Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современной электронной техники требует применения новых материалов для создания приборов, компонентов, изделий, надежно работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Среди широкозонных полупроводников, обладающих высокой твердостью, радиационной, химической и тепловой стойкостью, явлением политипизма, значительный интерес представляет карбид кремния. Его свойства в последнее десятилетие нашли применение в СВЧ, опто-силовой электронике, где в классических рамках пленарной полупроводниковой технологии воспроизводимо получены необходимые структуры и приборы.
В то же время техническая реализация физико-химических характеристик карбида кремния связана не только с вопросами легирования, структурного совершенства, политипизма, но и с разработкой методов получения кристаллов наиболее рациональной геометрической формы применительно к конструкциям и технологии изготовления определенных типов полупроводниковых приборов, сенсоров и устройств. Особую актуальность профилирование приобретает для развития таких применений материала как теплоэлектроника, микромеханика, прикладная оптика, ювелирное дело и др.
Прямые методы формообразования, основанные на механо-химической обработке исходных кристаллов SiC, из-за трудоемкости операции резки, высокой стоимости материала и больших отходов не обладают воспроизводимым качеством. Для управляемого получения относительно простых форм кристаллов в виде цилиндров, трубок, призм, пластин ряда важнейших политигшых модификаций карбида кремния наиболее перспективным является сублимационное профилирование на базе промышленного метода ЛЭТИ.
Задача точного копирования деталей сложной формы может быть успешно решена методами эрозионной технологии. Однако для карбида кремния вопросы, связанные с эрозионной обработкой, мало изучены. Практический интерес представляют два метода: электроэрозия и лучевая эрозия (лазер). Из них метод электроэрозии в жидкой диэлектрической среде при несложной и относительно дешевой технологии профилирования может обеспечить не только высокую точность, но и воспроизводимость. Это существенно расширяет области
применения карбида кремния за счет автоматизированного процесса получения заготовок (деталей) с особыми геометрическими и электрическими параметрами для создания сенсоров, приборов и устройств, в том числе и микросистемной техники.
Вопросы коммерческой пригодности изделий электронной техники на базе профилированных кристаллов SiC непосредственно определяются их структурным совершенством, повышение которого сопряжено с широким комплексом Исследований. Главным из них является установление связи реальной структуры кристаллов с условиями формообразования и свойствами приборов. В целом отмеченная проблема затрагивает как вопросы управления дислокационной структурой, так и управляемого получения и изучения систем трехмерных дефектов различной природы в кристаллах SiC. Неотъемлемой стороной вопроса являются также исследования, направленные на дальнейшее развитие представлений о процессах роста, испарения (сублимации) и хрупкого разрушения монокристаллов SiC. Специфичность свойств профилированных кристаллов SiC обуславливает их функциональную пригодность, которая проявляется в электро-, теплофизических, механических и других характеристиках тестовых структур и приборов, изготовленных в ходе исследований.
Целью данной диссертационной работы является разработка методов размерного профилирования монокристаллов карбида кремния, анализ и установление связи их реальной структуры с процессами формообразования и свойствами тестовых структур и приборов.
Задачи диссертационной работы:
-
Исследование реальной структуры монокристаллов карбида кремния и области их применения.
-
Разработка и исследование методов сублимационного профилирования монокристаллов карбида кремния.
-
Разработка и исследование методов электроэрозионного профилирования монокристаллов карбида кремния.
-
Исследование технического применения и свойств профилированных монокристаллов карбида кремния.
Методы исследования. Выращивание профилированных монокристаллов SiC осуществлялось методом сублимации в вакууме и в среде инертного газа.
