Три технологии роста монокристаллов SIC

Основными методами выращивания монокристаллов SIC являются:Физический паровский транспорт (Pvt), Высокое температурное химическое осаждение пара (HTCVD)ивысокий температурный рост раствора (HTSG)Полем Как показано на рисунке 1. Среди них метод PVT является наиболее зрелым и широко используемым методом на этом этапе. В настоящее время 6-дюймовый монокристаллический субстрат была промышленно развита, а 8-дюймовый монокристалл также был успешно выращен CREE в Соединенных Штатах в 2016 году. Однако этот метод имеет такие ограничения, как высокая плотность дефекта, низкий уровень урожайности, расширение сложного диаметра и высокая стоимость.

Метод HTCVD использует принцип, который SI Source и Source Source Gas реагируют химически для генерации SIC в высокотемпературной среде около 2100 ℃ для достижения роста монокристаллов SIC. Как и метод PVT, этот метод также требует высокой температуры роста и имеет высокую стоимость роста. Метод HTSG отличается от двух вышеуказанных методов. Его основной принцип заключается в использовании растворения и повторного осаждения элементов Si и C в растворе с высокой температурой для достижения роста монокристаллов SIC. В настоящее время широко используемая техническая модель - это метод TSSG.

Этот метод может достичь роста SIC в почти терминамическом состоянии равновесия при более низкой температуре (ниже 2000 ° C), а у выращенных кристаллов есть преимущества высокого качества, низкого затрат, легкого расширения диаметра и легкого стабильного допинга P-типа. Ожидается, что он станет методом для подготовки более крупных, более качественных и более ценных SIC монокристаллов после метода PVT.

Рисунок 1. Схематическая диаграмма принципов трех технологий роста монокристаллов SIC

01 История развития и современное состояние монокристаллов, выращенных TSSG

Метод HTSG для выращивания SIC имеет историю более 60 лет.

В 1961 году Halden et al. Сначала получили монокристаллы SIC из высокотемпературного расплава Si, в котором C, растворяется, а затем исследовал рост монокристаллов SIC из высокотемпературного раствора, состоящего из Si+X (где x-один или несколько элементов Fe, Cr, SC, TB, PR и т. Д.).

В 1999 году Hofmann et al. Из Университета Эрлангена в Германии использовал Pure SI в качестве самопомощи и использовал высокотемпературный и метод TSSG высокого давления для выращивания монокристаллов SIC диаметром 1,4 дюйма и толщиной около 1 мм в первый раз.

В 2000 году они дополнительно оптимизировали процесс и увеличили кристаллы SIC диаметром 20-30 мм и толщину до 20 мм, используя чистый Si в качестве самополоса в атмосфере AR высокого давления 100-200 бар при 1900-2400 ° C.

С тех пор исследователи в Японии, Южной Корее, Франции, Китае и других странах последовательно провели исследование роста монокристаллических субстратов SIC методом TSSG, что за последние годы быстро развивалось метод TSSG. Среди них Япония представлена ​​Sumitomo Metal и Toyota. В таблице 1 и на рисунке 2 показаны исследования металла Sumitomo в росте монокристаллов SIC, а в таблице 2 и на рисунке 3 показаны основные исследования и репрезентативные результаты Toyota.

Эта исследовательская группа начала проводить исследования о росте кристаллов SIC с помощью метода TSSG в 2016 году и успешно получила 2-дюймовый кристалл 4H-SIC с толщиной 10 мм. Недавно команда успешно выросла 4-дюймовый кристалл 4H-SIC, как показано на рисунке 4.

Рисунок 2.Оптическая фотография SIC Crystal, выращенная командой Sumitomo Metal с использованием метода TSSG

Рисунок 3.Репрезентативные достижения команды Toyota в растущих монокристаллах SIC с использованием метода TSSG

Рисунок 4. Репрезентативные достижения Института физики, Китайская академия наук, в растущих монокристаллах SIC с использованием метода TSSG

02 Основные принципы выращивания монокристаллов SIC с помощью метода TSSG

SIC не имеет температуры плавления при нормальном давлении. Когда температура достигнет 2000 ℃, она будет напрямую газифицировать и разложить. Следовательно, невозможно выращивать монокристаллы SIC путем медленного охлаждения и затвердевания таяния SIC той же состава, то есть метода расплава.

