Tre SIC enkeltkrystallvekstteknologier

Hovedmetodene for voksende Sic enkeltkrystaller er:Fysisk damptransport (PVT), Kjemisk dampavsetning med høy temperatur (HTCVD)ogHøy temperaturløsningsvekst (HTSG). Som vist i figur 1. Blant dem er PVT -metoden den mest modne og mye brukte metoden på dette stadiet. For tiden er det 6-tommers enkeltkrystallsubstratet blitt industrialisert, og 8-tommers enkeltkrystall har også blitt dyrket med suksess av Cree i USA i 2016. Imidlertid har denne metoden begrensninger som høye defekttetthet, lav utbytte, vanskelig diameterutvidelse og høye kostnader.

HTCVD -metoden bruker prinsippet om at SI -kilde- og C -kildegass reagerer kjemisk for å generere SIC i et miljø med høy temperatur på omtrent 2100 ℃ for å oppnå veksten av SIC -enkeltkrystaller. I likhet med PVT -metoden krever denne metoden også en høy veksttemperatur og har en høy vekstkostnad. HTSG -metoden er forskjellig fra de to ovennevnte metodene. Dets grunnleggende prinsipp er å bruke oppløsning og represipitasjon av Si og C -elementer i en høy temperaturoppløsning for å oppnå veksten av SIC -enkeltkrystaller. Den for tiden brukte tekniske modellen er TSSG -metoden.

Denne metoden kan oppnå veksten av SIC i en nesten termodynamisk likevektstilstand ved en lavere temperatur (under 2000 ° C), og de voksne krystaller har fordelene med ekspansjon av høy kvalitet, lett diameter og enkel stabil p-type doping. Det forventes å bli en metode for å fremstille større SIC-krystaller av høyere kvalitet og lavere kostnader etter PVT-metoden.

Figur 1. Skjematisk diagram over prinsippene for tre SIC enkeltkrystallvekstteknologier

01 Utviklingshistorie og nåværende status for TSSG-dyrket SIC enkeltkrystaller

HTSG -metoden for å vokse SIC har en historie på mer enn 60 år.

I 1961, Halden et al. Først oppnådde SIC-enkeltkrystaller fra en SI-smelte med høy temperatur der C ble oppløst, og deretter undersøkte veksten av SIC-enkeltkrystaller fra en høye temperaturoppløsning sammensatt av Si+X (hvor x er en eller flere av elementene Fe, Cr, SC, TB, PR, etc.).

I 1999, Hofmann et al. Fra University of Erlangen i Tyskland brukte Pure Si som en selvflux og brukte høye temperatur- og høytrykks-TSSG-metoden for å vokse sic enkeltkrystaller med en diameter på 1,4 tommer og en tykkelse på omtrent 1 mm for første gang.

I 2000 optimaliserte de prosessen ytterligere og vokste SIC-krystaller med en diameter på 20-30 mm og en tykkelse på opptil 20 mm ved bruk av ren Si som en selvflux i en høytrykks AR-atmosfære på 100-200 bar på 1900-2400 ° C.

Siden den gang har forskere i Japan, Sør -Korea, Frankrike, Kina og andre land suksessivt forsket på veksten av SIC -enkeltkrystallsubstrater ved TSSG -metoden, som har gjort at TSSG -metoden utvikler seg raskt de siste årene. Blant dem er Japan representert av Sumitomo Metal og Toyota. Tabell 1 og figur 2 viser forskningsfremdriften for Sumitomo -metall i veksten av SIC enkeltkrystaller, og tabell 2 og figur 3 viser hovedforskningsprosessen og representative resultater av Toyota.

Dette forskerteamet begynte å forske på veksten av SIC-krystaller ved TSSG-metoden i 2016, og oppnådde vellykket en 2-tommers 4H-SiC-krystall med en tykkelse på 10 mm. Nylig har teamet med suksess dyrket en 4-tommers 4H-SIC-krystall, som vist i figur 4.

Figur 2.Optisk bilde av SiC Crystal dyrket av Sumitomo Metals team ved bruk av TSSG -metoden

Figur 3.Representative prestasjoner av Toyotas team i voksende SIC enkeltkrystaller ved bruk av TSSG -metoden

Figur 4. Representative prestasjoner ved Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, i voksende SIC -enkeltkrystaller ved bruk av TSSG -metoden

02 Grunnleggende prinsipper for voksende sic enkeltkrystaller ved TSSG -metode

SIC har ikke noe smeltepunkt ved normalt trykk. Når temperaturen når over 2000 ℃, vil den direkte forgassere og dekomponere. Derfor er det ikke mulig å vokse sic enkeltkrystaller ved sakte avkjøling og størkning av sic smelte av den samme sammensetningen, det vil si smelte metode.

