Kolm sic -ühekristalli kasvutehnoloogiat

SIC üksikkristallide kasvatamiseks peamised meetodid on:Füüsiline auru transport (PVT), Kõrge temperatuuriga keemiline aurude ladestumine (HTCVD)jaKõrge temperatuurilahuse kasv (HTSG). Nagu on näidatud joonisel 1. Nende hulgas on PVT -meetod selles etapis kõige küpsem ja laialdasemalt kasutatav meetod. Praegu on 6-tolline üksikkristallide substraat tööstuslik ja CREE on 2016. aastal edukalt kasvatanud ka 8-tollise üksikkristalli. Kuid sellel meetodil on siiski sellised piirangud nagu suur defektide tihedus, madal saagis, keeruline läbimõõdu laienemine ja suured kulud.

HTCVD -meetod kasutab põhimõtet, mille SI allikas ja C allikagaas reageerivad keemiliselt, et genereerida SIC -i kõrge temperatuuriga keskkonnas umbes 2100 ℃, et saavutada SIC üksikute kristallide kasv. Nagu PVT -meetod, nõuab ka see meetod ka kõrge kasvutemperatuuri ja sellel on kõrge kasvukulu. HTSG -meetod erineb kahest ülaltoodud meetodist. Selle aluspõhimõte on SI ja C elementide lahustumise ja redepeerimise kasutamine kõrge temperatuuriga lahuses, et saavutada SIC üksikkristallide kasv. Praegu laialdaselt kasutatav tehniline mudel on TSSG meetod.

See meetod suudab saavutada SIC kasvu peaaegu termodünaamilises tasakaalu olekus madalamal temperatuuril (alla 2000 ° C) ja kasvatatud kristallidel on kõrge kvaliteediga, odavate, lihtsa läbimõõduga laienemise eelised ja hõlpsasti stabiilne P-tüüpi doping. Eeldatakse, et see saab meetodiks suuremate, kvaliteetsete ja madalama hinnaga sic-üksikkristallide valmistamiseks pärast PVT-meetodit.

Joonis 1. Kolme sic -kristallide kasvutehnoloogia põhimõtete skemaatiline diagramm

01 TSSG-kasvanud SIC üksikkristallide arengulugu ja hetkeseisund

SIC -i kasvatamise HTSG -meetodil on olnud rohkem kui 60 aastat.

1961. aastal Halden jt. Esmalt saadi SIC üksikkristallid kõrge temperatuuriga Si-sulast, milles C lahustati, ja uuriti seejärel sic-üksikkristallide kasvu kõrge temperatuuriga lahusest, mis koosneb Si+X-st (kus X on üks või mitu elementi Fe, CR, SC, TB, PR jne).

1999. aastal olid Hofmann jt. Saksamaa Erlangeni ülikoolist kasutas Pure Si isevoogina ja kasutas kõrgtemperatuuri ja kõrgsurve TSG-meetodit SIC-i üksikkristallide kasvatamiseks läbimõõduga 1,4 tolli ja paksus esmakordselt umbes 1 mm.

2000. aastal optimeerisid nad protsessi veelgi ja kasvatasid SIC-kristalle läbimõõduga 20–30 mm ja paksusega kuni 20 mm, kasutades puhast Si-d, kui enesevulbina kõrgsurve AR-atmosfääris 100-200 baari temperatuuril 1900–2400 ° C.

Pärast seda on Jaapani, Lõuna -Korea, Prantsusmaa, Hiina ja teiste riikide teadlased järjest uuringuid teinud SIC üksikkristallide substraatide kasvu kohta TSSG meetodil, mis on muutnud TSSG -meetodi viimastel aastatel kiiresti arenema. Nende hulgas esindab Jaapanit Sumitomo Metal ja Toyota. Tabelis 1 ja joonis 2 näitavad Sumitomo metalli uurimistöö edenemist SIC üksikkristallide kasvule ning tabel 2 ja joonis 3 näitavad Toyota peamisi uurimisprotsessi ja esinduslikke tulemusi.

See uurimisrühm hakkas SIC-kristallide kasvu TSSG-meetodil 2016. aastal läbi viima uurimistööd ja saavutas edukalt 2-tollise 4H-sic-kristalli paksusega 10 mm. Hiljuti on meeskond edukalt kasvatanud 4-tollist 4H-SIC kristalli, nagu on näidatud joonisel 4.

Joonis 2.Sumitomo metalli meeskonna poolt kasvatatud optiline foto SIC Crystal'ist, kasutades TSSG meetodit

Joonis 3.Toyota meeskonna esinduslikud saavutused SIC üksikkristallide kasvatamisel, kasutades TSSG meetodit

Joonis 4. Hiina Teaduste Akadeemia füüsikainstituudi esinduslikud saavutused SIC -i üksikkristallide kasvatamisel, kasutades TSSG meetodit

02 SIC -i üksikkristallide kasvatamise põhiprintsiibid TSSG meetodil

SIC -l pole normaalse rõhu korral sulamispunkti. Kui temperatuur ulatub üle 2000 ℃, gaasistab ja laguneb see otse. Seetõttu ei ole võimalik SIC -i üksikkristalle kasvatada, jahutades ja tahkudes aeglaselt sama kompositsiooni, see tähendab sulamismeetodit.

