तीन sic सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ टेक्नोलॉजीज

Sic सिंगल क्रिस्टल बढ़ने के लिए मुख्य तरीके हैं:भौतिक वाष्प परिवहन, उच्च तापमान रासायनिक बयान (HTCVD)औरउच्च तापमान समाधान वृद्धि। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। उनमें से, पीवीटी विधि इस स्तर पर सबसे परिपक्व और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है। वर्तमान में, 6 इंच के एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट का औद्योगिकीकरण किया गया है, और 2016 में संयुक्त राज्य अमेरिका में 8 इंच के एकल क्रिस्टल को भी सफलतापूर्वक उगाया गया है। हालांकि, इस विधि में उच्च दोष घनत्व, कम उपज, कठिन व्यास विस्तार और उच्च लागत जैसी सीमाएं हैं।

HTCVD विधि उस सिद्धांत का उपयोग करती है जो SI स्रोत और C स्रोत गैस रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करता है ताकि SIC सिंगल क्रिस्टल के विकास को प्राप्त करने के लिए लगभग 2100 ℃ के उच्च तापमान वातावरण में SIC उत्पन्न किया जा सके। पीवीटी विधि की तरह, इस विधि को उच्च विकास तापमान की भी आवश्यकता होती है और इसमें उच्च वृद्धि लागत होती है। HTSG विधि उपरोक्त दो तरीकों से अलग है। इसका मूल सिद्धांत SIC सिंगल क्रिस्टल के विकास को प्राप्त करने के लिए एक उच्च तापमान समाधान में SI और C तत्वों के विघटन और पुनरावृत्ति का उपयोग करना है। वर्तमान में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला तकनीकी मॉडल TSSG विधि है।

यह विधि कम तापमान (2000 डिग्री सेल्सियस से नीचे) में एक निकट-थर्मोडायनामिक संतुलन राज्य में एसआईसी के विकास को प्राप्त कर सकती है, और विकसित क्रिस्टल में उच्च गुणवत्ता, कम लागत, आसान व्यास विस्तार और आसान स्थिर पी-प्रकार डोपिंग के फायदे हैं। यह पीवीटी विधि के बाद बड़े, उच्च-गुणवत्ता और कम लागत वाले एसआईसी सिंगल क्रिस्टल तैयार करने के लिए एक विधि बनने की उम्मीद है।

चित्रा 1। तीन sic एकल क्रिस्टल विकास प्रौद्योगिकियों के सिद्धांतों का योजनाबद्ध आरेख

01 विकास इतिहास और TSSG-विकसित Sic सिंगल क्रिस्टल की वर्तमान स्थिति

एसआईसी के लिए एचटीएसजी विधि का 60 से अधिक वर्षों का इतिहास है।

1961 में, हैलडेन एट अल। पहले एक उच्च तापमान वाले SI पिघल से Sic सिंगल क्रिस्टल प्राप्त किए गए थे, जिसमें C को भंग कर दिया गया था, और फिर Si+X से बना एक उच्च तापमान समाधान से Sic सिंगल क्रिस्टल के विकास का पता लगाया (जहां x एक या अधिक तत्वों में से एक है, Cr, Cr, SC, TB, Pr, आदि)।

1999 में, हॉफमैन एट अल। जर्मनी में एर्लंगेन विश्वविद्यालय से शुद्ध एसआई को एक आत्म-फ्लक्स के रूप में इस्तेमाल किया और 1.4 इंच के व्यास और पहली बार लगभग 1 मिमी की मोटाई के साथ एसआईसी सिंगल क्रिस्टल को विकसित करने के लिए उच्च-तापमान और उच्च दबाव वाले टीएसएसजी विधि का उपयोग किया।

2000 में, उन्होंने इस प्रक्रिया को आगे बढ़ाया और 20-30 मिमी के व्यास के साथ SIC क्रिस्टल को बढ़ाया और 1900-2400 ° C पर 100-200 बार के उच्च दबाव वाले AR वातावरण में आत्म-फ्लक्स के रूप में शुद्ध SI का उपयोग करके 20 मिमी तक की मोटाई।

तब से, जापान, दक्षिण कोरिया, फ्रांस, चीन और अन्य देशों में शोधकर्ताओं ने TSSG विधि द्वारा SIC सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट के विकास पर क्रमिक रूप से शोध किया है, जिसने हाल के वर्षों में TSSG विधि को तेजी से विकसित किया है। उनमें से, जापान को सुमितोमो मेटल और टोयोटा द्वारा दर्शाया गया है। तालिका 1 और चित्रा 2 SIC एकल क्रिस्टल के विकास में सुमिटोमो धातु की अनुसंधान प्रगति को दिखाते हैं, और तालिका 2 और चित्रा 3 टोयोटा के मुख्य अनुसंधान प्रक्रिया और प्रतिनिधि परिणामों को दिखाते हैं।

