Üç sic tek kristal büyüme teknolojisi

SIC tek kristalleri büyütmenin ana yöntemleri şunlardır:Fiziksel buhar taşıma (PVT), Yüksek sıcaklıklı kimyasal buhar birikimi (HTCVD)VeYüksek Sıcaklık Çözelti Büyümesi (HTSG). Şekil 1'de gösterildiği gibi, PVT yöntemi bu aşamada en olgun ve yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Şu anda, 6 inçlik tek kristal substrat sanayileşti ve 8 inçlik tek kristal, 2016 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde Cree tarafından başarılı bir şekilde yetiştirildi. Bununla birlikte, bu yöntemin yüksek kusur yoğunluğu, düşük verim, zor çaplı genişleme ve yüksek maliyet gibi sınırlamaları var.

HTCVD yöntemi, SIC tek kristallerinin büyümesini elde etmek için yaklaşık 2100 ℃ yüksek sıcaklık ortamında SIC üretmek için SI kaynağı ve C kaynak gazının kimyasal olarak reaksiyona girdiği ilkesini kullanır. PVT yöntemi gibi, bu yöntem aynı zamanda yüksek bir büyüme sıcaklığı gerektirir ve yüksek büyüme maliyetine sahiptir. HTSG yöntemi yukarıdaki iki yöntemden farklıdır. Temel prensibi, SIC tek kristallerinin büyümesini sağlamak için yüksek sıcaklık çözeltisinde Si ve C elemanlarının çözünmesini ve yeniden söndürülmesini kullanmaktır. Şu anda yaygın olarak kullanılan teknik model TSSG yöntemidir.

Bu yöntem, daha düşük bir sıcaklıkta (2000 ° C'nin altında) neredeyse termodinamik bir denge durumunda SIC'nin büyümesini sağlayabilir ve yetişkin kristaller yüksek kalite, düşük maliyetli, kolay çaplı genişleme ve kolay kararlı P-tipi doping avantajlarına sahiptir. PVT yönteminden sonra daha büyük, daha yüksek kaliteli ve daha düşük maliyetli SIC tek kristalleri hazırlamak için bir yöntem haline gelmesi beklenmektedir.

Şekil 1. Üç sic tek kristal büyüme teknolojisinin ilkelerinin şematik diyagramı

01 TSSG tarafından yetiştirilen tek kristallerin geliştirme geçmişi ve mevcut durumu

SIC'yi büyütmek için HTSG yöntemi 60 yıldan fazla bir geçmişe sahiptir.

1961'de Halden ve ark. İlk olarak, C'nin çözüldüğü yüksek sıcaklıklı bir Si eriyisinden SIC tek kristalleri elde edildi ve daha sonra Si+X'den (burada x, Fe, Cr, SC, SC, TB, PR, vb. Elementlerden biri veya daha fazlasıdır) SIC tek kristallerinin büyümesini araştırdı.

1999'da Hofmann ve ark. Almanya'daki Erlangen Üniversitesi'nden saf Si'yi bir kendi kendine akış olarak kullandı ve 1.4 inç çapında tek kristalleri ve ilk kez yaklaşık 1 mm kalınlığında sic tek kristalleri büyütmek için yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı TSSG yöntemini kullandı.

2000 yılında, işlemi daha da optimize ettiler ve 1900-2400 ° C'de 100-200 bar yüksek basınçlı AR atmosferinde kendi kendini akışı olarak saf SI kullanarak 20-30 mm çapında ve 20 mm'ye kadar kalınlığa sahip SIC kristalleri yetiştirdiler.

O zamandan beri, Japonya, Güney Kore, Fransa, Çin ve diğer ülkelerdeki araştırmacılar, TSSG yönteminin son yıllarda hızla gelişmesini sağlayan TSSG yöntemi ile SIC tek kristal substratların büyümesi üzerine araştırma yapmışlardır. Bunlar arasında Japonya Sumitomo Metal ve Toyota tarafından temsil edilmektedir. Tablo 1 ve Şekil 2, SIC tek kristallerinin büyümesinde Sumitomo metalinin araştırma ilerlemesini göstermektedir ve Tablo 2 ve Şekil 3, Toyota'nın ana araştırma sürecini ve temsili sonuçlarını göstermektedir.

