Три SIC технологии за растеж на единичен кристал

Основните методи за отглеждане на SIC единични кристали са:физически транспорт на пари (PVT), Химическо отлагане на химически пари (HTCVD)иРастеж на разтвора с висока температура (HTSG). Както е показано на фигура 1. Сред тях методът на PVT е най -зрял и широко използван метод на този етап. Понастоящем 6-инчовият единичен кристален субстрат е индустриализиран, а 8-инчовият единичен кристал също е успешно отглеждан от CREE в Съединените щати през 2016 г. Въпреки това, този метод има ограничения като висока плътност на дефекти, нисък добив, разширяване на труден диаметър и висока цена.

Методът HTCVD използва принципа, който Si източник и C източник на газ реагират химически, за да генерират SIC във високотемпературна среда от около 2100 ℃, за да постигнат растежа на SIC единични кристали. Подобно на метода на PVT, този метод също изисква висока температура на растеж и има висока цена на растеж. Методът HTSG е различен от горните два метода. Основният му принцип е да използва разтварянето и репресицията на Si и C елементи във високотемпературен разтвор, за да се постигне растеж на SIC единични кристали. Понастоящем широко използваният технически модел е методът на TSSG.

Този метод може да постигне растежа на SIC в почти термодинамично равновесно състояние при по-ниска температура (под 2000 ° C), а отглежданите кристали имат предимствата на висококачественото, ниската цена, лесното разширяване на диаметъра и лесния стабилен P-тип допинг. Очаква се той да се превърне в метод за приготвяне на по-големи, по-висококачествени и по-ниски разходи SIC единични кристали след метода на PVT.

Фигура 1. Схематична схема на принципите на три SIC технологии за растеж на единичен кристал

01 История на развитието и текущо състояние на TSSG, отглеждани от SIC единични кристали

Методът HTSG за отглеждане на SIC има история от повече от 60 години.

През 1961 г. Halden et al. Първо получава SIC мощност от единични кристали от високотемпературна SI стопилка, в която се разтваря С, и след това изследва растежа на SIC мощни кристали от високотемпературен разтвор, съставен от Si+X (където x е един или повече от елементите Fe, Cr, Sc, TB, PR и т.н.).

През 1999 г. Hofmann et al. От Университета в Ерланген в Германия използва Pure Si като самостоятелен поток и използва високотемпературен и високо налягане TSSG метод за отглеждане на SIC единични кристали с диаметър 1,4 инча и дебелина около 1 mm за първи път.

През 2000 г. те допълнително оптимизират процеса и отглеждат кристали SIC с диаметър 20-30 mm и дебелина до 20 mm, използвайки чист Si като самостоятелен поток в AR атмосфера с високо налягане от 100-200 бара при 1900-2400 ° C.

Оттогава изследователи в Япония, Южна Корея, Франция, Китай и други страни последователно провеждат изследвания за растежа на SIC единични кристални субстрати по метода на TSSG, което направи метода на TSSG да се развива бързо през последните години. Сред тях Япония е представена от Sumitomo Metal и Toyota. Таблица 1 и Фигура 2 показват напредъка на изследванията на метала Sumitomo в растежа на SIC единични кристали, а таблица 2 и фигура 3 показват основния изследователски процес и представителни резултати на Toyota.

Този изследователски екип започна да провежда изследвания за растежа на SIC кристалите по метода на TSSG през 2016 г. и успешно получи 2-инчов 4H-SIC кристал с дебелина 10 mm. Наскоро екипът успешно отглежда 4-инчов 4H-SIC кристал, както е показано на фигура 4.

Фигура 2.Оптична снимка на SIC Crystal, отглеждана от екипа на Sumitomo Metal, използвайки метода TSSG

Фигура 3.Представителни постижения на екипа на Toyota в растящи SIC единични кристали, използвайки метода TSSG

Фигура 4. Представителни постижения на Института по физика, Китайска академия на науките, в отглеждане на SIC единични кристали, използвайки метода TSSG

02 Основни принципи за отглеждане на SIC единични кристали по метод на TSSG

SIC няма точка на топене при нормално налягане. Когато температурата достигне над 2000 ℃, тя директно ще се гаси и ще се разлага. Следователно, не е възможно да се отглеждат SIC единични кристали чрез бавно охлаждане и втвърдяване на SIC стопилка от същия състав, тоест метод на стопилка.