इस शोध टीम ने 2016 में TSSG विधि द्वारा SIC क्रिस्टल के विकास पर शोध करना शुरू कर दिया, और 10 मिमी की मोटाई के साथ 2-इंच 4H-SIC क्रिस्टल को सफलतापूर्वक प्राप्त किया। हाल ही में, टीम ने सफलतापूर्वक 4-इंच 4H-SIC क्रिस्टल उगाया है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।

चित्रा 2।TSSG विधि का उपयोग करके सुमितमो मेटल की टीम द्वारा उगाए गए sic क्रिस्टल की ऑप्टिकल फोटो

चित्र तीन।TSSG विधि का उपयोग करके SIC सिंगल क्रिस्टल बढ़ने में टोयोटा की टीम की प्रतिनिधि उपलब्धियां

चित्रा 4। TSSG विधि का उपयोग करते हुए SIC सिंगल क्रिस्टल में फिजिक्स ऑफ फिजिक्स, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज की प्रतिनिधि उपलब्धियां

TSSG विधि द्वारा बढ़ते sic सिंगल क्रिस्टल के 02 बुनियादी सिद्धांत

SIC का सामान्य दबाव में कोई पिघलने बिंदु नहीं है। जब तापमान 2000 से ऊपर पहुंचता है, तो यह सीधे गैसीकरण और विघटित हो जाएगा। इसलिए, धीरे -धीरे ठंडा करके और एक ही रचना के Sic पिघल को ठंडा करने से Sic सिंगल क्रिस्टल विकसित करना संभव नहीं है, अर्थात, पिघला हुआ विधि।

Si-C बाइनरी चरण आरेख के अनुसार, Si- समृद्ध छोर पर "L+Sic" का दो-चरण क्षेत्र है, जो SIC के तरल चरण वृद्धि के लिए संभावना प्रदान करता है। हालांकि, सी के लिए शुद्ध एसआई की घुलनशीलता बहुत कम है, इसलिए उच्च तापमान समाधान में सी एकाग्रता को बढ़ाने में सहायता करने के लिए एसआई पिघल में प्रवाह को जोड़ना आवश्यक है। वर्तमान में, HTSG विधि द्वारा SIC सिंगल क्रिस्टल बढ़ने के लिए मुख्यधारा की तकनीकी मोड TSSG विधि है। चित्रा 5 (ए) TSSG विधि द्वारा बढ़ते sic एकल क्रिस्टल के सिद्धांत का एक योजनाबद्ध आरेख है।

उनमें से, उच्च तापमान समाधान के थर्मोडायनामिक गुणों का विनियमन और संपूर्ण विकास प्रणाली में आपूर्ति और विलेय सी की मांग का एक अच्छा गतिशील संतुलन प्राप्त करने के लिए विलेय परिवहन प्रक्रिया और क्रिस्टल विकास इंटरफ़ेस की गतिशीलता, टीएसएसजी विधि द्वारा एसआईसी एकल क्रिस्टल के विकास को बेहतर ढंग से महसूस करने के लिए महत्वपूर्ण है।

चित्रा 5। (ए) टीएसएसजी विधि द्वारा एसआईसी एकल क्रिस्टल विकास के योजनाबद्ध आरेख; (बी) एल+एसआईसी दो-चरण क्षेत्र के अनुदैर्ध्य खंड का योजनाबद्ध आरेख

उच्च तापमान समाधान के 03 थर्मोडायनामिक गुण

उच्च तापमान समाधानों में पर्याप्त सी को भंग करना TSSG विधि द्वारा SIC सिंगल क्रिस्टल को बढ़ाने की कुंजी है। उच्च तापमान समाधानों में सी की घुलनशीलता को बढ़ाने के लिए फ्लक्स तत्वों को जोड़ना एक प्रभावी तरीका है।

इसी समय, फ्लक्स तत्वों के अलावा घनत्व, चिपचिपाहट, सतह तनाव, ठंड बिंदु और उच्च तापमान समाधानों के अन्य थर्मोडायनामिक मापदंडों को भी विनियमित करेगा जो क्रिस्टल विकास से निकटता से संबंधित हैं, जिससे क्रिस्टल विकास में थर्मोडायनामिक और काइनेटिक प्रक्रियाओं को सीधे प्रभावित किया जा सकता है। इसलिए, फ्लक्स तत्वों का चयन SIC सिंगल क्रिस्टल को बढ़ाने के लिए TSSG विधि को प्राप्त करने में सबसे महत्वपूर्ण कदम है और इस क्षेत्र में अनुसंधान ध्यान केंद्रित है।

