Ba công nghệ tăng trưởng tinh thể đơn sic

Các phương pháp chính để phát triển các tinh thể đơn SIC là:Vận chuyển hơi vật lý (PVT), Sự lắng đọng hơi hóa học nhiệt độ cao (HTCVD)VàTăng trưởng giải pháp nhiệt độ cao (HTSG). Như được hiển thị trong Hình 1. Trong số đó, phương pháp PVT là phương pháp trưởng thành và được sử dụng rộng rãi nhất ở giai đoạn này. Hiện tại, chất nền tinh thể đơn 6 inch đã được công nghiệp hóa và tinh thể đơn 8 inch cũng đã được CREE phát triển thành công ở Hoa Kỳ vào năm 2016. Tuy nhiên, phương pháp này có những hạn chế như mật độ khiếm khuyết cao, năng suất thấp, mở rộng đường kính khó khăn và chi phí cao.

Phương pháp HTCVD sử dụng nguyên tắc là nguồn SI và nguồn c nguồn C phản ứng hóa học để tạo SIC trong môi trường nhiệt độ cao khoảng 2100 ℃ để đạt được sự phát triển của các tinh thể đơn SIC. Giống như phương pháp PVT, phương pháp này cũng đòi hỏi nhiệt độ tăng trưởng cao và có chi phí tăng trưởng cao. Phương pháp HTSG khác với hai phương pháp trên. Nguyên tắc cơ bản của nó là sử dụng sự hòa tan và tái cấu trúc các yếu tố SI và C trong một giải pháp nhiệt độ cao để đạt được sự phát triển của các tinh thể đơn SIC. Mô hình kỹ thuật hiện được sử dụng rộng rãi là phương pháp TSSG.

Phương pháp này có thể đạt được sự tăng trưởng của SIC ở trạng thái cân bằng gần nhiệt động lực ở nhiệt độ thấp hơn (dưới 2000 ° C) và các tinh thể phát triển có ưu điểm của chất lượng cao, chi phí thấp, mở rộng đường kính dễ dàng và doping loại P dễ ổn định. Nó dự kiến ​​sẽ trở thành một phương pháp để chuẩn bị các tinh thể SiC lớn hơn, chất lượng cao hơn và chi phí thấp hơn sau phương pháp PVT.

Hình 1. Sơ đồ của các nguyên tắc của ba công nghệ tăng trưởng tinh thể đơn sic

01 Lịch sử phát triển và tình trạng hiện tại của các tinh thể đơn sic tssg-phát triển

Phương pháp HTSG để phát triển SIC có lịch sử hơn 60 năm.

Năm 1961, Halden et al. Đầu tiên thu được các tinh thể đơn SiC từ sự tan chảy Si ở nhiệt độ cao, trong đó C được hòa tan, và sau đó khám phá sự phát triển của các tinh thể đơn SiC từ dung dịch nhiệt độ cao bao gồm Si+X (trong đó X là một hoặc nhiều phần tử Fe, CR, SC, TB, PR, v.v.).

Năm 1999, Hofmann et al. Từ Đại học Erlangen ở Đức đã sử dụng SI thuần túy như một bản tự nhiên và sử dụng phương pháp TSSG nhiệt độ cao và áp suất cao để phát triển các tinh thể đơn SIC với đường kính 1,4 inch và độ dày khoảng 1 mm lần đầu tiên.

Vào năm 2000, họ đã tối ưu hóa hơn nữa quá trình và phát triển các tinh thể SIC với đường kính 20-30 mm và độ dày lên tới 20 mm bằng SI thuần túy làm dòng tự nhiên trong bầu khí quyển AR áp suất cao 100-200 bar ở 1900-2400 ° C.

Kể từ đó, các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp, Trung Quốc và các quốc gia khác đã liên tiếp thực hiện nghiên cứu về sự phát triển của các chất tinh thể đơn SIC bằng phương pháp TSSG, điều này đã làm cho phương pháp TSSG phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Trong số đó, Nhật Bản được đại diện bởi Sumitomo Metal và Toyota. Bảng 1 và Hình 2 cho thấy tiến trình nghiên cứu của kim loại sumitomo trong sự phát triển của các tinh thể đơn SIC, và Bảng 2 và Hình 3 cho thấy quá trình nghiên cứu chính và kết quả đại diện của Toyota.

Nhóm nghiên cứu này đã bắt đầu thực hiện nghiên cứu về sự phát triển của các tinh thể SIC bằng phương pháp TSSG vào năm 2016 và thu được thành công một tinh thể 4H-SIC 2 inch với độ dày 10 mm. Gần đây, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một tinh thể 4h-sic 4 inch, như trong Hình 4.

