Три SIC единечни технологии за раст на кристалот

Главните методи за одгледување SIC единечни кристали се:Транспорт на физички пареа (ПВТ), Депонирање на хемиска пареа со висока температура (HTCVD)иРаст на растворот со висока температура (HTSG). Како што е прикажано на Слика 1. Меѓу нив, методот ПВТ е најзрел и широко користен метод во оваа фаза. Во моментов, 6-инчниот единечен кристален подлога е индустријализирана, а 8-инчниот единечен кристал е исто така успешно одгледуван од Кри во Соединетите Држави во 2016 година. Сепак, овој метод има ограничувања како што се висока густина на дефекти, низок принос, експанзија на тежок дијаметар и висока цена.

Методот HTCVD го користи принципот дека Si изворот и C изворниот гас реагираат хемиски за да генерираат SIC во висока температурна околина од околу 2100 ℃ за да се постигне растот на SIC единечни кристали. Како и PVT методот, овој метод бара и висока температура на раст и има висока цена за раст. Методот HTSG е различен од горенаведените два начина. Неговиот основен принцип е да се користи растворот и репреципитацијата на Si и C елементите во раствор на висока температура за да се постигне растот на SIC единечни кристали. Тековно широко користениот технички модел е методот TSSG.

Овој метод може да го постигне растот на SIC во скоро термодинамична рамнотежа на состојба на пониска температура (под 2000 ° C), а возрасните кристали имаат предности на високо квалитетно, ниска цена, експанзија на лесен дијаметар и лесна стабилна допинг на P-тип. Се очекува да стане метод за подготовка на поголеми, повисоки квалитетни и пониски SIC единечни кристали по методот PVT.

Слика 1. Шематски дијаграм на принципите на три SIC единечни технологии за раст на кристалот

01 Историја на развој и тековен статус на единечни кристали одгледувани од TSSG

Методот HTSG за одгледување SIC има историја од повеќе од 60 години.

Во 1961 година, Халден и др. Прво добиени SIC единечни кристали од високо-температура Si се топи во која C се раствори, а потоа го истражуваше растот на SIC единечни кристали од високо-температурен раствор составен од Si+X (каде X е еден или повеќе од елементите Fe, CR, SC, Tb, PR, итн.).

Во 1999 година, Хофман и сор. Од Универзитетот во Ерланген во Германија користеше чист Si како само-флукс и го користеше методот TSSG со висока температура и висок притисок за да одгледува SIC единечни кристали со дијаметар од 1,4 инчи и дебелина од околу 1 мм за прв пат.

Во 2000 г.

Оттогаш, истражувачите во Јапонија, Јужна Кореја, Франција, Кина и други земји последователно спроведоа истражување за растот на SIC единечни кристални подлоги со методот TSSG, што го направи методот TSSG да се развива брзо во последните години. Меѓу нив, Јапонија е претставена од Сумитомо Метал и Тојота. Табелата 1 и Слика 2 го прикажуваат напредокот на истражувањето на металот Sumitomo во растот на единечните кристали на SIC, а Табела 2 и Слика 3 го прикажуваат главниот процес на истражување и репрезентативните резултати на Тојота.

Овој истражувачки тим започна да спроведува истражување за растот на кристалите на SIC со методот TSSG во 2016 година и успешно се здоби со кристал од 2-инчен 4H-SIC со дебелина од 10 мм. Неодамна, тимот успешно порасна кристал од 4 инчи 4H-SIC, како што е прикажано на Слика 4.

Слика 2.Оптичка фотографија на SIC Crystal одгледувана од тимот на Sumitomo Metal со помош на методот TSSG

Слика 3.Претставнички достигнувања на тимот на Тојота во одгледување на единечни кристали на SIC користејќи го методот TSSG

Слика 4. Претставнички достигнувања на Институтот за физика, Кинеска академија на науките, во растечки единечни кристали со SIC со помош на методот TSSG

02 Основни принципи на растечки SIC единечни кристали со метод на TSSG

SIC нема точка на топење при нормален притисок. Кога температурата ќе достигне над 2000 година, таа директно ќе се гасисира и се распаѓа. Затоа, не е изводливо да се одгледуваат единечни кристали со полека ладење и зацврстување на топење на истиот состав, односно метод на топење.

