Три монокристалічні технології росту SIC

Основними методами вирощування монокристалів SIC є:Фізичний транспорт пари (ПВТ), Хімічне осадження високої температури (HTCVD)іЗростання розчину високої температури (HTSG). Як показано на малюнку 1. Серед них метод PVT є найбільш зрілим і широко використовуваним методом на цьому етапі. В даний час 6-дюймовий монокристалічний підкладка індустріалізується, а 8-дюймовий монокристал також успішно вирощений Крі в США у 2016 році. Однак цей метод має обмеження, такі як висока щільність дефектів, низький вихід, важкий розширення діаметра та висока вартість.

Метод HTCVD використовує принцип, який хімічно реагують на джерело SI та джерело C Джерело, щоб генерувати SIC у високотемпературному середовищі близько 2100 ℃ для досягнення росту монокристалів SIC. Як і метод PVT, цей метод також вимагає високої температури росту і має високу вартість росту. Метод HTSG відрізняється від вищезазначених двох методів. Основний його принцип полягає у використанні розчинення та репреситизації елементів СІ та С у високотемпературному розчині для досягнення росту монокристалів SIC. В даний час широко використовувана технічна модель - це метод TSSG.

Цей метод може досягти зростання SIC у стану майже термодинамічного рівноваги при меншій температурі (нижче 2000 ° C), а вирощені кристали мають переваги високої якості, низької вартості, простого розширення діаметром та легкого стабільного допінгу типу P. Очікується, що стане методом підготовки більших, якісних та нижчих витрат SIC монокристалів після методу ПВТ.

Малюнок 1. Схематична схема принципів трьох технологій росту монокристалів SIC

01 Історія розвитку та сучасний стан монокристалів SIC, вирощених TSSG

Метод HTSG для вирощування SIC має історію понад 60 років.

У 1961 році Halden et al. Спочатку отримали монокристали SIC від високотемпературного розплаву Si, в якому C розчиняли, а потім досліджували зростання монокристалів SIC з високотемпературного розчину, що складається з SI+X (де X-один або більше елементів Fe, Cr, SC, TB, PR тощо).

У 1999 році Hofmann et al. З Ерлангенського університету в Німеччині використовував чистий Si як самостійне потік і використовував метод TSSG високого температури та високого тиску для вирощування монокристалів SIC діаметром 1,4 дюйма та товщиною близько 1 мм вперше.

У 2000 році вони додатково оптимізували процес і вирощували кристали SIC діаметром 20-30 мм і товщиною до 20 мм, використовуючи чистий Si як саморобний потік в атмосфері AR високого тиску 100-200 бар при 1900-2400 ° C.

З тих пір дослідники Японії, Південної Кореї, Франції, Китаю та інших країн послідовно провели дослідження зростання монокристалічних субстратів SIC методом TSSG, який змусив метод TSSG розвиватися швидко в останні роки. Серед них Японію представлені Sumitomo Metal та Toyota. Таблиця 1 та на рисунку 2 показує прогрес дослідження металу Сумітомо у зростанні монокристалів SIC, а таблиця 2 та малюнка 3 показують основний процес дослідження та репрезентативні результати Toyota.

Ця дослідницька група почала проводити дослідження зростання кристалів SIC методом TSSG у 2016 році, і успішно отримала 2-дюймовий кристал 4-годинного-SIC з товщиною 10 мм. Нещодавно команда успішно виросла 4-дюймовий кристал 4H-SIC, як показано на малюнку 4.

Малюнок 2.Оптична фотографія кристала SIC, вирощеної командою Sumitomo Metal, використовуючи метод TSSG

Малюнок 3.Репрезентативні досягнення команди Toyota у вирощуванні SIC -кристалів за допомогою методу TSSG

Малюнок 4. Представницькі досягнення Інституту фізики, Китайська академія наук, у вирощуванні SIC -кристалів за допомогою методу TSSG

02 Основні принципи вирощування монокристалів SIC методом TSSG

SIC не має температури плавлення при нормальному тиску. Коли температура досягає вище 2000 ℃, вона безпосередньо газифікує та розкладається. Тому неможливо вирощувати монокристали SIC шляхом повільного охолодження та затвердіння SIC розплаву однієї композиції, тобто метод розплаву.

