Drei SIC -Einzelkristallwachstumstechnologien

Die Hauptmethoden zum Anbau von sic -einzelnen Kristallen sind:physischer Dampftransport (PVT), Hochtemperaturchemische Dampfabscheidung (HTCVD)UndHochtemperaturlösungswachstum (HTSG). Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die PVT -Methode in diesem Stadium die ausgereiftste und am weitesten verbreitete Methode. Gegenwärtig wurde das 6-Zoll-Single-Kristall-Substrat industrialisiert, und der 8-Zoll-Einzelkristall wurde 2016 von CREE in den USA erfolgreich gezüchtet. Diese Methode weist jedoch Einschränkungen wie eine hohe Defektdichte, einen niedrigen Ertrag, eine Expansion des schwierigen Durchmessers und hohe Kosten auf.

Die HTCVD -Methode verwendet das Prinzip, dass Si -Quelle und C -Quellengas chemisch reagieren, um SIC in einer hohen Temperaturumgebung von etwa 2100 ℃ zu erzeugen, um das Wachstum von sic -Einzelkristallen zu erreichen. Wie bei der PVT -Methode erfordert diese Methode auch eine hohe Wachstumstemperatur und hat hohe Wachstumskosten. Die HTSG -Methode unterscheidet sich von den oben genannten zwei Methoden. Sein grundlegendes Prinzip besteht darin, die Auflösung und Wiederaufnahme der SI- und C -Elemente in einer Hochtemperaturlösung zu verwenden, um das Wachstum von sic -Einzelkristallen zu erreichen. Das derzeit weit verbreitete technische Modell ist die TSSG -Methode.

Diese Methode kann das Wachstum von SIC in einem nahezu thermodynamischen Gleichgewichtszustand bei niedrigerer Temperatur (unter 2000 ° C) erreichen, und die erwachsenen Kristalle haben die Vorteile von hoher Qualität, kostengünstigem, leichtem Durchmesser und leichtem stabilem P-Typ-Dot. Es wird erwartet, dass es zu einer Methode zur Herstellung größerer, höherer und kostengünstigerer SIC-Einzelkristalle nach der PVT-Methode wird.

Abbildung 1. Schema -Diagramm der Prinzipien von drei sic -Einzelkristallwachstumstechnologien

01 Entwicklungshistorie und aktueller Status von TSSG-Wachstumssic-Einzelkristallen

Die HTSG -Methode zum Anbau von SIC hat eine Geschichte von mehr als 60 Jahren.

1961 haben Halden et al. Zuerst erhaltene sic-einzelne Kristalle aus einer Hochtemperatur-Si-Schmelze, bei der C gelöst wurde, und dann das Wachstum von sic-einzelnen Kristallen aus einer Hochtemperaturlösung, die aus Si+x bestand (wobei x eines der Elemente Fe, CR, SC, TB, PR usw. ist).

1999 haben Hofmann et al. Von der Universität von Erlangen in Deutschland verwendete reine Si als Selbstblux und verwendete die Hochtemperatur- und Hochdruck-TSSG-Methode, um sic einzelne Kristalle mit einem Durchmesser von 1,4 Zoll und einer Dicke von etwa 1 mm zum ersten Mal zu züchten.

Im Jahr 2000 optimierten sie den Prozess weiter und wuchsen sic-Kristalle mit einem Durchmesser von 20 bis 30 mm und einer Dicke von bis zu 20 mm unter Verwendung von reinem Si als Selbstblux in einer Hochdruck-AR-Atmosphäre von 100 bis 200 bar bei 1900 bis 2400 ° C auf.

Seitdem haben Forscher in Japan, Südkorea, Frankreich, China und anderen Ländern nach der TSSG -Methode nacheinander Untersuchungen zum Wachstum von SIC -Einzelkristallsubstraten durchgeführt, wodurch sich die TSSG -Methode in den letzten Jahren rasant entwickelt hat. Unter ihnen wird Japan durch Sumitomo Metal und Toyota vertreten. Tabelle 1 und Abbildung 2 zeigen den Forschungsfortschritt von Sumitomo -Metall im Wachstum von SIC -Einzelkristallen, und Tabelle 2 und Abbildung 3 zeigen den Hauptforschungsprozess und die repräsentativen Ergebnisse von Toyota.

Dieses Forschungsteam begann 2016 mit der Erforschung des Wachstums von SIC-Kristallen nach der TSSG-Methode und erhielt erfolgreich einen 2-Zoll-4-Stunden-Kristall mit einer Dicke von 10 mm. Kürzlich hat das Team erfolgreich einen 4-Zoll-4-Stunden-Kristall ausgebaut, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Abbildung 2.Optisches Foto des SIC -Kristalls, das durch das Team von Sumitomo Metal mit der TSSG -Methode gezüchtet wurde

Abbildung 3.Repräsentative Erfolge des Teams von Toyota beim Anbau von SIC -Einzelkristallen unter Verwendung der TSSG -Methode

Abbildung 4. Repräsentative Erfolge des Instituts für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, bei der wachsenden SIC -Einzelkristalle unter Verwendung der TSSG -Methode

02 Grundprinzipien des wachsenden sic -Einzelkristalle nach TSSG -Methode

SIC hat keinen Schmelzpunkt bei normalem Druck. Wenn die Temperatur über 2000 ℃ erreicht, vergeht sie direkt und zersetzt. Daher ist es nicht machbar, sic einzelne Kristalle zu wachsen, indem die SIC -Schmelze derselben Zusammensetzung, dh Schmelzmethode, langsam kühlt und verfestigt wird.

