Trzy technologie wzrostu pojedynczych kryształów SIC

Główne metody uprawy pojedynczych kryształów SIC to:Fizyczny transport pary (PVT), Chemiczne osadzanie pary w wysokiej temperaturze (HTCVD)IWzrost roztworu w wysokiej temperaturze (HTSG). Jak pokazano na rycinie 1. Wśród nich metoda PVT jest najbardziej dojrzałą i szeroko stosowaną metodą na tym etapie. Obecnie 6-calowy pojedynczy kryształ został uprzemysłowiony, a 8-calowy pojedynczy kryształ został również z powodzeniem uprawiany przez Cree w Stanach Zjednoczonych w 2016 r. Jednak metoda ta ma ograniczenia, takie jak wysoka gęstość defektów, niska wydajność, rozszerzenie o trudnej średnicy i wysokie koszty.

Metoda HTCVD wykorzystuje zasadę, że źródło SI i źródło C reagują chemicznie, aby wygenerować SIC w środowisku o wysokiej temperaturze około 2100 ℃, aby osiągnąć wzrost pojedynczych kryształów SIC. Podobnie jak metoda PVT, ta metoda wymaga również wysokiej temperatury wzrostu i ma wysoki koszt wzrostu. Metoda HTSG różni się od powyższych dwóch metod. Jego podstawową zasadą jest zastosowanie rozpuszczania i ponownego odkształcenia elementów SI i C w roztworze o wysokiej temperaturze w celu osiągnięcia wzrostu pojedynczych kryształów SIC. Obecnie szeroko stosowanym modelem technicznym jest metoda TSSG.

Ta metoda może osiągnąć wzrost SIC w prawie termodynamicznym stanie równowagi w niższej temperaturze (poniżej 2000 ° C), a kryształy uprawiane mają zalety wysokiej jakości, niskiej, łatwej ekspansji i łatwej ekspansji i łatwego stabilnego domieszkowania typu P. Oczekuje się, że stanie się metodą przygotowywania większych, wyższych i niższych kosztów SIC pojedynczych kryształów po metodzie PVT.

Rycina 1. Schemat zasad trzech technologii wzrostu pojedynczego kryształu SIC

01 Historia rozwoju i obecny status wyhodowanego przez TSG SIC pojedynczych kryształów

Metoda HTSG dla uprawy SIC ma historię ponad 60 lat.

W 1961 r. Halden i in. Najpierw uzyskano pojedyncze kryształy SIC z wysokiej temperatury SI stopu, w którym C został rozpuszczony, a następnie zbadał wzrost pojedynczych kryształów SIC z roztworu o wysokiej temperaturze złożonym z Si+X (gdzie x jest jednym lub więcej elementów Fe, Cr, Sc, Tb, PR itp.).

W 1999 r. Hofmann i in. Z University of Erlangen w Niemczech użył czystego SI jako samozadowolenia i zastosował metodę TSSG o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem do wyhodowania pojedynczych kryształów o średnicy 1,4 cala i grubości około 1 mm po raz pierwszy.

W 2000 r. Następnie zoptymalizowali proces i wyhodowali kryształy SIC o średnicy 20-30 mm i grubości do 20 mm przy użyciu czystego SI jako samozapłania w atmosferze AR o wysokim ciśnieniu 100-200 barów w 1900-2400 ° C.

Od tego czasu naukowcy z Japonii, Korei Południowej, Francji, Chin i innych krajów sukcesywnie przeprowadzają badania dotyczące rozwoju SIC SIN Crystal substrates metodą TSSG, która sprawiła, że ​​metoda TSSG szybko się rozwijała w ostatnich latach. Wśród nich Japonia reprezentuje Sumitomo Metal i Toyota. Tabela 1 i ryc. 2 pokazują postęp badań metalu Sumitomo w rozwoju pojedynczych kryształów SIC, a tabela 2 i ryc. 3 pokazują główny proces badawczy i reprezentatywne wyniki Toyoty.

Ten zespół badawczy zaczął przeprowadzać badania dotyczące rozwoju kryształów SIC metodą TSSG w 2016 r. I z powodzeniem uzyskał 2-calowy kryształ 4H-SIC o grubości 10 mm. Niedawno zespół z powodzeniem wyhodował 4-calowy kryształ 4H-SIC, jak pokazano na rycinie 4.

Rysunek 2.Optyczne zdjęcie SIC Crystal uprawianego przez zespół Sumitomo Metal przy użyciu metody TSSG

Rysunek 3.Reprezentatywne osiągnięcia zespołu Toyoty w uprawie pojedynczych kryształów SIC przy użyciu metody TSSG

Rysunek 4. Reprezentatywne osiągnięcia Instytutu Physics, Chinese Academy of Sciences, w uprawie pojedynczych kryształów SIC przy użyciu metody TSSG

02 Podstawowe zasady uprawy pojedynczych kryształów SIC metodą TSSG

SIC nie ma temperatury topnienia przy normalnym ciśnieniu. Gdy temperatura osiągnie powyżej 2000 ℃, będzie bezpośrednio zgazować i rozłożyć. Dlatego nie jest możliwe uprawę pojedynczych kryształów poprzez powoli chłodzące i zestalone stopy SIC o tej samej kompozycji, to znaczy metoda stopu.