Според двоичната фазова диаграма на Si-C има двуфазна област на "l+sic" в края на SI, което осигурява възможността за растежа на течната фаза на SIC. Разтворимостта на чистия Si за С е твърде ниска, така че е необходимо да се добави поток към SI стопилката, за да се помогне за увеличаване на концентрацията на С във високотемпературния разтвор. Понастоящем основният технически режим за отглеждане на SIC единични кристали чрез HTSG метод е TSSG метод. Фигура 5 (а) е схематична схема на принципа на отглеждане на SIC единични кристали по метода на TSSG.

Сред тях регулирането на термодинамичните свойства на високотемпературния разтвор и динамиката на процеса на транспортиране на разтворители и интерфейса за растеж на кристалите за постигане на добър динамичен баланс на предлагане и търсене на разтворимо в цялата система за растеж е ключът за по-доброто реализиране на растежа на SIC единичните кристали по метода на TSSG.

Фигура 5. (A) Схематична диаграма на растежа на единичен кристал SIC по метод на TSSG; (б) Схематична диаграма на надлъжната секция на двуфазната област L+Sic

03 Термодинамични свойства на високотемпературните разтвори

Разтварянето на достатъчно С във високотемпературни разтвори е ключът към отглеждането на SIC единични кристали по метода на TSSG. Добавянето на елементи на потока е ефективен начин за увеличаване на разтворимостта на С във високотемпературни разтвори.

В същото време добавянето на поток елементи също ще регулира плътността, вискозитета, повърхностното напрежение, точката на замръзване и други термодинамични параметри на високотемпературни разтвори, които са тясно свързани с растежа на кристалите, като по този начин пряко влияят на термодинамичните и кинетичните процеси при растежа на кристалите. Следователно, изборът на елементи на потока е най -критичната стъпка за постигане на TSSG метода за отглеждане на SIC единични кристали и е фокусът на изследването в тази област.

В литературата има много бинарни системи за решения с висока температура, включително Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si и Co-Si. Сред тях бинарните системи на Cr-Si, Ti-Si и Fe-Si и многокомпонентните системи като CR-CE-AL-SI са добре развити и са получили добри резултати от растежа на кристалите.

Фигура 6 (а) показва връзката между скоростта на растеж на SIC и температурата в три различни системи за решения с висока температура на Cr-Si, Ti-Si и Fe-Si, обобщени от Kawanishi et al. на университета Тохоку в Япония през 2020 г.

Както е показано на фигура 6 (б), Hyun et al. Проектира серия от високотемпературни системи за разтвори със съотношение на състава на SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Rh и Pd), за да покаже разтворимостта на C.

Фигура 6. (A) Връзка между скоростта на растеж на единичния кристал и температурата на SIC при използване на различни системи за решения с висока температура

04 Регулиране на кинетиката на растежа

За да се получи по-добре висококачествени SIC единични кристали, също е необходимо да се регулира кинетиката на кристалните утаявания. Следователно, друг изследователски фокус на метода TSSG за отглеждане на SIC единични кристали е регулирането на кинетиката във високотемпературни разтвори и в интерфейса за растеж на кристалите.

Основното средство за регулиране включва: Процес на въртене и дърпане на кристал на семената и тигел, регулиране на температурното поле в системата на растеж, оптимизиране на структурата и размера на тигела и регулирането на конвекцията на високотемпературния разтвор чрез външно магнитно поле. Основната цел е да се регулира полето на температурата, полето на потока и концентрацията на разтворители на интерфейса между разтвор с висока температура и растеж на кристалите, така че по-добра и по-бърза утайка SIC от високотемпературен разтвор по подреден начин и прерастване във висококачествени единични кристали с голям размер.