Gemäß dem SI-C-Binärphasendiagramm befindet sich am si-reichen Ende eine zweiphasige Region von "L+sic", die die Möglichkeit für das Wachstum der flüssigen Phasen von SIC bietet. Die Löslichkeit von reinem Si für C ist jedoch zu niedrig. Daher ist es erforderlich, der Si-Schmelze Fluss zu verleihen, um die C-Konzentration in der Hochtemperaturlösung zu erhöhen. Derzeit ist der technische Mainstream -Modus für den Anbau von sic -Einzelkristallen nach HTSG -Methode die TSSG -Methode. Abbildung 5 (a) ist ein schematisches Diagramm des Prinzips des wachsenden SIC -Einzelkristalle nach TSSG -Methode.

Unter ihnen ist die Regulierung der thermodynamischen Eigenschaften der Hochtemperaturlösung und der Dynamik des Transportprozesses und des Kristallwachstums, um ein gutes dynamisches Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage von gelösten C im gesamten Wachstumssystem zu erreichen, um das Wachstum von SIC-Einzelkristallen nach der TSSG-Methode besser zu realisieren.

Abbildung 5. (a) schematisches Diagramm des sic -Einzelkristallwachstums durch TSSG -Methode; (b) Schematische Diagramm des Längsabschnitts der L+sic-Zweiphasenregion

03 thermodynamische Eigenschaften von Hochtemperaturlösungen

Das Auflösen genug C in Hochtemperaturlösungen ist der Schlüssel zum Anbau von sic-Einzelkristallen nach der TSSG-Methode. Das Hinzufügen von Flusselementen ist ein effektiver Weg, um die Löslichkeit von C in Hochtemperaturlösungen zu erhöhen.

Gleichzeitig reguliert die Zugabe von Flusselementen auch die Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung, ein Gefrierpunkt und andere thermodynamische Parameter von Hochtemperaturlösungen, die eng mit dem Kristallwachstum verwandt sind, was die thermodynamischen und kinetischen Prozesse beim Kristallwachstum direkt beeinflusst. Daher ist die Auswahl der Flusselemente der kritischste Schritt, um die TSSG -Methode zum Anbau von sic -Einzelkristallen zu erreichen, und ist der Forschungsfokus in diesem Bereich.

In der Literatur gibt es viele binäre Hochtemperaturlösungssysteme, darunter Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, Sc-Si, Ni-Si und Co-Si. Unter ihnen sind die binären Systeme von CR-Si, Ti-Si und Fe-Si sowie die Mehrkomponentensysteme wie CR-CE-AL-Si gut entwickelt und haben gute Ergebnisse des Kristallwachstums erzielt.

Abbildung 6 (a) zeigt die Beziehung zwischen SIC-Wachstumsrate und Temperatur in drei verschiedenen Hochtemperaturlösungssystemen von CR-Si, Ti-Si und Fe-Si, zusammengefasst von Kawanishi et al. der Tohoku University in Japan im Jahr 2020.

Wie in 6 (b) gezeigt, haben Hyun et al. entwarf eine Reihe von Hochtemperaturlösungssystemen mit einem Zusammensetzungsverhältnis von Si0.56CR0.4m0,04 (M = SC, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, RH und PD), um die Löslichkeit von C. zu zeigen,

Abbildung 6. (a) Beziehung zwischen SIC-Einzelkristallwachstumsrate und Temperatur bei der Verwendung verschiedener Hochtemperaturlösungssysteme

04 Wachstumskinetikregulierung

Um besser hochwertige sic-Einkristalle zu erhalten, ist es auch erforderlich, die Kinetik der Kristallausfällung zu regulieren. Ein weiterer Forschungsfokus der TSSG-Methode zum Anbau von sic-Einzelkristallen ist daher die Regulation der Kinetik in Hochtemperaturlösungen und an der Kristallwachstumsgrenzfläche.

Das Hauptmittelwert der Regulierung umfasst: Rotations- und Ziehprozess von Samenkristall und Tiegel, Regulation des Temperaturfeldes im Wachstumssystem, Optimierung der Tiegelstruktur und -größe und Regulation der Konvektion mit hoher Temperaturlösung durch externes Magnetfeld. Der grundlegende Zweck besteht darin, das Feld Temperaturfeld, Durchflussfeld und Stoffkonzentrationsfeld an der Grenzfläche zwischen Hochtemperaturlösung und Kristallwachstum zu regulieren, um SIC in geordneter Weise besser aus der Hochtemperaturlösung auszurüsten und in hochwertige große Kristalle zu hochwertiger Größe zu wachsen.

Forscher haben viele Methoden ausprobiert, um eine dynamische Regulierung zu erreichen, wie die von Kusunoki et al. In ihrer im Jahr 2006 gemeldeten Arbeit und der von Daikoku et al.

