Trys SIC vieno krištolo augimo technologijos

Pagrindiniai SIC pavienių kristalų auginimo metodai yra šie:Fizinis garų pernešimas (PVT), Aukštos temperatūros cheminio garų nusėdimas (HTCVD)irAukštos temperatūros tirpalo augimas (HTSG). Kaip parodyta 1 paveiksle. Tarp jų PVT metodas yra pats brandžiausias ir plačiausiai naudojamas metodas šiame etape. Šiuo metu 6 colių vieno kristalo substratas buvo pramoninis, o 8 colių singlas kristalas taip pat sėkmingai išaugino CREE 2016 m. JAV. Tačiau šis metodas turi tokių apribojimų kaip didelis defektų tankis, mažo derliaus, sunkaus skersmens išplėtimas ir didelės išlaidos.

HTCVD metodas naudoja principą, kad SI šaltinis ir C šaltinis chemiškai reaguoja, kad SIC būtų sukuriama aukštos temperatūros aplinkoje apie 2100 ℃, kad pasiektų SIC pavienių kristalų augimą. Kaip ir PVT metodas, šis metodas taip pat reikalauja aukštos augimo temperatūros ir turi didelę augimo sąnaudas. HTSG metodas skiriasi nuo aukščiau paminėtų dviejų metodų. Pagrindinis jo principas yra naudoti Si ir C elementų ištirpimą ir perdirbimą aukštos temperatūros tirpale, kad būtų pasiektas SiC pavienių kristalų augimas. Šiuo metu plačiai naudojamas techninis modelis yra TSSG metodas.

Šis metodas gali pasiekti SIC augimą beveik termodinaminėje pusiausvyros būsenoje žemesnėje temperatūroje (žemiau 2000 ° C), o suaugę kristalai turi aukštos kokybės, mažos kainos, lengvo skersmens išsiplėtimo ir lengvo stabilaus p tipo dopingo pranašumus. Tikimasi, kad po PVT metodo jis taps didesnių, aukštesnės kokybės ir mažesnių SiC pavienių kristalų paruošimo metodu.

1 paveikslas. Trijų SIC pavienių kristalų augimo technologijų principų schema

01 TSSG auginamų SiC pavienių kristalų vystymosi istorija ir dabartinė būklė

HTSG metodas, skirtas auginti SIC, yra daugiau nei 60 metų.

1961 m. Halden ir kt. Pirmiausia buvo gauti SiC pavieniai kristalai iš aukštos temperatūros Si lydalo, kuriame C buvo ištirpintas, o paskui ištyrė SiC pavienių kristalų augimą iš aukštos temperatūros tirpalo, sudaryto iš Si+X (kur x yra vienas ar daugiau elementų Fe, CR, SC, TB, PR ir kt.).

1999 m. Hofmann ir kt. Iš Erlangeno universiteto Vokietijoje buvo naudojamas „Pure Si“ kaip savaiminį srautą ir naudojo aukšto temperatūros ir aukšto slėgio TSSG metodą, kad augintų sico pavienius kristalus, kurių skersmuo 1,4 colio, o pirmą kartą-maždaug 1 mm storis.

2000 m. Jie dar labiau optimizavo procesą ir augino SiC kristalus, kurių skersmuo buvo 20–30 mm, o storio-iki 20 mm, naudojant gryną SI kaip savarankišką srautą aukšto slėgio AR atmosferoje, esančioje 100–200 baruose 1900–2400 ° C.

Nuo to laiko Japonijos, Pietų Korėjos, Prancūzijos, Kinijos ir kitų šalių tyrėjai iš eilės atliko SIC pavienių kristalų substratų augimo tyrimus TSSG metodu, dėl kurio TSSG metodas pastaraisiais metais greitai vystėsi. Tarp jų Japonijai atstovauja „Sumitomo Metal“ ir „Toyota“. 1 lentelė ir 2 paveiksle parodyta Sumitomo metalo tyrimų eiga augant SiC pavieniams kristalams, o 2 lentelė ir 3 paveiksle parodytas pagrindinis „Toyota“ tyrimų procesas ir reprezentatyvūs rezultatai.

Ši tyrimo komanda 2016 m. Pradėjo atlikti SIC kristalų augimo tyrimus pagal TSSG metodą ir sėkmingai gavo 2 colių 4H-SIC kristalą, kurio storis buvo 10 mm. Neseniai komanda sėkmingai išaugo 4 colių 4H-SIC kristalu, kaip parodyta 4 paveiksle.