Согласно бинарной фазовой диаграмме Si-C, на конец SI существует двухфазная область «L+SIC», которая обеспечивает возможность роста жидкой фазы SIC. Тем не менее, растворимость чистого Si для C является слишком низкой, поэтому необходимо добавить поток в расплав Si, чтобы помочь в увеличении концентрации C в растворе с высокой температурой. В настоящее время основным техническим режимом для выращивания монокристаллов SIC с помощью метода HTSG является метод TSSG. Рисунок 5 (а) представляет собой схематическую диаграмму принципа растущих монокристаллов SIC с помощью метода TSSG.

Среди них регуляция термодинамических свойств высокотемпературного решения и динамики процесса переноса растворенного вещества и границы с ростом кристаллов для достижения хорошего динамического баланса спроса и предложения растворенного вещества C во всей системе роста является ключом к лучшему реализации роста монокристаллов SIC с помощью метода TSSG.

Рисунок 5. (а) схематическая диаграмма монокристаллического роста SIC с помощью метода TSSG; (B) Схематическая диаграмма продольной части двухфазной области L+SIC

03 термодинамические свойства высокотемпературных решений

Растворение достаточно C в высокотемпературные растворы является ключом к выращиванию монокристаллов SIC с помощью метода TSSG. Добавление элементов потока является эффективным способом увеличения растворимости C в высокотемпературных решениях.

В то же время добавление элементов потока также будет регулировать плотность, вязкость, поверхностное натяжение, точку замораживания и другие термодинамические параметры высокотемпературных решений, которые тесно связаны с ростом кристаллов, что напрямую влияет на термодинамические и кинетические процессы в росте кристаллов. Следовательно, выбор элементов потока является наиболее важным шагом в достижении метода TSSG для выращивания монокристаллов SIC и является основным направлением в этой области.

В литературе сообщается много бинарных высокотемпературных систем решений, в том числе Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si и Co-Si. Среди них бинарные системы Cr-Si, Ti-Si и Fe-Si и многокомпонентных систем, таких как CR-CE-Al-Si, хорошо разработаны и получили хорошие результаты роста кристаллов.

На рисунке 6 (а) показана взаимосвязь между скоростью роста SIC и температурой в трех различных системах высокотемпературных решений Cr-Si, Ti-Si и Fe-Si, обобщенных Kawanishi et al. Университета Тохоку в Японии в 2020 году.

Как показано на рисунке 6 (b), Hyun et al. Разработал ряд высокотемпературных систем решений с соотношением композиции Si0,56CR0.4m0.04 (M = SC, Ti, V, CR, MN, Fe, CO, NI, CU, RH и PD), чтобы показать растворимость C.

Рисунок 6. (A) Связь между скоростью роста монокристаллов SIC и температурой при использовании различных высокотемпературных систем решений

04 Регулирование кинетики роста

Чтобы лучше получить высококачественные монокристаллы SIC, также необходимо регулировать кинетику осаждения кристаллов. Следовательно, еще одним исследованием, направленным на метод TSSG для выращивания монокристаллов SIC, является регуляция кинетики в высокотемпературных решениях и на границе раздела кристаллов.

Основное средство регуляции включает в себя: процесс вращения и вытягивания кристаллов семян и тиран, регуляция температурного поля в системе роста, оптимизацию тиранной структуры и размера, а также регуляцию конвекции высокотемпературного раствора с помощью внешнего магнитного поля. Фундаментальная цель состоит в том, чтобы регулировать температурное поле, поле потока и поле концентрации растворенного вещества на границе раздела между высокотемпературным раствором и ростом кристаллов, чтобы улучшить и более быстрый осадок SIC из высокотемпературного раствора упорядоченным образом и превращаться в высококачественные монокристаллы больших размеров.

Исследователи пробовали много методов для достижения динамической регуляции, таких как «тигальная технология ускоренного вращения», используемая Kusunoki et al. В их работе сообщили в 2006 году, и «вогнутая технология роста решения», разработанная Daikoku et al.

