Τρεις τεχνολογίες ανάπτυξης κρυστάλλων SIC

Οι κύριες μέθοδοι για την ανάπτυξη των μεμονωμένων κρυστάλλων SIC είναι:Μεταφορά φυσικής ατμών (PVT), Υψηλής θερμοκρασίας Χημική εναπόθεση ατμών (HTCVD)καιΑνάπτυξη διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας (HTSG). Όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Μεταξύ αυτών, η μέθοδος PVT είναι η πιο ώριμη και ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος σε αυτό το στάδιο. Επί του παρόντος, το ενιαίο κρυσταλλικό υπόστρωμα 6 ιντσών έχει βιομηχανοποιηθεί και ο ενιαίος κρύσταλλος των 8 ιντσών έχει επίσης αναπτυχθεί με επιτυχία από την Cree στις Ηνωμένες Πολιτείες το 2016.

Η μέθοδος HTCVD χρησιμοποιεί την αρχή ότι η πηγή SI και το αέριο πηγής C αντιδρούν χημικά για να παράγουν SIC σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας περίπου 2100 ℃ για να επιτευχθεί η ανάπτυξη των SIC μεμονωμένων κρυστάλλων. Όπως και η μέθοδος PVT, αυτή η μέθοδος απαιτεί επίσης υψηλή θερμοκρασία ανάπτυξης και έχει υψηλό κόστος ανάπτυξης. Η μέθοδος HTSG είναι διαφορετική από τις παραπάνω δύο μεθόδους. Η βασική του αρχή είναι να χρησιμοποιήσει τη διάλυση και την επαναπροσδιορισμό των στοιχείων Si και C σε διάλυμα υψηλής θερμοκρασίας για την επίτευξη της ανάπτυξης των μονών κρυστάλλων SIC. Το τρέχον χρησιμοποιούμενο τεχνικό μοντέλο είναι η μέθοδος TSSG.

Αυτή η μέθοδος μπορεί να επιτύχει την ανάπτυξη του SIC σε κατάσταση σχεδόν θερμοδυναμικής ισορροπίας σε χαμηλότερη θερμοκρασία (κάτω από 2000 ° C) και οι καλλιεργημένοι κρύσταλλοι έχουν τα πλεονεκτήματα του υψηλής ποιότητας, του χαμηλού κόστους, της εύκολης διαστολής διαμέτρου και της εύκολης σταθερής ντόπινγκ P-τύπου. Αναμένεται να γίνει μια μέθοδος για την παρασκευή μεγαλύτερων, υψηλότερων και χαμηλότερων και χαμηλότερων κρυστάλλων SIC μετά τη μέθοδο PVT.

Σχήμα 1. Σχηματικό διάγραμμα των αρχών τριών τεχνολογιών ανάπτυξης κρυσταλλίδων SIC SIC

01 Ιστορικό Ανάπτυξης και Τρέχουσα Κατάσταση των Μονών Crystals-Growned TSSG

Η μέθοδος HTSG για την καλλιέργεια SIC έχει ιστορικό άνω των 60 ετών.

Το 1961, οι Halden et αϊ. Πρώτα έλαβε SIC μεμονωμένους κρυστάλλους από ένα τήγμα υψηλής θερμοκρασίας στο οποίο το C διαλύθηκε και στη συνέχεια διερεύνησε την ανάπτυξη των μονών κρυστάλλων SIC από ένα διάλυμα υψηλής θερμοκρασίας που αποτελείται από Si+X (όπου Χ είναι ένα ή περισσότερα από τα στοιχεία Fe, Cr, SC, TB, PR κ.λπ.).

Το 1999, οι Hofmann et αϊ. Από το Πανεπιστήμιο του Erlangen στη Γερμανία χρησιμοποίησε το Pure Si ως αυτο-ροή και χρησιμοποίησε την μέθοδο TSSG υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης για την ανάπτυξη μονών κρυστάλλων SIC με διάμετρο 1,4 ίντσες και πάχος περίπου 1 mm για πρώτη φορά.