SI-C binaarfaasi diagrammi kohaselt on Si-rikkas otsas kahefaasiline piirkond "L+sic", mis annab võimaluse SIC-i vedela faasi kasvuks. Puhta SI lahustuvus C jaoks on aga liiga madal, seetõttu on vaja lisada SI sulale voogu, et aidata suurendada C-kontsentratsiooni kõrge temperatuuri lahuses. Praegu on SIC -i üksikkristallide kasvatamiseks HTSG meetodil tavapärane tehniline režiim TSSG meetod. Joonis 5 (a) on SIC -i üksikkristallide kasvatamise põhimõtte skemaatiline diagramm TSSG meetodil.

Nende hulgas on kõrge temperatuuriga lahuse termodünaamiliste omaduste reguleerimine ning lahustunud transpordiprotsessi dünaamika ja kristallide kasvu liides, et saavutada hea dünaamiline tasakaalu tasakaalu ja lahustunud Con-i nõudluse saavutamiseks kogu kasvusüsteemis, et paremini realiseerida SIC üksikute kristallide kasvu TSSG meetodil.

Joonis 5. (A) SIC üksikute kristallide kasvu skemaatiline diagramm TSSG meetodil; b) L+sic kahefaasilise piirkonna pikisuunalise lõigu skemaatiline diagramm

03 Kõrgtemperatuuriliste lahenduste termodünaamilised omadused

Piisavalt C-d kõrgtemperatuurilisteks lahendusteks on SIC-i üksikkristallide kasvatamiseks võtmeks TSSG meetodil. Voolementide lisamine on tõhus viis C-lahustuvuse suurendamiseks kõrgtemperatuurilistes lahustes.

Samal ajal reguleerib voolementide lisamine ka kõrgtemperatuuriliste lahuste tihedust, viskoossust, pindpinevust, külmumispunkti ja muid termodünaamilisi parameetreid, mis on tihedalt seotud kristallide kasvuga, mõjutades seeläbi otseselt termodünaamilisi ja kineetilisi protsesse kristallide kasvu korral. Seetõttu on voolementide valimine kõige kriitilisem samm SIC -i üksikkristallide kasvatamiseks TSSG -meetodi saavutamisel ja see on uurimistöö selles valdkonnas.

Kirjanduses on esitatud palju binaarseid kõrgtemperatuuriga lahendussüsteeme, sealhulgas Li-SI, TI-Si, Cr-SI, Fe-Si, SC-SI, Ni-Si ja Co-Si. Nende hulgas on CR-SI, TI-SI ja Fe-Si ning mitmekomponendiliste süsteemide, näiteks CR-CE-SI binaarsed süsteemid hästi arenenud ja on saanud head kristallide kasvu tulemused.

Joonis 6 (a) näitab SIC kasvukiiruse ja temperatuuri suhet Cr-Si, TI-Si ja Fe-Si kolme erineva temperatuuriga lahusesüsteemis, mille on kokku võtnud Kawanishi jt. Tohoku ülikooli Jaapanis 2020. aastal.

Nagu on näidatud joonisel 6 (b), Hyun jt. kavandas rida kõrgtemperatuuriga lahendussüsteeme, mille koostise suhe on SI0,56CR0,4M0,04 (M = SC, TI, V, C, CR, MN, FE, FE, CO, NI, CU, CU, RH ja PD), et näidata C-i lahustuvust C.

Joonis 6. a) SIC-i ühe kristalli kasvukiiruse ja temperatuuri vaheline seos erinevate kõrge temperatuuriga lahusesüsteemide kasutamisel

04 Kasvu kineetika reguleerimine

Kvaliteetsete SIC üksikkristallide paremaks saamiseks on vaja reguleerida ka kristallide sademete kineetikat. Seetõttu on TSSG-meetodi veel üks uurimistöö SIC üksikkristallide kasvatamiseks kineetika reguleerimine kõrgtemperatuurilistes lahustes ja kristallide kasvu liideses.

Reguleerimise peamised vahendid on järgmised: seemnekristallide ja tiigli pöörlemine ja tõmbeprotsess, temperatuurivälja reguleerimine kasvusüsteemis, tiigli struktuuri ja suuruse optimeerimine ning kõrge temperatuuriga lahuse konvektsiooni reguleerimine välise magnetvälja abil. Põhieesmärk on reguleerida temperatuurivälja, vooluvälja ja lahustunud kontsentratsioonivälja kõrgtemperatuurilise lahuse ja kristallide kasvu vahelise liidese juures, nii et paremaks ja kiirem sadestuks SIC-ist kõrge temperatuuriga lahusest korrapäraselt ja kasvada kvaliteetseteks suurteks üksikute kristallideks.

Teadlased on proovinud paljusid meetodeid dünaamilise reguleerimise saavutamiseks, näiteks "tiigli kiirendatud pöördetehnoloogia", mida kasutavad Kusunoki jt. 2006. aastal teatatud töös ja Daikoku jt välja töötatud "nõgusa lahenduste kasvutehnoloogia".

