سه فناوری رشد کریستالی تک SIC

روشهای اصلی برای رشد کریستال های تک SIC عبارتند از:حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT), رسوب بخار شیمیایی با درجه حرارت بالا (HTCVD)وترشد محلول دمای بالا (HTSG)بشر همانطور که در شکل 1. در بین آنها نشان داده شده است ، روش PVT بالغ ترین و پرکاربردترین روش در این مرحله است. در حال حاضر ، بستر کریستال 6 اینچی تک این کشور صنعتی شده است ، و کریستال تک 8 اینچی نیز در سال 2016 توسط کری در ایالات متحده با موفقیت رشد کرده است. با این حال ، این روش دارای محدودیت هایی مانند چگالی نقص بالا ، عملکرد کم ، گسترش قطر دشوار و هزینه بالا است.

روش HTCVD از این اصل استفاده می کند که SI Source و C Source Gas از نظر شیمیایی واکنش نشان می دهند تا SIC را در یک محیط با دمای بالا در حدود 2100 ایجاد کنند تا به رشد کریستال های تک SIC برسند. مانند روش PVT ، این روش همچنین به دمای رشد بالایی نیاز دارد و هزینه رشد بالایی دارد. روش HTSG با دو روش فوق متفاوت است. اصل اساسی آن استفاده از انحلال و بازپرداخت عناصر SI و C در یک محلول دمای بالا برای دستیابی به رشد کریستال های تک SIC است. مدل فنی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد ، روش TSSG است.

این روش می تواند به رشد SIC در یک حالت تعادل نزدیک به حرارتی در دمای پایین تر (زیر 2000 درجه سانتیگراد) برسد ، و کریستال های رشد یافته دارای مزایای کیفیت بالا ، کم هزینه ، گسترش قطر آسان و دوپینگ P-Type Patable آسان هستند. انتظار می رود پس از روش PVT به روشی برای تهیه کریستال های بزرگتر ، با کیفیت بالاتر و کم هزینه SIC تبدیل شود.

شکل 1. نمودار شماتیک اصول سه فناوری رشد کریستال تک SIC

01 تاریخچه توسعه و وضعیت فعلی کریستال های تک SIC رشد TSSG

روش HTSG برای رشد SIC بیش از 60 سال سابقه دارد.

در سال 1961 ، هالدن و همکاران. ابتدا کریستال های تک SIC را از یک ذوب Si با دمای بالا که در آن C حل شد ، به دست آورد و سپس رشد کریستال های تک SIC را از یک محلول درجه حرارت بالا که از Si+X تشکیل شده است ، بررسی کرد (جایی که X یک یا چند عنصر FE ، CR ، SC ، TB ، PR و غیره است).

در سال 1999 ، هافمن و همکاران. از دانشگاه Erlangen در آلمان از SI خالص به عنوان یک گل خود استفاده کرد و از روش TSSG با درجه حرارت بالا و فشار بالا برای رشد کریستال های تک SIC با قطر 1.4 اینچ و ضخامت حدود 1 میلی متر برای اولین بار استفاده کرد.

در سال 2000 ، آنها بیشتر فرآیند را بهینه کردند و کریستال های SIC را با قطر 20-30 میلی متر و ضخامت حداکثر 20 میلی متر با استفاده از SI خالص به عنوان یک گل خود در جو AR با فشار زیاد 100-200 بار در دمای 1900-2400 درجه سانتیگراد رشد دادند.

از آن زمان ، محققان در ژاپن ، کره جنوبی ، فرانسه ، چین و سایر کشورها به طور پی در پی تحقیقات در مورد رشد بسترهای کریستالی تک SIC با روش TSSG انجام داده اند ، که باعث شده است که روش TSSG در سالهای اخیر به سرعت توسعه یابد. در میان آنها ، ژاپن توسط Sumitomo Metal و Toyota نشان داده شده است. جدول 1 و شکل 2 پیشرفت تحقیق از فلز Sumitomo در رشد کریستال های تک SIC را نشان می دهد ، و جدول 2 و شکل 3 روند اصلی تحقیق و نتایج نماینده تویوتا را نشان می دهد.