Το 2000, βελτιστοποίησαν περαιτέρω τη διαδικασία και καλλιεργούσαν κρυστάλλους SIC με διάμετρο 20-30 mm και πάχος μέχρι 20 mm χρησιμοποιώντας καθαρό SI ως αυτο-ροή σε ατμόσφαιρα υψηλής πίεσης AR 100-200 bar στους 1900-2400 ° C.

Έκτοτε, οι ερευνητές στην Ιαπωνία, στη Νότια Κορέα, στη Γαλλία, στην Κίνα και σε άλλες χώρες έχουν διεξαγάγει διαδοχικά έρευνα σχετικά με την ανάπτυξη υποστρωμάτων SIC Single Crystal με τη μέθοδο TSSG, η οποία έχει κάνει τη μέθοδο TSSG να αναπτυχθεί ταχέως τα τελευταία χρόνια. Μεταξύ αυτών, η Ιαπωνία εκπροσωπείται από το Sumitomo Metal και την Toyota. Ο Πίνακας 1 και το Σχήμα 2 δείχνουν την πρόοδο της έρευνας του Sumitomo Metal στην ανάπτυξη των μονών κρυστάλλων SIC και ο Πίνακας 2 και το Σχήμα 3 δείχνουν την κύρια ερευνητική διαδικασία και τα αντιπροσωπευτικά αποτελέσματα της Toyota.

Αυτή η ερευνητική ομάδα άρχισε να διεξάγει έρευνα σχετικά με την ανάπτυξη κρυστάλλων SIC με τη μέθοδο TSSG το 2016 και έλαβε με επιτυχία ένα κρυστάλλινο 4H-SIC 2 ιντσών με πάχος 10 mm. Πρόσφατα, η ομάδα έχει αναπτύξει με επιτυχία ένα 4H-SIC Crystal 4 ιντσών, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.

Εικόνα 2.Οπτική φωτογραφία του SIC Crystal που καλλιεργείται από την ομάδα του Sumitomo Metal χρησιμοποιώντας τη μέθοδο TSSG

Εικόνα 3.Αντιπροσωπευτικά επιτεύγματα της ομάδας της Toyota σε αυξανόμενους SIC Single Crystals χρησιμοποιώντας τη μέθοδο TSSG

Εικόνα 4. Αντιπροσωπευτικά επιτεύγματα του Ινστιτούτου Φυσικής, της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, στην καλλιέργεια SIC Single Crystals χρησιμοποιώντας τη μέθοδο TSSG

02 Βασικές αρχές της καλλιέργειας SIC μεμονωμένων κρυστάλλων με μέθοδο TSSG

Το SIC δεν έχει σημείο τήξης σε κανονική πίεση. Όταν η θερμοκρασία φτάσει πάνω από το 2000 ℃, θα αναπτυχθεί άμεσα και θα αποσυντεθεί. Ως εκ τούτου, δεν είναι εφικτό να αναπτυχθούν SIC μεμονωμένους κρυστάλλους με αργά ψύξη και να στερεοποιήσουν το SIC τήγμα της ίδιας σύνθεσης, δηλαδή μέθοδο τήξης.

Σύμφωνα με το διάγραμμα δυαδικής φάσης SI-C, υπάρχει μια περιοχή δύο φάσεων του "L+SIC" στο πλούσιο σε Si End, το οποίο παρέχει τη δυνατότητα για την ανάπτυξη υγρής φάσης του SIC. Ωστόσο, η διαλυτότητα του καθαρού SI για C είναι πολύ χαμηλή, οπότε είναι απαραίτητο να προστεθεί η ροή στο Si Felt για να βοηθήσει στην αύξηση της συγκέντρωσης C στο διάλυμα υψηλής θερμοκρασίας. Επί του παρόντος, ο βασικός τεχνικός τρόπος λειτουργίας για την καλλιέργεια μονών κρυστάλλων SIC με μέθοδο HTSG είναι η μέθοδος TSSG. Το Σχήμα 5 (α) είναι ένα σχηματικό διάγραμμα της αρχής των αυξανόμενων μονών κρυστάλλων SIC με τη μέθοδο TSSG.

