Kolme sic yksittäistä kristallikasvutekniikkaa

Tärkeimmät menetelmät SIC -yksittäisten kiteiden kasvattamiseksi ovat:Fyysinen höyryn kuljetus (PVT), Korkean lämpötilan kemiallinen höyryn laskeutuminen (HTCVD)jaKorkean lämpötilan liuoksen kasvu (HTSG). Kuten kuviossa 1 esitetään. Niiden joukossa PVT -menetelmä on tässä vaiheessa kypsimpi ja laajalti käytetty menetelmä. Tällä hetkellä 6-tuumainen yhden kidesubstraatti on teollistunut, ja Cree on myös kasvanut 8 tuuman yksittäistä kiteitä Yhdysvalloissa vuonna 2016. Tällä menetelmällä on kuitenkin rajoituksia, kuten korkea vikatiheys, alhainen sato, vaikea halkaisijan laajennus ja korkeat kustannukset.

HTCVD -menetelmässä käytetään periaatetta, jonka SI -lähde- ja C -lähdekaasu reagoivat kemiallisesti SIC: n tuottamiseksi korkean lämpötilan ympäristössä noin 2100 ℃ sic -yksittäisten kiteiden kasvun saavuttamiseksi. Kuten PVT -menetelmä, tämä menetelmä vaatii myös korkean kasvulämpötilan ja siinä on korkeat kasvukustannukset. HTSG -menetelmä on erilainen kuin edellä mainitut kaksi menetelmää. Sen perusperiaate on käyttää SI- ja C -elementtien liukenemista ja uudelleenlähetystä korkean lämpötilan liuoksessa sic -yksittäisten kiteiden kasvun saavuttamiseksi. Tällä hetkellä laajalti käytetty tekninen malli on TSSG -menetelmä.

Tämä menetelmä voi saavuttaa SIC: n kasvun lähes termodynaamisessa tasapainotilassa alhaisemmassa lämpötilassa (alle 2000 ° C), ja kasvatetuilla kiteillä on korkealaatuisten, edullisten, helppo halkaisijan laajennus ja helppo vakaa P-tyypin doping. Sitä odotetaan olevan menetelmä suuremman, korkeamman ja halvemman SIC: n yksittäisen kiteen valmistelemiseksi PVT-menetelmän jälkeen.

Kuva 1. Kaavio kolmen sic -kidekiiden kasvutekniikan periaatteista

01 TSSG-kasvatettujen sic-kiteiden kehityshistoria ja nykytila

HTSG -menetelmän kasvattamiselle SIC: llä on yli 60 vuotta.

Vuonna 1961 Halden et ai. Ensin saadut sic-yksittäiset kiteet korkean lämpötilan SI-sulasta, johon C liuotettiin, ja tutkittiin sitten sic-yksittäisten kiteiden kasvua korkean lämpötilan liuoksesta, joka koostuu Si+X: stä (missä X on yksi tai useampi elementit FE, CR, SC, TB, PR jne.).

Vuonna 1999 Hofmann et ai. Saksan Erlangenin yliopistosta käytti puhdasta SI: tä itsevirtana ja käytti korkean lämpötilan ja korkeapaineen TSSG-menetelmää kasvattaakseen sic-yksittäisiä kiteitä, joiden halkaisija on 1,4 tuumaa ja paksuus noin 1 mm ensimmäistä kertaa.

Vuonna 2000 he optimoivat edelleen prosessin ja kasvattivat sic-kiteitä halkaisijaltaan 20-30 mm ja jopa 20 mm paksuus käyttämällä puhdasta Si: n omavirtana korkeapaineisessa AR-ilmakehässä 100-200 baaria 1900-2400 ° C.

Siitä lähtien Japanin, Etelä -Korean, Ranskan, Kiinan ja muiden maiden tutkijat ovat suorittaneet peräkkäin tutkimusta SIC -yksiteisten substraattien kasvusta TSSG -menetelmällä, joka on tehnyt TSSG -menetelmän nopeasti viime vuosina. Heidän joukossaan Japania edustavat Sumitomo Metal ja Toyota. Taulukko 1 ja kuvio 2 esittävät Sumitomo -metallin tutkimuksen etenemisen sic -yksittäisten kiteiden kasvussa, ja taulukko 2 ja kuvio 3 esittävät Toyota -päätutkimusprosessin ja edustavat tulokset.