I henhold til Si-C-binærfasediagrammet er det en to-fase region av "L+SiC" i den Si-rike enden, som gir muligheten for væskefasevekst av SIC. Imidlertid er løseligheten av ren Si for C for lav, så det er nødvendig å tilsette fluks til Si-smelten for å bidra til å øke C-konsentrasjonen i høytemperaturløsningen. For tiden er den mainstream tekniske modusen for å vokse SIC -enkeltkrystaller ved HTSG -metoden TSSG -metode. Figur 5 (a) er et skjematisk diagram over prinsippet om voksende sic enkeltkrystaller ved TSSG -metode.

Blant dem regulering av de termodynamiske egenskapene til høye temperaturløsninger og dynamikken i løst transportprosess og krystallvekstgrensesnitt for å oppnå en god dynamisk balanse av tilbud og etterspørsel av løst C i hele vekstsystemet er nøkkelen til bedre å realisere veksten av SIC-enkeltkrystaller ved TSSG-metode.

Figur 5. (a) Skjematisk diagram over SiC enkeltkrystallvekst ved TSSG -metode; (b) Skjematisk diagram over den langsgående delen av L+SIC-to-fase-regionen

03 Termodynamiske egenskaper ved høye temperaturløsninger

Å oppløse nok C til høye temperaturløsninger er nøkkelen til å vokse SIC-enkeltkrystaller ved TSSG-metoden. Å legge flukselementer er en effektiv måte å øke løseligheten av C i høye temperaturløsninger.

Samtidig vil tilsetning av flukselementer også regulere tettheten, viskositeten, overflatespenningen, frysepunktet og andre termodynamiske parametere av høye temperaturløsninger som er nært beslektet med krystallvekst, og derved direkte påvirker de termodynamiske og kinetiske prosessene i krystallvekst. Derfor er utvalget av flukselementer det mest kritiske trinnet for å oppnå TSSG -metoden for å vokse SIC enkeltkrystaller og er forskningsfokuset på dette feltet.

Det er mange binære høytemperaturløsningssystemer rapportert i litteraturen, inkludert Li-Si, Ti-Si, CR-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si og co-Si. Blant dem er de binære systemene til CR-Si, Ti-Si og Fe-Si og multikomponentsystemene som CR-CE-al-Si godt utviklet og har oppnådd gode krystallvekstresultater.

Figur 6 (a) viser forholdet mellom SIC-veksthastighet og temperatur i tre forskjellige høytemperaturoppløsningssystemer av CR-Si, Ti-Si og Fe-Si, oppsummert av Kawanishi et al. av Tohoku University i Japan i 2020.

Som vist i figur 6 (b), Hyun et al. designet en serie med høye temperaturoppløsningssystemer med et sammensetningsforhold på Si0.56Cr0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, Cr, Mn, Fe, CO, Ni, Cu, RH og PD) for å vise løseligheten til C.

Figur 6. (a) Forholdet mellom SIC enkeltkrystallveksthastighet og temperatur når du bruker forskjellige høytemperaturoppløsningssystemer

04 Vekstkinetikkregulering

For bedre å oppnå SIC-krystaller av høy kvalitet, er det også nødvendig å regulere kinetikken til krystallutfelling. Derfor er et annet forskningsfokus for TSSG-metoden for å dyrke SIC enkeltkrystaller reguleringen av kinetikken i høye temperaturløsninger og ved krystallvekstgrensesnittet.

De viktigste virkemidlene for regulering inkluderer: rotasjon og trekkprosess for frøkrystall og digel, regulering av temperaturfelt i vekstsystem, optimalisering av digelstruktur og størrelse, og regulering av konveksjon med høy temperaturoppløsning med eksternt magnetfelt. Det grunnleggende formålet er å regulere temperaturfeltet, strømningsfeltet og det oppløste konsentrasjonsfeltet ved grensesnittet mellom høye temperaturoppløsninger og krystallvekst, for å bedre og raskere nedbør SIC fra høye temperaturoppløsninger på en ryddig måte og vokse til høykvalitets enkeltkrystaller.

Forskere har prøvd mange metoder for å oppnå dynamisk regulering, for eksempel "Crucible Accelerated Rotation Technology" brukt av Kusunoki et al. I arbeidet deres rapportert i 2006, og den "konkave løsningsvekstteknologien" utviklet av Daikoku et al.