Μεταξύ αυτών, η ρύθμιση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας και η δυναμική της διεπαφής μεταφοράς διαλυτής ουσίας και της διεπαφής ανάπτυξης κρυστάλλων για την επίτευξη μιας καλής δυναμικής ισορροπίας της προσφοράς και της ζήτησης της διαλυμένης ουσίας C σε όλο το σύστημα ανάπτυξης είναι το κλειδί για την καλύτερη υλοποίηση της ανάπτυξης της μεθόδου SIC με μεθόδους TSSG.

Εικόνα 5. (α) Σχηματικό διάγραμμα της ανάπτυξης SIC μονής κρυστάλλου με μέθοδο TSSG. (β) Σχηματικό διάγραμμα του διαμήκους τμήματος της περιοχής δύο φάσεων L+SIC

03 Θερμοδυναμικές ιδιότητες λύσεων υψηλής θερμοκρασίας

Η διάλυση αρκετά C σε διαλύματα υψηλής θερμοκρασίας είναι το κλειδί για την καλλιέργεια μονών κρυστάλλων SIC με τη μέθοδο TSSG. Η προσθήκη στοιχείων ροής είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για την αύξηση της διαλυτότητας του C σε διαλύματα υψηλής θερμοκρασίας.

Ταυτόχρονα, η προσθήκη στοιχείων ροής θα ρυθμίσει επίσης την πυκνότητα, το ιξώδες, την επιφανειακή τάση, το σημείο κατάψυξης και άλλες θερμοδυναμικές παραμέτρους διαλύσεων υψηλής θερμοκρασίας που σχετίζονται στενά με την ανάπτυξη των κρυστάλλων, επηρεάζοντας έτσι άμεσα τις θερμοδυναμικές και κινητικές διεργασίες στην ανάπτυξη κρυστάλλων. Ως εκ τούτου, η επιλογή των στοιχείων ροής είναι το πιο κρίσιμο βήμα για την επίτευξη της μεθόδου TSSG για την καλλιέργεια των SIC μεμονωμένων κρυστάλλων και είναι η ερευνητική εστίαση στον τομέα αυτό.

Υπάρχουν πολλά δυαδικά συστήματα διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, συμπεριλαμβανομένων των Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, Sc-Si, Ni-Si και Co-Si. Μεταξύ αυτών, τα δυαδικά συστήματα CR-SI, TI-SI και FE-SI και τα συστήματα πολλαπλών συστατικών, όπως το CR-CE-Al-Si, είναι καλά ανεπτυγμένα και έχουν αποκτήσει καλά αποτελέσματα ανάπτυξης κρυστάλλων.

Το Σχήμα 6 (α) δείχνει τη σχέση μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης και της θερμοκρασίας SIC σε τρία διαφορετικά συστήματα διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας των CR-SI, TI-SI και Fe-Si, που συνοψίζονται από τους Kawanishi et al. του Πανεπιστημίου Tohoku στην Ιαπωνία το 2020.

Όπως φαίνεται στο σχήμα 6 (β), οι Hyun et αϊ. Σχεδίασε μια σειρά συστημάτων διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας με αναλογία σύνθεσης SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, NI, CU, RH και PD) για να δείξει τη διαλυτότητα του C.

Εικόνα 6. (α) Σχέση μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης και της θερμοκρασίας του SIC Single Crystal όταν χρησιμοποιείτε διαφορετικά συστήματα διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας

04 Ρύθμιση κινητικής ανάπτυξης

Προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερος μεμονωμένων κρυστάλλων SIC υψηλής ποιότητας, είναι επίσης απαραίτητο να ρυθμιστεί η κινητική της κρυσταλλικής βροχόπτωσης. Ως εκ τούτου, μια άλλη ερευνητική εστίαση της μεθόδου TSSG για την καλλιέργεια μονών κρυστάλλων SIC είναι η ρύθμιση της κινητικής σε διαλύματα υψηλής θερμοκρασίας και στη διεπαφή κρυστάλλων ανάπτυξης.