साहित्य में कई बाइनरी हाई-टेम्परेचर सॉल्यूशन सिस्टम रिपोर्ट किए गए हैं, जिनमें ली-सी, टीआई-सी, सीआर-सी, एफई-सी, एससी-सी, नी-सी और सह-सी शामिल हैं। उनमें से, CR-SI, Ti-Si और Fe-Si के बाइनरी सिस्टम और CR-CE-AL-SI जैसे बहु-घटक प्रणालियों को अच्छी तरह से विकसित किया गया है और अच्छे क्रिस्टल विकास परिणाम प्राप्त किए हैं।

चित्रा 6 (ए) सीआर-सी, टीआई-सी और एफई-सी के तीन अलग-अलग उच्च तापमान समाधान प्रणालियों में एसआईसी विकास दर और तापमान के बीच संबंध को दर्शाता है, जिसे कावनीश एट अल द्वारा संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है। 2020 में जापान में तोहोकू विश्वविद्यालय।

जैसा कि चित्र 6 (बी) में दिखाया गया है, ह्यून एट अल। SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Rh और Pd) की रचना अनुपात के साथ उच्च तापमान समाधान प्रणालियों की एक श्रृंखला को डिज़ाइन किया गया।

चित्रा 6। (ए) विभिन्न उच्च तापमान समाधान प्रणालियों का उपयोग करते समय एसआईसी एकल क्रिस्टल विकास दर और तापमान के बीच संबंध

04 विकास कैनेटीक्स विनियमन

उच्च गुणवत्ता वाले SIC एकल क्रिस्टल को बेहतर ढंग से प्राप्त करने के लिए, क्रिस्टल वर्षा के कैनेटीक्स को विनियमित करना भी आवश्यक है। इसलिए, SIC सिंगल क्रिस्टल बढ़ने के लिए TSSG विधि का एक और शोध ध्यान उच्च तापमान समाधानों और क्रिस्टल ग्रोथ इंटरफेस में कैनेटीक्स का विनियमन है।

विनियमन के मुख्य साधन में शामिल हैं: बीज क्रिस्टल और क्रूसिबल की रोटेशन और खींचने की प्रक्रिया, विकास प्रणाली में तापमान क्षेत्र का विनियमन, क्रूसिबल संरचना और आकार का अनुकूलन, और बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा उच्च तापमान समाधान संवहन का विनियमन। मौलिक उद्देश्य उच्च तापमान समाधान और क्रिस्टल विकास के बीच इंटरफ़ेस में तापमान क्षेत्र, प्रवाह क्षेत्र और विलेय एकाग्रता क्षेत्र को विनियमित करना है, ताकि उच्च-तापमान समाधान से बेहतर और तेज तेजी से एसआईसी को एक क्रमबद्ध तरीके से और उच्च गुणवत्ता वाले बड़े आकार के एकल क्रिस्टल में बढ़ने के लिए।

शोधकर्ताओं ने गतिशील विनियमन को प्राप्त करने के लिए कई तरीकों की कोशिश की है, जैसे कि कुसुनोकी एट अल द्वारा उपयोग किए जाने वाले "क्रूसिबल त्वरित रोटेशन तकनीक"। 2006 में उनके काम में रिपोर्ट किया गया था, और "अवतल समाधान विकास प्रौद्योगिकी" डिकोकू एट अल द्वारा विकसित किया गया था।

2014 में, कुसुनोकी एट अल। उच्च तापमान समाधान संवहन के विनियमन को प्राप्त करने के लिए क्रूसिबल में एक विसर्जन गाइड (IG) के रूप में एक ग्रेफाइट रिंग संरचना को जोड़ा गया। ग्रेफाइट रिंग के आकार और स्थिति को अनुकूलित करके, एक समान ऊपर की ओर विलेय परिवहन मोड को बीज क्रिस्टल के नीचे उच्च तापमान समाधान में स्थापित किया जा सकता है, जिससे क्रिस्टल विकास दर और गुणवत्ता में सुधार होता है, जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है।

चित्रा 7: (ए) क्रूसिबल में उच्च तापमान समाधान प्रवाह और तापमान वितरण के सिमुलेशन परिणाम; 

(बी) प्रयोगात्मक उपकरण का योजनाबद्ध आरेख और परिणामों का सारांश

Sic सिंगल क्रिस्टल बढ़ने के लिए TSSG विधि के 05 फायदे

बढ़ते SIC एकल क्रिस्टल में TSSG विधि के फायदे निम्नलिखित पहलुओं में परिलक्षित होते हैं:

(1) एसआईसी सिंगल क्रिस्टल बढ़ने के लिए उच्च तापमान समाधान विधि प्रभावी रूप से बीज क्रिस्टल में माइक्रोट्यूब और अन्य मैक्रो दोषों की मरम्मत कर सकती है, जिससे क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार हो सकता है। 1999 में, हॉफमैन एट अल। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के माध्यम से मनाया और साबित किया कि माइक्रोट्यूब को प्रभावी रूप से TSSG विधि द्वारा SIC एकल क्रिस्टल बढ़ने की प्रक्रिया में कवर किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है।