I 2014, Kusunoki et al. Lagt til en grafittringstruktur som en fordypningsguide (IG) i digelen for å oppnå regulering av konveksjon med høy temperatur. Ved å optimalisere størrelsen og plasseringen av grafittringen, kan en jevn oppadgående løst transportmodus etableres i høye temperaturløsningen under frøkrystallen, og dermed forbedre krystallveksthastigheten og kvaliteten, som vist i figur 7.

Figur 7: (a) simuleringsresultater av høye temperaturoppløsningsstrømning og temperaturfordeling i digel; 

(b) Skjematisk diagram over eksperimentell enhet og sammendrag av resultatene

05 Fordeler med TSSG -metoden for å vokse SIC enkeltkrystaller

Fordelene med TSSG -metoden i voksende SIC enkeltkrystaller gjenspeiles i følgende aspekter:

(1) Metode med høy temperatur for å dyrke SIC enkeltkrystaller kan effektivt reparere mikrotubes og andre makrodefekter i frøkrystallen, og dermed forbedre krystallkvaliteten. I 1999, Hofmann et al. observert og bevist gjennom optisk mikroskop at mikrotubes effektivt kan dekkes i prosessen med å dyrke SIC enkeltkrystaller ved TSSG -metode, som vist i figur 8.

Figur 8: Eliminering av mikrotubes under veksten av SIC -enkeltkrystall ved TSSG -metode:

(a) Optisk mikrograf av SIC -krystall dyrket av TSSG i overføringsmodus, der mikrotubene under vekstlaget kan sees tydelig; 

(b) Optisk mikrograf av det samme området i refleksjonsmodus, noe som indikerer at mikrotubene er fullstendig dekket.

(2) Sammenlignet med PVT -metoden, kan TSSG -metoden lettere oppnå utvidelse av krystalldiameter, og dermed øke diameteren til SIC enkeltkrystallsubstrat, effektivt forbedre produksjonseffektiviteten til SIC -enheter og redusere produksjonskostnadene.

De relevante forskerteamene til Toyota og Sumitomo Corporation har med hell oppnådd kunstig kontrollerbar utvidelse av krystalldiameter ved å bruke en "Meniscus Height Control" -teknologi, som vist i figur 9 (a) og (b).

Figur 9: (a) Skjematisk diagram over menisk kontrollteknologi i TSSG -metoden; 

(b) endring av vekstvinkel θ med menisk høyde og sidevisning av SIC -krystall oppnådd ved denne teknologien; 

(c) vekst i 20 timer i en meniskhøyde på 2,5 mm; 

(d) vekst i 10 timer i en meniskhøyde på 0,5 mm;

(e) Vekst i 35 timer, med meniskhøyden gradvis øker fra 1,5 mm til en større verdi.

(3) Sammenlignet med PVT-metoden er TSSG-metoden lettere å oppnå stabil p-type doping av SIC-krystaller. For eksempel har Shirai et al. av Toyota rapporterte i 2014 at de hadde vokst 4H-SIC-krystaller med lav motstand, som vist i figur 10.

Figur 10: (a) sidevisning av P-type SiC enkeltkrystall dyrket ved TSSG-metode; 

(b) Optisk overføring av optisk fotografi av en langsgående seksjon av krystallen; 

(c) Topp overflatemorfologi av en krystall dyrket fra en høy temperaturoppløsning med et AL-innhold på 3% (atomfraksjon)

06 Konklusjon og utsikter

TSSG-metoden for å dyrke SIC enkeltkrystaller har gjort store fremskritt de siste 20 årene, og noen få lag har vokst 4-tommers SIC-enkeltkrystaller av høy kvalitet etter TSSG-metoden.

Imidlertid krever den videre utviklingen av denne teknologien fortsatt gjennombrudd i følgende viktige aspekter:

(1) grundig studie av de termodynamiske egenskapene til løsningen;

(2) balansen mellom veksthastighet og krystallkvalitet;

(3) etablering av stabile krystallvekstbetingelser;

(4) Utviklingen av raffinert dynamisk kontrollteknologi.

Selv om TSSG -metoden fremdeles ligger noe bak PVT -metoden, antas det at med den kontinuerlige innsatsen fra forskere på dette feltet, ettersom de viktigste vitenskapelige problemene med å øke SIC enkeltkrystaller ved TSSG -metoden kontinuerlig er løst og nøkkelteknologier i vekst og kontinuerlig ødelagt, vil denne teknologien også være industriell og gi full plate -promoten som kontinuerlig ødelegger for å gi en viktig teknologi for å gi en kraftig. Utvikling av SIC -industrien.