Изследователите са изпробвали много методи за постигане на динамична регулация, като „технологията на ускорената ротация на тигела“, използвана от Kusunoki et al. В своята работа се отчита през 2006 г. и „вдлъбната технология за растеж на решенията“, разработена от Daikoku et al.

През 2014 г. Kusunoki et al. Добавена е графитна структура на пръстена като ръководство за потапяне (IG) в тигела, за да се постигне регулиране на конвекцията на разтвора с висока температура. Чрез оптимизиране на размера и положението на графитния пръстен може да се установи равномерен режим на транспортиране на разтворимо разтворители в разтвора с висока температура под кристала на семената, като по този начин се подобри скоростта и качеството на растежа на кристала, както е показано на фигура 7.

Фигура 7: (a) Резултати от симулация на високотемпературен поток на разтвора и разпределение на температурата в тигел; 

(б) Схематична схема на експериментално устройство и обобщение на резултатите

05 Предимства на TSSG метод за отглеждане на SIC единични кристали

Предимствата на метода на TSSG при отглеждане на SIC единични кристали се отразяват в следните аспекти:

(1) Методът на разтвора с висока температура за отглеждане на SIC единични кристали може ефективно да поправи микротръбите и други макро дефекти в кристала на семената, като по този начин подобрява качеството на кристалите. През 1999 г. Hofmann et al. Наблюдавани и доказани чрез оптичен микроскоп, че микротръбите могат да бъдат ефективно покрити в процеса на отглеждане на SIC единични кристали по метода на TSSG, както е показано на фигура 8.

Фигура 8: Елиминиране на микротрубките по време на растежа на SIC единичен кристал по метод на TSSG:

(A) Оптична микрография на SIC кристал, отглеждана от TSSG в режим на предаване, където микротрите под растежния слой могат да се видят ясно; 

(б) Оптична микрография на същата област в режим на отражение, което показва, че микротръбите са напълно покрити.

(2) В сравнение с метода на PVT, методът TSSG може по -лесно да постигне разширяване на кристалния диаметър, като по този начин увеличава диаметъра на SIC единичен кристален субстрат, като ефективно подобрява производствената ефективност на SIC устройствата и намалява производствените разходи.

Съответните изследователски екипи на Toyota и Sumitomo Corporation успешно постигнаха изкуствено контролируемо разширяване на кристалния диаметър, като използват технология „менискус за контрол на височината“, както е показано на фигура 9 (а) и б).

Фигура 9: (а) схематична схема на технологията за контрол на менискуса в метода TSSG; 

(б) Промяна на ъгъла на растеж θ с височина на менискус и страничен изглед на SIC кристал, получен от тази технология; 

в) растеж в продължение на 20 часа на височина на менискус 2,5 мм; 

г) растеж в продължение на 10 часа при височина на менискус 0,5 mm;

д) растеж в продължение на 35 часа, като височината на менискуса постепенно се увеличава от 1,5 mm до по -голяма стойност.

(3) В сравнение с метода на PVT, TSSG методът е по-лесен за постигане на стабилен P-тип допинг на SIC кристали. Например, Shirai et al. от Toyota съобщи през 2014 г., че са отглеждали кристали с ниско съпротивление от 4H-SIC по метода TSSG, както е показано на фигура 10.

Фигура 10: (a) страничен изглед на P-тип SIC единичен кристал, отглеждан по метод TSSG; 

б) оптична снимка на предаване на надлъжен участък от кристала; 

(C) Горна повърхностна морфология на кристал, отглеждан от разтвор с висока температура със съдържание на Al 3% (атомна фракция)

06 Заключение и перспективи

Методът на TSSG за отглеждане на SIC единични кристали постигна голям напредък през последните 20 години, а няколко екипа са нараснали с висококачествен 4-инчов SIC единични кристали по метода на TSSG.

По -нататъшното развитие на тази технология обаче все още изисква пробиви в следните ключови аспекти:

(1) задълбочено проучване на термодинамичните свойства на разтвора;

(2) балансът между темповете на растеж и качеството на кристалите;

(3) установяване на стабилни условия на растеж на кристалите;

(4) Разработването на изискана технология за динамичен контрол.

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 Развитие на SIC индустрията.