Bu araştırma ekibi, 2016 yılında TSSG yöntemi ile SIC kristallerinin büyümesi üzerine araştırmalar yapmaya başladı ve 10 mm kalınlığında 2 inç 4H-inç kristal elde etti. Son zamanlarda, ekip Şekil 4'te gösterildiği gibi 4 inç 4H-inç kristalini başarıyla büyüttü.

Şekil 2.TSSG yöntemini kullanarak Sumitomo Metal'in ekibi tarafından yetiştirilen SIC Crystal'in optik fotoğrafı

Şekil 3.Toyota'nın TSSG yöntemini kullanarak SIC tek kristallerini büyütmede temsili başarıları

Şekil 4. TSSG yöntemini kullanarak Çin Bilimler Akademisi, SIC tek kristallerinin büyümesinde Fizik Enstitüsü Temsilci Başarıları

02 TSSG yöntemi ile büyüyen sic tek kristallerin temel prensipleri

SIC'nin normal basınçta erime noktası yoktur. Sıcaklık 2000 ℃ üzerine ulaştığında, doğrudan gazlaştırır ve ayrışır. Bu nedenle, aynı kompozisyonun, yani eriyik yöntemin SIC erimesini yavaşça soğutarak ve katılaştırarak SIC tek kristallerinin büyütülmesi mümkün değildir.

SI-C ikili faz diyagramına göre, Si açısından zengin uçta SIC'nin sıvı faz büyümesi olasılığı sağlayan iki fazlı bir "L+sic" bölgesi vardır. Bununla birlikte, saf Si'nin C için çözünürlüğü çok düşüktür, bu nedenle yüksek sıcaklık çözeltisindeki C konsantrasyonunun arttırılmasına yardımcı olmak için Si eriyiğine akı eklemek gerekir. Şu anda, HTSG yöntemi ile SIC tek kristalleri yetiştirmek için ana teknik mod TSSG yöntemidir. Şekil 5 (a), TSSG yöntemi ile büyüyen SIC tek kristalleri prensibinin şematik bir diyagramıdır.

Bunlar arasında, yüksek sıcaklık çözeltisinin termodinamik özelliklerinin düzenlenmesi ve tüm büyüme sisteminde çözünen madde C'nin iyi bir dinamik arzı ve talebi elde etmek için çözünen taşıma işleminin ve kristal büyüme arayüzünün dinamikleri, TSSG yöntemi ile SIC tek kristallerinin büyümesini daha iyi fark etmenin anahtarıdır.

Şekil 5. (a) TSSG yöntemi ile SIC tek kristal büyümesinin şematik diyagramı; (b) L+SIC iki fazlı bölgenin uzunlamasına bölümünün şematik diyagramı

03 Yüksek sıcaklık çözeltilerinin termodinamik özellikleri

Yeterince C'nin yüksek sıcaklık çözeltilerine çözülmesi, TSSG yöntemi ile SIC tek kristallerinin büyümesinin anahtarıdır. Akı elemanlarının eklenmesi, yüksek sıcaklık çözeltilerinde C'nin çözünürlüğünü arttırmanın etkili bir yoludur.

Aynı zamanda, akı elemanlarının eklenmesi ayrıca, kristal büyümesi ile yakından ilişkili olan yüksek sıcaklık çözeltilerinin yoğunluğu, viskozite, yüzey gerilimi, donma noktası ve diğer termodinamik parametreleri de düzenleyecektir, böylece kristal büyümesinde termodinamik ve kinetik süreçleri doğrudan etkileyecektir. Bu nedenle, akı elemanlarının seçimi, SIC tek kristalleri yetiştirmek için TSSG yönteminin elde edilmesinde en kritik adımdır ve bu alandaki araştırma odağıdır.