Элекгроэрозионное размерное профилирование пластинчатых и объемных кристаллов выполнялось как на промышленных, так и лабораторных установках в жидком диэлектрике по методу вырезания нитевидным электродом и по принципу прошивания. Исследование кристаллической структуры монокристаллов SiC проводилось методами металлографии на базе телевизионного микроскопа с компьютерной обработкой изображения, поляризационными и теневыми методами (метод Теплера и расфокусированной решетки), рентгеното по графическими методами (метод Ланга и Бормана), электронномикроскопическими методами. Для анализа химического состава монокристаллов SiC проводились ЭПР исследования, рентгенофлуоресцентный анализ, химический микроанализ. Электрофизические свойства кристаллов SiC изучались с помощью измерений эффекта Холла и электропроводности. Для изготовления и модификации карбид-кремниевых тестовых структур применялись методы полупроводниковой технологии (ионная имплантация, плазменное травление, термовакуумное напыление, лазерный отжиг и др.). Использовались математические методы расчета и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ
Научная новизна:
1. Разработана методика выращивания профилированных кристаллов SiC с использованием графитовых формообразователей. Экспериментально показано, что основными дефектами в профилированных кристаллах являются блоки, дислокации, трехмерные дефекты, включая отрицательные кристаллы (ОК). Классифицированы системы ОК карбида кремния. Установлено, что центрами зарождения ОК ростовой природы SiC преимущественно служат локальные области, содержащие жидкую фазу (кремний либо металлы растворители).
-
В рамках теории наследования предложена и экспериментально подтверждена модель формирования дислокационной структуры (ДС) кристаллов SiC в процессе выращивания. Установлено, что основными механизмами эволюции ДС являются выклинивание и переползание "наклонных" дислокаций и взаимодействие "торчковых" дислокаций в пачке параллельных дислокаций.
-
Разработаны основные принципы управления ДС кристаллов SiC в процессе выращивания. Предложены и экспериментально реализованы следующие методы получения малодислокационных кристаллов SiC (Nj<10 см*): метод
высокотемпературного роста; метод с испаряющейся затравкой; метод легирования изовалентными примесями; метод сложного профилирования. В рамках перечисленных методов построены модели и выполнено компьютерное моделирование температурных полей и термоупругих напряжений в кристаллах SiC, процессов массопереноса в Іфисталлизационньгх ячейках со сложным профилем канала роста. Полученные теоретические результаты согласуются с экспериментальными данными.
-
Предложены критерии оценки эрозионной стойкости SiC и его политипов, позволяющие учитывать соотношение фаз при эрозии кристаллов. Установлено, что в широком диапазоне энергий электрического разряда возможны три основных режима разрушения SiC: жидкой фазы; испарения (в том числе и взрывного); ударного разрушения.
-
В рамках теплового механизма разрушения кристалла SiC классифицированы и предложены модели импульсных источников теплового потока, возникающих при электроэрозии и обусловленных эффектом Джоуля-Ленда, поверхностным соприкосновением канала разряда с кристаллом и процессами частичного электрического пробоя SiC. Построенные модели позволили рассчитать поля температур и адекватно выполнить анализ с помощью РЭМ морфологию кристалла SiC в зоне эрозии.
-
Синтезирован и изучен новый класс отрицательных кристаллов SiC - OK эрозионной природы. Экспериментально показано, что морфология образующихся ОК в виде лунок и нитевидных, их комбинаций определяется режимом эрозии и кристаллографической ориентацией грани. Установлено, что на уровне единичных разрядов в режиме жидкой фазы проявляется анизотропия эрозионной стойкости полярных граней кристалла SiC.
-
Открыт новый тип эрозионного дефекта в кристаллах SiC - ЕРТдефект, Экспериментально установлено, что симметрия базового элемента EFT дефекта совпадает с симметрией грани кристалла SiC, а наиболее структурно активными элементами дефекта являются шипы з виде нитевидных ОК. Показано, что элементами связи в группах EFT дефектов, сформированных на полярных гранях (0001) кристалла SiC, являются шипы, ориентированные по направлениям типа
. Установлено, что образование EFT дефекта приводит к деформации кристаллической решетки SiC по принципу сжатия.