Според дијаграмот на бинарната фаза на Si-C, на крајот на SI, постои двофазен регион на „L+SIC“, кој обезбедува можност за раст на течната фаза на SIC. Како и да е, растворливоста на чистата Si за C е премногу ниска, па затоа е неопходно да се додаде флукс на SI-топењето за да се помогне во зголемувањето на концентрацијата на C во растворот со висока температура. Во моментов, мејнстрим техничкиот режим за одгледување SIC единечни кристали со методот HTSG е метод TSSG. Слика 5 (а) е шематски дијаграм на принципот на растечки SIC единечни кристали со методот TSSG.

Меѓу нив, регулирањето на термодинамичките својства на високо-температурата решение и динамиката на процесот на солен транспорт и интерфејсот за раст на кристалот за да се постигне добра динамична рамнотежа на снабдувањето и побарувачката на солениот C во целиот систем на раст е клучот за подобро да се реализира растот на единечните кристали на SIC со методот TSSG.

Слика 5. (А) Шематски дијаграм на SIC единечен кристален раст со методот TSSG; (б) Шематски дијаграм на надолжниот дел од двофазниот регион L+Sic

03 Термодинамички својства на раствори со висока температура

Растворувањето доволно C во раствори со висока температура е клучот за одгледување SIC единечни кристали со методот TSSG. Додавањето елементи на флукс е ефикасен начин за зголемување на растворливоста на C во раствори со висока температура.

Во исто време, додавањето на елементи на флукс, исто така, ќе ја регулира густината, вискозноста, напнатоста на површината, точката на замрзнување и другите термодинамички параметри на растворите со висока температура, кои се тесно поврзани со растот на кристалот, со што директно влијаат на термодинамички и кинетички процеси во растот на кристалот. Затоа, изборот на елементи на флукс е најкритичниот чекор во постигнувањето на методот TSSG за одгледување SIC единечни кристали и е фокус на истражување во ова поле.

Постојат многу бинарни системи за решенија со висока температура, пријавени во литературата, вклучувајќи ги Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si и Co-Si. Меѓу нив, бинарните системи на Cr-Si, Ti-Si и Fe-Si и мулти-компонентите системи како Cr-CE-Al-Si се добро развиени и добиле добри резултати од раст на кристалот.

Слика 6 (а) ја покажува врската помеѓу стапката на раст на SIC и температурата во три различни системи за раствор со висока температура на Cr-Si, Ti-Si и Fe-Si, сумирани од Каваниши и сор. на Универзитетот Тохоку во Јапонија во 2020 година.

Како што е прикажано на Слика 6 (б), Хјун и др. Дизајнирано серија системи за раствор со висока температура со сооднос на состав на SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, Ni, Cu, RH и PD) за да се покаже растворливоста на C.

Слика 6. (а) Односот помеѓу стапката на раст на кристалот SIC и температурата при употреба на различни системи за раствор со висока температура

04 Регулатива за кинетика на раст

За подобро да се добијат висококвалитетни SIC единечни кристали, исто така е неопходно да се регулира кинетиката на кристалните врнежи. Затоа, друг истражувачки фокус на методот TSSG за одгледување SIC единечни кристали е регулирање на кинетиката во раствори со висока температура и во интерфејсот за раст на кристалот.

Главните средства за регулирање вклучуваат: процес на вртење и влечење на кристалот на семе и сад, регулирање на температурното поле во системот за раст, оптимизација на структурата и големината на садот и регулацијата на конвекцијата на раствор со висока температура со надворешно магнетно поле. Основната цел е да се регулира полето на температурата, полето на проток и полето за концентрација на солта на интерфејсот помеѓу растворот со висока температура и растот на кристалот, со цел да се подобри и побрзо талогот на SIC од растворот со висока температура на уреден начин и да се прерасне во висококвалитетни единечни кристали со голема големина.

Истражувачите пробале многу методи за да постигнат динамична регулатива, како што е „Crucible забрзаната технологија за ротација“ што ја користат Кусуноки и сор. Во нивната работа пријавена во 2006 година и „конкавно технологија за раст на решението“ развиена од Даикоку и сор.

