Trei tehnologii de creștere a cristalului SIC

Principalele metode pentru creșterea cristalelor SIC unice sunt:Transport fizic cu vapori (PVT), Depunerea de vapori chimici la temperaturi ridicate (HTCVD)şiCreșterea soluției de temperatură ridicată (HTSG). Așa cum se arată în figura 1. Printre acestea, metoda PVT este cea mai matură și utilizată metodă pe scară largă în această etapă. În prezent, substratul cu un singur cristal de 6 inci a fost industrializat, iar cristalul unic de 8 inci a fost, de asemenea, cultivat cu succes de Cree în Statele Unite în 2016. Cu toate acestea, această metodă are limitări precum densitatea de defecte mari, randament scăzut, expansiune cu diametru dificil și costuri mari.

Metoda HTCVD folosește principiul potrivit căruia sursa SI și gazul sursă C reacționează chimic pentru a genera SIC într -un mediu de temperatură ridicat de aproximativ 2100 ℃ pentru a obține creșterea cristalelor unice SIC. Ca și metoda PVT, această metodă necesită, de asemenea, o temperatură ridicată de creștere și are un cost de creștere ridicat. Metoda HTSG este diferită de cele două metode de mai sus. Principiul său de bază este de a utiliza dizolvarea și reprecipitarea elementelor Si și C într -o soluție de temperatură ridicată pentru a obține creșterea cristalelor unice SIC. Modelul tehnic utilizat în prezent este metoda TSSG.

Această metodă poate realiza creșterea SiC într-o stare de echilibru aproape termodinamică la o temperatură mai scăzută (sub 2000 ° C), iar cristalele cultivate au avantajele de calitate ridicată, costuri reduse, cu diametru ușor și o dopaj de tip P stabilă ușor. Este de așteptat să devină o metodă pentru pregătirea cristalelor SIC mai mari, de calitate superioară și mai mică, după metoda PVT.

Figura 1. Diagrama schematică a principiilor a trei tehnologii de creștere a cristalului unic SIC

01 Istoricul dezvoltării și starea actuală a cristalelor SIC crescute de TSSG

Metoda HTSG pentru creșterea sicului are o istorie de peste 60 de ani.

În 1961, Halden și colab. Mai întâi au obținut cristale unice SIC dintr-o topire Si la temperatură ridicată în care C a fost dizolvată, apoi a explorat creșterea cristalelor unice SIC dintr-o soluție la temperaturi ridicate compuse din Si+X (unde X este unul sau mai multe dintre elementele Fe, Cr, SC, TB, PR, etc.).

În 1999, Hofmann și colab. De la Universitatea din Erlangen din Germania a folosit Si Pure ca auto-flux și a folosit metoda TSSG de temperatură înaltă și de înaltă presiune pentru a crește cristale unice SIC cu un diametru de 1,4 inci și o grosime de aproximativ 1 mm pentru prima dată.

În 2000, au optimizat în continuare procesul și au crescut cristale SIC cu un diametru de 20-30 mm și o grosime de până la 20 mm folosind Si pur ca auto-flux într-o atmosferă AR de înaltă presiune de 100-200 bar la 1900-2400 ° C.

De atunci, cercetătorii din Japonia, Coreea de Sud, Franța, China și alte țări au efectuat succesiv cercetări privind creșterea substraturilor SIC cu un singur cristal prin metoda TSSG, ceea ce a făcut ca metoda TSSG să se dezvolte rapid în ultimii ani. Printre aceștia, Japonia este reprezentată de Sumitomo Metal și Toyota. Tabelul 1 și figura 2 arată progresul cercetării metalului Sumitomo în creșterea cristalelor unice SIC, iar tabelul 2 și figura 3 arată principalul proces de cercetare și rezultatele reprezentative ale Toyota.

Această echipă de cercetare a început să efectueze cercetări privind creșterea cristalelor SIC prin metoda TSSG în 2016 și a obținut cu succes un cristal de 2 inch 4H-SIC cu o grosime de 10 mm. Recent, echipa a crescut cu succes un cristal de 4 inci 4H-SIC, așa cum se arată în figura 4.

Figura 2.Fotografie optică a SIC Crystal cultivată de echipa Sumitomo Metal folosind metoda TSSG

Figura 3.Realizări reprezentative ale echipei Toyota în creșterea cristalelor SIC unice folosind metoda TSSG

Figura 4. Realizări reprezentative ale Institutului de Fizică, Academia Chineză de Științe, în creșterea cristalelor SIC unice folosind metoda TSSG

02 Principiile de bază ale creșterii cristalelor SIC unice prin metoda TSSG

SIC nu are punct de topire la presiune normală. Când temperatura ajunge peste 2000 ℃, aceasta se va gazeifică și se va descompune direct. Prin urmare, nu este posibil să crească cristale unice SIC prin răcirea lentă și solidificând topirea sic a aceleiași compoziții, adică metoda topirii.

