เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวสามแบบ SIC

วิธีการหลักสำหรับการปลูกผลึกเดี่ยว SIC คือ:การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT), การสะสมไอสารเคมีอุณหภูมิสูง (HTCVD)และการเจริญเติบโตของสารละลายอุณหภูมิสูง (HTSG)- ดังที่แสดงในรูปที่ 1 ในหมู่พวกเขาวิธี PVT เป็นวิธีที่เป็นผู้ใหญ่และใช้กันอย่างแพร่หลายในขั้นตอนนี้ ในปัจจุบันสารตั้งต้นคริสตัลเดี่ยวขนาด 6 นิ้วได้รับการจัดอุตสาหกรรมและผลึกเดี่ยวขนาด 8 นิ้วยังได้รับการเติบโตโดย CREE ในสหรัฐอเมริกาในปี 2559 อย่างไรก็ตามวิธีนี้มีข้อ จำกัด เช่นความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูงผลผลิตต่ำ

วิธี HTCVD ใช้หลักการที่แหล่งกำเนิด SI และแหล่งก๊าซ C ที่มาทำปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อสร้าง SIC ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงประมาณ 2100 ℃เพื่อให้เกิดการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC เช่นเดียวกับวิธีการ PVT วิธีนี้ยังต้องการอุณหภูมิการเจริญเติบโตสูงและมีต้นทุนการเติบโตสูง วิธี HTSG นั้นแตกต่างจากสองวิธีข้างต้น หลักการพื้นฐานของมันคือการใช้การสลายตัวและการแยกตัวขององค์ประกอบ Si และ C ในสารละลายอุณหภูมิสูงเพื่อให้เกิดการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC รูปแบบทางเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันคือวิธี TSSG

วิธีนี้สามารถบรรลุการเจริญเติบโตของ SIC ในสภาวะสมดุลใกล้เคียงที่อุณหภูมิต่ำกว่า (ต่ำกว่า 2000 ° C) และผลึกที่ปลูกมีข้อได้เปรียบของคุณภาพสูงต้นทุนต่ำการขยายตัวของเส้นผ่านศูนย์กลางง่าย คาดว่าจะกลายเป็นวิธีการเตรียมผลึกเดี่ยว SIC ที่มีคุณภาพสูงกว่าและมีราคาต่ำกว่าหลังจากวิธี PVT

รูปที่ 1. แผนผังไดอะแกรมของหลักการของเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวสามแบบ SIC

01 ประวัติการพัฒนาและสถานะปัจจุบันของผลึกเดี่ยว SIC ที่ปลูก TSSG

วิธี HTSG สำหรับการเติบโต SIC มีประวัตินานกว่า 60 ปี

ในปี 1961 Halden และคณะ ได้รับผลึกเดี่ยว SIC เป็นครั้งแรกจาก Si ที่อุณหภูมิสูงซึ่ง C ถูกละลายและจากนั้นสำรวจการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC จากสารละลายอุณหภูมิสูงซึ่งประกอบด้วย Si+X (โดยที่ X คือหนึ่งหรือมากกว่าขององค์ประกอบ Fe, Cr, SC, TB, PR ฯลฯ )

ในปี 1999 Hofmann และคณะ จาก University of Erlangen ในประเทศเยอรมนีใช้ Pure SI เป็นฟลุฟซ์ตนเองและใช้วิธี TSSG อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงในการปลูกผลึกเดี่ยว SIC ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.4 นิ้วและความหนาประมาณ 1 มม. เป็นครั้งแรก

ในปี 2000 พวกเขาเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและเพิ่มผลึก SIC ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 20-30 มม. และความหนาสูงถึง 20 มม. โดยใช้ SI บริสุทธิ์เป็นฟลักซ์ตัวเองในบรรยากาศ AR แรงดันสูง 100-200 บาร์ที่ 1900-2400 ° C

ตั้งแต่นั้นมานักวิจัยในญี่ปุ่นเกาหลีใต้ฝรั่งเศสจีนและประเทศอื่น ๆ ได้ทำการวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับการเติบโตของพื้นผิวคริสตัลเดี่ยว SIC โดยวิธี TSSG ซึ่งทำให้วิธี TSSG พัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในหมู่พวกเขาญี่ปุ่นเป็นตัวแทนของ Sumitomo Metal และ Toyota ตารางที่ 1 และรูปที่ 2 แสดงความคืบหน้าการวิจัยของโลหะ Sumitomo ในการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC และตารางที่ 2 และรูปที่ 3 แสดงกระบวนการวิจัยหลักและผลลัพธ์ตัวแทนของโตโยต้า