Hình 2.Ảnh quang học của SIC Crystal được phát triển bởi nhóm của Sumitomo Metal bằng phương pháp TSSG

Hình 3.Thành tích đại diện của nhóm của Toyota trong các tinh thể SIC đang phát triển bằng phương pháp TSSG

Hình 4. Thành tựu đại diện của Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, trong các tinh thể SIC đang phát triển bằng phương pháp TSSG

02 Nguyên tắc cơ bản của các tinh thể đơn SIC đang phát triển bằng phương pháp TSSG

SIC không có điểm nóng chảy ở áp suất bình thường. Khi nhiệt độ đạt đến trên 2000, nó sẽ trực tiếp hóa và phân hủy. Do đó, không khả thi để phát triển các tinh thể đơn sic bằng cách làm mát từ từ và củng cố SIC tan chảy của cùng một chế phẩm, đó là phương pháp làm tan chảy.

Theo sơ đồ pha nhị phân Si-C, có một vùng hai pha của "L+SIC" ở đầu giàu Si, cung cấp khả năng cho sự phát triển pha lỏng của SIC. Tuy nhiên, độ hòa tan của Si tinh khiết đối với C là quá thấp, do đó, cần phải thêm thông lượng vào SI tan chảy để hỗ trợ tăng nồng độ C trong dung dịch nhiệt độ cao. Hiện tại, chế độ kỹ thuật chính để phát triển các tinh thể đơn SIC bằng phương pháp HTSG là phương pháp TSSG. Hình 5 (a) là một sơ đồ sơ đồ của nguyên tắc phát triển các tinh thể đơn SIC bằng phương pháp TSSG.

Trong số đó, việc điều chỉnh các tính chất nhiệt động của dung dịch nhiệt độ cao và động lực học của quá trình vận chuyển chất tan và giao diện tăng trưởng tinh thể để đạt được sự cân bằng năng động tốt của cung và cầu chất tan trong toàn bộ hệ thống tăng trưởng là chìa khóa để nhận ra sự phát triển của các tinh thể đơn SIC bằng phương pháp TSSG.

Hình 5. . (b) Sơ đồ của phần dọc của vùng hai pha L+SIC

03 Tính chất nhiệt động của các dung dịch nhiệt độ cao

Hòa tan đủ C thành các giải pháp nhiệt độ cao là chìa khóa để phát triển các tinh thể đơn SIC bằng phương pháp TSSG. Thêm các yếu tố thông lượng là một cách hiệu quả để tăng khả năng hòa tan của C trong các giải pháp nhiệt độ cao.

Đồng thời, việc bổ sung các phần tử thông lượng cũng sẽ điều chỉnh mật độ, độ nhớt, sức căng bề mặt, điểm đóng băng và các thông số nhiệt động khác của các giải pháp nhiệt độ cao có liên quan chặt chẽ đến sự tăng trưởng tinh thể, do đó ảnh hưởng trực tiếp đến các quá trình nhiệt động và động học trong sự tăng trưởng tinh thể. Do đó, việc lựa chọn các yếu tố thông lượng là bước quan trọng nhất để đạt được phương pháp TSSG để phát triển các tinh thể đơn SIC và là trọng tâm nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Có nhiều hệ thống giải pháp nhiệt độ cao nhị phân được báo cáo trong tài liệu, bao gồm Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, Sc-Si, Ni-Si và Co-Si. Trong số đó, các hệ thống nhị phân của Cr-Si, Ti-Si và Fe-Si và các hệ thống đa thành phần như CR-CE-AL-SI được phát triển tốt và đã thu được kết quả tăng trưởng tinh thể tốt.

Hình 6 (a) cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng SIC và nhiệt độ trong ba hệ thống dung dịch nhiệt độ cao khác nhau của Cr-Si, Ti-Si và Fe-Si, được tóm tắt bởi Kaw Biếni et al. của Đại học Tohoku ở Nhật Bản năm 2020.

Như được hiển thị trong Hình 6 (b), Hyun et al. Được thiết kế một loạt các hệ thống giải pháp nhiệt độ cao với tỷ lệ thành phần của SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, RH và PD) để hiển thị độ hòa tan của C.

Hình 6. (a) Mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng tinh thể đơn và nhiệt độ khi sử dụng các hệ thống dung dịch nhiệt độ cao khác nhau

04 Quy định động học tăng trưởng

Để có được các tinh thể đơn SIC chất lượng cao tốt hơn, cũng cần phải điều chỉnh động học của kết tủa tinh thể. Do đó, một trọng tâm nghiên cứu khác của phương pháp TSSG để phát triển các tinh thể đơn SIC là sự điều chỉnh động học trong các giải pháp nhiệt độ cao và tại giao diện tăng trưởng tinh thể.

Các phương tiện chính của quy định bao gồm: quá trình xoay và kéo của tinh thể hạt giống và nồi nấu kim loại, điều chỉnh trường nhiệt độ trong hệ thống tăng trưởng, tối ưu hóa cấu trúc và kích thước lò luyện kim, và điều chỉnh đối lưu dung dịch nhiệt độ cao bằng từ trường bên ngoài. Mục đích cơ bản là điều chỉnh trường nhiệt độ, trường dòng chảy và trường nồng độ chất tan ở giao diện giữa dung dịch nhiệt độ cao và sự phát triển tinh thể, để kết tủa SIC tốt hơn và nhanh hơn từ dung dịch nhiệt độ cao theo cách có trật tự và phát triển thành các tinh thể đơn kích thước lớn chất lượng cao.

