Trois technologies de croissance monocristalline SIC

Les principales méthodes de croissance des monocristaux SIC sont:Transport physique de vapeur (PVT), Dépôt de vapeur chimique à haute température (HTCVD)etCroissance de la solution à haute température (HTSG). Comme le montre la figure 1. Parmi eux, la méthode PVT est la méthode la plus mature et largement utilisée à ce stade. À l'heure actuelle, le substrat monocusstal de 6 pouces a été industrialisé, et le monocristal de 8 pouces a également été cultivé avec succès par CREE aux États-Unis en 2016. Cependant, cette méthode a des limites telles qu'une densité de défauts élevés, un rendement faible, une expansion du diamètre difficile et un coût élevé.

La méthode HTCVD utilise le principe selon lequel la source SI et le gaz de la source C réagissent chimiquement pour générer du sic dans un environnement à haute température d'environ 2100 ℃ pour atteindre la croissance des monocristaux SIC. Comme la méthode PVT, cette méthode nécessite également une température de croissance élevée et a un coût de croissance élevé. La méthode HTSG est différente des deux méthodes ci-dessus. Son principe de base est d'utiliser la dissolution et la représentation des éléments SI et C dans une solution à haute température pour réaliser la croissance des monocristaux SIC. Le modèle technique actuellement largement utilisé est la méthode TSSG.

Cette méthode peut réaliser la croissance du SIC dans un état d'équilibre presque thermodynamique à une température plus basse (inférieure à 2000 ° C), et les cristaux cultivés ont les avantages d'un dopage de type P de haute qualité, à faible coût et à diamètre facile et à un dopage de type P stable. Il devrait devenir une méthode pour préparer des monocristaux SIC plus grands, de plus grande qualité et à moindre coût après la méthode PVT.

Figure 1. Diagramme schématique des principes de trois technologies de croissance monocristalline SIC

01 Historique de développement et statut actuel des monocristaux SIC cultivés par TSSG

La méthode HTSG pour la croissance du SIC a une histoire de plus de 60 ans.

En 1961, Halden et al. D'abord obtenu des monocristaux SIC à partir d'une fonte de Si à haute température dans laquelle C a été dissous, puis a exploré la croissance des monocristaux SIC à partir d'une solution à haute température composée de Si + X (où X est un ou plusieurs des éléments Fe, Cr, Sc, Tb, Pr, etc.).

En 1999, Hofmann et al. De l'Université d'Erlangen en Allemagne a utilisé du Si pur comme auto-flux et a utilisé la méthode TSSG à haute température et à haute pression pour cultiver des monocristaux SIC avec un diamètre de 1,4 pouce et une épaisseur d'environ 1 mm pour la première fois.

En 2000, ils ont encore optimisé le processus et ont cultivé des cristaux de SiC avec un diamètre de 20 à 30 mm et une épaisseur allant jusqu'à 20 mm en utilisant du Si pur comme auto-flux dans une atmosphère AR à haute pression de 100-200 bar à 1900-2400 ° C.

Depuis lors, des chercheurs au Japon, en Corée du Sud, en France, en Chine et dans d'autres pays ont successivement effectué des recherches sur la croissance des substrats monocristaux SIC par la méthode TSSG, qui a fait que la méthode TSSG se développe rapidement ces dernières années. Parmi eux, le Japon est représenté par Sumitomo Metal et Toyota. Les tableaux 1 et 2 montrent les progrès de la recherche de Sumitomo métal dans la croissance des monocristaux SIC, et le tableau 2 et la figure 3 montrent le principal processus de recherche et les résultats représentatifs de Toyota.

Cette équipe de recherche a commencé à effectuer des recherches sur la croissance des cristaux SIC par la méthode TSSG en 2016, et a réussi un cristal de 2 pouces 4H-SIC avec une épaisseur de 10 mm. Récemment, l'équipe a réussi à développer un cristal 4h-sic de 4 pouces, comme le montre la figure 4.

Figure 2.Photo optique de Sic Crystal cultivé par l'équipe de Sumitomo Metal en utilisant la méthode TSSG

Figure 3.Réalisations représentatives de l'équipe de Toyota dans la croissance des seuls cristaux SIC en utilisant la méthode TSSG

Figure 4. Réalisations représentatives de l'Institut de physique, Academy des sciences chinoises, en croissance unique de SIC en utilisant la méthode TSSG

02 Principes de base des monocristaux SIC en croissance par méthode TSSG

Le SIC n'a pas de point de fusion à la pression normale. Lorsque la température atteint au-dessus de 2000 ℃, elle est directement gazéifiée et décomposera directement. Par conséquent, il n'est pas possible de cultiver des monocristaux SIC en refroidissant lentement et en solidifiant la fonte du SIC de la même composition, c'est-à-dire la méthode de fusion.