Conform diagramei de fază binară SI-C, există o regiune în două faze a „L+sic” la capătul bogat în Si, care oferă posibilitatea creșterii în faza lichidă a SIC. Cu toate acestea, solubilitatea Si pur pentru C este prea mică, deci este necesară adăugarea fluxului la topirea Si pentru a ajuta la creșterea concentrației de C în soluția la temperaturi ridicate. În prezent, modul tehnic principal pentru creșterea cristalelor SIC unice prin metoda HTSG este metoda TSSG. Figura 5 (a) este o diagramă schematică a principiului creșterii cristalelor unice SIC prin metoda TSSG.

Printre ele, reglarea proprietăților termodinamice ale soluției de temperatură ridicată și dinamica procesului de transport de solut și a interfeței de creștere a cristalelor pentru a obține un echilibru dinamic bun de ofertă și cererea de solut C în întregul sistem de creștere este cheia pentru a realiza mai bine creșterea cristalelor unice SIC prin metoda TSSG.

Figura 5. (A) Schema schematică a creșterii SIC unice cristal prin metoda TSSG; (b) Diagrama schematică a secțiunii longitudinale din regiunea cu două faze L+SIC

03 Proprietăți termodinamice ale soluțiilor de temperatură ridicată

Dizolvarea suficientă C în soluții la temperaturi ridicate este cheia creșterii cristalelor SIC unice prin metoda TSSG. Adăugarea elementelor de flux este o modalitate eficientă de a crește solubilitatea C în soluțiile de temperatură ridicată.

În același timp, adăugarea de elemente de flux va regla, de asemenea, densitatea, vâscozitatea, tensiunea de suprafață, punctul de îngheț și alți parametri termodinamici ai soluțiilor la temperaturi ridicate care sunt strâns legate de creșterea cristalului, afectând astfel direct procesele termodinamice și cinetice în creșterea cristalului. Prin urmare, selecția elementelor de flux este cel mai critic pas în realizarea metodei TSSG pentru creșterea cristalelor SIC unice și este concentrarea cercetării în acest domeniu.

În literatura de specialitate există multe sisteme binare de soluții de temperatură ridicată, inclusiv Li-Si, Ti-Si, CR-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si și Co-Si. Printre ele, sistemele binare ale CR-Si, Ti-Si și Fe-Si și sistemele multi-componente, cum ar fi CR-CE-AL-SI, sunt bine dezvoltate și au obținut rezultate bune de creștere a cristalului.

Figura 6 (a) arată relația dintre rata de creștere și temperatura SIC în trei sisteme diferite de soluții cu temperaturi ridicate de CR-Si, Ti-Si și Fe-Si, rezumate de Kawanishi et al. al Universității Tohoku din Japonia în 2020.

Așa cum se arată în figura 6 (b), Hyun și colab. a proiectat o serie de sisteme de soluții la temperaturi ridicate cu un raport de compoziție de SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, RH și PD) pentru a arăta solubilitatea C.

Figura 6. (a) Relația dintre rata de creștere a cristalului unic SIC atunci când utilizați diferite sisteme de soluții la temperaturi ridicate

04 Regulamentul cineticii creșterii

Pentru a obține mai bine cristale SIC de înaltă calitate, este, de asemenea, necesar să se regleze cinetica precipitațiilor de cristal. Prin urmare, un alt focus de cercetare al metodei TSSG pentru creșterea cristalelor unice SIC este reglarea cineticii în soluții la temperaturi înalte și la interfața de creștere a cristalului.

Principalul mijloc de reglare includ: rotația și procesul de tragere a cristalului de semințe și a creuzetului, reglarea câmpului de temperatură în sistemul de creștere, optimizarea structurii și dimensiunii creuzetului și reglarea convecției soluției de temperatură ridicată pe câmpul magnetic extern. Scopul fundamental este de a regla câmpul de temperatură, câmpul de curgere și câmpul de concentrație de solut la interfața dintre soluția de temperatură ridicată și creșterea cristalului, astfel încât să precipită mai bine și mai rapid SiC de la soluția de temperatură ridicată într-o manieră ordonată și să crească în cristale unice de dimensiuni mari de înaltă calitate.

Cercetătorii au încercat multe metode pentru a obține o reglementare dinamică, cum ar fi „tehnologia de rotație accelerată a creuzelor” folosită de Kusunoki și colab. în activitatea lor raportată în 2006 și „tehnologia de creștere a soluției concave” dezvoltate de Daikoku și colab.

