Három SIC egykristályos növekedési technológia

A SIC egykristályok termesztésének fő módszerei:Fizikai gőz szállítás (Pvt), Magas hőmérsékletű kémiai gőzlerakódás (HTCVD)ésMagas hőmérsékleti oldat növekedése (HTSG)- Amint az az 1. ábrán látható. Közülük a PVT módszer a legérettebb és szélesebb körben alkalmazott módszer ebben a szakaszban. Jelenleg a 6 hüvelykes egykristályos szubsztrát iparosodott, és a 8 hüvelykes egykristályt az Egyesült Államokban a Cree 2016-ban is sikeresen termesztette. Ennek a módszernek azonban olyan korlátozásai vannak, mint például a nagy hibás sűrűség, az alacsony hozam, a nehéz átmérőjű kiterjesztés és a magas költségek.

A HTCVD módszer azt az elvet használja, hogy az SI és C forrásgáz kémiailag reagáljon, hogy a SIC -t kb. 2100 ℃ magas hőmérsékleti környezetben hozzon létre a SIC egykristályok növekedésének elérése érdekében. A PVT módszerhez hasonlóan ez a módszer is magas növekedési hőmérsékletet igényel, és magas növekedési költségekkel jár. A HTSG módszer különbözik a fenti két módszertől. Alapvető alapelve az SI és C elemek feloldódásának és reprekciósának felhasználása magas hőmérsékletű oldatban a SIC egykristályok növekedésének elérése érdekében. A jelenleg széles körben alkalmazott műszaki modell a TSSG módszer.

Ez a módszer elérheti a SIC növekedését egy közel-termodinamikai egyensúlyi állapotban alacsonyabb hőmérsékleten (2000 ° C alatt), és a megnövekedett kristályok a magas színvonalú, olcsó, egyszerű átmérőjű tágulás és egyszerű stabil p-típusú dopping előnyeivel rendelkeznek. Ez várhatóan a PVT módszer után nagyobb, magasabb minőségű és alacsonyabb költségű SIC kristályok előkészítésére szolgál.

1. ábra. A három SIC egyetlen kristálynövekedési technológiájának alapelveinek vázlatos diagramja

01 A TSSG által termesztett SIC egykristályok fejlesztési előzményei és jelenlegi állapota

A SIC termesztésére szolgáló HTSG -módszer több mint 60 éves története.

1961 -ben Halden et al. Először egy magas hőmérsékletű Si olvadékból kapott SIC egykristályokat, amelyekben a C feloldódott, majd feltárta a SIC egykristályok növekedését egy magas hőmérsékletű oldatból, amely Si+X-ből áll (ahol X egy vagy több elem Fe, Cr, SC, PR, PR stb.).

1999 -ben Hofmann et al. A németországi Erlangeni Egyetemen a Pure SI-t ön-fluxusként használták, és a magas hőmérsékletű és nagynyomású TSSG módszert használták az 1,4 hüvelyk átmérőjű SIC egykristályok termesztésére, és először körülbelül 1 mm vastagságú.

2000-ben tovább optimalizálták a folyamatot, és 20-30 mm átmérőjű és akár 20 mm vastagságú SIC kristályokat termesztettek, a Pure Si-t ön-fluxusként, nagynyomású AR atmoszférában 100-200 bar-ban, 1900-2400 ° C-on.

Azóta a japán, a dél -koreai, a francia, a kínai és más országok kutatói egymás után kutatást végeztek a SIC egykristályos szubsztrátok növekedéséről a TSSG módszerrel, amely miatt a TSSG módszer az utóbbi években gyorsan fejlődik. Közülük Japánt a Sumitomo Metal és a Toyota képviseli. Az 1. és a 2. táblázat a sumitomo fém kutatási előrehaladását mutatja a SIC egykristályok növekedésében, a 2. és a 3. táblázat pedig a Toyota fő kutatási folyamatát és reprezentatív eredményeit mutatja.

Ez a kutatócsoport 2016-ban elkezdte kutatni a SIC kristályok növekedését a TSSG módszerrel, és sikeresen megszerezte a 2 hüvelykes 4H-SIC kristályt, 10 mm vastagságú. A közelmúltban a csapat sikeresen termesztett egy 4 hüvelykes 4H-SIC kristályt, amint azt a 4. ábra mutatja.

2. ábra.Optikai fotó a sumitomo metal csapata által termesztett SIC kristályról a TSSG módszerrel

3. ábra.A Toyota csapata reprezentatív eredményei a SIC egyetlen kristályok termesztésében a TSSG módszer alkalmazásával

4. ábra. A Kínai Tudományos Akadémia Fizikai Intézetének reprezentatív eredményei a SIC egyetlen kristályok termesztésében a TSSG módszerrel

02 A SIC egykristályok termesztésének alapelvei a TSSG módszerrel

A SIC -nek nincs olvadáspontja a normál nyomáson. Amikor a hőmérséklet eléri a 2000 ℃ fölött, közvetlenül gázol és bomlik. Ezért nem lehetséges a SIC egykristályok termesztése az ugyanazon összetétel lassan hűtése és megszilárdításával, azaz az olvadás módszerével.

