Drie SIC Single Crystal Growth Technologies

De belangrijkste methoden voor het kweken van SIC enkele kristallen zijn:Fysiek damptransport (PVT), Hoge temperatuur chemische dampafzetting (HTCVD)EnGroei met hoge temperatuur oplossingen (HTSG). Zoals getoond in figuur 1. Onder hen is de PVT -methode in dit stadium de meest volwassen en veel gebruikte methode. Op dit moment is het 6-inch enkelvoudige kristallen substraat geïndustrialiseerd en is het 8-inch enkelvoudig kristal ook met succes gekweekt door CREE in de Verenigde Staten in 2016. Deze methode heeft echter beperkingen zoals hoge defectdichtheid, lage opbrengst, moeilijke diameter uitbreiding en hoge kosten.

De HTCVD -methode gebruikt het principe dat Si -bron- en C -brongas chemisch reageert om SIC te genereren in een omgeving met een hoge temperatuur van ongeveer 2100 ℃ om de groei van SIC -enkele kristallen te bereiken. Net als de PVT -methode vereist deze methode ook een hoge groeipemperatuur en heeft hij een hoge groeipost. De HTSG -methode verschilt van de bovenstaande twee methoden. Het basisprincipe is om de oplossing en reprecipitatie van SI- en C -elementen in een oplossing met hoge temperatuur te gebruiken om de groei van SiC -enkele kristallen te bereiken. Het momenteel veel gebruikte technische model is de TSSG -methode.

Deze methode kan de groei van SiC bereiken in een bijna-thermodynamische evenwichtstoestand bij een lagere temperatuur (onder 2000 ° C), en de gekweekte kristallen hebben de voordelen van hoge kwaliteit, lage kosten, gemakkelijke diameteruitbreiding en gemakkelijk stabiele p-type doping. Verwacht wordt dat het een methode wordt voor het bereiden van grotere, hogere en goedkopere SIC-kristallen na de PVT-methode.

Figuur 1. Schematisch diagram van de principes van drie sic single crystal groeipansen

01 Ontwikkelingsgeschiedenis en huidige status van door TSSG gekweekte SIC enkele kristallen

De HTSG -methode voor het kweken van SIC heeft een geschiedenis van meer dan 60 jaar.

In 1961, Halden et al. Eerst verkregen SiC-enkele kristallen van een SI-smelt op hoge temperatuur waarin C werd opgelost en vervolgens de groei van SIC enkele kristallen onderzocht uit een oplossing op hoge temperatuur bestaande uit Si+X (waarbij X een of meer van de elementen Fe, Cr, SC, TB, PR, enz. Is).

In 1999, Hofmann et al. Van de Universiteit van Erlangen in Duitsland gebruikte Pure Si als zelfflux en gebruikte de TSSG-methode op hoge temperatuur en hogedruk om SIC enkele kristallen te laten groeien met een diameter van 1,4 inch en een dikte van ongeveer 1 mm voor het eerst.

In 2000 hebben ze het proces verder geoptimaliseerd en SiC-kristallen verbouwd met een diameter van 20-30 mm en een dikte van maximaal 20 mm met behulp van zuivere Si als zelfflux in een hogedruk AR-atmosfeer van 100-200 bar bij 1900-2400 ° C.

Sindsdien hebben onderzoekers in Japan, Zuid -Korea, Frankrijk, China en andere landen achtereenvolgens onderzoek uitgevoerd naar de groei van SIC single crystal -substraten door de TSSG -methode, waardoor de TSSG -methode de afgelopen jaren snel is ontwikkeld. Onder hen wordt Japan vertegenwoordigd door Sumitomo Metal en Toyota. Tabel 1 en figuur 2 tonen de onderzoek voortgang van Sumitomo metaal in de groei van SIC -kristallen, en tabel 2 en figuur 3 tonen het belangrijkste onderzoeksproces en representatieve resultaten van Toyota.

Dit onderzoeksteam begon in 2016 onderzoek te doen naar de groei van SIC-kristallen door de TSSG-methode en verkreeg met succes een 2-inch 4H-SIC kristal met een dikte van 10 mm. Onlangs heeft het team met succes een 4-inch 4H-SIC kristal gekweekt, zoals weergegeven in figuur 4.

Figuur 2.Optische foto van SIC Crystal Gegroeid door het team van Sumitomo Metal met behulp van de TSSG -methode

Figuur 3.Representatieve prestaties van het team van Toyota in het kweken van SIC Single Crystals met behulp van de TSSG -methode

Figuur 4. Representatieve prestaties van het Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, in de groeiende sic single Crystals met behulp van de TSSG -methode

02 Basisprincipes van het kweken van SIC enkele kristallen door TSSG -methode

SIC heeft geen smeltpunt bij normale druk. Wanneer de temperatuur boven 2000 ℃ bereikt, zal deze direct gasificeren en ontbinden. Daarom is het niet haalbaar om SIC -enkele kristallen te laten groeien door langzaam te koelen en SIC -smelt van dezelfde samenstelling te koelen en te stollen, dat wil zeggen smeltmethode.

