Tri technológie SIC s jedným kryštálom

Hlavné metódy pestovania jednovrokryštálov SIC sú:Fyzikálny transport pár (PVT), Vysokoteplotné ukladanie chemickej pary (HTCVD)aRast roztoku s vysokým teplotou (HTSG). Ako je znázornené na obrázku 1. Medzi nimi je metóda PVT v tejto fáze najzrelejšou a najčastejšie používanou metódou. V súčasnosti bol 6-palcový substrát s jedným kryštálom industrializovaný a 8-palcový jednokryštál bol tiež úspešne pestovaný Cree v Spojených štátoch v roku 2016. Táto metóda má však obmedzenia, ako je vysoká hustota defektov, nízky výnos, náročná expanzia priemeru a vysoké náklady.

Metóda HTCVD používa princíp, že zdroj zdroja SI a plyn C reagujú chemicky, aby sa vytvoril SIC vo vysokoteplotnom prostredí približne 2100 ℃ na dosiahnutie rastu jednovrstvových kryštálov SIC. Rovnako ako metóda PVT, aj táto metóda vyžaduje aj vysokú teplotu rastu a má vysoké náklady na rast. Metóda HTSG sa líši od vyššie uvedených dvoch metód. Jeho základným princípom je použitie rozpustenia a opakovania prvkov SI a C v roztoku s vysokou teplotou na dosiahnutie rastu jednotlivých kryštálov SIC. V súčasnosti používaným technickým modelom je metóda TSSG.

Táto metóda môže dosiahnuť rast SIC v takmer termodynamickom rovnovážnom stave pri nižšej teplote (pod 2000 ° C) a pestované kryštály majú výhody vysokej kvality, nízkej cenovej, ľahkej expanzie priemeru a ľahkého stabilného dopingu typu p. Očakáva sa, že sa stane metódou na prípravu väčších, kvalitnejších a lacnejších jednotlivých kryštálov SIC po metóde PVT.

Obrázok 1. Schematický diagram princípov troch technológií rastu SIC s jedným kryštálom

01 História vývoja a aktuálny stav TSSG-pestovaných SIC jednokryštálov

Metóda HTSG na pestovanie SIC má históriu viac ako 60 rokov.

V roku 1961 Halden a kol. Najprv získali SIC jednodielne kryštály z vysokoteplotnej taveniny SI, v ktorej sa C rozpustil, a potom preskúmal rast SIC jednovrstvových kryštálov z vysokoteplotného roztoku zložený zo Si+x (kde x je jeden alebo viac prvkov Fe, CR, SC, SC, TB, PR atď.).

V roku 1999 Hofmann a kol. Z University of Erlangen v Nemecku používala čistú Si ako samostatný tok a použila metódu vysokej teploty a vysokotlaku TSSG na pestovanie SIC jednodielnych kryštálov s priemerom 1,4 palca a hrúbkou asi 1 mm prvýkrát.

V roku 2000 ďalej optimalizovali tento proces a pestovali kryštály SIC s priemerom 20-30 mm a hrúbkou až 20 mm s použitím čistého Si ako samotu vo vysokotlakovej AR atmosfére 100-200 bar pri 1900-2400 ° C.

Odvtedy vedci v Japonsku, Južnej Kórei, Francúzsku, Číne a ďalších krajinách postupne vykonali výskum rastu jednotlivých kryštálových substrátov SIC pomocou metódy TSSG, vďaka ktorej sa v posledných rokoch rýchlo rozvíja metóda TSSG. Medzi nimi je Japonsko zastúpené Sumitomo Metal a Toyota. Tabuľka 1 a obrázok 2 ukazujú, že výskumný pokrok kovu Sumitomo v raste jednotlivých kryštálov SIC a tabuľka 2 a obrázok 3 ukazujú hlavný výskumný proces a reprezentatívne výsledky Toyota.

Tento výskumný tím začal vykonávať výskum rastu kryštálov SIC pomocou metódy TSSG v roku 2016 a úspešne získal 2-palcový kryštál 4H-SIC s hrúbkou 10 mm. Tím nedávno úspešne vyrástol 4-palcový 4H-SIC Crystal, ako je znázornené na obrázku 4.

Obrázok 2.Optická fotografia SIC Crystal pestovaná tímom Sumitomo Metal pomocou metódy TSSG

Obrázok 3.Reprezentatívne úspechy tímu Toyota v pestovaní jednosmerných kryštálov SIC pomocou metódy TSSG

Obrázok 4. Reprezentatívne úspechy Inštitútu fyziky, Čínska akadémia vied, v pestovaní jednokryštálov SIC pomocou metódy TSSG

02 Základné princípy pestovania jednovrstín SIC pomocou metódy TSSG

SIC nemá žiadny bod topenia pri normálnom tlaku. Keď teplota dosiahne nad 2000 ℃, bude priamo splynúť a rozkladať sa. Preto nie je možné pestovať jednovrstvové kryštály SIC pomalým ochladením a upevňovaním taveniny SIC toho istého zloženia, tj metódy taveniny.