این تیم تحقیقاتی شروع به انجام تحقیقات در مورد رشد کریستال های SIC با روش TSSG در سال 2016 کرد و با موفقیت یک کریستال 2 اینچ 4H-SIC با ضخامت 10 میلی متر بدست آورد. به تازگی ، این تیم با موفقیت یک کریستال 4H-SIC 4H-SIC رشد کرده است ، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 2.عکس نوری از کریستال SIC که توسط تیم Sumitomo Metal با استفاده از روش TSSG رشد کرده است

شکل 3.دستاوردهای نماینده تیم تویوتا در رشد کریستال های تک SIC با استفاده از روش TSSG

شکل 4. دستاوردهای نماینده انستیتوی فیزیک ، آکادمی علوم چین ، در رشد کریستال های تک SIC با استفاده از روش TSSG

02 اصول اساسی رشد کریستال های تک SIC با روش TSSG

SIC در فشار طبیعی نقطه ذوب ندارد. هنگامی که دما به بالای 2000 رسیده است ، مستقیماً گاز و تجزیه می شود. بنابراین ، رشد کریستال های منفرد SIC با خنک کننده آهسته و جامد کردن ذوب SIC از همان ترکیب ، یعنی روش ذوب امکان پذیر نیست.

با توجه به نمودار فاز باینری SI-C ، یک منطقه دو فاز از "L+SIC" در انتهای غنی از Si وجود دارد که امکان رشد فاز مایع SIC را فراهم می کند. با این حال ، حلالیت SI خالص برای C بسیار کم است ، بنابراین لازم است شار به ذوب SI اضافه شود تا در افزایش غلظت C در محلول درجه حرارت بالا کمک کند. در حال حاضر ، حالت فنی اصلی برای رشد کریستال های تک SIC با روش HTSG روش TSSG است. شکل 5 (a) یک نمودار شماتیک از اصل رشد کریستال های تک SIC با روش TSSG است.

در میان آنها ، تنظیم خواص ترمودینامیکی محلول درجه حرارت بالا و پویایی فرآیند حمل و نقل املاح و رابط رشد کریستالی برای دستیابی به تعادل پویا خوب عرضه و تقاضای املاح C در کل سیستم رشد ، کلید اصلی تحقق رشد کریستال های تک SIC با روش TSSG است.

شکل 5 (الف) نمودار شماتیک رشد کریستال تک SIC با روش TSSG. (ب) نمودار شماتیک بخش طولی منطقه دو فاز L+SIC

03 خواص ترمودینامیکی راه حل های درجه حرارت بالا

حل کردن C به اندازه کافی C در محلول های درجه حرارت بالا کلید رشد کریستال های تک SIC با روش TSSG است. افزودن عناصر شار یک روش مؤثر برای افزایش حلالیت C در راه حل های درجه حرارت بالا است.

در عین حال ، افزودن عناصر شار همچنین چگالی ، ویسکوزیته ، تنش سطح ، نقطه انجماد و سایر پارامترهای ترمودینامیکی محلول های درجه حرارت بالا را تنظیم می کند که از نزدیک با رشد کریستال مرتبط هستند و از این طریق مستقیماً بر فرآیندهای ترمودینامیکی و جنبشی در رشد کریستال تأثیر می گذارد. بنابراین ، انتخاب عناصر شار مهمترین مرحله برای دستیابی به روش TSSG برای رشد کریستال های تک SIC است و تمرکز تحقیق در این زمینه است.

بسیاری از سیستم های محلول با دمای بالا باینری گزارش شده در ادبیات ، از جمله Li-Si ، Ti-Si ، Cr-Si ، Fe-Si ، Sc-Si ، Ni-Si و Co-Si. در میان آنها ، سیستم های باینری Cr-Si ، Ti-Si و Fe-Si و سیستم های چند جزء مانند Cr-Ce-Al-Si به خوبی توسعه یافته و نتایج رشد کریستالی خوبی کسب کرده اند.