Volgens het SI-C binaire fasediagram is er een tweefasige regio van "L+SIC" aan het SI-rijke einde, dat de mogelijkheid biedt voor de vloeibare fasegroei van SiC. De oplosbaarheid van pure SI voor C is echter te laag, dus het is noodzakelijk om flux toe te voegen aan de SI-smelt om te helpen bij het verhogen van de C-concentratie in de oplossing op hoge temperatuur. Momenteel is de mainstream technische modus voor het kweken van SIC Single Crystals door HTSG -methode de TSSG -methode. Figuur 5 (a) is een schematisch diagram van het principe van het groeien van sic single -kristallen volgens de TSSG -methode.

Onder hen is de regulatie van de thermodynamische eigenschappen van oplossing op hoge temperatuur en de dynamiek van het opgeloste transportproces en de kristalgroei-interface om een ​​goed dynamisch evenwicht van aanbod en aanbod van opgeloste C in het hele groeimogelijk te bereiken, is de sleutel om de groei van SIC-kristallen door TSSG-methode beter te realiseren.

Figuur 5. (A) Schematisch diagram van SiC Single Crystal Growth volgens TSSG -methode; (b) Schematisch diagram van het longitudinale gedeelte van het L+SIC tweefasige gebied

03 Thermodynamische eigenschappen van oplossingen op hoge temperatuur

Het oplossen van voldoende C in oplossingen op hoge temperatuur is de sleutel tot de groeiende SiC-enkele kristallen volgens de TSSG-methode. Het toevoegen van fluxelementen is een effectieve manier om de oplosbaarheid van C in oplossingen op hoge temperatuur te vergroten.

Tegelijkertijd zal de toevoeging van fluxelementen ook de dichtheid, viscositeit, oppervlaktespanning, vriespunt en andere thermodynamische parameters van oplossingen op hoge temperatuur regelen die nauw verwant zijn met kristalgroei, waardoor de thermodynamische en kinetische processen in kristalgroei direct worden beïnvloed. Daarom is de selectie van flux -elementen de meest kritische stap bij het bereiken van de TSSG -methode voor het groeien van SIC -enkele kristallen en is de onderzoeksfocus op dit gebied.

Er zijn veel binaire oplossingssystemen met hoge temperatuur gerapporteerd in de literatuur, waaronder Li-Si, Ti-Si, CR-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si en Co-Si. Onder hen zijn de binaire systemen van CR-Si, Ti-Si en Fe-Si en de multi-componentsystemen zoals CR-CE-AL-SI goed ontwikkeld en hebben goede kristalgroeiresultaten verkregen.

Figuur 6 (a) toont de relatie tussen SiC-groeisnelheid en temperatuur in drie verschillende oplossingssystemen met hoge temperatuur van CR-Si, Ti-Si en Fe-Si, samengevat door Kawanishi et al. van Tohoku University in Japan in 2020.

Zoals getoond in figuur 6 (b), Hyun et al. ontwierp een reeks oplossingssystemen bij hoge temperatuur met een samenstellingsverhouding van SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, RH en Pd) om de oplosbaarheid van C. te tonen C.

Figuur 6. (A) Relatie tussen SIC-groeisnelheid van enkele kristal en temperatuur bij het gebruik van verschillende oplossingssystemen met hoge temperatuur

04 Regulering van groeiminetiek

Om hogere SiC-single-kristallen van hoge kwaliteit beter te verkrijgen, is het ook noodzakelijk om de kinetiek van kristalneerslag te reguleren. Daarom is een andere onderzoeksfocus van de TSSG-methode voor het groeien van SIC-single-kristallen de regulatie van de kinetiek in oplossingen op hoge temperatuur en op de kristalgroei-interface.

De belangrijkste regulatiemiddelen zijn onder meer: ​​rotatie- en trekproces van zaadkristal en smeltkroes, regulatie van het temperatuurveld in groeisysteem, optimalisatie van de smeltkroesstructuur en grootte en regulatie van convectie met hoge temperatuur oplossing door extern magnetisch veld. Het fundamentele doel is om het temperatuurveld, het stroomveld en het opgeloste concentratieveld op het grensvlak tussen oplossing met hoge temperatuur en kristalgroei te reguleren, om SiC van een betere en snellere neerslag op een ordelijke manier op een geordende manier te laten neerkomen en te groeien tot hoogwaardige grote kristallen van hoge kwaliteit.

Onderzoekers hebben veel methoden geprobeerd om dynamische regulatie te bereiken, zoals de "smeltbare versnelde rotatietechnologie" die wordt gebruikt door Kusunoki et al. In hun werk gerapporteerd in 2006, en de "concave oplossingsgroeipechnologie" ontwikkeld door Daikoku et al.

