Üç SIC tək kristal böyümə texnologiyaları

SIC tək kristallarının böyüməsi üçün əsas metodlar bunlardır:Fiziki buxar nəqliyyatı (Pvt), Yüksək temperatur kimyəvi buxarlanma (HTCVD)vəYüksək temperaturlu həll böyüməsi (HTSG). Şəkil 1-də göstərildiyi kimi. Onların arasında PVT metodu bu mərhələdə ən yetkin və geniş istifadə olunan metoddur. Hazırda 6 düymlük vahid kristal substrat sənayeləşdi və 8 düymlük vahid kristal da ABŞ-da Cree tərəfindən müvəffəqiyyətlə böyüdülmüşdür. Bununla birlikdə, bu metod yüksək qüsur sıxlığı, aşağı məhsuldarlıq, çətin diametrli genişlənmə və yüksək qiymət kimi məhdudiyyətlər var.

HTCVD metodu SI mənbəyi və C mənbə qazının, SIC vahid kristallarının böyüməsinə nail olmaq üçün təxminən 2100 × yüksək temperatur mühitində SIC yaratmaq üçün kimyəvi cəhətdən sic-ə reaksiya verən prinsipindən istifadə edir. Pvt metodu kimi, bu üsul da yüksək böyümə istiliyi tələb edir və yüksək böyümə dəyəri var. HTSG metodu yuxarıdakı iki metoddan fərqlidir. Əsas prinsipi, SIS tək kristallarının böyüməsinə nail olmaq üçün yüksək temperaturlu həllində SI və C elementlərinin dağılmasını və replikasiyasından istifadə etməkdir. Hal-hazırda geniş istifadə olunan texniki model TSSG metodudur.

Bu üsul, aşağı bir temperaturda (2000 ° C-dən aşağı) yaxın bir termodinamik tarazlıq vəziyyətində SIC-nin böyüməsinə nail ola bilər və böyüyən kristallar yüksək keyfiyyətli, aşağı qiymət, asan diametri genişlənmənin və asan sabit P tipli dopinqin üstünlüklərinə malikdir. PVT metodundan sonra daha böyük, daha yüksək keyfiyyətli və aşağı qiymətli SIC tək kristallarının hazırlanması üçün bir üsul olacağı gözlənilir.

Şəkil 1. Üç SIC tək kristal böyümə texnologiyaları prinsiplərinin sxematik diaqramı

01 TSSG böyüdülmüş sic vahid kristallarının inkişaf tarixi və cari vəziyyəti

SIC böyümək üçün HTSG metodu 60 ildən çox tarixi var.

1961-ci ildə Halden et al. Əvvəlcə C hüdudları həll olunduğu yüksək temperaturlu Si əriməsindən olan SIC tək kristalları, sonra SI + X (X-nin bir və ya daha çox elementlərin bir və ya daha çoxu olduğu yüksək temperaturlu bir məhlulun böyüməsini araşdırın.

1999-cu ildə Hofmann et al. Almaniyadakı Erlangen Universitetindən Saf Si-ni öz-özünə axan və yüksək temperatur və yüksək təzyiqli TSSG metrini, diametri 1,4 düym və təxminən 1 mm-nin təxminən 1 mm-dirək və təxminən 1 mm-dirək.

2000-ci ildə bu prosesi optimallaşdırdı və 20-30 mm diametri, 20-30 mm-dən 20 mm-ə qədər 20 mm-ə qədər qalınlığı, 1900-2400 ° C-də yüksək təzyiqli bir AR atmosferində saf-si istifadə edərək 20 mm-ə qədər qalınlığı olan Kristalları və 20 mm-ə qədər qalınlığı artırdılar.

O vaxtdan bəri Yaponiya, Cənubi Koreya, Fransa, Çin və digər ölkələrdə tədqiqatçılar, son illərdə TSSG metodu sürətlə inkişaf etmiş TSSG metodu ilə SIC vahid kristal substratlarının böyüməsi ilə bağlı araşdırma aparıblar. Onların arasında Yaponiya Sumitomo metal və toyota tərəfindən təmsil olunur. Cədvəl 1 və Şəkil 2, SIC vahid kristallarının böyüməsində və Cədvəl 2 və Şəkil 3-ü Toyota'nın əsas tədqiqat prosesini və təmsilçi nəticələrini göstərən tədqiqat tərəqqisini göstərir.

