Три технологије појединачних раста кристала

Главне методе за узгој појединачних кристала су:Физички превоз паре (ПВТ), Главна страна паре високе температуре (ХТЦВД)иРаст високог температура (ХТСГ). Као што је приказано на слици 1. Међу њима, ПВТ метода је најизрелија и најповољнија метода у овој фази. Тренутно је 6-инчна јединствена кристална супстрат индустријализована, а 8-инчни појединачни кристал је такође успешно одрастао Црее у Сједињеним Државама у 2016. године. Међутим, ова метода има ограничења као што је висока густина оштећења, низак принос, и висок трошак пречника и висока цена.

ХТЦВД метода користи принцип да је СИ Соурце и Ц изворни гас хемијски реаговати да би генерисао СИЦ у окружењу високих температура од око 2100 ℃ да би се постигао раст појединачних кристала СИЦ-а. Попут ПВТ методе, ова метода такође захтева високу температуру раста и има висок трошкови раста. ХТСГ метода се разликује од горе наведене две методе. Његов основни принцип је да се искористе распуштање и прекривање СИ и Ц елемената у раствору високе температуре за постизање раста појединачних кристала сина. Тренутно је технички модел који се тренутно користи ТСГ метода.

Ова метода може постићи раст СИЦ-а у непоштеној термодинамичкој равнотежној држави на нижем температури (испод 2000 ° Ц), а одрасли кристали имају предности високог квалитета, ниско трошак, лако пречника, и једноставан стабилан П-тип допинг. Очекује се да ће постати метода за припрему већих, висококвалитетних и нижих трошкова сичког кристала након ПВТ методе.

Слика 1. Схематски дијаграм принципа три јединствене технологије раста кристала

01 Развојна историја и тренутни статус ТССГ одраслих појединачних кристала

ХТСГ метода за узгој СИЦ-а има историју више од 60 година.

1961. године, Халден и др. Прво стекли сички појединачни кристали са високе температуре СИ топе у којима је Ц који је растворио, а затим је истраживао раст појединих кристала са високих температура са високим решењем са високим температурама сачињеним од СИ + Кс (где је Кс један или више елемената ФЕ, ЦР, СЦ, ТБ, ПР, ЦР, СЦ, ТБ, ПР итд.).

1999. Хофманн и др. Са Универзитета у Ерлангену у Немачкој је користило чисто СИ као само-флукс и користио је високу температуру и средњу методу ТССГ-а да узгајају сичке појединачне кристале пречника 1,4 инча и дебљине око 1 мм по први пут.

2000. године, они су додатно оптимизирали процес и порасли су сучарским кристалима пречника 20-30 мм и дебљине до 20 мм користећи чисту СИ као само-флукс у атмосфери високог притиска од 100-200 бара на 1900-2400 ° Ц.

Од тада, истраживачи у Јапану, Јужна Кореја, Француска, Кине и других земаља су успели су спровели истраживање раста појединачних кристалних подлога СИЦ-а са ТССГ методом, што је учинило да се начин ТССГ брзо развија у последњим годинама. Међу њима је Јапан заступљен од стране Сумитомо Метал и Тоиота. Табела 1 и Слика 2 приказују напредак истраживања Сумитомо метала у расту појединих кристала СИЦ-а, а Табела 2 и Слика 3 показују главни истраживачки процес и репрезентативне резултате Тоиоте.

Овај истраживачки тим почео је да истражује раст кристала СИЦ-а на начин ТССГ-а у 2016. години и успешно је добио 2-инчни 4Х-сички кристал дебљине 10 мм. Недавно је тим успешно узгајао 4-инчни кристал 4Х-сиц, као што је приказано на слици 4.

Слика 2.Оптичка фотографија СИЦ-а Цристал узгајала је Тим Сумитомо Метал користећи ТССГ методу

Слика 3.Репрезентативна достигнућа Тоиотиног тима у растућим једним кристалима СИЦ-а користећи ТССГ методу

Слика 4. Представничка достигнућа Института за физику, кинеску академију наука, у растућим једним кристалима СИЦ-а користећи ТССГ методу

02 Основни принципи растућих сичких појединачних кристала по ТСГ методи

Сиц нема тачку топљења у нормалном притиску. Када температура достигне изнад 2000. ℃, то ће се директно давати и распростити. Због тога није изводљиво узгајати сиц појединачне кристале полако хлађењем и очврснутим растопом сића истог састава, односно метода топљења.