In 2014, Kusunoki et al. Een grafietringstructuur toegevoegd als onderdompelingshandleiding (IG) in de smeltkroes om de regulatie van convectie van oplossingen op hoge temperatuur te bereiken. Door de grootte en positie van de grafietring te optimaliseren, kan een uniforme opwaartse opgeloste transportmodus worden vastgesteld in de oplossing met hoge temperatuur onder het zaadkristal, waardoor de kristalgroeisnelheid en -kwaliteit worden verbeterd, zoals weergegeven in figuur 7.

Figuur 7: (a) Simulatieresultaten van oplossingsstroom en temperatuurverdeling op hoge temperatuur in smeltkroes; 

(b) Schematisch diagram van experimenteel apparaat en samenvatting van de resultaten

05 Voordelen van de TSSG -methode voor het kweken van SIC Single Crystals

De voordelen van de TSSG -methode in de groeiende SIC -enkele kristallen worden weerspiegeld in de volgende aspecten:

(1) Hoge-temperatuuroplossingsmethode voor het kweken van SIC-enkele kristallen kan effectief microtubes en andere macro-defecten in het zaadkristal herstellen, waardoor de kristalkwaliteit wordt verbeterd. In 1999, Hofmann et al. Waargenomen en bewezen door optische microscoop dat microtubes effectief kunnen worden bedekt in het proces van het groeien van SIC -enkele kristallen volgens de TSSG -methode, zoals getoond in figuur 8.

Figuur 8: Eliminatie van microtubes tijdens de groei van SiC single crystal door TSSG -methode:

(a) Optische microfoto van SIC -kristal gekweekt door TSSG in transmissiemodus, waarbij de microtubes onder de groeimaag duidelijk kunnen worden gezien; 

(b) Optische microfoto van hetzelfde gebied in reflectiemodus, wat aangeeft dat de microtubes volledig zijn bedekt.

(2) Vergeleken met de PVT -methode kan de TSSG -methode gemakkelijker de expansie van de kristaldiameter bereiken, waardoor de diameter van SIC -substraat met één kristallen wordt verhoogd, waardoor de productie -efficiëntie van SIC -apparaten effectief wordt verbeterd en de productiekosten wordt verlaagd.

De relevante onderzoeksteams van Toyota en Sumitomo Corporation hebben met succes de uitbreiding van de kunstmatige controleerbare kristaldiameter bereikt met behulp van een "meniscushoogtecontrole" -technologie, zoals weergegeven in figuur 9 (a) en (b).

Figuur 9: (a) Schematisch diagram van meniscuscontroletechnologie in de TSSG -methode; 

(b) verandering van groeighoek θ met meniscushoogte en zijaanzicht van SIC -kristal verkregen door deze technologie; 

(c) groei gedurende 20 uur op een meniscushoogte van 2,5 mm; 

(d) groei gedurende 10 uur op een meniscushoogte van 0,5 mm;

(e) Groei gedurende 35 uur, waarbij de meniscushoogte geleidelijk toeneemt van 1,5 mm tot een grotere waarde.

(3) In vergelijking met de PVT-methode is de TSSG-methode eenvoudiger om stabiele p-type doping van SiC-kristallen te bereiken. Bijvoorbeeld, Shirai et al. van Toyota meldde in 2014 dat ze door de TSSG-methode met een lage weerstand P-type P-SIC hadden gegroeid door de TSSG-methode, zoals weergegeven in figuur 10.

Figuur 10: (a) Zijaanzicht van p-type sic single crystal gegroeid door TSSG-methode; 

(b) transmissie optische foto van een longitudinaal gedeelte van het kristal; 

(c) Topoppervlakmorfologie van een kristal gekweekt uit een oplossing op hoge temperatuur met een AL-gehalte van 3% (atomaire fractie)

06 Conclusie en vooruitzichten

De TSSG-methode voor het kweken van SIC Single Crystals heeft de afgelopen 20 jaar grote vooruitgang geboekt, en een paar teams hebben hoogwaardige 4-inch SIC enkele kristallen gegroeid door de TSSG-methode.

De verdere ontwikkeling van deze technologie vereist echter nog steeds doorbraken in de volgende belangrijke aspecten:

(1) diepgaande studie van de thermodynamische eigenschappen van de oplossing;

(2) de balans tussen groeisnelheid en kristalkwaliteit;

(3) de oprichting van stabiele kristalgroeiomstandigheden;

(4) De ontwikkeling van verfijnde dynamische controletechnologie.

Hoewel de TSSG -methode nog steeds enigszins achter de PVT -methode ligt, wordt aangenomen dat met de continue inspanningen van onderzoekers op dit gebied, omdat de kernwetenschappelijke problemen van de groeiende SIC -enkele kristallen door de TSSG -methode continu zijn opgelost en belangrijke technologieën in het groeiproces worden doorgebroken, deze technologie ook wordt geïndustrialiseerd, waardoor de TSSG -methode voor de TSSG -methode voor de TSSG -methode wordt gebroken en een snelle promotie van de snelheid van de snelheid van de TSSG is. van de SIC -industrie.