Selon le diagramme de phase binaire SI-C, il existe une région biphasée de "L + SIC" à l'extrémité riche en Si, qui offre la possibilité de la croissance de la phase liquide du sic. Cependant, la solubilité de Si pur pour C est trop faible, il est donc nécessaire d'ajouter un flux à la fonte de Si pour aider à augmenter la concentration de C dans la solution à haute température. À l'heure actuelle, le mode technique grand public pour la croissance des monocristaux SIC par méthode HTSG est la méthode TSSG. La figure 5 (a) est un diagramme schématique du principe des monocristaux SIC en croissance par la méthode TSSG.

Parmi eux, la régulation des propriétés thermodynamiques de la solution à haute température et la dynamique du processus de transport de soluté et de l'interface de croissance cristalline pour obtenir un bon équilibre dynamique de l'offre et de la demande de soluté C dans l'ensemble du système de croissance est la clé pour mieux réaliser la croissance des monocristaux SIC par la méthode TSSG.

Figure 5. (a) Diagramme schématique de la croissance monocristalline SIC par la méthode TSSG; (b) Diagramme schématique de la section longitudinale de la région biphasée L + SIC

03 Propriétés thermodynamiques des solutions à haute température

Dissousser suffisamment de C en solutions à haute température est la clé de la croissance des monocristaux SIC par la méthode TSSG. L'ajout d'éléments de flux est un moyen efficace d'augmenter la solubilité de C dans des solutions à haute température.

Dans le même temps, l'ajout d'éléments de flux réguler également la densité, la viscosité, la tension de surface, le point de congélation et d'autres paramètres thermodynamiques des solutions à haute température qui sont étroitement liés à la croissance cristalline, affectant ainsi directement les processus thermodynamiques et cinétiques de la croissance cristalline. Par conséquent, la sélection des éléments de flux est l'étape la plus critique pour réaliser la méthode TSSG pour la croissance des monocristaux SIC et est la recherche de recherche dans ce domaine.

Il existe de nombreux systèmes de solutions binaires à haute température rapportés dans la littérature, notamment Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, Sc-Si, Ni-Si et Co-Si. Parmi eux, les systèmes binaires de Cr-Si, Ti-Si et Fe-Si et les systèmes multi-composants tels que CR-CE-AL-SI sont bien développés et ont obtenu de bons résultats de croissance cristalline.

La figure 6 (a) montre la relation entre le taux de croissance du SIC et la température dans trois systèmes de solutions à haute température différents de Cr-Si, Ti-Si et Fe-Si, résumées par Kawanishi et al. de l'Université Tohoku au Japon en 2020.

Comme le montre la figure 6 (b), Hyun et al. a conçu une série de systèmes de solutions à haute température avec un rapport de composition de SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, NI, CU, RH et PD) pour montrer la solubilité de C.

Figure 6. (a) Relation entre le taux de croissance monocristallisé SIC et la température lors de l'utilisation de différents systèmes de solutions à haute température

04 Règlement sur la cinétique de croissance

Afin de mieux obtenir des monocristaux SIC de haute qualité, il est également nécessaire de réguler la cinétique des précipitations de cristal. Par conséquent, un autre objectif de recherche de la méthode TSSG pour la croissance des monocristaux SIC est la régulation de la cinétique dans des solutions à haute température et à l'interface de croissance des cristaux.

Les principaux moyens de régulation comprennent: le processus de rotation et de traction du cristal de graines et du creuset, la régulation du champ de température dans le système de croissance, l'optimisation de la structure et de la taille du creuset et la régulation de la convection de solution à haute température par champ magnétique externe. L'objectif fondamental est de réguler le champ de température, le champ d'écoulement et le champ de concentration de soluté à l'interface entre la solution à haute température et la croissance des cristaux, afin de précipiter mieux et plus rapidement la SIC à partir de solution à haute température de manière ordonnée et de se transformer en unocrists de grande taille de haute qualité.

Les chercheurs ont essayé de nombreuses méthodes pour atteindre une régulation dynamique, telle que la "technologie de rotation accélérée" utilisée "utilisée par Kusunoki et al. Dans leurs travaux rapportés en 2006, et la «technologie de croissance de la solution concave» développée par Daikoku et al.