2 paveikslas.Optinė „SiC Crystal“ nuotrauka, išauginta „Sumitomo Metal“ komandos, naudojant TSSG metodą

3 paveikslas.Atstovaujantys „Toyota“ komandos pasiekimai auginant SIC pavienius kristalus, naudojant TSSG metodą

4 paveikslas. Kinijos mokslų akademijos Fizikos instituto reprezentaciniai pasiekimai auginant SIC pavienius kristalus, naudojant TSSG metodą

02 Pagrindiniai SiC pavienių kristalų auginimo principai TSSG metodu

SIC neturi lydymosi taško esant normaliam slėgiui. Kai temperatūra pasieks virš 2000 ℃, ji tiesiogiai dujuos ir suskaidys. Todėl neįmanoma auginti SiC pavienių kristalų, lėtai aušinant ir sukietėjant tos pačios kompozicijos, tai yra, lydymosi metodą.

Remiantis Si-C dvejetainės fazės diagrama, Si turtingame gale yra dviejų fazių „L+SIC“ sritis, suteikianti galimybę skystos fazės SIC augimui. Tačiau gryno Si tirpumas C yra per mažas, todėl būtina pridėti srautą prie Si lydalo, kad būtų lengviau padidinti C koncentraciją aukštos temperatūros tirpale. Šiuo metu pagrindinis SIC pavienių kristalų auginimo būdas HTSG metodu yra TSSG metodas. 5 (a) paveikslas yra schema, kai SiC pavieniai kristalai augina TSSG metodą.

Tarp jų, aukštos temperatūros tirpalo termodinaminių savybių reguliavimas ir tirpiojo transporto proceso bei kristalų augimo sąsajos dinamika, kad būtų pasiektas geras dinaminis tiekimo pusiausvyros ir tirpiųjų C paklausos pusiausvyra visoje augimo sistemoje, yra raktas, norint geriau suvokti SIC pavienių kristalų augimą TSSG metodu.

5 paveikslas. a) SiC vieno kristalų augimo schema TSSG metodu; b) L+SIC dviejų fazių srities išilginės sekcijos schema schema

03 Aukštos temperatūros tirpalų termodinaminės savybės

Pakankamai ištirpęs C į aukštos temperatūros tirpalus yra raktas į SiC pavienių kristalų auginimą TSSG metodu. Srauto elementų pridėjimas yra veiksmingas būdas padidinti C tirpumą aukštos temperatūros tirpaluose.

Tuo pačiu metu srauto elementų pridėjimas taip pat sureguliuos tankį, klampumą, paviršiaus įtempimą, užšalimo tašką ir kitus termodinaminius parametrus, susijusius su aukštos temperatūros tirpalų, kurie yra glaudžiai susiję su kristalų augimu, ir taip tiesiogiai paveikdami termodinaminius ir kinetinius procesus kristalų augime. Todėl srauto elementų pasirinkimas yra pats svarbiausias žingsnis siekiant TSSG metodo, skirto SiC pavienių kristalų auginimui, ir yra šios srities tyrimų dėmesys.

Literatūroje yra daug dvejetainių aukštos temperatūros sprendimų sistemų, įskaitant Li-Si, Ti-Si, CR-SI, Fe-SI, SC-SI, NI-SI ir Co-SI. Tarp jų dvejetainės Cr-Si, Ti-Si ir Fe-SI sistemos ir daugiakomponentės sistemos, tokios kaip Cr-c-c-al-Si, yra gerai išvystytos ir turi gerus kristalų augimo rezultatus.

6 paveiksle (a) parodytas ryšys tarp SiC augimo greičio ir temperatūros trijose skirtingose ​​Cr-Si, Ti-Si ir Fe-Si aukštos temperatūros tirpalo sistemose, apibendrintas Kawanishi ir kt. iš Tohoku universiteto Japonijoje 2020 m.

Kaip parodyta 6 paveiksle (b), Hyun ir kt. Suprojektavo aukštos temperatūros tirpalų sistemų seriją, kurios sudėties santykis yra Si0.56CR0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, CR, MN, Fe, CO, Ni, Cu, RH ir PD), kad būtų parodytas C. tirpumas C.

6 paveikslas. a) SiC vieno kristalų augimo greičio ir temperatūros ryšys, naudojant skirtingas aukštos temperatūros tirpalų sistemas

04 Augimo kinetikos reguliavimas

Norint geriau gauti aukštos kokybės SiC pavienius kristalus, taip pat būtina reguliuoti kristalų nusodinimo kinetiką. Todėl dar vienas TSSG metodo, skirto SiC pavieniams kristalams auginti, tyrimų tikslas yra kinetikos reguliavimas aukštos temperatūros tirpaluose ir kristalų augimo sąsajoje.

Pagrindinė reguliavimo priemonė yra: sėklų kristalų ir tiglio ir tiglio sukimosi ir traukimo procesas, temperatūros lauko reguliavimas augimo sistemoje, tiglio struktūros ir dydžio optimizavimas ir aukštos temperatūros tirpalo konvekcijos reguliavimas išoriniu magnetiniu lauku. Pagrindinis tikslas yra sureguliuoti temperatūros lauką, srauto lauką ir tirpiosios koncentracijos lauką, esant sąsajai tarp aukštos temperatūros tirpalo ir kristalų augimo, kad būtų geriau ir greitesnės nuosėdos iš aukštos temperatūros tirpalo tvarkingai ir išaugti į aukštos kokybės didelio dydžio pavienius kristalus.