-
Предложен и апробирован метод разрядного индентирования кристаллов SiC. Показано, что в единичных разрядах фигура разрушения кристалла (след) может служить мерой для оценки хрупкости. Определены баллы хрупкости граней пластинчатых и объемных кристаллов политипа 6Н,
-
Предложен и апробирован метод эрозионной репликации (копирования) структур на основе SiC. Показано, что эффективность копирования может быть значительно увеличена за счет использования пакета пластинчатых кристаллов.
-
Установлено, что экспериментальные зависимости скорости эрозионной резки нитевидным электродом от толщины исходных кристаллов, степени легирования азотом, кристаллографического направления и напряжения холостого хода подобны для различных политипов.
-
Предложен и апробирован метод эрозионной резки объемных кристаллов SiC нитевидным электродом. Установлено, что инициирование электрического разряда в кристаллографическом направлении типа <1120> исключает интенсивное образование магистральных трещин и отслаивание материала в зоне эрозии.
-
Показано, что при резке объемных кристаллов 6Н - SiC формируется неоднородный по структуре нарушенный слой, содержащий в пределе четыре зоны с развитыми фазовыми границами: зона адсорбции; зона отложения материала электрода; зона рекристаллизации; пористая зона.
-
Предложен и апробирован метод получения трубчатого кристалла SiC, в том числе и с винтовой нарезкой по принципу прошивания. Установлено, что наблюдается монотонное снижение скорости съема SiC с увеличением глубины прошивания. Показано, что прошивание сквозных отверстий в пакете пластинчатых кристаллов не вызывает их твердофазного сращивания либо сваривания.
-
Разработана методика получения кольцевых терморезисторов из монокристаллического SiC. Показано, что используя подвижный пористый электрод, насыщенный соответствующим электролитом, можно обеспечить локальное осаждение целого ряда металлов на поверхность кристалла SiC.
-
Разработана методика получения и предложены варианты конструкций зондов термоанемометров из монокристаллов SiC. Показано, что в широком диапазоне температур газового потока термоанемометры сохраняют
чувствительность по напряжению.
-
Разработана методика получения и предложен вариант конструкции пирометрического зонда на основе профилированного кристалла SiC, позволяющего измерять температуру нагретых газовых потоков.
-
Показана возможность изготовления опор вращения (микроподшипников) из монокристаллического SiC, которые могут работать при высоких температурах в различных средах.
-
Установлено, что особенности дислокационной структуры профилированных кристаллов SiC оказывают влияние на вольт-амперные характеристики р-n переходов, сформированных ионной имплантацией алюминия. Показано, что появление больших токов утечки р-n переходов, сформированных в кристаллах, выращенных методом Лели, связано с наличием сильно дефектного Д-слоя и большой плотностью дислокаций, лежащих в базисных плоскостях.
-
Установлено, что система SiC-диэлектрик подвержена воздействию лазерного излучения, что приводит к существенным перестройкам в структуре диэлектрических пленок и области границы раздела. Определены режимы лазерного излучения, при которых наблюдается минимальный фиксированный заряд в диэлектрике, незначительный дрейф ионов и высокая электрическая прочность.
Практическая ценность:
-
Разработана методика выращивания профилированных монокристаллов карбида кремния в виде цилиндров, трубок, пакетов пластинчатых кристаллов, призм для применения в электронике, микросистемной технике, прикладной оптике.
-
Проведено ранжирование технологических факторов, влияющих на структурное совершенство кристаллов SiC, и разработаны методы получения малодислокационных кристаллов для создания приборов электронной техники с улучшенными характеристиками.
-
Разработана новая телевизионно-пирометрическая система для дистанционного измерения температуры графитового тигля.
-
Разработана методика получения трехмерных дефектов эрозионной природы, модифицирующих структуру кристалла SiC, и синтезирован новый тип эрозионного дефекта в SiC - EFT дефект.