Во 2014 година, Кусуноки и др. Додадена е структура на графит прстен како водич за потопување (IG) во садот за да се постигне регулирање на конвекција на раствор со висока температура. Со оптимизирање на големината и положбата на графитниот прстен, може да се воспостави униформа режим на солен транспорт во растворот со висока температура под кристалот на семето, со што се подобрува стапката на раст на кристалот и квалитетот, како што е прикажано на Слика 7.

Слика 7: (а) Резултати од симулација на проток на раствор на висока температура и дистрибуција на температура во садови; 

(б) Шематски дијаграм на експериментален уред и резиме на резултатите

05 Предности на методот TSSG за одгледување SIC единечни кристали

Предностите на методот TSSG во растечките единечни кристали се рефлектираат во следниве аспекти:

(1) Метод на раствор со висока температура за одгледување SIC единечни кристали може ефикасно да ги поправи микротубите и другите макро дефекти во кристалот на семето, со што ќе се подобри квалитетот на кристалот. Во 1999 година, Хофман и сор. Набудувано и докажано преку оптички микроскоп дека микротубите можат ефикасно да се покриваат во процесот на растење SIC единечни кристали со методот TSSG, како што е прикажано на Слика 8.

Слика 8: Елиминација на микротуби за време на растот на SIC единечен кристал со метод TSSG:

(а) Оптички микрограф на SIC кристал одгледуван од TSSG во режим на пренос, каде што јасно може да се видат микротуби под слојот за раст; 

(б) Оптички микрограф на истата област во режим на рефлексија, што укажува дека микротудите се целосно покриени.

(2) Во споредба со методот PVT, методот TSSG полесно може да постигне експанзија на кристалниот дијаметар, со што ќе се зголеми дијаметарот на SIC единечна кристална подлога, ефикасно подобрување на ефикасноста на производството на SIC уредите и намалување на трошоците за производство.

Релевантните истражувачки тимови на Toyota и Sumitomo Corporation успешно постигнаа вештачки контролирано проширување на кристалниот дијаметар со употреба на технологија „контрола на висината на менискусот“, како што е прикажано на Слика 9 (а) и (б).

Слика 9: (а) Шематски дијаграм на технологијата за контрола на менискусот во методот TSSG; 

(б) промена на аголот на раст θ со висина на менискус и страничен поглед на кристалот Sic добиен од оваа технологија; 

(в) раст за 20 ч на висина на менискус од 2,5 мм; 

(г) раст за 10 ч на висина на менискус од 0,5 мм;

(д) Раст за 35 ч, со висината на менискусот постепено се зголемува од 1,5 мм на поголема вредност.

(3) Во споредба со методот ПВТ, методот TSSG е полесен да се постигне стабилно допинг на P-тип на кристали на SIC. На пример, Шираи и др. од Toyota во 2014 година објавија дека тие пораснале кристали со ниска отпорност p-тип 4H-SIC со методот TSSG, како што е прикажано на Слика 10.

Слика 10: (а) Страничен преглед на P-тип SIC единечен кристал одгледуван со метод TSSG; 

(б) Преносна оптичка фотографија на надолжен дел од кристалот; 

(в) Морфологија на врвна површина на кристал одгледуван од раствор со висока температура со содржина на АЛ од 3% (атомска фракција)

06 Заклучок и изглед

Методот TSSG за одгледување SIC единечни кристали постигна голем напредок во изминатите 20 години, а неколку екипи пораснаа висококвалитетни 4-инчни SIC единечни кристали со методот TSSG.

Сепак, понатамошниот развој на оваа технологија сè уште бара откритија во следниве клучни аспекти:

(1) детална студија на термодинамичките својства на растворот;

(2) билансот помеѓу стапката на раст и квалитетот на кристалот;

(3) воспоставување на стабилни услови за раст на кристалот;

(4) Развој на рафинирана технологија за динамична контрола.

Although the TSSG method is still somewhat behind the PVT method, it is believed that with the continuous efforts of researchers in this field, as the core scientific problems of growing SiC single crystals by the TSSG method are continuously solved and key technologies in the growth process are continuously broken through, this technology will also be industrialized, thereby giving full play to the potential of the TSSG method for growing SiC single crystals and further promoting and driving the rapid Развој на индустријата SIC.