شکل 6 (a) رابطه بین سرعت رشد SIC و دما را در سه سیستم مختلف محلول درجه حرارت بالا CR-SI ، TI-SI و FE-SI نشان می دهد ، که توسط Kawanishi و همکاران خلاصه شده است. دانشگاه توهوکو در ژاپن در سال 2020.

همانطور که در شکل 6 (b) نشان داده شده است ، هیون و همکاران. مجموعه ای از سیستم های راه حل با درجه حرارت بالا با نسبت ترکیب Si0.56CR0.4M0.04 (M = SC ، TI ، V ، Cr ، MN ، FE ، CO ، NI ، CU ، RH و PD) را طراحی کرد تا حلالیت C. را نشان دهد.

شکل 6. (الف) رابطه بین سرعت رشد کریستال تک SIC هنگام استفاده از سیستم های مختلف محلول با درجه حرارت بالا

04 تنظیم سینتیک رشد

برای به دست آوردن بهتر کریستال های تک با کیفیت بالا SIC ، همچنین برای تنظیم سینتیک بارش کریستال نیز لازم است. بنابراین ، یکی دیگر از تمرکز های تحقیق از روش TSSG برای رشد کریستال های تک SIC ، تنظیم سینتیک در محلول های درجه حرارت بالا و در رابط رشد کریستال است.

وسیله اصلی تنظیم شامل موارد زیر است: چرخش و فرآیند کشیدن کریستال بذر و صلیب ، تنظیم میدان دما در سیستم رشد ، بهینه سازی ساختار و اندازه قابل حمل و تنظیم همرفت محلول درجه حرارت بالا توسط میدان مغناطیسی خارجی. هدف اساسی تنظیم میدان دما ، میدان جریان و میدان غلظت املاح در رابط بین محلول درجه حرارت بالا و رشد کریستال است ، به طوری که بهتر و سریعتر رسوب SIC از محلول با دمای بالا به روشی منظم و رشد در کریستال های تک با کیفیت بالا.

محققان روشهای بسیاری را برای دستیابی به تنظیم پویا ، مانند "فناوری چرخش تسریع شده Crucible" که توسط Kusunoki و همکاران استفاده شده است ، امتحان کرده اند. در کار خود در سال 2006 گزارش شده است ، و "فناوری رشد راه حل مقعر" که توسط Daikoku و همکاران تهیه شده است.

در سال 2014 ، Kusunoki و همکاران. یک ساختار حلقه گرافیتی به عنوان یک راهنمای غوطه وری (IG) در Crucible برای دستیابی به تنظیم همرفت محلول با درجه حرارت بالا اضافه شد. با بهینه سازی اندازه و موقعیت حلقه گرافیت ، می توان یک حالت حمل و نقل یکنواخت به سمت بالا را در محلول درجه حرارت بالا زیر کریستال بذر ایجاد کرد و از این طریق سرعت و کیفیت رشد کریستال را بهبود بخشید ، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7: (الف) نتایج شبیه سازی جریان محلول با دمای بالا و توزیع دما در Crucible. 

(ب) نمودار شماتیک دستگاه آزمایشی و خلاصه نتایج

05 مزایای روش TSSG برای رشد کریستال های تک SIC

مزایای استفاده از روش TSSG در رشد کریستال های تک SIC در جنبه های زیر منعکس می شود:

(1) روش راه حل درجه حرارت بالا برای رشد کریستال های تک SIC می تواند به طور موثری میکروتوب ها و سایر نقایص ماکرو در کریستال بذر را ترمیم کند و از این طریق کیفیت کریستال را بهبود بخشد. در سال 1999 ، هافمن و همکاران. از طریق میکروسکوپ نوری مشاهده و ثابت شده است که میکروتوب ها می توانند به طور موثری در فرآیند رشد کریستال های تک SIC با روش TSSG ، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است ، پوشانده شود.

