, № 3. p. 257

22. L. Tong, M. Mehregany and L. G. Matus Mechanical properties of 3C silicon carbide / Appl. Phys. Lett. 1992. vol. 60. - p. 2992.

23. Qian, W. Skowronski, G. Augustine, R.C. Glass. H. McD. Hobgood, R.H. Hopkins / Characterization of Polishing-Related Surface Damage in (0001) Silicon Carbide Substrates / Journal of the electrochemical society 1995. vol. 142, №12. - p. 4290.

24. С. H. Carter, J. Bentley, Jr. and R. F. Davis, The occurrence of Defects in Silicon carbides as a result of processing mode and applied stress / Proc. Symp. on Defect Properties and Proc. of High-Technology Non-metallic materials, 1984.-p. 351

25. Masao Kikuchi, Yutaka Takahashi, Tadatomo Suga. Mechanochemical polishing of Silicon Carbide single crystal with Cromium(III) oxide abrasive. J. Am. Ceram. Soc., 1992, Vol. 751. p. 189-193.

26. Zhu Z. Muratov V. Fischer Т. E. Tribochemichal polishing of silicon carbide in oxidant solution / Wear : an international journal on the science, 1999. -vol. 225/229.-p. 2848

27. Zhou, L. Audurier, V. Powell, J. A. Chemomechanical polishing of Silicon Carbide I Journal of the electrochemical society, 1997. vol. 144 №6. -p. L161.

28. Faust J.W. в книге: Silicon Carbide a High Temperature Semeconductor, Pergamon Press, London, 1960. - p.403.

29. Ellis R.C., в книге: Silicon Carbide a High Temperature Semiconductor, Pergamon Press, London, 1960. - p.420.

30. Dillon J.A., в книге: Silicon Carbide a High Temperature Semiconductor. Pergamon Press, London, 1960. - p.235.

31. Conway B.E. Theory and Principles of Electrode Processes / Ronald Press, New York.-1965.

32. Knippenberg W.F., / Phil. Res.Repts., 1963. Vol. 18,, - p.270.

33. Purdy R. C.,/J. Amer. Ceram.Soc., 1934.-Vol. 17.-p.39.

34. Lambert С. В., Trickett E.A., Wolff G. A. / J. Electrochem. soc., Boston Meeting Abstracts. -1968.

35. Harris J. M., Gatos H.C., Witt A.F., / J. Electrochem. Soc., Boston Meeting Abstracts. 1968.

36. Chu T.L., Campbll R.B., / J. Electrochem. Soc. 1965. - Vol. 112. - p.955.

37. Thibault N. W., / Amer. Mineralogist, 1944. Vol. 29. - p.249.

38. LeaA.C., / Trans. Brit. Ceram. Soc. 1941. Vol. 40. - p.93.

39. Owman, F. Hallin, C. Janzen, E. Removal of polishing-induced damage from 6H-SiC(0001) substrates by hydrogen etching / Journal of crystal growth, 1996. vol. 167 № 1 / 2. - p. 391

40. Faust J W. в книге: Methods of Experimental Physics, vol. 6, Acad.Press, New York, 1959.-p. 147.

41. Gevers R., Amelinckx S., Dekeyser W, Naturwissensch., 1952. Vol. 39. -p.448.

42. Gerver R., J. Chim. Phys., 1953. Vol. 50. -p.321.

43. Duval C, Inorganic Thermogravimetric Analysis, 2nd ed / Elservler. New York. 1963.

44. Jennings V. J., Sommer A . Chang H. C., / J. Electrochem Soc. 1966. -Vol. 113.-p.728.

45. Брит, пат 1023749. March 23. 1966.

46. Liebmann W. K., J. Electrochem. Soc. 1964. -Vol. 111. - p.885.

47. Brack K., J. Appl. Phys. 1965. - Vol. 36. - p.3560.

48. Gabor T . Jennings V /J. Electrochem Technol. 1953. - Vol. 3. - p.31.

49. Карклина М.И., Саидбеков Д.Т. Травление карбида кремния.- Изв. АН СССР, сер. Неорганические материалы. 1972. - т.8, №2. - с.378-380.

50. Horn F. Н, / Phil. Mag. 1952. - Vol.43. - p. 1210.

51. M. Balooch, D. R. Olander Etching of silicon carbide by chlorine / Surface Science. 1992. - vol. 261. - p. 321.

52. Campbll R. В., Chu T. L. J. Electrochem Soc. 1966. - Vol. 113. - p.825.

53. Harmon C.G, Mixer W. G., A Review of Silicon Carbide, Batelle Memorial Inst. 1952.-№748.

54. Гудков B.A. Крысов Г.А Плазменное травление карбида кремния. /Электронная техника, сер. 1, Электроника СВЧ, 1984, вып. 7(376) . -с. 60-61.

55. Richter С., Espertshuber К., Wagner С., Eickhoff М., Krotz G. Rapid plasma etching of cubic SiC using NF3 /О2 gas mixtures / Material Science & Engineering. 1997. - Vol. B46. - p.160-163.

56. Киреев В.Ю., Данилин B.C., Кузнецов В.И. /Плазмохимическое и ион-но-химическое травление микроструктур. / М.: Радио и связь. 1983. -с. 126.

57. Р.Н. Yih, V. Saxena, A.J. Steckl / 6H-SiC reactive ion etching for the fabrication of semiconductor devices / Inst. Phys. Conf. 1996. Ser № 142, Chapter 3. - p. 621-624.