Các nhà nghiên cứu đã thử nhiều phương pháp để đạt được quy định năng động, chẳng hạn như "công nghệ quay tăng tốc quay vòng" được sử dụng bởi Kusunoki et al. Trong công trình của họ được báo cáo vào năm 2006 và "công nghệ tăng trưởng giải pháp lõm" được phát triển bởi Daikoku et al.

Năm 2014, Kusunoki et al. Đã thêm một cấu trúc vòng than chì như một hướng dẫn ngâm (IG) trong nồi nấu kim loại để đạt được sự điều chỉnh đối lưu giải pháp nhiệt độ cao. Bằng cách tối ưu hóa kích thước và vị trí của vòng than chì, chế độ vận chuyển chất tan đồng đều có thể được thiết lập trong dung dịch nhiệt độ cao bên dưới tinh thể hạt, do đó cải thiện tốc độ tăng trưởng tinh thể và chất lượng, như trong Hình 7.

Hình 7: (a) kết quả mô phỏng của dòng dung dịch nhiệt độ cao và phân bố nhiệt độ trong nồi nấu kim loại; 

(b) Sơ đồ của thiết bị thử nghiệm và tóm tắt kết quả

05 Ưu điểm của phương pháp TSSG để phát triển các tinh thể đơn SIC

Những ưu điểm của phương pháp TSSG trong các tinh thể đơn SIC đang phát triển được phản ánh trong các khía cạnh sau:

(1) Phương pháp dung dịch nhiệt độ cao để phát triển các tinh thể đơn SIC có thể sửa chữa hiệu quả các microtubes và các khiếm khuyết vĩ mô khác trong tinh thể hạt, do đó cải thiện chất lượng tinh thể. Năm 1999, Hofmann et al. Quan sát và chứng minh thông qua kính hiển vi quang học rằng các vi ống có thể được bao phủ một cách hiệu quả trong quá trình phát triển các tinh thể đơn SIC bằng phương pháp TSSG, như trong Hình 8.

Hình 8: Loại bỏ các microtubes trong quá trình tăng trưởng của SIC SINGLE CRYSTAL bằng phương pháp TSSG:

. 

.

.

Các nhóm nghiên cứu có liên quan của Toyota và Sumitomo Corporation đã đạt được sự mở rộng đường kính tinh thể có thể điều khiển nhân tạo bằng cách sử dụng công nghệ "kiểm soát chiều cao sụn", như trong Hình 9 (a) và (b).

Hình 9: (a) Sơ đồ của công nghệ kiểm soát sụn trong phương pháp TSSG; 

(b) thay đổi góc tăng trưởng θ với chiều cao sụn và quan điểm bên của tinh thể sic thu được từ công nghệ này; 

(c) tăng trưởng trong 20 giờ ở chiều cao sụn là 2,5 mm; 

(d) tăng trưởng trong 10 giờ ở chiều cao sụn 0,5 mm;

(e) Tăng trưởng trong 35 giờ, với chiều cao sụn tăng dần từ 1,5 mm đến giá trị lớn hơn.

(3) So với phương pháp PVT, phương pháp TSSG dễ dàng đạt được pha tạp loại P ổn định của các tinh thể SIC. Ví dụ, Shirai et al. của Toyota đã báo cáo vào năm 2014 rằng họ đã phát triển các tinh thể 4H-SIC loại có độ bền thấp bằng phương pháp TSSG, như trong Hình 10.

Hình 10: (a) quan điểm bên của tinh thể đơn SIC loại P được phát triển bằng phương pháp TSSG; 

(b) ảnh truyền hình quang học của một phần dọc của tinh thể; 

.

06 Kết luận và triển vọng

Phương pháp TSSG để phát triển các tinh thể đơn SIC đã đạt được tiến bộ lớn trong 20 năm qua và một số đội đã phát triển các tinh thể SIC 4 inch chất lượng cao bằng phương pháp TSSG.

Tuy nhiên, sự phát triển hơn nữa của công nghệ này vẫn đòi hỏi những đột phá trong các khía cạnh chính sau:

(1) nghiên cứu chuyên sâu về tính chất nhiệt động của dung dịch;

(2) sự cân bằng giữa tốc độ tăng trưởng và chất lượng tinh thể;

(3) việc thiết lập các điều kiện tăng trưởng tinh thể ổn định;

(4) Sự phát triển của công nghệ điều khiển động tinh tế.

Mặc dù phương pháp TSSG vẫn còn phần nào đằng sau phương pháp PVT, nhưng người ta tin rằng với những nỗ lực liên tục của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này, vì các vấn đề khoa học cốt lõi của việc phát triển các tinh thể SIC bằng phương pháp TSSG được giải quyết liên tục và các công nghệ phát triển tiếp tục phát triển. Phát triển của ngành công nghiệp SIC.