Podľa binárneho fázového diagramu SI-C existuje na konci bohatým na Si v dvojfázovej oblasti „L+SIC“, ktorá poskytuje možnosť rastu SIC kvapalnej fázy. Rozpustnosť čistého Si pre C je však príliš nízka, takže je potrebné pridať tok k tavenine SI, aby sa pomohlo pri zvyšovaní koncentrácie C vo vysokom teplote roztoku. V súčasnosti je hlavným technickým režimom pre pestovanie jednovrstín SIC pomocou metódy HTSG TSSG. Obrázok 5 (a) je schematickým diagramom princípu rastúceho jednotlivých kryštálov SIC pomocou metódy TSSG.

Medzi nimi je regulácia termodynamických vlastností vysokoteplotného riešenia a dynamika procesu transportu rozpustených látok a rozhrania rastu kryštálov na dosiahnutie dobrej dynamickej rovnováhy dodávok a dopytu po rozpustenom C v celom rastovom systéme kľúčom k lepšiemu realizácii rastu jednotlivých kryštálov SIC pomocou metódy TSSG.

Obrázok 5. (A) Schematický diagram rastu jednotlivých kryštálov SIC metódou TSSG; (B) Schematický diagram dlhodobého úseku dvojfázovej oblasti L+SIC

03 Termodynamické vlastnosti roztokov s vysokým teplotou

Rozpúšťanie dostatočného počtu C do roztokov s vysokou teplotou je kľúčom k pestovaniu jednosmerných kryštálov SIC pomocou metódy TSSG. Pridanie prvkov toku je účinný spôsob, ako zvýšiť rozpustnosť C vo vysokorýchlostných roztokoch.

Zároveň bude pridávanie prvkov toku tiež regulovať hustotu, viskozitu, povrchové napätie, bod zamrznutia a ďalšie termodynamické parametre roztokov s vysokým teplotou, ktoré úzko súvisia s rastom kryštálov, a tým priamo ovplyvňujú termodynamické a kinetické procesy v kryštálovom raste. Výber prvkov toku je preto najdôležitejším krokom pri dosahovaní metódy TSSG na pestovanie jednovrokryštálov SIC a je zameraním výskumu v tejto oblasti.

V literatúre je uvedených veľa binárnych systémov s vysokým teplotou, vrátane Li-Si, Ti-Si, CR-SI, Fe-Si, SC-SI, Ni-Si a Co-Si. Medzi nimi sú binárne systémy CR-SI, Ti-Si a Fe-SI a viaczložkové systémy, ako je CR-CE-Al-Si, dobre vyvinuté a získali dobré výsledky rastu kryštálov.

Obrázok 6 (a) ukazuje vzťah medzi rýchlosťou rastu SIC a teplotou v troch rôznych systémoch roztoku s vysokým teplotou CR-SI, Ti-Si a Fe-Si, ktorý zhrnuli Kawanishi et al. Univerzity Tohoku v Japonsku v roku 2020.

Ako je znázornené na obrázku 6 (b), Hyun a kol. Navrhla sériu vysokoteplotných systémov roztoku s kompozičným pomerom SI0,56CR0,4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, NI, CU, RH a PD), aby sa ukázala rozpustnosť C.

Obrázok 6. a) Vzťah medzi rýchlosťou rastu a teploty SIC s jedným kryštálom pri použití rôznych systémov roztoku s vysokým teplotou

04 Regulácia kinetiky rastu

Aby sa lepšie získali vysoko kvalitné jednotlivé kryštály SIC, je tiež potrebné regulovať kinetiku zrážok kryštálov. Ďalším výskumným zameraním metódy TSSG na pestovanie jednovrstín SIC je regulácia kinetiky vo vysokorýchlostných roztokoch a na rozhraní kryštálového rastu.

Medzi hlavné prostriedky regulácie patrí: proces rotácie a ťahania kryštálov a téglika semien, regulácia teplotného poľa v rastovom systéme, optimalizácia téglikovej štruktúry a veľkosti a reguláciu konvekcie vysokoteplotného roztoku vonkajším magnetickým poľom. Základným účelom je regulovať teplotné pole, prietokové pole a pole koncentrácie rozpustenej látky na rozhraní medzi vysokoteplotnými roztokom a rastom kryštálov, aby sa lepšie a rýchlejšie zrazili SIC z vysokoteplotného roztoku usporiadaným spôsobom a rástli do vysoko kvalitných jednokryštálových kryštálov.

Vedci vyskúšali mnoho metód na dosiahnutie dynamickej regulácie, ako napríklad „technológia urýchlenej zrýchlenej rotácie“, ktorú používajú Kusunoki et al. Vo svojej práci uvádzanej v roku 2006 a „technológia konkávneho rastu riešenia“ vyvinuté Daikoku et al.