ทีมวิจัยนี้เริ่มทำการวิจัยเกี่ยวกับการเติบโตของผลึก SIC ด้วยวิธี TSSG ในปี 2559 และประสบความสำเร็จในการได้รับผลึกขนาด 4H 4H-SIC ขนาด 2 นิ้วที่มีความหนา 10 มม. เมื่อเร็ว ๆ นี้ทีมประสบความสำเร็จในการปลูกคริสตัล 4H 4H-SIC ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 2.ภาพถ่ายออปติคัลของ Sic Crystal ที่เติบโตโดยทีมงานของ Sumitomo Metal โดยใช้วิธี TSSG

รูปที่ 3.ความสำเร็จของตัวแทนของทีมโตโยต้าในการปลูกผลึกเดี่ยว SIC โดยใช้วิธี TSSG

รูปที่ 4. ความสำเร็จของตัวแทนของสถาบันฟิสิกส์สถาบันวิทยาศาสตร์จีนในการปลูกผลึกเดี่ยว SIC โดยใช้วิธี TSSG

02 หลักการพื้นฐานของการปลูกผลึกเดี่ยว SIC โดยวิธี TSSG

SIC ไม่มีจุดหลอมเหลวที่ความดันปกติ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 2000 ℃มันจะเป็นแก๊สและสลายตัวโดยตรง ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะเติบโตผลึกเดี่ยว SIC โดยการระบายความร้อนอย่างช้าๆและทำให้ SIC ละลายในองค์ประกอบเดียวกันนั่นคือวิธีการละลาย

ตามแผนภาพเฟส Binary Si-C มีพื้นที่สองเฟสของ "L+sic" ที่ปลาย Si-Rich ซึ่งให้ความเป็นไปได้สำหรับการเติบโตของเฟสของเหลวของ SIC อย่างไรก็ตามความสามารถในการละลายของ Si บริสุทธิ์สำหรับ C ต่ำเกินไปดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มฟลักซ์ลงใน Si Melt เพื่อช่วยในการเพิ่มความเข้มข้น C ในสารละลายอุณหภูมิสูง ในปัจจุบันโหมดเทคนิคกระแสหลักสำหรับการปลูกผลึกเดี่ยว SIC โดยวิธี HTSG คือวิธี TSSG รูปที่ 5 (a) เป็นแผนผังแผนผังของหลักการของการปลูกผลึกเดี่ยว SIC โดยวิธี TSSG

ในหมู่พวกเขากฎระเบียบของคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลายอุณหภูมิสูงและการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการขนส่งตัวถูกละลายและอินเทอร์เฟซการเจริญเติบโตของคริสตัลเพื่อให้ได้สมดุลที่ดีของอุปสงค์และอุปทานของตัวถูกละลายในระบบการเจริญเติบโตทั้งหมดเป็นกุญแจสำคัญในการตระหนักถึงการเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC โดยวิธี TSSG

รูปที่ 5. (A) แผนผังแผนภาพของการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC โดยวิธี TSSG; (b) แผนผังไดอะแกรมของส่วนยาวของพื้นที่สองเฟส L+SIC

03 คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลายอุณหภูมิสูง

การละลาย C เพียงพอในการแก้ปัญหาอุณหภูมิสูงเป็นกุญแจสำคัญในการปลูกผลึกเดี่ยว SIC ด้วยวิธี TSSG การเพิ่มองค์ประกอบฟลักซ์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความสามารถในการละลายของ C ในโซลูชันที่อุณหภูมิสูง

ในเวลาเดียวกันการเพิ่มองค์ประกอบฟลักซ์จะควบคุมความหนาแน่นความหนืดความตึงผิวจุดแช่แข็งและพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์อื่น ๆ ของสารละลายอุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตของผลึกซึ่งส่งผลโดยตรงต่อกระบวนการอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์ในการเติบโตของผลึก ดังนั้นการเลือกองค์ประกอบฟลักซ์จึงเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการบรรลุวิธี TSSG สำหรับการปลูกผลึกเดี่ยว SIC และเป็นจุดสนใจของการวิจัยในสาขานี้

มีระบบโซลูชันอุณหภูมิสูงไบนารีจำนวนมากที่รายงานในวรรณคดีรวมถึง Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si และ Co-Si ในหมู่พวกเขาระบบไบนารีของ CR-SI, Ti-Si และ Fe-Si และระบบหลายองค์ประกอบเช่น CR-CE-Al-Si ได้รับการพัฒนาอย่างดีและได้รับผลการเจริญเติบโตของคริสตัลที่ดี

รูปที่ 6 (a) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเติบโตของ SIC และอุณหภูมิในระบบโซลูชันอุณหภูมิสูงสามระบบของ CR-SI, Ti-Si และ Fe-Si ซึ่งสรุปโดย Kawanishi et al ของมหาวิทยาลัย Tohoku ในญี่ปุ่นในปี 2020

ดังที่แสดงในรูปที่ 6 (b) ฮยอนและคณะ ออกแบบชุดของระบบโซลูชันอุณหภูมิสูงที่มีอัตราส่วนองค์ประกอบของ SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, NI, CU, RH และ PD) เพื่อแสดงความสามารถในการละลายของ C.