Zgodnie ze schematem fazowym SI-C na końcu „L+SIC” znajduje się dwufazowy region „L+SIC”, który zapewnia możliwość wzrostu SIC w fazie ciekłej. Jednak rozpuszczalność czystego Si dla C jest zbyt niska, dlatego konieczne jest dodanie strumienia do stopu SI, aby pomóc w zwiększeniu stężenia C w roztworze o wysokiej temperaturze. Obecnie głównym trybem technicznym do uprawy pojedynczych kryształów SIC metodą HTSG jest metoda TSSG. Rycina 5 (a) jest schematycznym schematem zasady rosnącego pojedynczych kryształów SIC metodą TSSG.

Wśród nich regulacja właściwości termodynamicznych roztworu o wysokiej temperaturze oraz dynamika procesu transportu substancji rozpuszczonej i interfejsu wzrostu kryształów w celu osiągnięcia dobrej dynamicznej równowagi podaży i zapotrzebowania substancji rozpuszczonej C w całym systemie wzrostu jest kluczem do lepszego uświadomienia sobie wzrostu SIC pojedynczych kryształów metodą TSSG.

Rysunek 5. (A) schemat schematu SIC pojedynczego wzrostu kryształu metodą TSSG; (b) Schematyczny schemat odcinka podłużnego obszaru dwufazowego L+SIC

03 Właściwości termodynamiczne roztworów w wysokiej temperaturze

Rozpuszczenie wystarczająco C w roztwory o wysokiej temperaturze jest kluczem do wzrostu pojedynczych kryształów SIC metodą TSSG. Dodanie elementów strumienia jest skutecznym sposobem na zwiększenie rozpuszczalności C w roztworach o wysokiej temperaturze.

Jednocześnie dodanie elementów strumienia reguluje również gęstość, lepkość, napięcie powierzchniowe, temperaturę zamrażania i inne parametry termodynamiczne roztworów o wysokiej temperaturze, które są ściśle związane ze wzrostem kryształu, w ten sposób bezpośrednio wpływając na procesy termodynamiczne i kinetyczne w wzrostu kryształu. Dlatego wybór elementów strumienia jest najważniejszym krokiem w osiągnięciu metody TSSG dla uprawy pojedynczych kryształów SIC i jest skupieniem badań w tej dziedzinie.

W literaturze zgłoszono wiele binarnych systemów rozwiązań w wysokiej temperaturze, w tym Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-SI, SC-SI, Ni-Si i Co-SI. Wśród nich systemy binarne Cr-Si, Ti-Si i Fe-Si oraz systemy wieloskładnikowe, takie jak CR-C-C-Al-Si, są dobrze rozwinięte i uzyskały dobre wyniki wzrostu kryształów.

Rycina 6 (a) pokazuje związek między szybkością wzrostu SIC a temperaturą w trzech różnych systemach roztworu o wysokiej temperaturze Cr-Si, Ti-Si i Fe-Si, podsumowane przez Kawanishi i in. Uniwersytetu Tohoku w Japonii w 2020 r.

Jak pokazano na rycinie 6 (b), Hyun i in. zaprojektował serię systemów roztworu o wysokiej temperaturze ze współczynnikiem składu SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, Cr, Mn, Fe, CO, NI, CU, RH i PD), aby pokazać rozpuszczalność C.

Rysunek 6. (a) Zależność między SIC pojedynczych kryształów i temperatury przy stosowaniu różnych systemów roztworu o wysokiej temperaturze

04 Regulacja kinetyki wzrostu

Aby lepiej uzyskać wysokiej jakości pojedyncze kryształy SIC, konieczne jest również regulacja kinetyki opadów kryształowych. Dlatego innym badaniem metody TSSG dla uprawy pojedynczych kryształów SIC jest regulacja kinetyki w roztworach wysokotemperaturowych i na interfejsie wzrostu kryształów.

Głównym sposobem regulacji obejmuje: rotację i proces ciągnięcia kryształu nasion i tygla, regulacja pola temperatury w układzie wzrostu, optymalizacja struktury i wielkości tytka oraz regulacja konwekcji roztworu o wysokiej temperaturze przez zewnętrzne pole magnetyczne. Podstawowym celem jest regulacja pola temperatury, pola przepływu i pola substancji rozpuszczonej na interfejsie między roztworem o wysokiej temperaturze a wzrostem kryształów, aby lepiej i szybciej wytrąć SIC z roztworu o wysokiej temperaturze w sposób uporządkowany i wyhodować się w wysokiej jakości pojedyncze kryształy.

Naukowcy wypróbowali wiele metod osiągnięcia dynamicznej regulacji, takich jak „technologia rotacji przyspieszonej tyrstwa” stosowana przez Kusunoki i in. W ich pracy zgłoszonej w 2006 r. Oraz „technologię wzrostu roztworu wklęsłego” opracowana przez Daikoku i in.