Τα κύρια μέσα ρύθμισης περιλαμβάνουν: την περιστροφή και τη διαδικασία έλξης του κρυστάλλου και του χωνευτηρίου, τη ρύθμιση του πεδίου θερμοκρασίας στο σύστημα ανάπτυξης, τη βελτιστοποίηση της δομής και το μέγεθος του χωνευτηρίου και τη ρύθμιση της μεταφοράς διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας με εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ο θεμελιώδης σκοπός είναι η ρύθμιση του πεδίου θερμοκρασίας, του πεδίου ροής και του πεδίου συγκέντρωσης διαλυτής ουσίας στη διεπαφή μεταξύ διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας και ανάπτυξης κρυστάλλων, έτσι ώστε να είναι καλύτερο και ταχύτερο ίζημα SIC από διάλυμα υψηλής θερμοκρασίας με κανονικό τρόπο και να αναπτύσσεται σε υψηλής ποιότητας μεγάλου μεγέθους μεμονωμένους κρυστάλλους.

Οι ερευνητές έχουν δοκιμάσει πολλές μεθόδους για την επίτευξη δυναμικής ρύθμισης, όπως η "τεχνολογία επιταχυνόμενης περιστροφής του Crucible" που χρησιμοποιείται από τους Kusunoki et al. Στο έργο τους αναφέρθηκε το 2006 και η "τεχνολογία ανάπτυξης κοίλων λύσεων" που αναπτύχθηκε από τους Daikoku et al.

Το 2014, οι Kusunoki et al. Προστέθηκε μια δομή δακτυλίου γραφίτη ως οδηγός εμβάπτισης (IG) στο Crucible για να επιτευχθεί η ρύθμιση της μεταφοράς διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας. Με τη βελτιστοποίηση του μεγέθους και της θέσης του δακτυλίου γραφίτη, μπορεί να δημιουργηθεί μια ομοιόμορφη μεταφορά προς τα πάνω διαλυμένη ουσία στο διάλυμα υψηλής θερμοκρασίας κάτω από τον κρύσταλλο σπόρου, βελτιώνοντας έτσι τον ρυθμό ανάπτυξης κρυστάλλων και την ποιότητα, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.

Εικόνα 7: (α) Αποτελέσματα προσομοίωσης της διαλύματος διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας και της κατανομής της θερμοκρασίας στο Crucible. 

(β) Σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής συσκευής και περίληψη των αποτελεσμάτων

05 Πλεονεκτήματα της μεθόδου TSSG για την καλλιέργεια SIC Single Crystals

Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου TSSG στην καλλιέργεια μονών κρυστάλλων SIC αντικατοπτρίζονται στις ακόλουθες πτυχές:

(1) Η μέθοδος διαλύματος υψηλής θερμοκρασίας για την καλλιέργεια μονών κρυστάλλων SIC μπορεί να επιδιορθώσει αποτελεσματικά τους μικροσωληνίσκους και άλλα ελαττώματα μακροεντολών στον κρύσταλλο σπόρου, βελτιώνοντας έτσι την ποιότητα των κρυστάλλων. Το 1999, οι Hofmann et αϊ. Παρατηρήθηκε και αποδείχθηκε μέσω οπτικού μικροσκοπίου ότι οι μικροσωληνίσκοι μπορούν να καλυφθούν αποτελεσματικά στη διαδικασία καλλιέργειας μονών κρυστάλλων SIC με μέθοδο TSSG, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.

Εικόνα 8: Εξάλειψη των μικροσωληνίσκων κατά την ανάπτυξη του SIC Single Crystal με τη μέθοδο TSSG:

(α) Οπτική μικρογραφία του κρυστάλλου SIC που αναπτύσσεται με TSSG σε λειτουργία μετάδοσης, όπου μπορούν να φανεί σαφώς οι μικροσωλήνες κάτω από το στρώμα ανάπτυξης. 

(β) Οπτική μικρογραφία της ίδιας περιοχής σε κατάσταση προβληματισμού, υποδεικνύοντας ότι οι μικροσωληνίσκοι έχουν καλυφθεί πλήρως.