Відповідно до діаграми бінарної фази Si-C, існує двофазна область "L+SIC" на багатих на Si, що забезпечує можливість росту рідкої фази SIC. Однак розчинність чистого СІ для С занадто низька, тому необхідно додати потік до розплаву СІ, щоб допомогти збільшити концентрацію С у високотемпературному розчині. В даний час основним технічним режимом для вирощування монокристалів SIC методом HTSG є метод TSSG. Малюнок 5 (а) - це схематична схема принципу вирощування монокристалів SIC методом TSSG.

Серед них регулювання термодинамічних властивостей високотемпературного розчину та динаміки процесу транспорту розчинного речовини та інтерфейсу росту кристалів для досягнення хорошого динамічного балансу пропозиції та пропозиції розчиненого речовини C у всій системі росту є ключовим фактором для кращого реалізації зростання SIC монокристалів методом TSSG.

Малюнок 5. (a) Схематична схема росту монокристалі SIC методом TSSG; (b) Схематична схема поздовжньої ділянки двофазної області L+SIC

03 Термодинамічні властивості високотемпературних рішень

Розчинення достатньо C у високотемпературних розчинів є ключовим фактором для вирощування монокристалів SIC методом TSSG. Додавання елементів потоку-це ефективний спосіб підвищення розчинності С у високотемпературних розчинах.

У той же час, додавання елементів потоку також регулюватиме щільність, в'язкість, поверхневе натяг, точку замерзання та інші термодинамічні параметри високотемпературних розчинів, які тісно пов'язані з ростом кристалів, тим самим безпосередньо впливаючи на термодинамічні та кінетичні процеси в кристалі. Тому вибір елементів потоку є найважливішим кроком у досягненні методу TSSG для вирощування монокристалів SIC і є фокусом на дослідженні в цій галузі.

У літературі повідомляється багато бінарних систем високотемпературних розчинів, включаючи Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si та Co-Si. Серед них бінарні системи CR-SI, Ti-Si та Fe-Si та багатокомпонентних систем, таких як CR-Ce-A-Si, добре розвинені та отримали хороші результати росту кристалів.

На малюнку 6 (а) показано залежність між швидкістю росту SIC та температурою у трьох різних високотемпературних системах розчину CR-SI, Ti-Si та Fe-Si, узагальнених Kawanishi et al. університету Тохоку в Японії в 2020 році.

Як показано на малюнку 6 (b), Hyun et al. Розроблена серія високотемпературних систем розчину з коефіцієнтом композиції SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Rh і Pd), щоб показати розчинність C.

Малюнок 6. (a) Зв'язок між швидкістю росту та температурою SIC при використанні різних високотемпературних систем розчину

04 Регулювання кінетики росту

Для того, щоб краще отримати високоякісні монокристали SIC, також необхідно регулювати кінетику кристалічних опадів. Тому ще одним дослідницьким фокусом методу TSSG для вирощування монокристалів SIC є регуляція кінетики у високотемпературних розчинах та на інтерфейсі росту кристалів.

Основні засоби регуляції включають: процес обертання та витягування кристала насіння та тиглі, регулювання температурного поля в системі росту, оптимізація тигельної структури та розміру, а також регулювання конвекції високотемпературного розчину зовнішнім магнітним полем. Основна мета-регулювати поле температури, поле потоку та поле концентрації розчиненого речовини на інтерфейсі між високотемпературним розчином та ростом кристалів, щоб впорядкувати кращий та швидший осад від високотемпературного розчину та перерости у високоякісні великі розміри.