شکل 8: از بین بردن میکروتوب ها در طول رشد کریستال SIC با روش TSSG:

(الف) میکروگراف نوری کریستال SIC که توسط TSSG در حالت انتقال رشد می کند ، که در آن میکروتوب های زیر لایه رشد به وضوح دیده می شوند. 

(ب) میکروگراف نوری همان منطقه در حالت بازتاب ، نشان می دهد که میکروتوب ها کاملاً پوشانده شده اند.

(2) در مقایسه با روش PVT ، روش TSSG می تواند به راحتی به گسترش قطر کریستال برسد و از این طریق قطر بستر تک کریستالی SIC را افزایش می دهد ، به طور موثری بازده تولید دستگاه های SIC و کاهش هزینه های تولید را بهبود می بخشد.

تیم های تحقیقاتی مربوط به شرکت Toyota و Sumitomo با استفاده از یک فناوری "کنترل ارتفاع منیسک" ، همانطور که در شکل 9 (a) و (b) نشان داده شده است ، با موفقیت با موفقیت قطر کریستالی قابل کنترل را به دست آورده اند.

شکل 9: (الف) نمودار شماتیک فناوری کنترل منیسک در روش TSSG. 

(ب) تغییر زاویه رشد θ با ارتفاع منیسک و نمای جانبی کریستال SIC به دست آمده توسط این فناوری. 

(ج) رشد به مدت 20 ساعت در ارتفاع منیسک 2.5 میلی متر. 

(د) رشد به مدت 10 ساعت در ارتفاع منیسک 0.5 میلی متر.

(ه) رشد به مدت 35 ساعت ، با ارتفاع منیسک به تدریج از 1.5 میلی متر به یک مقدار بزرگتر افزایش می یابد.

(3) در مقایسه با روش PVT ، روش TSSG برای دستیابی به دوپینگ از نوع P پایدار از کریستال های SIC آسان تر است. به عنوان مثال ، شیرای و همکاران. از تویوتا در سال 2014 گزارش داد که آنها کریستال های P-Type 4H-SIC با مقاومت کم به روش TSSG رشد کرده اند ، همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است.

شکل 10: (الف) نمای جانبی از نوع P-Type SIC Single Crystal که به روش TSSG رشد می کنند. 

(ب) عکس نوری انتقال از بخش طولی کریستال. 

(ج) مورفولوژی سطح بالای یک کریستال که از یک محلول درجه حرارت بالا با مقدار AL 3 ٪ (کسری اتمی) رشد می کند

06 نتیجه گیری و چشم انداز

روش TSSG برای رشد کریستال های تک SIC در 20 سال گذشته پیشرفت زیادی داشته است و چند تیم با استفاده از روش TSSG ، کریستال های تک با کیفیت 4 اینچی SIC رشد کرده اند.

با این حال ، توسعه بیشتر این فناوری هنوز هم در جنبه های اصلی زیر به پیشرفت هایی نیاز دارد:

(1) مطالعه عمیق از خواص ترمودینامیکی محلول.

(2) تعادل بین نرخ رشد و کیفیت کریستال.

(3) ایجاد شرایط رشد کریستالی پایدار.

(4) توسعه فناوری کنترل پویا تصفیه شده.

اگرچه روش TSSG هنوز هم تا حدودی پشت روش PVT است ، اما اعتقاد بر این است که با تلاش مداوم محققان در این زمینه ، از آنجا که مشکلات اصلی علمی رشد کریستال های تک و در حال رشد با روش TSSG به طور مداوم حل می شوند و فن آوری های کلیدی در روند رشد به طور مداوم شکسته می شوند ، این فناوری نیز از این طریق به رشد کامل تبدیل می شود ، از این طریق پتانسیل TSG PLATIONS TSG را ارائه می دهد. توسعه سریع صنعت SIC.