2014. aastal olid Kusunoki jt. Lisas tiiglis grafiidirõnga struktuuri kui IG), et saavutada kõrgtemperatuuriga lahuse konvektsiooni reguleerimine. Grafiitrõnga suuruse ja asukoha optimeerimisega saab ühtlase ülespoole suunatud lahustunud transpordirežiimi luua kõrgtemperatuuri lahuses seemnekristalli all, parandades seeläbi kristallide kasvukiirust ja kvaliteeti, nagu on näidatud joonisel 7.

Joonis 7: a) Kõrgtemperatuuriga lahuse voolu ja temperatuuri jaotuse simulatsiooni tulemused tiiglis; 

b) eksperimentaalse seadme skemaatiline diagramm ja tulemuste kokkuvõte

05 TSSG -meetodi eelised SIC üksikkristallide kasvatamiseks

TSSG -meetodi eelised SIC üksikkristallide kasvatamisel kajastuvad järgmistes aspektides:

(1) Kõrgtemperatuuriga lahendusmeetod SIC-i üksikkristallide kasvatamiseks võib seemnekristalli mikrotube ja muid makrodefekte tõhusalt parandada, parandades sellega kristallide kvaliteeti. 1999. aastal olid Hofmann jt. Vaadeldud ja tõestatud optilise mikroskoobi kaudu, et mikrotube saab SIC -i üksikkristallide kasvatamise protsessis TSSG meetodil tõhusalt katta, nagu on näidatud joonisel 8.

Joonis 8: Mikroturude kõrvaldamine SIC ühekristalli kasvu ajal TSSG meetodil:

a) SIC -kristallide optiline mikrograaf, mida kasvatatakse TSSG abil ülekanderežiimis, kus kasvukihi all olevaid mikrotube saab selgelt näha; 

(b) Sama piirkonna optiline mikrograafia peegeldusrežiimis, mis näitab, et mikrotubid on täielikult kaetud.

(2) Võrreldes PVT -meetodiga suudab TSSG -meetod hõlpsamini saavutada kristallide läbimõõdu laienemise, suurendades sellega SIC ühe kristalli substraadi läbimõõtu, parandades tõhusalt SIC -seadmete tootmise efektiivsust ja vähendades tootmiskulusid.

Toyota ja Sumitomo Corporationi asjakohased uurimisrühmad on kunstlikult kontrollitava kristalli läbimõõdu laienemise edukalt saavutanud, kasutades tehnoloogiat "Meniski kõrguse kontrolli" tehnoloogia abil, nagu on näidatud joonisel 9 (a) ja (b).

Joonis 9: a) Meniski tõrje tehnoloogia skemaatiline diagramm TSSG meetodil; 

b) kasvunurga muutus θ meniski kõrguse ja selle tehnoloogia abil saadud SIC -kristalli külgvaatega; 

c) kasv 20 tundi meniski kõrgusel 2,5 mm; 

d) kasv 10 tundi meniski kõrgusel 0,5 mm;

e) Kasv 35 tundi, meniski kõrgus kasvab järk -järgult 1,5 mm suurema väärtuseni.

(3) Võrreldes PVT-meetodiga on TSSG-meetodil lihtsam saavutada SIC-kristallide stabiilset p-tüüpi dopingut. Näiteks Shirai jt. Toyota teatas 2014. aastal, et nad olid TSSG meetodil kasvanud madala resistentsusega p-tüüpi 4H-sic kristallid, nagu on näidatud joonisel 10.

Joonis 10: a) TSSG meetodil kasvatatud p-tüüpi üksikkristallide külgvaade; 

b) ülekande optiline foto kristalli pikisuunalisest lõigust; 

(C) Kõrgtemperatuuriga lahusest kasvatatud kristalli ülemine pinna morfoloogia, mille AL sisaldus on 3% (aatomifraktsioon)

06 Järeldus ja väljavaade

SIC-i üksikkristallide kasvatamise TSSG-meetod on viimase 20 aasta jooksul suuri edusamme teinud ja mõned meeskonnad on TSSG-meetodil kasvanud kvaliteetseid 4-tolliseid SIC-i üksikkristalle.

Selle tehnoloogia edasine areng nõuab siiski läbimurdeid järgmistes põhiaspektides:

(1) lahuse termodünaamiliste omaduste põhjalik uuring;

(2) tasakaal kasvukiiruse ja kristallide kvaliteedi vahel;

(3) stabiilsete kristallide kasvu tingimuste loomine;

(4) Rafineeritud dünaamilise juhtimistehnoloogia arendamine.

Ehkki TSSG -meetod on endiselt mõnevõrra taga PVT -meetodist, arvatakse, et selle valdkonna teadlaste pidevate jõupingutuste korral on SIC -i üksikkristallide kasvatamise peamised teaduslikud probleemid TSSG -meetodi abil pidevalt lahendatud ja võtmetehnoloogiad on kasvuprotsessis pidevalt purustatud, ja see on pidevalt arendamisel, mis ajendatakse kakreklaami ja ajendatakse ka täielikku näidendit SIC -ile. SIC -tööstus.