В 2014 году Kusunoki et al. Добавлена ​​структура графитового кольца в качестве направляющей погружения (IG) в тигле для достижения регуляции конвекции высокотемпературного решения. Оптимизируя размер и положение графитового кольца, в высокотемпературном растворе под кристаллом семян может быть установлен равномерный режим переноса растворенного вещества, улучшая температуру и качество роста кристаллов, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7: (а) Результаты моделирования высокотемпературного расхода раствора и распределения температуры в тираже; 

(б) Схематическая схема экспериментального устройства и краткое изложение результатов

05 Преимущества метода TSSG для выращивания монокристаллов SIC

Преимущества метода TSSG в растущих монокристаллах SIC отражаются в следующих аспектах:

(1) Метод высокотемпературных решений для выращивания монокристаллов SIC может эффективно восстанавливать микротрубки и другие макро-дефекты в кристалле семян, тем самым улучшая качество кристалла. В 1999 году Hofmann et al. Наблюдается и доказано с помощью оптического микроскопа, что микротрубки могут быть эффективно охвачены в процессе растущих монокристаллов SIC методом TSSG, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8: Элиминация микротрубков во время роста монокристалла SIC методом TSSG:

(A) Оптическая микрофотография кристалля SIC, выращенная TSSG в режиме пропускания, где ясно видно микротрубки под слоем роста; 

(б) Оптическая микрофотография той же области в режиме отражения, что указывает на то, что микротрубки были полностью покрыты.

(2) По сравнению с методом PVT, метод TSSG может легче достичь расширения диаметра кристалла, тем самым увеличивая диаметр монокристаллического субстрата SIC, эффективно повышая эффективность производства устройств SIC и снижение производственных затрат.

Соответствующие исследовательские группы Toyota и Sumitomo Corporation успешно достигли искусственно контролируемого расширения кристаллического диаметра, используя технологию «контроля высоты мениска», как показано на рисунке 9 (а) и (b).

Рисунок 9: (а) схематическая диаграмма технологии контроля мениска в методе TSSG; 

(б) изменение угла роста θ с высотой мениска и видом на боковой кристалл, полученный этой технологией; 

(c) рост в течение 20 ч на высоте мениска 2,5 мм; 

(D) рост в течение 10 ч на высоте мениска 0,5 мм;

(e) Рост в течение 35 часов, при этом высота мениска постепенно увеличивается с 1,5 мм до большего значения.

(3) По сравнению с методом PVT, метод TSSG легче достичь стабильного легирования P-типа кристаллов SIC. Например, Shirai et al. Toyota сообщила в 2014 году, что они выращивали кристаллы P-типа с низким содержанием P-типа 4H-SIC методом TSSG, как показано на рисунке 10.

Рисунок 10: (а) вид на сторону монокристаллов P-типа, выращенный методом TSSG; 

(б) оптическая фотография передачи продольного участка кристалла; 

(c) Морфология верхней поверхности кристалла, выращенного из высокотемпературного раствора с содержанием AL 3% (атомная фракция)

06 Заключение и перспективы

За последние 20 лет метод TSSG для выращивания монокристаллов SIC добился значительного прогресса, и несколько команд выращивали высококачественные 4-дюймовые монокристаллы SIC с помощью метода TSSG.

Однако дальнейшее развитие этой технологии все еще требует прорывов в следующих ключевых аспектах:

(1) углубленное исследование термодинамических свойств раствора;

(2) баланс между скоростью роста и качеством кристаллов;

(3) установление стабильных условий роста кристаллов;

(4) Разработка изысканной технологии динамического управления.

Несмотря на то, что метод TSSG по -прежнему несколько отстает от метода PVT, считается, что с постоянными усилиями исследователей в этой области, поскольку основные научные проблемы выращивания монокристаллов SIC с помощью метода TSSG непрерывно решаются, и ключевые технологии в процессе роста непрерывно разбиваются, эта технология также будет промышленной, тем самым приводящиеся в полную игру к потенциальным воспроизведению и потенциальных способностях, и в полном развитии, и в полном развитии, и в полном развитии, и в полном развитии, и в полном развитии, и в полном развитии, и в полном развитии, и в полном развитии, и в полном развитии, и в полном развитии, а также потенциальные потенциальные продуманные и продуманные. Разработка индустрии SIC.