Үш, бір SIC жалғыз кристалды өсу технологиясы

Біртекті кристалдарды өсірудің негізгі әдістері:Физикалық бу көлігі (PVT), Жоғары температуралы химиялық будың тұнбасы (HTCVD)жінеЖоғары температуралы шешімдердің өсуі (HTSG). 1-суретте көрсетілгендей. Олардың ішінде, ПВТ әдісі - бұл кезеңдегі ең жетілген және кеңінен қолданылатын әдіс. Қазіргі уақытта 6 дюймдік бір кристаллдық субстрат индустрияландырылды, ал 8 дюймдік жалғыз кристал, ал Америка Құрама Штаттарының 2016 жылы Кре-ді де сәтті өтті.

HTCVD әдісі SI көзі және C көзі газды, SIC-тің біртұтас кристалдарының өсуіне қол жеткізу үшін, шамамен 2100 ℃-дің жоғары температуралы ортасында ДИК-ны жасау үшін химиялық түрде рецепцияны қолданады. PVT әдісі сияқты, бұл әдіс жоғары өсу температурасын қажет етеді және өсудің жоғары құны бар. HTSG әдісі жоғарыда көрсетілген екі әдіспен ерекшеленеді. Оның негізгі қағидасы - SIC бірыңғай кристалдарының өсуіне қол жеткізу үшін SI және C элементтерін тарату және репрессияларды таратуды қолдану. Қазіргі уақытта кеңінен қолданылатын техникалық модель - бұл TSSG әдісі.

Бұл әдіс төменгі температурада (2000 ° C-тан төмен) және өсірілген кристалдардың жоғары сапалы термодинамикалық тепе-теңдіктің өсуіне қол жеткізе алады, ал өсірілген кристалдарда жоғары сапалы, төмен шығындар, оңай диаметр кеңеюі және P-Type допинг. PVT әдісінен кейін үлкен, сапалы және аз мөлшерде бір кристалдарды дайындау әдісі болады деп күтілуде.

1-сурет. Үш ӘКК бірыңғай кристалды өсу технологиясы қағидаттарының схемалық диаграммасы

01 Даму тарихы және ЦССГ-Ыналған SIC бірыңғай кристалдарының ағымдағы жағдайы

СИК-тің HTSG әдісі 60 жылдан астам тарихы бар.

1961 жылы Халден және басқалар. Алдымен SI-ді ерітілген SI ерітіндісінен алынған SIC бір кристалдарын алды, содан кейін SI + X (мұнайды x FE, CR, SC, TB, PR, PR және т.б.) құрайды.

1999 жылы Хофман және басқалар. Германиядағы Эрланген университетінен таза Si-ден өзін-өзі ұстады және диаметрі 1,4 дюйм және қалыңдығы 1,4 дюймдік және қалыңдығы 1 мм-ге дейін жоғары температуралы және жоғары қысымды цем.

2000 жылы олар процесті одан әрі оңтайландырды және диаметрі 20-30 мм және қалыңдығы 20-30 мм-ге дейін, ал қалыңдығы 20 мм-ге дейін, ал қалыңдығы 1900-200 ° C-қа 100-200 бар.

Содан бері Жапония, Оңтүстік Корея, Франция, Қытай және басқа елдердегі зерттеушілер TSSG әдісімен SIC-тің жалғыз кристалды субстраттарының өсуіне арналған зерттеулер жүргізілді, бұл TSSG әдісі бойынша TSSG әдісі соңғы жылдары қарқынды дамып келеді. Олардың ішінде Жапонияда Sumitomo металл және Toyota ұсынылған. 1-кесте және 2-сурет SIC бірыңғай кристалдарының өсуіндегі сумитомо металының зерттеу барысын, 2-кесте мен 3-суретте және 3-суретте Toyota-ның негізгі зерттеу процесі мен нәтижелері көрсетіледі.

Зерттеу тобы 2016 жылы TSSG әдісі бойынша SIC кристалдарының өсуіне зерттеу жүргізе бастады және қалыңдығы 10 мм 2 дюймдік 4 сағаттық кристалды алды. Жақында команда 4-суретте көрсетілгендей 4 дюймдік сикт кристалды өсірді.

2-сурет.TSSG әдісін қолдана отырып, SIC кристалының SIC Crystal компаниясының оптикалық фотосуреті

3-сурет.Toyota командасының Өкілдігі TSSG әдісін қолдана отырып, SIC бірыңғай кристалдарын өсірудегі жетістіктері

4-сурет. Физика институтының, Қытай ғылым академиясының, TSSG әдісін қолдана отырып, СИК-тің бірыңғай кристалдарының Өкілдігі

02 TSSG әдісі бойынша сиктік бір кристаллдарды өсірудің негізгі принциптері

SIC қалыпты қысымда балқу нүктесі жоқ. Температура 2000 ℃-ден жоғары болған кезде, ол тікелей газдандыруға және ыдырауға болады. Сондықтан, бірдей композицияның, яғни, ерітінділер әдісі, баяу салқындату және қатайту арқылы бір кристальдарды өсіру мүмкін емес.