Bu araşdırma qrupu, 2016-cı ildə TSSG metodu ilə SIC kristallarının böyüməsi ilə bağlı araşdırma aparmağa başladı və 10 mm qalınlığı olan 2 düymlük 4h-sic kristalını uğurla əldə etdi. Bu yaxınlarda komanda Şəkil 4-də göstərildiyi kimi, 4 düymlük 4h-SIC kristalını uğurla böyüdü.

Şəkil 2.Sumitomo metal komandası tərəfindən TSSG metodundan istifadə edərək böyüdülmüş SIC Crystal-ın optik şəkli

Şəkil 3.Toyota komandasının TSSG metodundan istifadə edərək Toyota komandasının TOYOTA komandasının uğurları

Şəkil 4. TSSG metodundan istifadə edərək Fizika İnstitutu, Çin Elmlər Akademiyasının nümayəndəlikləri

02 TSSG metodu ilə SIC tək kristallarının yetişdirilməsinin əsas prinsipləri

SIC normal təzyiqdə ərimə nöqtəsi yoxdur. Temperatur 2000-dən yuxarı olduqda, birbaşa qazlaşdırır və parçalanır. Buna görə də, eyni tərkibi, yəni ərimiş metodu olan SIC əriməsini yavaş-yavaş soyutaraq və möhkəmləndirərək SIC tək kristalları yetişdirmək mümkün deyil.

SI-C ikili faza diaqramına görə, SIC-nin maye fazasının böyüməsi imkanı verən Si ilə zəngin sonunda "L + SIC" nin iki fazalı bölgəsi var. Bununla birlikdə, C üçün saf SI-nin həll olması çox aşağıdır, buna görə də yüksək temperaturlu həllində c konsentrasiyasını artırmaqda kömək etmək üçün Si əriyinə Flux əlavə etmək lazımdır. Hazırda HTSG metodu ilə SIC vahid kristalları üçün əsas texniki rejim TSSG metodudur. Şəkil 5 (a), TSSG metodu ilə SIC tək kristallarının böyüdüyü prinsipinin sxematik bir diaqramıdır.

Bunların arasında yüksək temperaturlu həll prosesinin termodinamik xüsusiyyətlərinin tənzimlənməsi və solutlu nəqliyyat prosesinin və büllur artım interfeysinin yaxşı dinamik bir tarazlığı və bütün böyümə sistemində Solute C-nin tələbinin tələb olunmasının açarı, TSSG üsulu ilə SIC vahid kristallarının böyüməsini daha yaxşı həyata keçirmək üçün açardır.

Şəkil 5. (a) TSSG metodu ilə SIC vahid kristal artımının sxematik diaqramı; (b) L + SIC iki fazalı bölgəsinin uzununa hissəsinin sxematik diaqramı

03 Yüksək temperaturlu həllərin termodinamik xüsusiyyətləri

Yüksək temperaturlu həllər üçün kifayət qədər c həllində, TSSG üsulu ilə SIC vahid kristallarının böyüməsinin açarıdır. Flux elementləri əlavə etmək, yüksək temperaturlu həllərdə c həllliyini artırmaq üçün təsirli bir yoldur.

Eyni zamanda, axın elementlərinin əlavə edilməsi, sıxlığı, özlülük, səth gərginliyini, dondurma nöqtəsini və büllur böyüməsi ilə sıx əlaqəli olan digər termodinamik parametrlərini, bununla da büllur böyüməsində termodinamik və kinetik proseslərə təsir göstərir. Buna görə, Flux elementlərinin seçimi, SIC tək kristallarının böyüdülədiyi üçün TSSG metoduna nail olmaqda ən kritik addımdır və bu sahədə tədqiqat fokusudur.

