1.3.3 «Сэндвич» метод

Этот метод используется для нанесения эпитаксиальных слоев на кристаллы и подложки карбида кремния. Основной особенностью сэндвич-метода является то, что источником и затравкой служат кристаллы полупроводникового материала. Рост в таких системах характеризуется малыми потерями компонента паровой фазы и очень высокой эффективностью процесса переноса. Испаряющую поверхность источника карбида кремния и ростовую поверхность затравочного монокристалла карбида кремния располагают, образуя зону роста, параллельно друг другу на расстоянии, не превышающем 0,2 максимального линейного размера источника. Рост монокристаллов ведут в графитовом тигле в среде инертного газа при температурах 1600-2000˚C с осевым температурным градиентом 5-200˚C/см в направлении от затравочного монокристалла к источнику.

1 – исходное сырье; 2 – затравочный монокристалл карбида кремния;

3 – графитовый тигель

Рисунок 1.5 – Схема тигля для получения кристаллов карбида кремния сэндвич-методом

При малых зазорах между источником карбида кремния и затравочным монокристаллом удается существенно снизить потери паров карбида кремния из зоны роста и направить их поток по кратчайшему пути от источника до ростовой поверхности затравочного монокристалла. При этом зона роста экранируется от внешних источников примесей, что обеспечивает снижение концентрации примесей в выращиваемом монокристалле. Кроме того, небольшой относительно размера источника карбида кремния зазор между испаряющей поверхностью источника и ростовой поверхностью затравочного монокристалла, позволяет поддерживать однородную температуру вдоль их поверхностей и контролировать перепад температур между ними.

Одно из основных преимуществ метода — квазиизолированность пары источник — подложка от внешней среды, что позволяет получать бездислокационные слаболегированные высокоомные эпитаксиальные структуры. Путем изменения температуры и/или градиента температуры можно легко регулировать соотношение скоростей диффузионного массопереноса и гетерогенных химических реакций на поверхностях источника и подложки.

Однако указанный способ имеет ряд недостатков. Одним из них является малый объем выращиваемых монокристаллов (толщина менее 1 мм), связанный с резким замедлением скорости роста при увеличении времени кристаллизации вследствие улетучивания кремния по краям зоны роста за ее пределы и, как следствие, выделения избыточного углерода на испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности выращиваемого монокристалла, тормозящего процесс роста. При этом монокристаллы, полученные указанным методом, имеют дефекты в виде включений 2-ой фазы (преимущественно графита), пор, имеющих плотность больше 100 на см²и дислокаций не менее 10^-4 на см², а также имеют относительно низкую чистоту по остаточным примесям (бор, кислород и др.).

Кроме того, на начальном этапе процесса роста возможно взаимодействие паров кремния, образующихся при испарении источника карбида кремния, с материалом танталового контейнера, приводящее к образованию сплава тантала с кремнием, обладающего низкой температурой плавления и, как следствие, разрушение контейнера при рабочих температурах роста [13].