Tři technologie růstu SIC Single Crystals

Hlavní metody pro pěstování sic monokrystalů jsou:Fyzikální páry transport (Pvt), Uložení chemické páry s vysokou teplotou (HTCVD)aRůst roztoku s vysokou teplotou (HTSG). Jak je znázorněno na obrázku 1. Mezi nimi je metoda PVT v této fázi nejvíce vyspělejší a nejpoužívanější metodou. V současné době byl 6-palcový monokrystalový substrát industrializován a 8palcový jediný krystal byl také úspěšně pěstován Cree ve Spojených státech v roce 2016. Tato metoda však má omezení, jako je vysoká hustota defektů, nízký výnos, expanzi obtížného průměru a vysoké náklady.

Metoda HTCVD používá princip, že zdroj SI a zdrojový plyn C chemicky reagují k generování SIC v prostředí s vysokou teplotou asi 2100 ℃ k dosažení růstu monokrystalů SIC. Stejně jako metoda PVT tato metoda také vyžaduje vysokou teplotu růstu a má vysoké náklady na růst. Metoda HTSG se liší od výše uvedených dvou metod. Jeho základním principem je použít rozpuštění a reprecipitaci prvků SI a C v roztoku s vysokým teplotou k dosažení růstu SIC monokrystalů. V současné době široce používaný technický model je metoda TSSG.

Tato metoda může dosáhnout růstu SIC v téměř termodynamickém rovnovážném stavu při nižší teplotě (pod 2000 ° C) a dospělé krystaly mají výhody vysoce kvalitních, nízkonákladových, snadných průměrů a dopingu typu p. Očekává se, že se po metodě PVT stane metodou přípravy větší, kvalitnější a levnější sic monokrystalů.

Obrázek 1. Schematický diagram principů tří technologií růstu s jedním krystalem SiC

01 Historie vývoje a současný stav SIC Single Crystals pěstovaných TSSG

Metoda HTSG pro růst SIC má historii více než 60 let.

V roce 1961 Halden et al. Nejprve získaly SIC monokrystaly z vysokoteplotního tání SI, ve kterém byl C rozpuštěn, a poté prozkoumal růst SIC monokrystalů z vysokoteplotního roztoku složeného ze SI+X (kde x je jeden nebo více prvků Fe, Cr, TB, PR atd.).

V roce 1999 Hofmann et al. Z University of Erlangen v Německu používal Pure SI jako samoplux a použil vysokoteplotní a vysokotlakou metodu TSSG k růstu sic monokrystalů s průměrem 1,4 palce a tloušťku asi 1 mm poprvé.

V roce 2000 tento proces dále optimalizovali a pěstovali krystaly s průměrem 20-30 mm a tloušťkou až 20 mm s použitím čistého Si jako samopustného ve vysokotlaké AR atmosféře 100-200 baru při 1900-2400 ° C.

Od té doby vědci v Japonsku, Jižní Koreji, Francii, Číně a dalších zemích postupně provedli výzkum růstu monokrystalových substrátů SIC metodou TSSG, která v posledních letech rychle vyvinula metoda TSSG. Mezi nimi je Japonsko zastoupeno Sumitomo Metal a Toyota. Tabulka 1 a obrázek 2 ukazují výzkumný pokrok sumitomo kovu v růstu sic monokrystalů a tabulka 2 a obrázek 3 ukazují hlavní výzkumný proces a reprezentativní výsledky Toyota.

Tento výzkumný tým začal provádět výzkum růstu SIC krystalů metodou TSSG v roce 2016 a úspěšně získal 2-palcový 4H-SIC krystal s tloušťkou 10 mm. Nedávno tým úspěšně rozrostl 4-palcový 4H-SIC Crystal, jak je znázorněno na obrázku 4.

Obrázek 2.Optická fotografie SIC Crystal pěstovaná týmem Sumitomo Metal pomocí metody TSSG

Obrázek 3.Reprezentativní úspěchy týmu Toyota v rostoucí SIC Single Crystals pomocí metody TSSG

Obrázek 4. Reprezentativní úspěchy Fyzikálního institutu, čínská akademie věd, v rostoucí SIC Single Crystals pomocí metody TSSG

02 Základní principy pěstování SIC Single Crystals metodou TSSG

SIC nemá žádný bod tání při normálním tlaku. Když teplota dosáhne nad 2000 ℃, bude přímo zplyňovat a rozkládat se. Proto není možné pěstovat SIC Single Crystals pomalým chlazením a ztuhnutím sic taveniny stejného složení, tj. Metoda taveniny.