Дослідники спробували багато методів досягнення динамічної регуляції, наприклад, "тигельна технологія прискореної обертання", яку використовували Kusunoki et al. У своїй роботі повідомлялося в 2006 році, а "технологія рістів увігнутого рішення", розроблена Daikoku et al.

У 2014 році Kusunoki та ін. Додано структуру графітової кільця як посібник для занурення (IG) у тиглі для досягнення регуляції високотемпературної конвекції розчину. Оптимізуючи розмір та положення графітового кільця, у високотемпературному розчині може бути встановлений рівномірний режим транспорту вгору нижче насіннєвого кристала, тим самим покращуючи швидкість росту та якість кристалів, як показано на малюнку 7.

Малюнок 7: (a) Результати моделювання високотемпературного розчину та розподілу температури у тиглі; 

(b) Схематична схема експериментального пристрою та підсумок результатів

05 Переваги методу TSSG для вирощування монокристалів SIC

Переваги методу TSSG у вирощуванні монокристалів SIC відображаються в таких аспектах:

(1. У 1999 році Hofmann et al. За допомогою оптичного мікроскопа спостерігається та доведено, що мікротруба може бути ефективно охоплене в процесі вирощування монокристалів SIC методом TSSG, як показано на малюнку 8.

Малюнок 8: Усунення мікротрубок під час росту монокристала SIC методом TSSG:

(a) Оптична мікрофотографія кристала SIC, вирощеного TSSG в режимі передачі, де мікротрубочки нижче шару росту можуть бути чітко видно; 

(b) Оптична мікрофотографія тієї ж області в режимі відбиття, що вказує на те, що мікротруби були повністю покриті.

(2) Порівняно з методом ПВТ, метод TSSG може легше досягти розширення діаметра кристалічного діаметра, тим самим збільшуючи діаметр монокристалічного субстрату SIC, ефективно підвищуючи ефективність виробництва пристроїв SIC та зменшуючи виробничі витрати.

Відповідні дослідницькі групи Toyota та корпорації Sumitomo успішно досягли штучно керованого розширення кристалічного діаметра, використовуючи технологію "контроль висоти меніска", як показано на малюнку 9 (a) та (b).

Малюнок 9: (a) Схематична схема технології управління меніском у методі TSSG; 

(b) Зміна кута росту θ з висотою меніска та видом на сторону кристала SIC, отриманим цією технологією; 

(c) зростання протягом 20 год на висоті меніска 2,5 мм; 

(d) зростання протягом 10 год на висоті меніска 0,5 мм;

(e) Зростання протягом 35 год, з висотою меніска поступово збільшується з 1,5 мм до більшого значення.

(3) Порівняно з методом ПВТ, метод TSSG простіше досягти стабільного допінгу P-типу кристалів SIC. Наприклад, Shirai та ін. У 2014 році Toyota повідомив, що вони вирощували кристали з низькою резивністю P-типу 4-го-сирового методу методом TSSG, як показано на малюнку 10.

Малюнок 10: (a) Вид збоку на монокристал P-типу Sic, вирощений методом TSSG; 

(b) оптична фотографія передачі поздовжнього перерізу кристала; 

(c) Верхня морфологія поверхні кристала, вирощеного з високотемпературного розчину з вмістом Al 3% (атомна фракція)

06 Висновок та світогляд

Метод TSSG для вирощування монокристалів SIC за останні 20 років досяг великого прогресу, і декілька команд виробили високоякісні 4-дюймові монокристали SIC методом TSSG.

Однак подальший розвиток цієї технології все ще вимагає проривів у наступних ключових аспектах:

(1) поглиблене дослідження термодинамічних властивостей розчину;

(2) баланс між темпами росту та якістю кристалів;

(3) встановлення стабільних умов росту кристалів;

(4) Розробка рафінованої технології динамічного управління.

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 development промисловості SIC.