Према дијаграму Си-Ц Бинари фазе, постоји двофазни регион "Л + СИЦ" на крају СИ-а, који пружа могућност за раст течности фазе СИЦ-а. Међутим, растворљивост чисте СИ за Ц је прениска, тако да је потребно додати топљење на СИ-у да помогне у повећању концентрације Ц у високотемтемперату. Тренутно је главни технички режим за узгој појединачних кристала ХТСГ методом ХТСГ метода. Слика 5 (а) је шематски дијаграм принципа растућег сичког појединачних кристала по ТССГ методи.

Међу њима је регулисање термодинамичких својстава решења високе температуре и динамика процеса транспорта раствора и кристално раст сучеља за постизање добре динамичке равнотеже снабдевања и потражње растојања Ц у целом систему раста и за боље реализацију раста по појединим кристалима СИЦ-а и методом ТСС-а.

Слика 5. (а) шематски дијаграм СИЦ-а појединачног раста кристала са ТССГ методом; (б) шематски дијаграм уздужног дела двоструке земље Л + СИЦ-а

03 Термодинамичка својства решења високих температура

Доста се раствара у решења са високим температурама је кључ за узгој сиц појединачних кристала по ТССГ методи. Додавање флукс елемената је ефикасан начин за повећање растворљивости Ц у решењима високих температура.

Истовремено, додавање флукс елемената такође ће регулисати густину, вискозност, површински напетост, тачку замрзавања и остале термодинамичке параметре решења високих температура које су уско повезане са растом кристала, на тај начин директно утичу на термодинамичке и кинетичке процесе у расту кристала. Стога је избор флукс елемената најкритичнији корак у постизању ТССГ методе за узгој појединачних кристала СИЦ и да ли је истраживање у овој области.

Постоји много бинарних система високог температура решења у литератури, укључујући ли-си, ти-си, цр-си, фе-си, сц-си, ни-си и цо-си. Међу њима су бинарни системи ЦР-СИ, ТИ-СИ и ФЕ-СИ и вишекомпонентних система као што су ЦР-ЦЕ-АЛ-СИ добро развијени и добили су добре резултате раста кристала.

Слика 6 (а) приказује однос између раста и температуре раста и температуре у три различита система високог температура ЦР-СИ, ТИ-СИ и ФЕ-СИ, сумирала је Каванисхи ет ал. Универзитета Тохоку у Јапану 2020. године.

Као што је приказано на слици 6 (б), Хиун ет ал. дизајнирао серију система решења високог температура са омјером састава СИ0.56ЦР0.4М0.04 (М = СЦ, ТИ, В, ЦР, МН, ФЕ, ЦО, НИ, ЦУ, РХ и ПД) да би се показала растворљивост Ц.

Слика 6. (а) однос између сичког стопе раста и температуре кристала и температуре када користите различите системе решења високог температуре

04 Уредба о кинетици раста

Да би се боље добио висококвалитетни сички појединачни кристали, потребно је и регулисати кинетику кристалних падавина. Стога је још један истраживачки фокус ТССГ методе за узгој појединачних кристала у регулисању кинетике у решењима високих температура и на интерфејсу раста кристала.

Главна средства уредбе укључују: Процес ротације и повлачења сјеменског кристала и лопова, регулисање температурног поља у систему раста, оптимизацију Цруцибле структуре и величине и регулисање конвекције решења високог температура спољним магнетним пољем. Основна сврха је да регулише температурно поље, поље протока и поље за концентрацију раствора на интерфејсу између раства са високим температурама и растом кристала, како би се боља и бржи талогни наређен од висококвалитетног раствора на уредан начин и прерасте у висококвалитетној појединачне кристале велике и велике величине.