5. Разработаны методы:
разрядного индентирования кристаллов SiC для оценки балла хрупкости граней и идентификации кристаллографических характеристик;
эрозионной репликации (копирования) структур различной геометрической формы на основе кристаллов SiC, и получены электротехнологические характеристики процесса;
эрозионной резки объемных кристаллов SiC нитевидным электродом, позволяющий получать тонкие подложки при минимальных отходах;
получения трубчатого кристалла SiC, в том числе и с винтовой нарезкой
-
Предложены варианты конструкций, разработана методика получения и исследованы характеристики сенсоров теплоэлектроники на основе профилированных кристаллов SiC.
-
На примере волоконно-оптического датчика расхода топлива турбинкового типа показана возможность изготовления и применения опор вращения (микроподшипников) из монокристаллического SiC, обладающих повышенным ресурсом эксплуатации.
Реализация в науке и технике. Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в ФГУП НИИ ПТ "РАСТР", ЗАО "Новгородский технопарк", в НовГУ им.Ярослава Мудрого в лекционных курсах "Физико-химические основы технологии электронных средств", "Общая электроника" для студентов инженерных специальностей.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Формирование дислокационной структуры при выращивании профилированных монокристаллов карбида кремния из паровой фазы на затравках определяется наследственным механизмом, включающим процессы дислокационной релаксации, выклинивания, переползания и взаимодействия дислокаций.
2. Принципы управления дислокационной структурой кристаллов карбида кремния в условиях сублимационного профилирования, основанные на изменении коэффициента наследования дислокаций, включают: варьирование тепловыми условиями роста и охлаждения; использование анизотропных свойств затравочного кристалла; выбор оптимальных режимов начальной стадии роста; легирование изовалентными примесями; реализацию сложного профилирования.
-
В условиях электрической эрозии определяющими процессами разрушения кристалла карбида кремния являются: плавление (растворение), испарение и хрупкое разрушение, осуществляющиеся через образование трехмерных дефектов, включая отрицательные кристаллы в виде лунок и нитевидных, а также их комбинаций и кристаллографически ориентированных систем.
-
В единичных разрядах деформация кристаллической решетки карбида кремния как по принципу сжатия, так и растяжения вызывает хрупкое разрушение кристалла, осуществляющееся по базовой системе, включающей плоскости спайности (1010) и отдельности (0001), при этом фигура разрушения может служить мерой для оценки хрупкости граней.
-
Взаимодействие эрозионного фронта с наследуемыми ростовыми дефектами кристалла карбида кремния в виде дислокаций, включений и пор порождает процесс релаксации термоупругих напряжений, сопровождающийся образованием трещин и новых дислокаций.
-
Метод эрозионной репликации, основанный на принципах прошивания и контурной резки нитевидным электродом кристаллов, позволяющий получать карбидокремниевые сенсоры теплоэлектроники наиболее рациональной геометрической формы применительно к функциональному назначению и условиям эксплуатации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на пяти Всесоюзных научно-технических конференциях и совещаниях ("Физико-технические проблемы диэлектриков", Баку 1982 г., "Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные системы", Кемерово 1982 г., "103 Всесоюзная конференция по микроэлектронике", Таганрог 1982 г., "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем", Рязань 1984 г., "VI Всесоюзная конференция по росту кристаллов",. Цахкадзор 1984 г.); на семи Международных конференциях и семинарах ("Полупроводниковый карбид кремния и приборы на его основе", Новгород 1995 г., "Карбид кремния и родственные материалы", Новгород 1997, 2000, 2002, 2004 гг., "Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение", Александров 1997, 2003 г.г.) и одной Всероссийской конференции ("Современное телевидение", Москва 2004 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 54 научные работы, из
них 26 статей, 2 авторских свидетельства, 3 патента, 4 доклада и тезисы к 19 докладам на международных, всесоюзных и российских научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 216 наименований, двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 141 странице машинописного текста. Работа содержит 134 рисунка и 20 таблиц. Краткое содержание работы