Podle binárního fázového diagramu Si-C existuje na konci SI bohatá na SI dvoufázová oblast „L+SIC“, což poskytuje možnost pro růst kapalné fáze SIC. Rozpustnost čistého SI pro C je však příliš nízká, takže je nutné přidat tok do taveniny SI, aby se pomohla při zvyšování koncentrace C v roztoku vysoké teploty. V současné době je technický režim hlavního proudu pro pěstování SIC Single Crystals metodou HTSG metodou TSSG. Obrázek 5 (a) je schematický diagram principu rostoucího sic monokrystalů metodou TSSG.

Mezi nimi je regulace termodynamických vlastností vysokoteplotního roztoku a dynamika procesu transportu solutu a rozhraní růstu krystalů k dosažení dobré dynamické rovnováhy nabídky a poptávky po rozpuštěném C v celém růstovém systému je klíčem k lepšímu realizaci růstu SIC jednotlivých krystalů metodou TSSG.

Obrázek 5. a) Schematický diagram růstu SIC Single Crystal pomocí metody TSSG; (b) Schematický diagram podélné části dvoufázové oblasti L+SIC

03 Termodynamické vlastnosti vysokoteplotních řešení

Rozpuštění dostatečného počtu C do vysokoteplotních roztoků je klíčem k růstu sic monokrystalů metodou TSSG. Přidání prvků toku je efektivní způsob, jak zvýšit rozpustnost C v roztocích s vysokou teplotou.

Současně bude přidání prvků toku také regulovat hustotu, viskozitu, povrchové napětí, bod mrazu a další termodynamické parametry vysokoteplotních roztoků, které úzce souvisejí s růstem krystalů, čímž přímo ovlivňují termodynamické a kinetické procesy v růstu krystalů. Proto je výběr prvků toku nejkritičtějším krokem k dosažení metody TSSG pro pěstování SIC jednotlivých krystalů a je výzkumným zaměřením v této oblasti.

V literatuře je uvedeno mnoho binárních systémů vysokoteplotních řešení, včetně Li-Si, TI-SI, CR-SI, Fe-Si, SC-SI, Ni-Si a Co-Si. Mezi nimi jsou binární systémy CR-SI, TI-SI a Fe-Si a vícesložkových systémů, jako je CR-CE-Al-SI, dobře rozvinuté a získaly dobré výsledky růstu krystalů.

Obrázek 6 (a) ukazuje vztah mezi rychlostí růstu SIC a teplotou ve třech různých vysokoteplotních roztokových systémech CR-SI, TI-SI a Fe-Si, shrnuto Kawanishi et al. univerzity Tohoku v Japonsku v roce 2020.

Jak je znázorněno na obrázku 6 (b), Hyun et al. Navrhl řadu vysokoteplotních roztokových systémů s poměrem kompozice SI0,56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, CU, RH a PD), aby se ukázaly rozpustnost C.

Obrázek 6. a) Vztah mezi rychlostí růstu s jedním krystalem SIC při použití různých systémů roztoku s vysokou teplotou

04 Regulace kinetiky růstu

Aby se lépe získalo vysoce kvalitní SIC jednotlivé krystaly, je také nutné regulovat kinetiku krystalových srážek. Dalším výzkumným zaměřením metody TSSG pro pěstování SIC monokrystalů je proto regulace kinetiky ve vysokoteplotních roztocích a na rozhraní růstu krystalu.

Mezi hlavní prostředky regulace patří: rotace a proces tahání krystalu semen a kelímek, regulace teplotního pole v růstovém systému, optimalizace kelíkové struktury a velikosti a regulace konvekce vysokoteplotního roztoku vnějším magnetickým polem. Základním účelem je regulovat teplotní pole, pole průtoku a koncentraci rozpuštěného rozpustnosti na rozhraní mezi roztokem vysoké teploty a růstem krystalů, aby se zlepšilo a rychlejší srážet sic z vysokoteplotního roztoku řádným způsobem a růst na vysoce kvalitní jednotlivé krystaly.