Literatürde bildirilen Li-Si, Ti-Si, CR-SI, FE-SI, SC-SI, NI-SI ve CO-SI dahil olmak üzere birçok ikili yüksek sıcaklık çözelti sistemi vardır. Bunlar arasında, CR-Si, Ti-Si ve Fe-Si'nin ikili sistemleri ve CR-CE-AL-Si gibi çok bileşenli sistemler iyi gelişmiştir ve iyi kristal büyüme sonuçları elde etmiştir.

Şekil 6 (a), Kawanishi ve ark. 2020'de Japonya'daki Tohoku Üniversitesi.

Şekil 6 (b) 'de gösterildiği gibi, Hyun ve ark. C'nin çözünürlüğünü göstermek için Si0.56CR0.4m0.04 (M = SC, TI, V, Cr, Mn, Fe, CO, Ni, Cu, RH ve PD) bileşim oranı ile bir dizi yüksek sıcaklık çözelti sistemi tasarlanmıştır.

Şekil 6. (a) Farklı yüksek sıcaklık çözelti sistemleri kullanılırken SIC tek kristal büyüme hızı ile sıcaklık arasındaki ilişki

04 Büyüme Kinetiği düzenlemesi

Yüksek kaliteli SIC tek kristalleri daha iyi elde etmek için, kristal çökeltmenin kinetiğini düzenlemek de gerekir. Bu nedenle, TSSG yönteminin SIC tek kristallerini büyütmek için bir başka araştırma odağı, yüksek sıcaklık çözeltilerde ve kristal büyüme arayüzünde kinetiklerin düzenlenmesidir.

Ana düzenleme aracı şunları içerir: tohum kristali ve pota döndürme ve çekme işlemi, büyüme sisteminde sıcaklık alanının düzenlenmesi, pota yapısının ve boyutunun optimizasyonu ve dış manyetik alan ile yüksek sıcaklık çözelti konveksiyonunun düzenlenmesi. Temel amaç, yüksek sıcaklık çözeltisi ve kristal büyümesi arasındaki arayüzde sıcaklık alanını, akış alanını ve çözünen konsantrasyon alanını düzenlemek, böylece yüksek sıcaklık çözeltisinden SIC'yi düzenli bir şekilde daha iyi ve daha hızlı çökeltmek ve yüksek kaliteli büyük boyutlu tek kristallere dönüşmektir.

Araştırmacılar, Kusunoki ve ark. 2006 yılında bildirilen çalışmalarında ve Daikoku ve ark.

2014 yılında Kusunoki ve ark. Yüksek sıcaklık çözelti konveksiyonunun düzenlenmesini sağlamak için potada bir daldırma kılavuzu (IG) olarak bir grafit halka yapısı eklendi. Grafit halkasının boyutunu ve konumunu optimize ederek, tohum kristalinin altındaki yüksek sıcaklık çözeltisinde düzgün bir yukarı doğru çözünen taşıma modu oluşturulabilir, böylece Şekil 7'de gösterildiği gibi kristal büyüme hızını ve kalitesini geliştirebilir.

Şekil 7: (a) potada yüksek sıcaklık çözelti akışı ve sıcaklık dağılımının simülasyon sonuçları; 

(b) Deneysel cihazın şematik diyagramı ve sonuçların özeti

05 SIC tek kristallerini büyütmek için TSSG yönteminin avantajları

TSSG yönteminin SIC tek kristallerinin büyümesinde avantajları aşağıdaki yönlere yansıtılmaktadır:

(1) SIC tek kristallerinin büyümesi için yüksek sıcaklık çözelti yöntemi, tohum kristalindeki mikrotüpleri ve diğer makro kusurları etkili bir şekilde onarabilir, böylece kristal kalitesini iyileştirebilir. 1999'da Hofmann ve ark. Optik mikroskop yoluyla, mikrotüplerin Şekil 8'de gösterildiği gibi TSSG yöntemi ile SIC tek kristallerinin büyüyen sürecinde etkili bir şekilde kaplanabileceğini gözlemledi ve kanıtladı.