Im Jahr 2014 haben Kusunoki et al. Eine Graphitringstruktur als Immersionsführung (IG) im Schmelztiegel fügte hinzu, um die Regulierung der Konvektion mit hoher Temperaturlösung zu erreichen. Durch die Optimierung der Größe und Position des Graphitrings kann in der Hochtemperaturlösung unterhalb des Samenkristalls ein gleichmäßiger Verkehrsmodus nach oben aufwärts gelöst werden, wodurch die Kristallwachstumsrate und -qualität verbessert werden, wie in Abbildung 7 gezeigt.

Abbildung 7: (a) Simulationsergebnisse der Hochtemperaturlösung und Temperaturverteilung in Tiegel; 

(b) schematisches Diagramm des experimentellen Geräts und Zusammenfassung der Ergebnisse

05 Vorteile der TSSG -Methode zum Anbau von sic -Einkristallen

Die Vorteile der TSSG -Methode beim Anbau von sic -Einzelkristallen spiegeln sich in den folgenden Aspekten wider:

(1) Die Hochtemperatur-Lösungsmethode zum Anbau von sic-Einzelkristallen kann Mikrotöhren und andere Makrodefekte im Samenkristall effektiv reparieren, wodurch die Kristallqualität verbessert wird. 1999 haben Hofmann et al. beobachtet und bewiesen durch optisches Mikroskop, dass Mikrotöhren im Prozess des Anbaues von sic -Einzelkristallen durch TSSG -Methode effektiv abgedeckt werden können, wie in 8 gezeigt.

Abbildung 8: Eliminierung von Mikrotöhren während des Wachstums von SIC -Einzelkristall nach TSSG -Methode:

(a) optische mikroskopische mikroskopische mikroskopische mikroskopische mikroskopische sic kristall, die durch tsssg im geltungsmodus gezüchtet ist, wobei die mikrotubes unter der wachstumsschicht deutlich zu sehen sind; 

(b) optische mikroskopische mikroskopische mikroskopische mikroskopisch im reflexionsmodus, was darauf hinweist, dass die Mikrotöhren vollständig abgedeckt wurden.

(2) Im Vergleich zur PVT -Methode kann die TSSG -Methode leichter eine Expansion des Kristalldurchmessers erreichen, wodurch der Durchmesser des sic -Einzelkristallsubstrats erhöht wird, was die Produktionseffizienz von SIC -Geräten effektiv verbessert und die Produktionskosten reduziert.

Die zuständigen Forschungsteams von Toyota und Sumitomo Corporation haben durch die Verwendung einer "Meniskusheighöhenkontrolle" -Technologie erfolgreich kontrollierbare Expansionen für den Kristalldurchmesser erzielt, wie in Abbildung 9 (a) und (b) gezeigt.

Abbildung 9: (a) schematisches Diagramm der Meniskuskontrolltechnologie in der TSSG -Methode; 

(b) Änderung des Wachstumswinkels θ mit Meniskushöhe und Seitenansicht des von dieser Technologie erhaltenen sic -Kristalls; 

(c) Wachstum für 20 Stunden bei einer Meniskushöhe von 2,5 mm; 

(d) Wachstum für 10 Stunden bei einer Meniskushöhe von 0,5 mm;

(e) Wachstum für 35 Stunden, wobei die Meniskushöhe allmählich von 1,5 mm auf einen größeren Wert steigt.

(3) Im Vergleich zur PVT-Methode ist die TSSG-Methode einfacher zu erreichen, dass die Doping von sic-Kristallen vom P-Typ P-Type erreicht. Zum Beispiel haben Shirai et al. von Toyota berichtete im Jahr 2014, dass sie nach der TSSG-Methode mit 4H-Sic-Kristallen vom Typ P-Typ mit niedriger Resistalität gewachsen waren, wie in Abbildung 10 gezeigt.

Abbildung 10: (a) Seitenansicht des durch TSSG-Verfahrens gezüchteten P-sic-Einzelkristalls; 

(b) optisches Übertragungsfoto eines Längsschnitts des Kristalls; 

(c) Morphologie der Oberfläche eines Kristalls, der aus einer Hochtemperaturlösung mit einem Al-Gehalt von 3% (Atomfraktion) gezüchtet wurde

06 Schlussfolgerung und Ausblick

Die TSSG-Methode zum Anbau von SIC-Einzelkristallen hat in den letzten 20 Jahren große Fortschritte erzielt, und einige Teams haben nach der TSSG-Methode hochwertige 4-Zoll-SIC-Einzelkristalle gewachsen.

Die Weiterentwicklung dieser Technologie erfordert jedoch immer noch Durchbrüche in den folgenden Schlüsselaspekten:

(1) eingehende Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften der Lösung;

(2) das Gleichgewicht zwischen Wachstumsrate und Kristallqualität;

(3) die Etablierung stabiler Kristallwachstumsbedingungen;

(4) Die Entwicklung der raffinierten dynamischen Steuerungstechnologie.

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 Schnelle Entwicklung der SIC -Industrie.