Vědci se pokusili o mnoho metod k dosažení dynamické regulace, jako je například „zrychlená technologie rotace kelímku“, kterou používá Kusunoki et al. ve své práci hlášené v roce 2006 a „technologie růstu konkávních roztoků“ vyvinula Daikoku et al.

V roce 2014 Kusunoki et al. Přidaná struktura grafitového kruhu jako průvodce ponořením (IG) do kelímku k dosažení regulace konvekce vysokoteplotního řešení. Optimalizací velikosti a polohy grafitového kroužku může být v roztoku vysoké teploty pod krystalem semen rovnoměrný režim přenosu rozpuštěného rozpustnosti, čímž se zlepšuje rychlost a kvalitu růstu krystalu, jak je znázorněno na obrázku 7.

Obrázek 7: (a) Výsledky simulace vysokoteplotního roztoku a rozdělení teploty v kelímku; 

b) Schematický diagram experimentálního zařízení a shrnutí výsledků

05 Výhody metody TSSG pro pěstování SIC Single Crystals

Výhody metody TSSG při pěstování SIC jednotlivých krystalů se odrážejí v následujících aspektech:

(1) Metoda roztoku s vysokým teplotou pro pěstování SIC jednotlivých krystalů může účinně opravit mikrotubičky a další makro defekty v krystalu semen, čímž se zlepšuje kvalita krystalu. V roce 1999 Hofmann et al. Pozorováno a prokázáno optickým mikroskopem, že mikrotrubičky mohou být účinně pokryty procesem pěstování SIC monokrystalů metodou TSSG, jak je znázorněno na obrázku 8.

Obrázek 8: Eliminace mikrotrubic během růstu SIC Single Crystal metodou TSSG:

a) Optický mikrograf SIC Crystal pěstovaný TSSG v přenosovém režimu, kde lze jasně vidět mikrotubiny pod růstovou vrstvou; 

(b) Optický mikrograf stejné oblasti v režimu odrazu, což ukazuje, že mikrotubičky byly zcela zakryté.

(2) Ve srovnání s metodou PVT může metoda TSSG snadněji dosáhnout expanze průměru krystalu, čímž se zvýší průměr sic monokrystalového substrátu, což účinně zlepšuje účinnost produkce sic zařízení a snižuje výrobní náklady.

Relevantní výzkumné týmy Toyota a Sumitomo Corporation úspěšně dosáhly uměle kontrolovatelné expanze průměru krystalů pomocí technologie „Meniscus Height Control“, jak je znázorněno na obrázku 9 (a) a (b).

Obrázek 9: (a) Schematický diagram technologie řízení menisku v metodě TSSG; 

(b) změna růstového úhlu 9 s výškou menisku a bočním pohledem na sic krystalu získané touto technologií; 

c) růst po dobu 20 hodin ve výšce menisku 2,5 mm; 

d) růst po dobu 10 hodin ve výšce menisku o 0,5 mm;

(e) Růst po dobu 35 hodin, s výškou menisku se postupně zvyšuje z 1,5 mm na větší hodnotu.

(3) Ve srovnání s metodou PVT je metoda TSSG snazší dosáhnout stabilního dopingu typu P sic krystaly. Například Shirai et al. Toyota uvedla v roce 2014, že krystaly TSSG, jak je znázorněno na obrázku 10.

Obrázek 10: (a) Boční pohled na SIC SIC SIC SIC pěstovaný metodou TSSG; 

b) Optická fotografie přenosu podélné části krystalu; 

(c) Morfologie horního povrchu krystalu pěstovaného z vysokoteplotního roztoku s obsahem AL 3% (atomová frakce)

06 Závěr a Outlook

Metoda TSSG pro pěstování SIC Single Crystals dosáhlo za posledních 20 let velký pokrok a několik týmů rostlo vysoce kvalitní 4palcové sic monokrystaly pomocí metody TSSG.

Další vývoj této technologie však stále vyžaduje průlom v následujících klíčových aspektech:

(1) hloubková studie termodynamických vlastností roztoku;

(2) rovnováha mezi rychlostí růstu a kvalitou krystalů;

(3) stanovení stabilních podmínek růstu krystalů;

(4) Vývoj rafinované technologie dynamické kontroly.

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 Rozvoj odvětví SIC.