Истраживачи су испробали многе методе за постизање динамичке регулације, као што је "Цруцибле Аццелерирана технологија ротације" коју користе Кусуноки ет ал. У свом раду известили су 2006. године и "конкавна технологија раста раствара" коју је развио Даикоку ет ал.

2014. године, Кусуноки ет ал. Додао је графитну структуру прстена као упутство за урањање (ИГ) у прекршиви за постизање регулације решења високотемпературне решења. Оптимизацијом величине и положаја графитног прстена, уједначен режим транспорта растварача може се успоставити у раствору високог температура испод семенског кристала, на тај начин побољшавајући стопу раста кристала и квалитета, као што је приказано на слици 7.

Слика 7: (а) Резултати симулације високих температура протока и дистрибуције температуре у лоповима; 

(б) шематски дијаграм експерименталног уређаја и резиме резултата

05 Предности ТССГ методе за узгој појединачних кристала СИЦ-а

Предности ТССГ методе у растућим једноструким кристалима се одражавају на следеће аспекте:

(1) Метода високог температуре растућих сичких појединачних кристала могу ефикасно поправити микротубове и друге макро оштећења у семеном кристалу, на тај начин побољшавајући квалитет кристала. 1999. Хофманн и др. Посматрано и доказано оптичким микроскопом да микротубови могу ефикасно бити покривени у процесу растућих једноструких кристала СИЦ-а према ТССГ методи, као што је приказано на слици 8.

Слика 8: Елиминација микротуба током раста појединог кристала СИЦ-а по ТССГ методи:

(а) оптичка микрографија СИЦ-а Кристал узгајала ТССГ у режиму преноса, где се микротубови испод слоја раста могу јасно видети; 

(б) оптичка микрографија истог подручја у режиму размишљања, што указује да су микротубови потпуно покривени.

(2) У поређењу са ПВТ методом, ТССГ метода може лакше постићи експанзију пречника кристала, чиме се повећава пречник СИЦ јединствене кристалне подлоге, ефикасно побољшавајући производњу производње ефикасности СИЦ уређаја и смањење трошкова производње.

Релевантни истраживачки тимови ТОИОТА и СУМИТОМО ЦОРПОРАТИОН успешно су постигли вештачки контролисани експанзију пречника кристала користећи технологију "Менисцус Хеигхт Цонтрол", као што је приказано на слици 9 (а) и (Б).

Слика 9: (а) Шематски дијаграм технологије управљања менисцус-а у ТССГ методи; 

(б) промена угао раста θ са висином и бочним погледом на Сиц Цристал добијеном овом технологијом; 

(ц) раст током 20 х на висини менискуса од 2,5 мм; 

(д) раст 10 х на висини менискуса од 0,5 мм;

(е) раст 35 х, са висином менискуса постепено расте од 1,5 мм на већу вредност.

(3) У поређењу са ПВТ методом, ТССГ метода је лакше постићи стабилну П-типу Допинг оф Сиц кристала. На пример, Схираи и др. Тоиоте је известило у 2014. години да су се повећали кристале ТСГ-а са 4Х-си-у типа ТСГ-а, као што је приказано на слици 10.

Слика 10: (а) Бочни приказ СИЦ-а П-типа СИЦ појединачни кристал узгаја се са ТССГ методом; 

(б) преношење оптичке фотографије уздужног дела кристала; 

(ц) Врхунски морфологију површине кристала који се узгаја из високотемпературне решења са ал садржајем од 3% (атомска фракција)

06 Закључак и изгледи

ТССГ метода за узгој појединачних кристала СИЦ-а остварила је велики напредак у последњих 20 година, а неколико тимова је порасло висококвалитетни 4-инчни сички по појединачне кристале ТСГ методом.

Међутим, даљи развој ове технологије и даље захтева пробој у следећим кључним аспектима:

(1) дубински проучавање термодинамичких својстава решења;

(2) равнотежа између стопе раста и квалитета кристала;

(3) успостављање стабилних услова раста кристала;

(4) Развој рафиниране динамичке технологије управљања.

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 rapid Развој СР индустрије.