Az Si-C bináris fázisdiagram szerint az SI-ben gazdag végén van egy „L+sic” kétfázisú régió, amely lehetőséget teremt a SIC folyékony fázisának növekedésére. A tiszta Si oldhatósága azonban túl alacsony, ezért hozzá kell adnia a fluxust az SI olvadékhoz, hogy elősegítse a C-koncentráció növelését a magas hőmérsékletű oldatban. Jelenleg a SIC egykristályok HTSG módszerrel történő termesztésének mainstream műszaki módja a TSSG módszer. Az 5 (a) ábra a SIC egykristályok tssg módszerrel történő termesztésének elvének vázlatos diagramja.

Közülük a magas hőmérsékletű oldat termodinamikai tulajdonságainak szabályozása, valamint az oldott transzport-folyamat és a kristálynövekedés dinamikájának szabályozása a teljes növekedési rendszerben az oldott C-k kínálatának és igényének jó dinamikus egyensúlyának elérése érdekében a SIC egykristályok növekedésének jobb megvalósításához a TSSG módszerrel.

5. ábra. (A) A SIC egyetlen kristálynövekedésének vázlatos diagramja a TSSG módszerrel; b) Az L+SIC kétfázisú régió hosszanti szakaszának vázlatos diagramja

03 A magas hőmérsékletű oldatok termodinamikai tulajdonságai

A SIC egyetlen kristályának a TSSG módszerrel történő növelésének kulcsa az elég C magas hőmérsékletű oldatokba történő feloldás. A fluxus elemek hozzáadása hatékony módszer a C oldhatóságának növelésére a magas hőmérsékletű oldatokban.

Ugyanakkor a fluxus elemek hozzáadása szintén szabályozza a magas hőmérsékletű oldatok sűrűségét, viszkozitását, felületi feszültségét, fagyasztási pontját és más termodinamikai paramétereit, amelyek szorosan kapcsolódnak a kristálynövekedéshez, ezáltal közvetlenül befolyásolják a kristálynövekedés termodinamikai és kinetikai folyamatát. Ezért a fluxus elemek kiválasztása a legkritikusabb lépés a TSSG módszer elérésében a SIC egyetlen kristályok termesztésére, és ez a kutatási fókusz ezen a területen.

Az irodalomban számos bináris, magas hőmérsékletű megoldási rendszerről számoltak be, köztük a Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, Sc-Si, Ni-Si és Co-Si. Közülük a CR-Si, a Ti-Si és a Fe-Si bináris rendszerei, valamint a többkomponensű rendszerek, mint például a CR-CE-Al-Si, jól fejlettek, és jó kristálynövekedési eredményeket kaptak.

A 6 (a) ábra a SIC növekedési sebesség és a hőmérséklet közötti összefüggést mutatja a CR-Si, Ti-Si és Fe-Si három különböző magas hőmérsékleti oldatrendszerében, amelyet Kawanishi et al. 2020 -ban a japán Tohoku Egyetemen.

Amint a 6. ábra (b) ábrán látható, Hyun et al. Tervezte a magas hőmérsékletű oldatrendszerek sorozatát, amelynek összetételi aránya Si0.56Cr0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, Cr, MN, Fe, Co, Ni, Cu, Rh és PD).

6. ábra. a) A SIC egykristály növekedési üteme és a hőmérséklet közötti kapcsolat különböző, magas hőmérsékleti oldatrendszerek használatakor

04 Növekedési kinetikai szabályozás

A kiváló minőségű SIC egykristályok jobb megszerzése érdekében is szabályozni kell a kristály csapadék kinetikáját. Ezért a SIC egykristályok termesztésére szolgáló TSSG módszer másik kutatási fókuszában a kinetika szabályozása a magas hőmérsékletű oldatokban és a kristálynövekedési felületen.

A szabályozás fő eszköze a következők: a vetőmag kristály és a tégely forgási és húzási folyamata, a hőmérsékleti mező szabályozása a növekedési rendszerben, a tégely szerkezetének és méretének optimalizálása, valamint a magas hőmérsékletű oldat konvekciójának a külső mágneses mező általi szabályozása. Az alapvető cél a hőmérsékleti mező, az áramlási mező és az oldott koncentráció mezőjének szabályozása a magas hőmérsékletű oldat és a kristálynövekedés közötti interfészen, hogy a SIC jobb és gyorsabb csapadékát rendezzük a magas hőmérsékletű oldatból, és kiváló minőségű, nagy méretű egykristályokká váljanak.

A kutatók számos módszert kipróbáltak a dinamikus szabályozás elérésére, például a Kusunoki et al. A 2006 -ban bejelentett munkájukban, valamint a Daikoku et al.