Li-Si, Ti-Si, CR-SI, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si və Co-Si də daxil olmaqla bir çox ikili yüksək temperaturlu həll sistemləri var. Bunların arasında, CR-SI, Ti-Si və Fe-Si və CR-CE-AL-SI kimi çox komponentli sistemlərin ikili sistemləri yaxşı inkişaf etdirilir və yaxşı büllur böyümə nəticələrini əldə etmişdir.

Şəkil 6 (a) Kawanishi Et Al tərəfindən ümumiləşdirilmiş üç fərqli yüksək temperaturlu həlli, Ti-Si və Fe-si-nin üç fərqli yüksək temperaturlu həlli həlli sistemindəki temperatur arasındakı əlaqəni göstərir. 2020-ci ildə Yaponiyada Tohoku Universiteti.

Şəkil 6-da göstərildiyi kimi (b), Hyun et al. Si0.56cr0.4m0.04.4m0.0.04.4m0.04 (m = sc, ti, ti, cru, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, cu, rh, cu, cu, rh, rh və pd) bir sıra yüksək temperaturlu bir həll sistemini hazırladı.

Şəkil 6. (a) Müxtəlif yüksək temperaturlu həll sistemlərindən istifadə edərkən SIC tək kristal böyümə sürəti və temperatur arasındakı əlaqə

04 Böyümə Kinetika Tənzimlənməsi

Yüksək keyfiyyətli SIC vahid kristallarını daha yaxşı əldə etmək üçün, kristal yağışın kinetiklərini tənzimləmək də lazımdır. Buna görə, TSSG-nin TSSG metodunu yetişdirmək üçün başqa bir araşdırma mərkəzi, yüksək temperaturlu həllərin və kristal böyümə interfeysində kinetikanın tənzimlənməsidir.

Əsas tənzimləmə vasitələrinə aşağıdakılar daxildir: Toxum kristalının və çubuqların rotasiya və çəkilmə prosesi, böyümə sistemində temperatur sahəsinin tənzimlənməsi, nağıl quruluşu və ölçüsünün optimallaşdırılması və xarici maqnit sahəsi tərəfindən yüksək temperaturlu həlli konveksiya. Əsas məqsəd temperatur sahəsini, axın sahəsi və yüksək temperaturlu həll və büllur artım arasındakı interfeysdə tənzimləmə sahəsini tənzimləmək və yüksək səviyyədə temperaturlu həll etmək üçün siçan bir şəkildə yüksək keyfiyyətli bir şəkildə yüksək keyfiyyətli böyük ölçülü vahid kristallar halına gətirməkdir.

Tədqiqatçılar Kusunoki Et Al tərəfindən istifadə edilən "Çarmıx Sürətli Fırlanma Texnologiyası" kimi dinamik tənzimləməyə nail olmaq üçün bir çox metod sınadılar. Onların işində 2006-cı ildə və Daikoku et al tərəfindən hazırlanan "konkav həll böyümə texnologiyası" nı bildirildi.

2014-cü ildə Kusunoki et al. Yüksək temperaturlu həll konveksiyasının tənzimlənməsinə nail olmaq üçün bir immersiya bələdçisi (ig) kimi bir qrafit üzük quruluşu əlavə edildi. Şəkil 7-də göstərildiyi kimi, Toxum Kristalının altındakı yüksək temperaturlu həllində vahid yuxarıya doğru həll edilmiş bir nəqliyyat rejimini optimallaşdıraraq, forma yuxarıya doğru bir nəqliyyat rejimi, bununla da Şəkil 7-də göstərildiyi kimi kristal böyümə sürətini və keyfiyyətini yaxşılaşdırır.

Şəkil 7: a) Yüksək temperaturlu həll axınının və temperaturun paylanmasının simulyasiya nəticələri; 

(b) eksperimental cihazın sxematik diaqramı və nəticələrin xülasəsi

05 TSSG metodunun aktualları, sic vahid kristalları

SIC tək kristallarında böyüməkdə olan TSSG metodunun üstünlükləri aşağıdakı cəhətlərdə əks olunur:

(1) Yetişdirmək üçün yüksək temperaturlu həll üsulu, toxum kristalında mikrotubları və digər makro qüsurları səmərəli şəkildə təmir edə bilər, bununla da büllur keyfiyyətini yaxşılaşdırır. 1999-cu ildə Hofmann et al. Şəkil 8-də göstərildiyi kimi, TSSG metodu tərəfindən TSSG metodu ilə, TSSG metodu ilə, mikrotubesin SIC vahid kristallarının artması prosesində müşahidə olundu və optik mikroskop vasitəsilə sübut edildi.