Şekil 8: TSSG yöntemi ile SIC tek kristalinin büyümesi sırasında mikrotüplerin ortadan kaldırılması:

(a) TSSG tarafından büyüme katmanının altındaki mikrotüplerin açıkça görülebildiği TSSG tarafından yetiştirilen SIC kristalinin optik mikrografı; 

(b) Yansıma modunda aynı alanın optik mikrografı, mikrotüplerin tamamen kaplandığını gösterir.

(2) PVT yöntemi ile karşılaştırıldığında, TSSG yöntemi kristal çaplı genleşmeye daha kolay ulaşabilir, böylece SIC tek kristal substrat çapını artırabilir, SIC cihazlarının üretim verimliliğini etkili bir şekilde iyileştirir ve üretim maliyetlerini azaltır.

Toyota ve Sumitomo Corporation'ın ilgili araştırma ekipleri, Şekil 9 (a) ve (b) 'de gösterildiği gibi bir "menisküs yüksekliği kontrolü" teknolojisi kullanılarak yapay olarak kontrol edilebilir kristal çap genişlemesi başarıyla elde etmiştir.

Şekil 9: (a) TSSG yönteminde menisküs kontrol teknolojisinin şematik diyagramı; 

(b) bu ​​teknoloji tarafından elde edilen SIC kristalinin menisküs yüksekliği ve yan görünümü ile büyüme açısının değişimi; 

(c) 2.5 mm'lik bir menisküs yüksekliğinde 20 saat boyunca büyüme; 

(d) 0.5 mm'lik bir menisküs yüksekliğinde 10 saat boyunca büyüme;

(e) 35 saat boyunca büyüme, menisküs yüksekliği kademeli olarak 1.5 mm'den daha büyük bir değere yükselir.

(3) PVT yöntemi ile karşılaştırıldığında, TSSG yönteminin SIC kristallerinin kararlı P tipi dopinginin elde edilmesi daha kolaydır. Örneğin, Shirai ve ark. Toyota'nın 2014 yılında, Şekil 10'da gösterildiği gibi TSSG yöntemi ile düşük dirençli P-tipi 4H-SIC kristalleri büyüdüklerini bildirdi.

Şekil 10: (a) TSSG yöntemi ile yetiştirilen p-tipi sic tek kristalin yandan görünüşü; 

(b) kristalin uzunlamasına bir bölümünün iletim optik fotoğrafı; 

(c)% 3'lük bir AL içeriğine sahip yüksek sıcaklık bir çözeltiden yetiştirilen bir kristalin üst yüzey morfolojisi (atomik fraksiyon)

06 Sonuç ve Outlook

SIC tek kristalleri yetiştirmek için TSSG yöntemi son 20 yılda büyük ilerleme kaydetti ve birkaç takım TSSG yöntemi ile yüksek kaliteli 4 inç SIC tek kristalleri büyüdü.

Bununla birlikte, bu teknolojinin daha da geliştirilmesi, aşağıdaki önemli yönlerde hala atılımlar gerektirir:

(1) çözeltinin termodinamik özelliklerinin derinlemesine incelenmesi;

(2) büyüme oranı ile kristal kalitesi arasındaki denge;

(3) stabil kristal büyüme koşullarının oluşturulması;

(4) Rafine dinamik kontrol teknolojisinin geliştirilmesi.

TSSG yöntemi hala PVT yönteminin biraz gerisinde olmasına rağmen, bu alandaki araştırmacıların sürekli çabalarıyla, TSSG yöntemiyle büyüyen tek kristallerin temel bilimsel problemlerinin sürekli olarak çözüldüğüne ve büyüme sürecindeki temel teknolojilerin sürekli olarak bozulduğuna inanılmaktadır. SIC endüstrisinin.