V roku 2014 Kusunoki a kol. Pridaná štruktúra grafitového kruhu ako ponorný sprievodca (IG) v tégliku, aby sa dosiahla regulácia konvekcie s vysokou teplotou roztoku. Optimalizáciou veľkosti a polohy grafitového kruhu je možné v vysokoteplotnom roztoku pod kryštálom semien ustanoviť rovnomerný režim prenosu rozpustenej látky smerom nahor nahor, čím sa zlepší rýchlosť a kvalita rastu kryštálov, ako je znázornené na obrázku 7.

Obrázok 7: a) Výsledky simulácie prietoku roztoku a distribúcie teploty vo vysokom teplote v tégliku; 

b) Schematický diagram experimentálneho zariadenia a zhrnutie výsledkov

05 Výhody metódy TSSG na pestovanie jednovrokryštálov SIC

Výhody metódy TSSG pri pestovaní jednovrstín SIC sa odrážajú v nasledujúcich aspektoch:

(1) Metóda roztoku s vysokým teplotou roztoku na pestovanie jednovrstvových kryštálov SIC môže účinne opraviť mikrotrubice a iné makro defekty v kryštáli semien, čím sa zlepší kvalita kryštálov. V roku 1999 Hofmann a kol. Pozorované a dokázané optickým mikroskopom, že mikrotubnice sa dajú účinne pokryť v procese pestovania jednovrstvových kryštálov SIC pomocou metódy TSSG, ako je znázornené na obrázku 8.

Obrázok 8: Eliminácia mikrotubov počas rastu jednotlivého kryštálu SIC metódou TSSG:

a) optický mikrograf kryštálov SIC pestovaný TSSG v prenosovom režime, kde je možné zreteľne vidieť mikrotubnice pod rastovou vrstvou; 

b) Optický mikrograf tej istej oblasti v reflexnom režime, čo naznačuje, že mikrotubnice boli úplne zakryté.

(2) V porovnaní s metódou PVT môže metóda TSSG ľahšie dosiahnuť expanziu priemeru kryštálov, čím sa zvýši priemer substrátu SIC s jedným kryštálom SIC, čím účinne zlepší výrobnú účinnosť zariadení SIC a znižuje výrobné náklady.

Relevantné výskumné tímy spoločnosti Toyota a Sumitomo Corporation úspešne dosiahli umelo kontrolovateľnú expanziu priemeru kryštálov pomocou technológie „Meniscus Výška“, ako je znázornené na obrázku 9 (a) a (b).

Obrázok 9: a) Schematický diagram technológie riadenia menisku v metóde TSSG; 

b) zmena uhla rastu 9 s výškou menisku a bočným pohľadom na kryštál SIC získaný touto technológiou; 

(C) rast 20 hodín vo výške menisku 2,5 mm; 

d) rast 10 hodín vo výške menisku 0,5 mm;

(E) Rast počas 35 hodín, pričom výška menisku sa postupne zvyšuje z 1,5 mm na väčšiu hodnotu.

(3) V porovnaní s metódou PVT je metóda TSSG ľahšie dosiahnuť stabilný doping kryštálov SIC typu p. Napríklad Shirai a kol. spoločnosti Toyota v roku 2014 informovala, že rastúce kryštály 4H-SIC s nízkou rezistenciou P-siC metódou TSSG, ako je znázornené na obrázku 10.

Obrázok 10: a) bočný pohľad na jednorazový jednorazový SIC typu p pestovaného metódou TSSG; 

b) optická fotografia prenosu pozdĺžnej časti kryštálu; 

(C) Morfológia hornej povrchu kryštálu pestovaného z vysokoteplotného roztoku s obsahom Al 3% (atómová frakcia)

06 Záver a výhľad

Metóda TSSG na pestovanie jednosmerných kryštálov SIC dosiahla za posledných 20 rokov veľký pokrok a niekoľko tímov sa pomocou metódy TSSG zvýšilo vysoko kvalitné 4-palcové SIC jednotlivé kryštály SIC.

Ďalší rozvoj tejto technológie si však stále vyžaduje prielom v nasledujúcich kľúčových aspektoch:

(1) hĺbková štúdia termodynamických vlastností roztoku;

(2) rovnováha medzi rýchlosťou rastu a kvalitou kryštálov;

(3) stanovenie stabilných podmienok rastu kryštálov;

(4) Vývoj rafinovanej technológie dynamickej kontroly.

Aj keď je metóda TSSG stále trochu za metódou PVT, predpokladá sa, že pri nepretržitom úsilí výskumných pracovníkov v tejto oblasti sa, pretože základné vedecké problémy s rastúcim jednotlivým kryštálom SIC pomocou metódy TSSG sa neustále vyriešia a kľúčové technológie v procese rastu pretrvávajú a vedú k individuálnemu technológii a vedie k tomu, že sa v rámci programu Rast Single and Hawing Industrializujú, a poskytujú úplné hry pre potenciál TSSG metódy pre ďalšie SIC. Rozvoj odvetvia SIC.