În 2014, Kusunoki și colab. S-a adăugat o structură de inel de grafit ca un ghid de imersiune (IG) în creuzet pentru a obține reglarea convecției soluției de temperatură ridicată. Prin optimizarea dimensiunii și poziției inelului de grafit, se poate stabili un mod uniform de transport cu solut ascendent în soluția de temperatură ridicată sub cristalul de semințe, îmbunătățind astfel rata și calitatea de creștere a cristalului, așa cum se arată în figura 7.

Figura 7: (a) Rezultatele simulării fluxului de soluții de temperatură ridicată și distribuția temperaturii în creuzet; 

(b) Diagrama schematică a dispozitivului experimental și rezumatul rezultatelor

05 Avantajele metodei TSSG pentru creșterea cristalelor unice SIC

Avantajele metodei TSSG în creșterea cristalelor unice SIC sunt reflectate în următoarele aspecte:

(1) Metoda soluției de temperatură ridicată pentru creșterea cristalelor SIC unice poate repara eficient microtuburile și alte defecte macro în cristalul de semințe, îmbunătățind astfel calitatea cristalului. În 1999, Hofmann și colab. observat și dovedit prin microscop optic că microtuburile pot fi acoperite în mod eficient în procesul de creștere a cristalelor SIC unice prin metoda TSSG, așa cum se arată în figura 8.

Figura 8: Eliminarea microtuburilor în timpul creșterii cristalului SiC prin metoda TSSG:

(A) Micrografia optică a cristalului SIC cultivată de TSSG în modul de transmisie, unde microtuburile de sub stratul de creștere pot fi văzute clar; 

(b) Micrografie optică din aceeași zonă în modul de reflecție, ceea ce indică faptul că microtuburile au fost complet acoperite.

(2) În comparație cu metoda PVT, metoda TSSG poate realiza mai ușor expansiunea diametrului cristalului, crescând astfel diametrul substratului SiC cu un singur cristal, îmbunătățind eficient eficiența producției dispozitivelor SIC și reducând costurile de producție.

Echipele de cercetare relevante ale Toyota și Sumitomo Corporation au obținut cu succes expansiunea diametrului cristalului controlabil artificial prin utilizarea unei tehnologii „Control de înălțime a meniscului”, așa cum se arată în figura 9 (a) și (b).

Figura 9: (a) Diagrama schematică a tehnologiei de control al meniscului în metoda TSSG; 

(b) schimbarea unghiului de creștere θ cu înălțimea meniscului și vederea laterală a cristalului sic obținut de această tehnologie; 

(c) creștere timp de 20 de ore la o înălțime de menisc de 2,5 mm; 

(d) creșterea timp de 10 ore la o înălțime de menisc de 0,5 mm;

(e) Creșterea timp de 35 de ore, înălțimea meniscului crescând treptat de la 1,5 mm la o valoare mai mare.

(3) Comparativ cu metoda PVT, metoda TSSG este mai ușor de obținut dopajul stabil de tip P a cristalelor SIC. De exemplu, Shirai și colab. din Toyota a raportat în 2014 că au crescut cristale P-SIC de tip P de tip P de tip P de tip P de tip P de la metoda TSSG, așa cum se arată în figura 10.

Figura 10: (a) Vederea laterală a tipului de tip P sic cultivat prin metoda TSSG; 

(b) fotografia optică de transmisie a unei secțiuni longitudinale a cristalului; 

(c) Morfologia de suprafață superioară a unui cristal cultivat dintr-o soluție la temperatură ridicată cu un conținut de Al de 3% (fracție atomică)

06 Concluzie și perspective

Metoda TSSG pentru creșterea cristalelor SIC a făcut progrese mari în ultimii 20 de ani, iar câteva echipe au crescut cristale unice de 4 inci de 4 inci de 4 inci prin metoda TSSG.

Cu toate acestea, dezvoltarea ulterioară a acestei tehnologii necesită încă descoperiri în următoarele aspecte cheie:

(1) studiul aprofundat al proprietăților termodinamice ale soluției;

(2) echilibrul dintre rata de creștere și calitatea cristalului;

(3) stabilirea condițiilor stabile de creștere a cristalelor;

(4) Dezvoltarea tehnologiei rafinate de control dinamic.

Deși metoda TSSG este încă oarecum în spatele metodei PVT, se crede că, odată cu eforturile continue ale cercetătorilor din acest domeniu, întrucât problemele științifice de bază ale creșterii cristalelor SIC unice prin metoda TSSG sunt rezolvate continuu și tehnologiile cheie în procesul de creștere sunt rupte continuu, această tehnologie va fi, de asemenea, industrializată, oferind astfel jocul complet și care a condus la elaborarea rapidă a metodei TSSG pentru creșterea SIC unică cristale și, în continuare Industria SIC.