SI-C екілік фазалық диаграммасы бойынша, SIC-тің сұйық фазалық өсуіне мүмкіндік беретін «L + SIC» екі фазалы аймағы бар. Дегенмен, C-ге арналған таза Si-дің ерігіштігі тым төмен, сондықтан SI ерітіндісіне SI ерітіндісіне жоғары температуралы ерітіндідегі концентрацияны арттыруға көмектесу керек. Қазіргі уақытта HTSG әдісі бойынша бір сикт кристалдарын өсірудің негізгі техникалық режимі TSSG әдісі болып табылады. 5-сурет (A) TSSG әдісі бойынша SIC бірыңғай кристалдарын өсіру принципінің схемалық схемасы болып табылады.

Олардың ішінде, жоғары температуралы ерітіндінің термодинамикалық қасиеттері мен еріткіш процестің динамикасы және бүкіл өсу жүйесіндегі жақсы динамикалық тепе-теңдікке қол жеткізу үшін еріткіш процестер мен кристалды өсу интерфейсінің реттелуі TSSG әдісі бойынша SIC жалғыз кристалдарының өсуін жақсартудың кілті болып табылады.

5-сурет. (a) TSSG әдісімен SIC бір кристалды өсуінің схемалық диаграммасы; (b) екі фазалы аймақтың L + L + SIC бойлық бөлімінің схемалық диаграммасы

03 Жоғары температуралы шешімдердің термодинамикалық қасиеттері

Жоғары температуралы шешімдерге жеткілікті мөлшерде еріту - бұл TSS әдісі бойынша SIC-тің жалғыз кристалдарын өсірудің кілті. FLUX элементтерін қосу - бұл жоғары температуралы шешімдердегі c ерігіштігін арттырудың тиімді әдісі.

Сонымен қатар, ағын элементтерін қосу сонымен қатар кристалл өсуіндегі термодинамикалық және кинетикалық процестерге тікелей байланысты жоғары температуралы шешімдердің тығыздығын, тұтқырлығын, беттік керілуді, мұздақтықты және басқа термодинамикалық параметрлерді реттейді. Сондықтан, ағын элементтерін таңдау SIC бірыңғай кристалдарды өсіру үшін TSSG әдісіне қол жеткізудегі ең маңызды қадам болып табылады және осы салада зерттеу бағыты болып табылады.

Әдебиетте, оның ішінде Li-Si, Ti-Si, CR-SI, Fe-Si, SI, SI, NI-SI және Co-Si-де көптеген бинарлық жоғары температуралық шешімдер бар. Олардың ішінде CR-SI, TI-SI және FE-SI екілік жүйелері және CR-CE-AL-SI сияқты көп компоненттік жүйелер жақсы дамыған және жақсы кристалды өсу нәтижелерін алды.

6-сурет (A) Каваниши және аль-ді жинақтаған CR-Si, Ti-Si және Fe-SI-дің үш түрлі жоғары температуралы шипажайларының өсу қарқыны мен температурасы арасындағы байланысты көрсетеді. Жапониядағы Тхоку университеті 2020 жылы.

6 (b) суретте көрсетілгендей, Hyun et al. Si0.56cr0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, CR, MN, Fe, Fe, CO, Ni, Ni, PD), CO, CO, Ni, PD, CO, RH және PD) бірқатар жоғары температуралы ерітінді жүйелерін жасады.

6-сурет. (a) әр түрлі жоғары температуралы ерітінді жүйелерін пайдалану кезінде SIC жалғыз кристалды өсу қарқыны мен температурасы арасындағы байланыс

04 Өсудің кинетикасын реттеу

Жоғары сапалы SIC бірыңғай кристалдарын алу үшін кристалды жауын-шашынның кинетикасын реттеу қажет. Сондықтан, SIC бірыңғай кристалдарын өсіру үшін TSSG әдісінің тағы бір зерттеу бағыты - жоғары температуралы ерітінділердегі кинетиканы және кристалды өсу интерфейсіндегі реттеу.

Негізгі реттеу құралдары: тұқымдық кристалл және тартымды, өсу және тарту процесі, өсу жүйесіндегі температура өрісін реттеу, құрылымды құрылымды және мөлшерін оңтайландыру және сыртқы магнит өрісінің жоғары температуралы шешімдерін реттеу. Негізгі мақсат - жоғары температура өрісі, ағын өрісі және ерітінді концентрациясы, жоғары температуралы ерітінді және кристаллдың өсуі арасындағы интерфейстегі реттеу, сонымен қатар жоғары температуралы ерітіндімен, сонымен қатар жоғары температуралы түрде тұндыру және жоғары сапалы үлкен мөлшердегі үлкен кристалдарға айналдыру.

Зерттеушілер Кусуноки және басқалар пайдаланатын «Айқын жеделдетілген ротациялық технология» сияқты динамикалық реттеуге қол жеткізді. Олардың жұмысында 2006 жылы және «Дайкоку және» дамыған «Шешу өсу технологиясы» туралы хабарлады.