Tämä tutkimusryhmä alkoi tehdä tutkimusta sic-kiteiden kasvusta TSSG-menetelmällä vuonna 2016 ja sai onnistuneesti 2 tuuman 4H-SIC-kideen, jonka paksuus oli 10 mm. Äskettäin joukkue on onnistuneesti kasvanut 4 tuuman 4H-SIC-kide, kuten kuviossa 4 esitetään.

Kuva 2.Optinen valokuva SIC Crystalista, jota on kasvattanut Sumitomo Metal -tiimin avulla TSSG -menetelmällä

Kuva 3.Toyota -tiimin edustavat saavutukset kasvavassa sic -kiteessä TSSG -menetelmällä

Kuva 4. Kiinan tiedeakatemian fysiikan instituutin edustavat saavutukset kasvavilla sic -kiteillä TSSG -menetelmällä

02 Kasvavan SIC -yksittäisten kiteiden perusperiaatteet TSSG -menetelmällä

SIC: llä ei ole sulamispistettä normaalissa paineessa. Kun lämpötila nousee yli 2000 ℃, se hitaasti ja hajoaa suoraan. Siksi SIC: n yksittäisten kiteiden kasvattaminen ei ole mahdollista jäähdytämällä ja kiinteyttämällä saman koostumuksen, ts. Sulamenetelmän, SIC -sulan hitaasti.

SI-C-binaarivaihekaavion mukaan Si-rikkaassa päässä on kaksivaiheinen alue "L+sic", joka tarjoaa mahdollisuuden sic: n nestemäiselle faasin kasvulle. Puhtaan SI: n liukoisuus C: lle on kuitenkin liian pieni, joten on tarpeen lisätä virtaus SI-sulaan auttamaan C-pitoisuuden lisäämisessä korkean lämpötilan liuoksessa. Tällä hetkellä HTSG -menetelmällä on yleinen tekninen tila sic -yksittäisten kiteiden kasvattamiseksi TSSG -menetelmällä. Kuvio 5 (a) on kaavio kasvavien SIC -yksittäisten kiteiden periaatteesta TSSG -menetelmällä.

Niistä korkean lämpötilan liuoksen termodynaamisten ominaisuuksien säätely ja liuenneen kuljetusprosessin ja kidekasvurajapinnan dynamiikka saavuttaaksesi C-aineen C: n hyvän dynaamisen tarjonnan ja kysynnän saavuttamiseksi koko kasvujärjestelmässä paremmin, jotta TSSG-menetelmällä on paremmin sic-kiteiden kasvu.

Kuva 5. (A) SIC: n yhden kidekasvun kaavio TSSG -menetelmällä; (b) Kaavio L+sic-kaksivaiheisen alueen pitkittäisosasta

03 Korkean lämpötilan ratkaisujen termodynaamisia ominaisuuksia

Riittävän C liuottaminen korkean lämpötilan liuoksiin on avain sic-yksittäisten kiteiden kasvattamiseen TSSG-menetelmällä. Flux-elementtien lisääminen on tehokas tapa lisätä C: n liukoisuutta korkean lämpötilan ratkaisuissa.

Samanaikaisesti flux-elementtien lisääminen säätelee myös korkean lämpötilan liuoksien tiheyttä, viskositeettia, pintajännitystä, jäätymispistettä ja muita termodynaamisia parametreja, jotka liittyvät läheisesti kidekasvuun, mikä vaikuttaa suoraan kiteiden kasvun termodynaamisiin ja kineettisiin prosesseihin. Siksi flux -elementtien valinta on kriittisin vaihe TSSG -menetelmän saavuttamisessa SIC -yksittäisten kiteiden kasvattamiseksi ja on tutkimuskeskittymä tällä alalla.