Tyrėjai išbandė daugybę metodų, kaip pasiekti dinaminį reguliavimą, pavyzdžiui, „tiglinio pagreičio sukimosi technologiją“, kurią naudoja Kusunoki ir kt. Jų darbe, apie kurį pranešta 2006 m., Ir Daikoku ir kt. Sukurtą „įgaubtų sprendimų augimo technologijos“.

2014 m. Kusunoki ir kt. Pridėjo grafito žiedo struktūrą kaip panardinimo vadovą (IG) į tiglį, kad būtų galima reguliuoti aukštos temperatūros tirpalo konvekciją. Optimizuojant grafito žiedo dydį ir padėtį, aukštos temperatūros tirpale, esančiame žemiau sėklų kristalo, galima nustatyti vienodą aukštyn tirpiklio transportavimo režimą, taip pagerinant kristalų augimo greitį ir kokybę, kaip parodyta 7 paveiksle.

7 paveikslas: a) aukštos temperatūros tirpalo srauto ir temperatūros pasiskirstymo tigle modeliavimo rezultatai; 

b) Eksperimentinio įrenginio schema ir rezultatų santrauka

05 TSSG metodo pranašumai auginant SiC pavienius kristalus

TSSG metodo pranašumai auginant SiC pavienius kristalus atsispindi šiais aspektais:

(1) Aukštos temperatūros tirpalo metodas SiC pavienių kristalų auginimui gali efektyviai atkurti mikrotubpus ir kitus sėklų kristalų makro defektus, taip pagerindama kristalų kokybę. 1999 m. Hofmann ir kt. Pastebėta ir įrodyta per optinį mikroskopą, kad mikrotubes galima efektyviai padengti SiC pavienių kristalų auginimo procesu TSSG metodu, kaip parodyta 8 paveiksle.

8 paveikslas: Mikrotubų pašalinimas augant SiC vieno kristalui TSSG metodu:

a) SiC kristalų optinis mikrografas, užaugintas TSSG perdavimo režime, kur galima aiškiai pamatyti mikrotubes po augimo sluoksniu; 

b) to paties ploto optinis mikrografas atspindžio režime, tai rodo, kad mikrotubžai buvo visiškai uždengti.

(2) Palyginti su PVT metodu, TSSG metodas gali lengviau pasiekti kristalų skersmens išsiplėtimą, taip padidindamas SIC vieno kristalo substrato skersmenį, efektyviai pagerindamas SIC prietaisų gamybos efektyvumą ir sumažinant gamybos sąnaudas.

Atitinkamos „Toyota“ ir „Sumitomo Corporation“ tyrimų komandos sėkmingai pasiekė dirbtinai kontroliuojamo kristalų skersmens išplėtimą naudodamos „menisko aukščio valdymo“ technologiją, kaip parodyta 9 (a ir b) paveiksluose.

9 paveikslas: a) menisko kontrolės technologijos schema TSSG metodu; 

b) augimo kampo keitimas θ su menisko aukščiu ir šonine SiC kristalo vaizdu, gautu iš šios technologijos; 

c) 20 valandų augimas, esant 2,5 mm menisko aukštyje; 

d) augimas 10 val. Menisko aukštyje yra 0,5 mm;

(E) 35 valandų augimas, o menisko aukštis palaipsniui didėja nuo 1,5 mm iki didesnės vertės.

(3) Palyginti su PVT metodu, TSSG metodą lengviau pasiekti stabilų SIC kristalų p tipo dopingą. Pavyzdžiui, Shirai ir kt. 2014 m. „Toyota“ pranešė, kad TSSG metodu jie išaugo mažo atsparės P tipo 4H-SIC kristalų, kaip parodyta 10 paveiksle.

10 paveikslas. 

b) išilginio kristalo sekcijos perdavimo optinė nuotrauka; 

(C) Viršutinė kristalo, išauginto iš aukštos temperatūros tirpalo, paviršiaus morfologija, kurių AL kiekis yra 3% (atominė frakcija)

06 Išvada ir perspektyva

TSSG metodas, skirtas auginti SiC pavienius kristalus, padarė didelę pažangą per pastaruosius 20 metų, o kelios komandos TSSG metodu išaugo aukštos kokybės 4 colių SIC pavienių kristalų.

Tačiau tolesniam šios technologijos plėtojimui vis dar reikia proveržių šių pagrindinių aspektų:

(1) išsamus tirpalo termodinaminių savybių tyrimas;

(2) pusiausvyra tarp augimo greičio ir kristalų kokybės;

(3) stabilių kristalų augimo sąlygų nustatymas;

(4) Rafinuotos dinaminės valdymo technologijos kūrimas.

Nors TSSG metodas vis dar šiek tiek atsilieka SIC pramonės.