W 2014 r. Kusunoki i in. dodał grafitową strukturę pierścienia jako przewodnik zanurzeniowy (IG) w tyglu, aby osiągnąć regulację konwekcji roztworu o wysokiej temperaturze. Optymalizując rozmiar i położenie pierścienia grafitowego, w roztworze o wysokiej temperaturze można ustalić jednolity tryb transportu substancji rozpuszczonej w górę poniżej kryształu nasion, poprawiając w ten sposób szybkość wzrostu i jakości kryształu, jak pokazano na rycinie 7.

Rysunek 7: (a) Wyniki symulacji przepływu roztworu o wysokiej temperaturze i rozkładu temperatury w tyglu; 

(b) Schematyczny schemat urządzenia eksperymentalnego i podsumowanie wyników

05 Zalety metody TSSG dla uprawy pojedynczych kryształów SIC

Zalety metody TSSG w uprawie pojedynczych kryształów SIC znajdują odzwierciedlenie w następujących aspektach:

(1) Metoda roztworu o wysokiej temperaturze do uprawy pojedynczych kryształów SIC może skutecznie naprawić mikrotubki i inne wady makro w krysztale nasion, poprawiając w ten sposób jakość kryształu. W 1999 r. Hofmann i in. zaobserwowano i udowodniono za pomocą mikroskopu optycznego, że mikrotube można skutecznie omawiać w procesie uprawy pojedynczych kryształów SIC metodą TSSG, jak pokazano na rycinie 8.

Rycina 8: Eliminacja mikrotubów podczas wzrostu SIC pojedynczego kryształu metodą TSSG:

(a) mikrografia optyczna kryształu SIC hodowanego przez TSSG w trybie transmisji, gdzie można wyraźnie zobaczyć mikrotubki poniżej warstwy wzrostu; 

(b) Mikrografia optyczna o tym samym obszarze w trybie odbicia, co wskazuje, że mikrotubki zostały całkowicie pokryte.

(2) W porównaniu z metodą PVT metoda TSSG może łatwiej osiągnąć ekspansję średnicy kryształu, zwiększając w ten sposób średnicę SIC pojedynczego kryształu, skutecznie poprawiając wydajność produkcji urządzeń SIC i zmniejszając koszty produkcji.

Odpowiednie zespoły badawcze Toyota i Sumitomo Corporation z powodzeniem osiągnęły sztucznie kontrolowaną ekspansję o średnicy kryształów, stosując technologię „Control podwyżki łąkotki”, jak pokazano na rysunku 9 (a) i (b).

Rycina 9: (a) schematyczny schemat technologii sterowania meniskum w metodzie TSSG; 

(b) zmiana kąta wzrostu θ z wysokością łąkotki i widokiem z boku kryształu SIC uzyskanego przez tę technologię; 

(c) wzrost przez 20 godzin na wysokości menisku 2,5 mm; 

(d) wzrost przez 10 godzin na wysokości menisku 0,5 mm;

(e) Wzrost przez 35 godzin, przy czym wysokość menisku stopniowo wzrasta z 1,5 mm do większej wartości.

(3) W porównaniu z metodą PVT metoda TSSG jest łatwiejsza do osiągnięcia stabilnego domieszkowania typu p kryształów SIC. Na przykład Shirai i in. Toyota poinformowała w 2014 r., Że zwiększyli one niską oporność P-SIC 4H-SIC metodą TSSG, jak pokazano na rycinie 10.

Rycina 10: (a) widok z boku SIC typ pojedynczego kryształu typu p hodowanego metodą TSSG; 

(b) transmisja optyczna zdjęcie podłużnego odcinka kryształu; 

(c) Morfologia górnej powierzchni kryształu wyhodowanego z roztworu o wysokiej temperaturze o zawartości AL 3% (frakcja atomowa)

06 WNIOSEK I PERSPERTY

Metoda TSSG dla uprawy pojedynczych kryształów SIC poczyniła ogromny postęp w ciągu ostatnich 20 lat, a kilka zespołów wyrosło o wysokiej jakości 4-calowe pojedyncze kryształy SIC metodą TSSG.

Jednak dalszy rozwój tej technologii nadal wymaga przełomów w następujących kluczowych aspektach:

(1) dogłębne badanie właściwości termodynamicznych roztworu;

(2) równowaga między tempem wzrostu a jakością kryształów;

(3) ustanowienie stabilnych warunków wzrostu kryształów;

(4) Rozwój rafinowanej technologii kontroli dynamicznej.

Chociaż metoda TSSG jest nadal nieco za metodą PVT, uważa się, że przy ciągłych wysiłkach badaczy w tej dziedzinie, ponieważ podstawowe naukowe problemy związane z uprawą pojedynczych kryształów SIC metodą TSSG są stale rozwiązywane, a kluczowe technologie w procesie wzrostu są ciągle przebijane, te technologie będą się uprzemysłowione z branży SIC.