(2) Σε σύγκριση με τη μέθοδο PVT, η μέθοδος TSSG μπορεί να επιτύχει ευκολότερα την επέκταση της διαμέτρου των κρυστάλλων, αυξάνοντας έτσι τη διάμετρο του υποστρώματος SIC μονού κρυστάλλου, βελτιώνοντας αποτελεσματικά την αποτελεσματικότητα της παραγωγής των συσκευών SIC και μειώνοντας το κόστος παραγωγής.

Οι σχετικές ερευνητικές ομάδες της Toyota και της Sumitomo Corporation έχουν επιτύχει με επιτυχία τεχνητά ελεγχόμενη επέκταση διαμέτρου κρυστάλλων χρησιμοποιώντας μια τεχνολογία "Meniscus Height Control", όπως φαίνεται στο σχήμα 9 (α) και (β).

Εικόνα 9: (α) Σχηματικό διάγραμμα της τεχνολογίας ελέγχου του μηνίσκου στη μέθοδο TSSG. 

(β) Αλλαγή της γωνίας ανάπτυξης θ με το ύψος του μηνίσκου και την πλευρική όψη του κρυστάλλου SIC που λαμβάνεται από αυτή την τεχνολογία. 

(γ) ανάπτυξη για 20 ώρες σε ύψος μηνίσκου 2,5 mm. 

(δ) ανάπτυξη για 10 ώρες σε ύψος μηνίσκου 0,5 mm.

(ε) ανάπτυξη για 35 ώρες, με το ύψος του μηνίσκου να αυξάνεται σταδιακά από 1,5 mm σε μεγαλύτερη τιμή.

(3) Σε σύγκριση με τη μέθοδο PVT, η μέθοδος TSSG είναι ευκολότερη στην επίτευξη σταθερού doping τύπου P των κρυστάλλων SIC. Για παράδειγμα, οι Shirai et αϊ. της Toyota ανέφερε το 2014 ότι είχαν αναπτύξει κρυστάλλους 4H-SIC χαμηλής ανθεκτικότητας με τη μέθοδο TSSG, όπως φαίνεται στο σχήμα 10.

Εικόνα 10: (α) Πλευρική όψη της μονής κρυστάλλου τύπου Ρ που αναπτύσσεται με μέθοδο TSSG. 

(β) οπτική φωτογραφία μετάδοσης ενός διαμήκους τμήματος του κρυστάλλου. 

(γ) Η μορφολογία της κορυφαίας επιφάνειας ενός κρυστάλλου που αναπτύσσεται από ένα διάλυμα υψηλής θερμοκρασίας με περιεκτικότητα σε AL 3% (ατομικό κλάσμα)

06 Συμπέρασμα και προοπτική

Η μέθοδος TSSG για την καλλιέργεια των SIC Single Crystals έχει σημειώσει μεγάλη πρόοδο τα τελευταία 20 χρόνια και μερικές ομάδες έχουν αναπτύξει υψηλής ποιότητας SIC SIC Crystals με τη μέθοδο TSSG.

Ωστόσο, η περαιτέρω ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας εξακολουθεί να απαιτεί ανακαλύψεις στις ακόλουθες βασικές πτυχές:

(1) σε βάθος μελέτη των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του διαλύματος.

(2) την ισορροπία μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης και της ποιότητας των κρυστάλλων ·

(3) την καθιέρωση σταθερών συνθηκών ανάπτυξης κρυστάλλων ·

(4) Η ανάπτυξη της εκλεπτυσμένης τεχνολογίας δυναμικού ελέγχου.

Παρόλο που η μέθοδος TSSG εξακολουθεί να είναι κάπως πίσω από τη μέθοδο PVT, πιστεύεται ότι με τις συνεχείς προσπάθειες των ερευνητών στον τομέα αυτό, καθώς τα βασικά επιστημονικά προβλήματα της δυνατότητας των ενιαίων κρυστάλλων SIC με τη μέθοδο TSSG συνεχώς επιλύονται και οι βασικές τεχνολογίες στη διαδικασία ανάπτυξης συνεχώς σπάζουν, αυτή η τεχνολογία θα είναι επίσης βιομηχανικά, δίνοντας την πρόοδο και την προώθηση και την προώθηση του SIC και η οδήγηση και η οδήγηση του. της βιομηχανίας SIC.