Kirjallisuudessa on ilmoitettu monia binaarisia korkean lämpötilan ratkaisujärjestelmiä, mukaan lukien Li-Si, Ti-Si, CR-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si ja Co-Si. Niistä CR-Si: n, Ti-Si: n ja Fe-Si: n binaariset järjestelmät ja monikomponenttiset järjestelmät, kuten CR-CE-al-Si, ovat hyvin kehittyneitä ja ovat saaneet hyviä kiteiden kasvutuloksia.

Kuvio 6 (a) näyttää sic-kasvunopeuden ja lämpötilan välisen suhteen CR-Si: n, Ti-Si: n ja Fe-Si: n kolmen erilaisessa korkean lämpötilan ratkaisujärjestelmässä, jotka ovat tiivistäneet Kawanishi et ai. Tohoku -yliopistossa Japanissa vuonna 2020.

Kuten kuviossa 6 (b) esitetään, Hyun et ai. Suunniteltu sarjan korkean lämpötilan ratkaisujärjestelmiä, joiden koostumussuhde on SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, NI, Cu, RH ja PD).

Kuva 6. (a) SIC: n yksittäisen kidekasvun ja lämpötilan välinen suhde käytettäessä erilaisia ​​korkean lämpötilan ratkaisujärjestelmiä

04 Kasvukinetiikan säätely

Korkealaatuisten SIC-yksittäisten kiteiden saamiseksi paremmin on myös välttämätöntä säädellä kidekiteiden saostumisen kinetiikkaa. Siksi TSSG-menetelmän toinen tutkimuskeskittyminen SIC-yksittäisten kiteiden kasvattamiseksi on kinetiikan säätely korkean lämpötilan liuoksissa ja kidekasvurajapinnassa.

Tärkein säätelyvälineitä ovat: siemenkiteiden ja upokkaan kierto- ja vetämisprosessi, lämpötilakentän säätely kasvujärjestelmässä, upokkaan rakenteen ja koon optimointi sekä korkean lämpötilan liuoksen säätely ulkoisella magneettikentällä. Perustarkoituksena on säätää lämpötilakenttä, virtauskenttä ja liuennettua pitoisuuskenttää rajapinnalla korkean lämpötilan liuoksen ja kidekasvun välillä, jotta SIC saostuu paremmasta ja nopeammin korkean lämpötilan liuoksesta järjestetyllä tavalla ja kasvaa korkealaatuisiksi suurikokoisiksi yksittäisiksi kiteiksi.

Tutkijat ovat kokeilleet monia menetelmiä dynaamisen säätelyn saavuttamiseksi, kuten Kusunoki et ai. Heidän työssään vuonna 2006 ja Daikoku et al.

Vuonna 2014 Kusunoki et ai. Lisätty upotusurakenteen grafiitirengasrakenteen upotusoppaana (IG) upokkaaseen korkean lämpötilan liuoksen konvektion säätelyn saavuttamiseksi. Optimoimalla grafiitirenkaan koon ja sijainnin, voidaan vahvistaa tasainen ylöspäin liuenneen aineen kuljetustila siemenkiteen alapuolella olevaan korkean lämpötilan liuokseen parantaen siten kiteiden kasvunopeutta ja laatua, kuten kuvassa 7 esitetään.

Kuvio 7: (a) korkean lämpötilan liuoksen virtauksen ja lämpötilan jakautumisen simulaatiotulokset upokkaassa; 

(b) Kaavio kokeellisesta laitteesta ja yhteenveto tuloksista

05 TSSG -menetelmän edut SIC: n yksittäisten kiteiden kasvattamisessa

TSSG -menetelmän edut kasvavassa sic -yksittäisessä kiteessä heijastuvat seuraaviin näkökohtiin:

(1) Korkean lämpötilan liuosmenetelmä kasvattaville sic-kiteille voi tehokkaasti korjata mikroputkia ja muita makrovaurioita siemenkiteessä, parantaen siten kidekaatua. Vuonna 1999 Hofmann et ai. Havaittu ja todistettu optisen mikroskoopin avulla, että mikrotutkat voidaan suojata tehokkaasti kasvavien SIC -yksittäisten kiteiden prosessissa TSSG -menetelmällä, kuten kuviossa 8 esitetään.