2014 жылы Кусуноки және басқалар. Графит сақинасы құрылымын жоғары температуралы ерітінді конвекциясын реттеуге қол жеткізу үшін импорт нұсқаулығын (IG) қосты. Графит сақинасының өлшемі мен орнын оңтайландыру арқылы, біркелкі ерітінді тасымалдау режимі 7-суретте көрсетілгендей, жоғары температуралы ерітіндіде жоғары температуралы ерітіндіде орнатылуы мүмкін.

7-сурет: (а) жоғары температуралы ерітіндінің ағынының модельдеу және температураны шығарып алу нәтижелері; 

(b) эксперименттік құрылғының схемалық диаграммасы және нәтижелер туралы қысқаша диаграмма

SIC бірыңғай кристалдарын өсіруге арналған 05 артықшылықтары

SIC бірыңғай кристалдарының өсуі туралы ЦСС әдісінің артықшылықтары келесі аспектілерде көрсетілген:

(1) SIC бірыңғай кристалдарын өсіруге арналған жоғары температуралық шешім әдісі, тұқымдық кристаллдағы микропроттер мен басқа да макроэффттарды тиімді түрде қалпына келтіре алады, осылайша кристалл сапасын жақсартады. 1999 жылы Хофман және басқалар. 8-суретте көрсетілгендей, микропроттерді ЦСГ әдісімен цифрдың бір кристалдарын өсіру процесінде тиімді және дәлелденген оптикалық микроскоп арқылы дәлелденген және дәлелденген.

8-сурет: TSSG әдісімен SIC бір кристаллының өсу кезіндегі микропроттерлерді жою:

(a) TSSG-дің оптикалық микрографы, тарату режиміндегі TSSG-ге өскен, мұнда өсу қабатының төмендегі микропіршікті анықталуы мүмкін; 

(b) Микротушалардың толығымен жабылғанын көрсететін рефлексия режиміндегі бірдей аймақтың оптикалық микрографиясы.

(2) PVT әдісімен салыстырғанда, TSSG әдісі кристалды диаметрді кеңейтуге оңай, сонымен қатар SIC бірыңғай кристалды субстратының диаметрін көбейтіп, өндірістік шығындарды тиімді жақсартады және өндіріс шығындарын азайтады.

Toyota және Sumitomo корпорациясының тиісті зерттеу топтары 9 (a) және (b) суретте көрсетілгендей «менискус биіктігін басқару» технологиясын қолдана отырып, жасанды басқарылатын кристалды кристалды кристалды диаметрлерді кеңейтуге қол жеткізді.

9-сурет: (а) TSSG әдісі бойынша менискус бақылау технологиясының схемалық диаграммасы; 

(b) осы технологиямен алынған SIC кристалының менискус биіктігі мен бүйірлік көрінісімен өсу бұрышының өзгеруін өзгерту; 

(с) 2,5 мм менискустың биіктігі бойынша 20 сағ өсу; 

(d) менискус биіктігі 0,5 мм-де 10 сағат өсуі;

(д) 35 сағ өсу, менискустың биіктігі 1,5 мм-ден үлкен мәнге дейін артады.

(3) PVT әдісімен салыстырғанда TSSG әдісі SIC кристалдарының тұрақты P-типті допингке қол жеткізу оңай. Мысалы, Ширай және басқалар. Toyota-ның 2014 жылы, олар 10-суретте көрсетілгендей, TSS әдісі бойынша 4H-SIC Type 4h-Type Crys Crystals өсірді деп хабарлады.

10-сурет: (а) TSS әдісі бойынша өсетін P-Type SIC бір кристаллының бүйірлік көрінісі; 

(b) кристаллдың бойлық бөлімінің беріліс этикациялық фотосуреті; 

(c) жоғары температуралы ерітіндіден алынған кристаллдың үстіңгі беткі қабаты 3% (атом фракциясы)

06 Қорытынды және дүниетаным

Соңғы 20 жылда ӘЖК-нің бірыңғай кристалдарын өсіру әдісі үлкен жетістіктерге жетті, ал бірнеше командалар TSSG әдісімен жоғары сапалы 4 дюймдік SIC-тің бірнеше дюймдік сиктикалық кристалдарын өсірді.

Алайда, осы технологияның одан әрі дамуы келесі негізгі аспектілерде әлі де жетістіктерді қажет етеді:

(1) шешімнің термодинамикалық қасиеттерін терең зерттеу;

(2) өсу қарқыны мен кристалды сапа арасындағы қалдық;

(3) тұрақты кристалды өсу жағдайларын белгілеу;

(4) Тазартылған динамикалық бақылау технологиясын әзірлеу.

TSSG әдісі PVT әдісінің артта қалуы мүмкін, бірақ бұл салада зерттеушілердің тұрақты күш-жігерімен, өсу процесінде үздіксіз жұмыс істейді, өйткені бұл технологияның бірыңғай кристалдары тұрақты түрде бұзылады, өйткені бұл технология индустрияланады, осылайша TSSG-тің бірыңғай кристалдарды өсіру және әрі қарай жылжыту және жүргізу үшін толық ойнайды деп санайды ӘЖК саласының қарқынды дамуы.