En 2014, Kusunoki et al. Ajout d'une structure de cycle de graphite comme guide d'immersion (IG) dans le creuset pour atteindre la régulation de la convection de solution à haute température. En optimisant la taille et la position de l'anneau de graphite, un mode de transport de soluté ascendante uniforme peut être établi dans la solution à haute température sous le cristal de graines, améliorant ainsi le taux de croissance et la qualité des cristaux, comme le montre la figure 7.

Figure 7: (a) Résultats de la simulation d'un débit de solution à haute température et d'une distribution de température dans le creuset; 

(b) Diagramme schématique du dispositif expérimental et résumé des résultats

05 Avantages de la méthode TSSG pour la croissance des monocristaux SIC

Les avantages de la méthode TSSG dans la croissance des seuls cristaux SIC se reflètent dans les aspects suivants:

(1) La méthode de solution à haute température pour la croissance des monocristaux SIC peut réparer efficacement les microtubes et autres macro-défauts dans le cristal de graines, améliorant ainsi la qualité des cristaux. En 1999, Hofmann et al. observé et prouvé au microscope optique que les microtubes peuvent être efficacement couverts dans le processus de croissance des monocristaux SIC par la méthode TSSG, comme le montre la figure 8.

Figure 8: Élimination des microtubes pendant la croissance du monocristal SIC par la méthode TSSG:

(a) Micrographie optique de cristal SIC cultivé par TSSG en mode transmission, où les microtubes en dessous de la couche de croissance peuvent être clairement observés; 

(b) Micrographie optique de la même zone en mode réflexion, indiquant que les microtubes ont été complètement couverts.

(2) Par rapport à la méthode PVT, la méthode TSSG peut plus facilement atteindre l'expansion du diamètre des cristaux, augmentant ainsi le diamètre du substrat monocristallical SIC, améliorant efficacement l'efficacité de production des dispositifs SIC et réduisant les coûts de production.

Les équipes de recherche pertinentes de Toyota et Sumitomo Corporation ont réussi à obtenir une expansion du diamètre des cristaux contrôlables artificiellement en utilisant une technologie de "contrôle de la hauteur du ménisque", comme le montre la figure 9 (a) et (b).

Figure 9: (a) Diagramme schématique de la technologie de contrôle du ménisque dans la méthode TSSG; 

(b) Changement d'angle de croissance θ avec la hauteur du ménisque et la vue latérale du cristal SIC obtenu par cette technologie; 

(c) croissance pendant 20 h à une hauteur de ménisque de 2,5 mm; 

(d) croissance de 10 h à une hauteur de ménisque de 0,5 mm;

(e) Croissance de 35 h, la hauteur du ménisque passant progressivement de 1,5 mm à une valeur plus grande.

(3) Par rapport à la méthode PVT, la méthode TSSG est plus facile à réaliser un dopage stable de type P des cristaux SIC. Par exemple, Shirai et al. de Toyota a rapporté en 2014 qu'ils avaient cultivé des cristaux de type P 4H-SIC à basse résistance par la méthode TSSG, comme le montre la figure 10.

Figure 10: (a) Vue latérale de la monocristal SIC de type P cultivé par la méthode TSSG; 

(b) Photographie optique à transmission d'une section longitudinale du cristal; 

(c) Morphologie de surface supérieure d'un cristal cultivé à partir d'une solution à haute température avec une teneur en AL de 3% (fraction atomique)

06 Conclusion et perspectives

La méthode TSSG pour la croissance des seuls cristaux SIC a fait de grands progrès au cours des 20 dernières années, et quelques équipes ont augmenté des oucstallations SIC de 4 pouces de haute qualité par la méthode TSSG.

Cependant, le développement ultérieur de cette technologie nécessite toujours des percées dans les aspects clés suivants:

(1) étude approfondie des propriétés thermodynamiques de la solution;

(2) l'équilibre entre le taux de croissance et la qualité des cristaux;

(3) l'établissement de conditions de croissance cristalline stables;

(4) le développement de la technologie de contrôle dynamique raffinée.

Bien que la méthode TSSG soit encore quelque peu derrière la méthode PVT, on pense qu'avec les efforts continus des chercheurs dans ce domaine, car les principaux problèmes scientifiques de la croissance des seuls cristaux SIC par la méthode TSSG sont en permanence et les technologies clés du processus de croissance sont continuellement rompues, cette technologie sera également industrialisée et conduisant le potentiel du potentiel de la méthode TSSG TSSG Développement de l'industrie SIC.