Kuvio 8: Mikrotutkien eliminointi sic -yhdisteen kasvun aikana TSSG -menetelmällä:

(a) TSSG: n kasvatettuja sic -kidekiteiden optinen mikrokuva siirtotilassa, jossa kasvukerroksen alapuolella olevat mikrotutkat voidaan nähdä selvästi; 

(b) Saman alueen optinen mikrokuva heijastustilassa, mikä osoittaa, että mikrotutkat on katettu kokonaan.

(2) Verrattuna PVT -menetelmään, TSSG -menetelmä voi helpommin saavuttaa kideshalkaisijan laajenemisen, mikä lisää sic -yhdestä kidesubstraatin halkaisijaa, parantaen tehokkaasti sic -laitteiden tuotantotehokkuutta ja vähentämällä tuotantokustannuksia.

Toyota- ja Sumitomo Corporationin asiaankuuluvat tutkimusryhmät ovat onnistuneesti saavuttaneet keinotekoisesti hallittavan kideshalkaisijan laajentumisen käyttämällä "meniskin korkeuden hallinta" -tekniikkaa, kuten kuvassa 9 (a) ja (b) esitetään.

Kuva 9: ​​(a) Kaavio meniskin ohjaustekniikasta TSSG -menetelmässä; 

(b) kasvukulman muutos θ: lla meniskin korkeuden ja sivunäkymän kanssa tämän tekniikan saamasta sic -kidestä; 

c) kasvu 20 tuntia meniskin korkeudella 2,5 mm; 

(d) kasvu 10 tuntia meniskin korkeudessa 0,5 mm;

e) Kasvu 35 tuntia, meniskin korkeus kasvaa vähitellen 1,5 mm: stä suurempaan arvoon.

(3) Verrattuna PVT-menetelmään, TSSG-menetelmä on helpompi saavuttaa SIC-kiteiden stabiili P-tyypin seos. Esimerkiksi Shirai et ai. Toyota kertoi vuonna 2014, että he olivat kasvaneet matalan resistentiivisyyden P-tyypin 4H-SIC-kiteisiin TSSG-menetelmällä, kuten kuviossa 10 esitetään.

Kuva 10: (a) P-tyypin SIC-sivunäkymä TSSG-menetelmällä kasvatettu; 

(b) siirtooptinen valokuva kiteen pitkittäisosasta; 

(c) Korkean lämpötilan liuoksesta kasvatetun kideen yläpinnan morfologia, jonka AL-pitoisuus on 3% (atomifraktio)

06 Johtopäätös ja Outlook

TSSG-menetelmä SIC-yksittäisten kiteiden kasvattamiseksi on edistynyt huomattavasti viimeisen 20 vuoden aikana, ja muutama joukkue on kasvanut korkealaatuisia 4 tuuman SIC-kiteitä TSSG-menetelmällä.

Tämän tekniikan jatkokehitys vaatii kuitenkin läpimurtoja seuraavissa keskeisissä näkökohdissa:

(1) syvällinen tutkimus liuoksen termodynaamisista ominaisuuksista;

(2) kasvunopeuden ja kristallinlaadun välinen tasapaino;

(3) vakaiden kiteiden kasvuolosuhteiden perustaminen;

(4) puhdistetun dynaamisen ohjaustekniikan kehittäminen.

Vaikka TSSG -menetelmä on edelleen jonkin verran PVT -menetelmän takana, uskotaan, että tämän alan tutkijoiden jatkuvien ponnistelujen kanssa, koska TSSG -menetelmän kasvavien SIC -kiteiden kasvavien single -kiteiden keskeiset tieteelliset ongelmat jatkuvasti ratkaistaan ​​ja avainteknologiat kasvuprosessissa murtuu jatkuvasti, myös tämä tekniikka teollistetaan, ja se antaa täydellisen pelaamisen TSSG -menetelmän ja SiC -teollisuuden kehittäminen.