Şəkil 8: TSSG metodu ilə SIC vahid kristalının böyüməsi zamanı mikrotubların aradan qaldırılması:

(a) TSSG tərəfindən böyüdülən transmissiya rejimində böyüdülən sic kristalının optik mikrogramı, böyümə qatının altındakı mikrotubların aydın görünə biləcəyi; 

(b) Mikrotubların tamamilə örtüldüyünü ifadə edən əks rejimdə eyni ərazidə optik mikroqraf.

(2) TSSG metodu ilə müqayisədə, TSSG metodu daha asanlıqla büllur diametrinin genişlənməsinə nail ola bilər, bununla da SIC cihazlarının istehsal səmərəliliyini effektiv şəkildə yaxşılaşdıraraq, bununla da istehsal xərclərini azaldır.

Toyota və Sumitomo Korporasiyasının müvafiq tədqiqat komandaları Şəkil 9 (A) və (B) -də göstərildiyi kimi, "menisküs boyu idarəetmə" texnologiyasından istifadə edərək süni şəkildə idarə olunan büllur diametrinin genişləndirilməsinə uğurla nail oldular.

Şəkil 9: a) TSSG metodunda menisküs idarəsi texnologiyasının sxematik diaqramı; 

(b) Bu texnologiya tərəfindən əldə edilən SIC kristalının menisküs hündürlüyü və yan görünüşü olan böyümə bucağının dəyişdirilməsi; 

(c) 2,5 mm olan bir menisküs hündürlüyündə 20 h artım; 

(d) 0,5 mm olan bir menisküs hündürlüyündə 10 saat artım;

(e) 35 saat böyümə, menisküs hündürlüyü tədricən 1,5 mm-dən daha böyük bir dəyəri artırır.

(3) PVT metodu ilə müqayisədə, TSSG metodu, SIC kristallarının sabit p tipli dopinqinə nail olmaq daha asandır. Məsələn, Şirai et al. Toyota 2014-cü ildə, Şəkil 10-da göstərildiyi kimi, TSSG metodu tərəfindən aşağı müqavimət göstərən P-tipli 4h-sic kristalların artdığını bildirdi.

Şəkil 10: a) TSSG üsulu ilə yetişən p tipli sic vahid kristalının yan görünüşü; 

(b) kristalın uzununa bir hissəsinin ötürülməsi optik fotoşəkil; 

(c) 3% (atom fraksiyasının) bir məzmunu ilə yüksək temperaturlu bir həlldən böyüdülmüş bir kristalın üst səthi morfologiyası

06 Nəticə və Outlook

SIC tək kristallarının yetişdirilməsi üçün TSSG metodu son 20 ildə böyük bir irəliləyiş əldə etdi və bir neçə komanda TSSG metodu ilə yüksək keyfiyyətli 4 düymlük SIC tək kristalları yetişdirdi.

Bununla birlikdə, bu texnologiyanın sonrakı inkişafı hələ də aşağıdakı əsas cəhətlərdə irəliləyiş tələb edir:

(1) həllin termodinamik xüsusiyyətlərinin dərin öyrənilməsi;

(2) böyümə sürəti və büllur keyfiyyəti arasındakı tarazlıq;

(3) Sabit kristal böyümə şəraitinin yaradılması;

(4) Zərif dinamik idarəetmə texnologiyasının inkişafı.

TSSG metodu hələ də PVT metodunun arxasında olsa da, TSSG üsulu tərəfindən böyüyən SIC vahid kristallarının əsas elmi problemlərinin davamlı olaraq həll olunmasına və böyümə prosesində əsas texnologiyaların daim pozulduğu, bununla da bu texnologiya, bununla da SIC vahid kristallarının böyüməsi və sürətli inkişaf etməsi üçün TSSG metodunun potensialına tam potensial verdiyinə inanılır SIC sənayesi.