2014 -ben Kusunoki et al. Hozzáadott egy grafitgyűrű-struktúrát, mint merítési útmutatót (IG) a tégelybe, hogy elérje a magas hőmérsékletű oldat konvekciójának szabályozását. A grafitgyűrű méretének és helyzetének optimalizálásával egyenletes felfelé irányuló oldott szállítási módot lehet létrehozni a vetőmagkristály alatti magas hőmérsékletű oldatban, ezáltal javítva a kristály növekedési sebességét és minőségét, amint azt a 7. ábra mutatja.

7. ábra: (a) A magas hőmérsékletű oldat-áramlás és a hőmérséklet-eloszlás szimulációs eredményei a tégelyben; 

b) A kísérleti eszköz vázlatos diagramja és az eredmények összefoglalása

05 A TSSG módszer előnyei a SIC egyetlen kristályok termesztésére

A TSSG módszer előnyei a növekvő SIC egyetlen kristályokban a következő szempontok tükröződnek:

(1) A SIC egykristályok termesztésére szolgáló magas hőmérsékletű oldat-módszer hatékonyan javíthatja a mikrotbumok és más makroszibolyók kijavítását a vetőmagkristályban, ezáltal javítva a kristály minőségét. 1999 -ben Hofmann et al. Az optikai mikroszkópon keresztül megfigyelt és bizonyította, hogy a mikrotubák hatékonyan lefedhetők a SIC egyetlen kristályok TSSG módszerrel történő termesztésének folyamatában, amint azt a 8. ábra mutatja.

8. ábra: A mikrotubák eltávolítása a SIC egykristály növekedése során TSSG módszerrel:

(A) A TSSG által termesztett SIC kristály optikai mikrográfja átviteli módban, ahol a növekedési réteg alatti mikrotubák egyértelműen láthatók; 

(B) Ugyanazon terület optikai mikrográfja reflexiós módban, jelezve, hogy a mikrotbumok teljesen lefedték.

(2) A PVT módszerrel összehasonlítva a TSSG módszer könnyebben elérheti a kristályátmérő tágulást, ezáltal növelve a SIC egykristályos szubsztrát átmérőjét, hatékonyan javítva a SIC -eszközök termelési hatékonyságát és csökkentve a termelési költségeket.

A Toyota és a Sumitomo Corporation releváns kutatócsoportjai sikeresen sikeresen sikerült elérni a mesterségesen szabályozható kristályátmérő -bővítést egy "meniszkusz magasság -kontroll" technológia alkalmazásával, amint azt a 9. ábra (a) és (b) ábra mutatja.

9. ábra: (a) A meniszkusz -kontroll technológia vázlatos diagramja a TSSG módszerben; 

(b) θ növekedési szög változása meniszkusz magassággal és a SIC kristály oldalnézetével, amelyet e technológia kapott; 

c) növekedés 20 órán át 2,5 mm meniszkusz magasságban; 

(D) növekedés 10 órán át 0,5 mm meniszkusz magasságban;

(E) A növekedés 35 órán át, a meniszkusz magassága fokozatosan 1,5 mm -ről nagyobb értékre növekszik.

(3) A PVT módszerrel összehasonlítva a TSSG módszer könnyebben elérhető a SIC kristályok stabil p-típusú doppingjával. Például Shirai et al. A Toyota 2014-ben arról számolt be, hogy alacsony ellenállású P-típusú 4H-SIC kristályokat termesztettek a TSSG módszerrel, a 10. ábra szerint.

10. ábra: (a) A TSSG módszerrel termesztett p-típusú SIC egykristály oldalnézete; 

b) a kristály hosszanti szakaszának átviteli optikai fényképe; 

c) A magas hőmérsékletű oldatból termesztett kristály felső felületi morfológiája 3% Al-tartalommal (atomi frakció)

06 Következtetés és kilátások

A SIC egyszemélyes kristályok termesztésére szolgáló TSSG módszer nagy előrelépést ért el az elmúlt 20 évben, és néhány csapat kiváló minőségű 4 hüvelykes SIC egykristályokat termesztett a TSSG módszerrel.

Ennek a technológiának a továbbfejlesztése azonban a következő kulcsfontosságú szempontokban is áttörést igényel:

(1) az oldat termodinamikai tulajdonságainak mélyreható vizsgálata;

(2) a növekedési ütem és a kristályminőség közötti egyensúly;

(3) stabil kristálynövekedési feltételek kialakítása;

(4) Finomított dinamikus kontroll technológia fejlesztése.

Noha a TSSG -módszer még mindig kissé mögött van a PVT módszer mögött, úgy gondolják, hogy az ezen a területen végzett kutatók folyamatos erőfeszítéseivel, mivel a SIC egyetlen kristályok növekedésének alapvető tudományos problémái folyamatosan megoldódnak, és a növekedési folyamat kulcsfontosságú technológiái folyamatosan meg vannak szakítva, ez a technológia a gyors növekedéshez szükséges, és ezáltal a teljes játék révén a TSSG -nek a növekvő kristályok számára a gyors fejlesztés révén a teljes játék révén a teljes játék. SIC ipar.