58. J. W. Palmour, R. F. Davis, Т. M. Vallett and К. B. Bhasin, Dry etching of P-SiC in CF4 and CF4 + 02 mixtures / J. Vac. Sci. Technol. 1986. -Vol.A4. - p. 590.

59. J.B. Casady, E.D. Luckowski, M. Bozack, D. Sheridan, R.W. Johnson, J.R. Williams / Reactive ion etching of 6Hsic using NF3 Inst. Phys. Conf. 1996. -Ser № 142, Chapter 3. p. 625-628.

60. V. Saxena, A.J. Steckl Fast and anisotropic reactive ion etching of 4H and 6H SiC in NF3 / Material Science Forum Vols. 1998. - Vol. 264-268. -p. 829-832.

61. Amellnckx S. Strumane G. J. Appl. Phys. 1960. - Vol.31. - p.1359.

62. Stefan Rysy, Horst Sadowski, Reinhard Helbig Electrochemical etching of silicon carbide / J. Solid State Electrochem. 1999. - Vol. 3. - p. 437- 445

63. M. Murahara, M. Arai and T. Matsumura Excimer Laser induced etching of Silicon-carbide /Mat. Res. Soc. Proc. 1989.-Vol.129.-p.315.

64. Akira Takazawa, Tetsuro Tamura and Masao Yamada Porous P-SiC fabrication by electrochemical anodisation / Jpn. J. Appl. Phys. 1993. -Vol.32. -p. 3148-3149.

65. Joseph Shor at all Direct observation of porous SiC formed by anodisation in HF / Appl. Phys. Lett 1993. - Vol. 62. - p.2836-2838.

66. A.O. Konstantinov, C.I. Harris and E. Jansen/ Electrical properties and formation mechanism of porous silicon carbide / Appl. Phys. Lett. 1993. -Vol. 65.-p. 2699-2701.

67. J. S. Shor, X. G. Zhang and R. M. Osgood, Laser-assisted Photoelectro-chemical etching of n-type p-SiC / J. Electrochem. Soc. 1992. - vol. 139. -p.1213.

68. S.R. Runels, L.M. Eyman / J. Electrochem. Soc. 1994. - Vol.141. -p.1698.

69. T. Nakamura, K. Akamatsu, N. Arakawa / Bull. Jpn. Soc. Precis. Eng. -1985.-Vol.19.-p.120.

70. Gerischer H J. / Vac. Sci. Technol. 1978. - vol. 15. - p. 1422.

71. X.G. Zhang Mechanism of pore formation on n-type silicon / Journal of the electrochemical society. 1991 vol. 138, №12, pi25.

72. R.S. Muller and T.I. Kamins Device electronics for integrated circuits / John Wiley and Sons, New York. 1977.

73. W.G. Johnston and J.J. Gilman / Appl. Phys. 1959. - Vol.30. - p. 129.

74. J.A. Lely. Darstellung von Einkristallen von Siliziumkarbid und Beher-rschung von Art und Menge der eingebauten Vemnreinigungen / Ber. Deutch Keram. Ges. 1955. - Vol. 32. - p. 229-236.

75. R.B. Campbell, H.C. Chang. / Semiconductors and Semimetals. 1970. -Vol.7.-p. 625.

76. Yu.A., Vodakov, E.N. Mokhov, M.G. Ramm, A.D. Roenkov. Epitaxial growth of SiC layers by sublimation sandwich method. Part 1. Growth kinetic / Krist. und Technik. 1979. - Vol. 14, №6. - p. 729-740.

77. E.H. Мохов, Ю.А. Водаков, Г.А. Ломакина. Проблемы управляемого получения легированных структур на базе карбида кремния / В сб.: Проблемы физики и технологии широкозонных полупроводников. -Л., ЛИЯФ. 1979. - с.136-149.

78. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov. Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals / J. Cryst. Growth. 1978. - Vol. 43. - p.209-219.

79. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov. General principles of growing large-size single crystals of various Silicon Carbide Polytypes / J. Crystal Growth. 1981. -Vol. 52.-p. 146-150.

80. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov. / J. Cryst. Growth. 1979. - Vol. 46. - p. 403.

81. Ф. Райхель, Ю.М. Таиров, В.Ф. Цветков. / Изв. АН СССР. Сер. Неорг. матер. 1983.-Т. 19.-е. 67.

82. В.И. Левин, Ю.М. Таиров, М.Г. Траваджян, В.Ф. Цветков, М.А. Чернов. Исследование процесса выращивания монокристал лических слитков а-SiC из газовой фазы / Изв. АН СССР. Сер. Неорг. матер. 1978. - Т. 14, №6.-с. 1062-1066.

83. И.Г. Пичугин, Ю.М. Таиров, Д.А. Яськов. Вакуумная высокотемпературная установка для получения кристаллов SiC / Приборы и техника эксперимента. 1963. - № 4. - с.176-180.

84. В.П. Растегаев. Карбид кремния, легированный алюминием, и его использование в высокотемпературных полупроводниковых приборах и керамических нагревательных элементах: Дис. канд. техн. наук / СПбГЭТУ. СПб, 1994.

85. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov, C.K. Lilov, G.K. Safaraliev. Studies of growth kinetics and polytypism of silicon carbide epitaxial layers grown from vapor phase / J. Cryst. Growth. 1976. - Vol. 36, №1. - p.147-151.