รูปที่ 6. (a) ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC และอุณหภูมิเมื่อใช้ระบบโซลูชันอุณหภูมิสูงที่แตกต่างกัน

04 ระเบียบจลนพลศาสตร์การเจริญเติบโต

เพื่อให้ได้ผลึกเดี่ยว SIC คุณภาพสูงได้ดีขึ้นมันก็จำเป็นที่จะต้องควบคุมจลนพลศาสตร์ของการตกตะกอนของผลึก ดังนั้นการวิจัยอีกประการหนึ่งของวิธี TSSG สำหรับการปลูกผลึกเดี่ยว SIC คือการควบคุมจลนพลศาสตร์ในสารละลายอุณหภูมิสูงและที่อินเทอร์เฟซการเจริญเติบโตของคริสตัล

วิธีการหลักของการควบคุมรวมถึง: การหมุนและกระบวนการดึงของผลึกเมล็ดและเบ้าหลอม, การควบคุมของสนามอุณหภูมิในระบบการเจริญเติบโต, การเพิ่มประสิทธิภาพของโครงสร้างและขนาดเบ้าหลอมและการควบคุมการพาความร้อนของสารละลายอุณหภูมิสูงโดยสนามแม่เหล็กภายนอก วัตถุประสงค์พื้นฐานคือการควบคุมสนามอุณหภูมิสนามการไหลและสนามความเข้มข้นตัวละลายที่ส่วนต่อประสานระหว่างสารละลายอุณหภูมิสูงและการเจริญเติบโตของคริสตัลเพื่อให้เกิดการตกตะกอนที่ดีขึ้นและเร็วขึ้นจากสารละลายอุณหภูมิสูงในลักษณะที่เป็นระเบียบและเติบโตเป็นผลึกขนาดใหญ่ขนาดใหญ่คุณภาพสูง

นักวิจัยได้ลองใช้วิธีการมากมายเพื่อให้บรรลุการควบคุมแบบไดนามิกเช่น "เทคโนโลยีการหมุนแบบเร่งความเร็วแบบเบ้าหลอม" ที่ใช้โดย Kusunoki และคณะ ในงานของพวกเขารายงานในปี 2549 และ "เทคโนโลยีการเติบโตของโซลูชันเว้า" พัฒนาโดย Daikoku และคณะ

ในปี 2014 Kusunoki และคณะ เพิ่มโครงสร้างวงแหวนกราไฟท์เป็นคู่มือการแช่ (IG) ในเบ้าหลอมเพื่อให้ได้กฎระเบียบของการพาความร้อนของสารละลายอุณหภูมิสูง ด้วยการปรับขนาดและตำแหน่งของวงแหวนกราไฟท์ให้เหมาะสมสามารถสร้างโหมดการขนส่งตัวถูกละลายได้อย่างสม่ำเสมอในสารละลายอุณหภูมิสูงต่ำกว่าผลึกเมล็ดซึ่งจะช่วยปรับปรุงอัตราการเติบโตและคุณภาพของคริสตัลดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7: (a) ผลการจำลองของการไหลของสารละลายอุณหภูมิสูงและการกระจายอุณหภูมิในเบ้าหลอม; 

(b) แผนผังไดอะแกรมของอุปกรณ์ทดลองและสรุปผลลัพธ์

05 ข้อดีของวิธี TSSG สำหรับการปลูกผลึกเดี่ยว SIC

ข้อดีของวิธี TSSG ในการปลูกผลึกเดี่ยว SIC จะสะท้อนให้เห็นในด้านต่อไปนี้:

(1) วิธีการแก้ปัญหาอุณหภูมิสูงสำหรับการปลูกผลึกเดี่ยว SIC สามารถซ่อมแซม microtubes และข้อบกพร่องของมาโครอื่น ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพในผลึกเมล็ดซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณภาพของผลึก ในปี 1999 Hofmann และคณะ สังเกตและพิสูจน์ผ่านกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลที่ microtubes สามารถครอบคลุมได้อย่างมีประสิทธิภาพในกระบวนการของผลึกเดี่ยว SIC ที่กำลังเติบโตโดยวิธี TSSG ดังแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 8: การกำจัด microtubes ในระหว่างการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC โดยวิธี TSSG:

(A) ออปติคัลไมโครกราฟของคริสตัล SIC ที่ปลูกโดย TSSG ในโหมดการส่งผ่านซึ่ง microtubes ใต้ชั้นการเจริญเติบโตสามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจน 

(b) micrograph ออปติคัลของพื้นที่เดียวกันในโหมดการสะท้อนแสดงว่า microtubes ได้รับการครอบคลุมอย่างสมบูรณ์

(2) เมื่อเทียบกับวิธี PVT วิธี TSSG สามารถบรรลุการขยายตัวของเส้นผ่านศูนย์กลางของคริสตัลได้ง่ายขึ้นซึ่งจะเป็นการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของสารตั้งต้นคริสตัลเดี่ยว SIC ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตของอุปกรณ์ SIC ได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดต้นทุนการผลิต

ทีมวิจัยที่เกี่ยวข้องของ Toyota และ Sumitomo Corporation ประสบความสำเร็จในการขยายการขยายตัวของเส้นผ่านศูนย์กลางคริสตัลที่สามารถควบคุมได้โดยใช้เทคโนโลยี "Meniscus ความสูง" ดังแสดงในรูปที่ 9 (a) และ (B)

รูปที่ 9: (a) แผนผังไดอะแกรมของเทคโนโลยีการควบคุม MENISCUS ในวิธี TSSG; 

(b) การเปลี่ยนมุมการเจริญเติบโตθด้วยความสูงของวงเดือนและมุมมองด้านข้างของคริสตัล SIC ที่ได้รับจากเทคโนโลยีนี้ 

(c) การเจริญเติบโตเป็นเวลา 20 ชั่วโมงที่ความสูงของวงเดือนที่ 2.5 มม. 

(d) การเจริญเติบโตเป็นเวลา 10 ชั่วโมงที่ความสูงของวงเดือน 0.5 มม.

(e) การเติบโตเป็นเวลา 35 ชั่วโมงโดยมีความสูงของ Meniscus ค่อยๆเพิ่มขึ้นจาก 1.5 มม. เป็นค่าที่ใหญ่กว่า

(3) เมื่อเทียบกับวิธี PVT วิธี TSSG นั้นง่ายกว่าที่จะได้รับการเติม P-type ที่มีเสถียรภาพของผลึก SIC ตัวอย่างเช่น Shirai และคณะ ของโตโยต้ารายงานในปี 2014 ว่าพวกเขาได้เพิ่มผลึก P-type 4H-SIC ต่ำโดยวิธี TSSG ดังแสดงในรูปที่ 10

รูปที่ 10: (a) มุมมองด้านข้างของผลึกเดี่ยวชนิด P-type ที่ปลูกโดยวิธี TSSG; 

(b) ภาพถ่ายออปติคัลส่งของส่วนยาวของคริสตัล 

(c) สัณฐานวิทยาพื้นผิวด้านบนของคริสตัลที่ปลูกจากสารละลายอุณหภูมิสูงที่มีปริมาณ AL 3% (ส่วนอะตอม)

06 บทสรุปและมุมมอง

วิธี TSSG สำหรับการเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC ได้ก้าวหน้าอย่างมากในช่วง 20 ปีที่ผ่านมาและสองสามทีมได้เติบโตผลึกเดี่ยว SIC ขนาด 4 นิ้วที่มีคุณภาพสูงโดยวิธี TSSG

อย่างไรก็ตามการพัฒนาเพิ่มเติมของเทคโนโลยีนี้ยังคงต้องมีความก้าวหน้าในประเด็นสำคัญต่อไปนี้:

(1) การศึกษาเชิงลึกของคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลาย;

(2) ความสมดุลระหว่างอัตราการเติบโตและคุณภาพของคริสตัล

(3) การจัดตั้งเงื่อนไขการเจริญเติบโตของผลึกที่มั่นคง

(4) การพัฒนาเทคโนโลยีการควบคุมแบบไดนามิก

แม้ว่าวิธี TSSG ยังคงอยู่เบื้องหลังวิธี PVT แต่ก็เชื่อว่าด้วยความพยายามอย่างต่อเนื่องของนักวิจัยในสาขานี้เนื่องจากปัญหาหลักทางวิทยาศาสตร์ของการเติบโตของผลึกเดี่ยว SIC โดยวิธี TSSG ได้รับการแก้ไขอย่างต่อเนื่องและเทคโนโลยีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง อุตสาหกรรม SIC