चित्र 8: TSSG विधि द्वारा SIC सिंगल क्रिस्टल के विकास के दौरान माइक्रोट्यूब का उन्मूलन:

। 

(बी) प्रतिबिंब मोड में एक ही क्षेत्र के ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ, यह दर्शाता है कि माइक्रोट्यूब पूरी तरह से कवर किया गया है।

(2) पीवीटी विधि के साथ तुलना में, टीएसएसजी विधि अधिक आसानी से क्रिस्टल व्यास के विस्तार को प्राप्त कर सकती है, जिससे एसआईसी एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट के व्यास में वृद्धि होती है, जिससे एसआईसी उपकरणों की उत्पादन दक्षता में प्रभावी रूप से सुधार होता है और उत्पादन लागत कम हो जाती है।

टोयोटा और सुमितोमो कॉरपोरेशन की प्रासंगिक शोध टीमों ने "मेनिस्कस हाइट कंट्रोल" तकनीक का उपयोग करके कृत्रिम रूप से नियंत्रणीय क्रिस्टल व्यास विस्तार को सफलतापूर्वक प्राप्त किया है, जैसा कि चित्र 9 (ए) और (बी) में दिखाया गया है।

चित्रा 9: (ए) टीएसएसजी विधि में मेनिस्कस नियंत्रण प्रौद्योगिकी के योजनाबद्ध आरेख; 

(बी) ग्रोथ एंगल का परिवर्तन meniscus की ऊंचाई और इस तकनीक द्वारा प्राप्त SIC क्रिस्टल के साइड व्यू के साथ; 

(ग) 2.5 मिमी की एक मेनिस्कस ऊंचाई पर 20 घंटे के लिए वृद्धि; 

(डी) 0.5 मिमी की एक मेनिस्कस ऊंचाई पर 10 घंटे के लिए वृद्धि;

(ई) 35 घंटे के लिए वृद्धि, मेनिस्कस की ऊंचाई धीरे -धीरे 1.5 मिमी से बढ़कर एक बड़े मूल्य तक बढ़ रही है।

(3) PVT विधि के साथ तुलना में, TSSG विधि SIC क्रिस्टल के स्थिर P- प्रकार डोपिंग को प्राप्त करना आसान है। उदाहरण के लिए, शिराई एट अल। टोयोटा ने 2014 में बताया कि उन्होंने टीएसएसजी विधि द्वारा कम-प्रतिरोधकता पी-टाइप 4 एच-एसआईसी क्रिस्टल विकसित किए थे, जैसा कि चित्र 10 में दिखाया गया है।

चित्रा 10: (ए) टीएसएसजी विधि द्वारा उगाए गए पी-टाइप एसआईसी सिंगल क्रिस्टल का साइड व्यू; 

(बी) क्रिस्टल के एक अनुदैर्ध्य खंड की ट्रांसमिशन ऑप्टिकल तस्वीर; 

(c) 3% (परमाणु अंश) की AL सामग्री के साथ एक उच्च तापमान समाधान से उगाए गए एक क्रिस्टल की शीर्ष सतह आकारिकी

06 निष्कर्ष और आउटलुक

SIC सिंगल क्रिस्टल के बढ़ने के लिए TSSG विधि ने पिछले 20 वर्षों में बहुत प्रगति की है, और कुछ टीमों ने TSSG विधि द्वारा उच्च गुणवत्ता वाले 4-इंच SIC सिंगल क्रिस्टल को बढ़ाया है।

हालांकि, इस तकनीक के आगे के विकास के लिए अभी भी निम्नलिखित प्रमुख पहलुओं में सफलताओं की आवश्यकता है:

(1) समाधान के थर्मोडायनामिक गुणों का गहन अध्ययन;

(2) विकास दर और क्रिस्टल गुणवत्ता के बीच संतुलन;

(3) स्थिर क्रिस्टल विकास की स्थिति की स्थापना;

(4) परिष्कृत गतिशील नियंत्रण प्रौद्योगिकी का विकास।

यद्यपि TSSG विधि अभी भी PVT विधि से कुछ हद तक पीछे है, यह माना जाता है कि इस क्षेत्र में शोधकर्ताओं के निरंतर प्रयासों के साथ, क्योंकि TSSG विधि द्वारा बढ़ते SIC सिंगल क्रिस्टल की मुख्य वैज्ञानिक समस्याएं लगातार हल हो जाती हैं और विकास की प्रक्रिया में प्रमुख तकनीकें लगातार टूट जाती हैं, जो कि पूरी तरह से बढ़ती है, जो कि Single को पूरा कर रही है, जो कि Single को पूरा कर रही है। Sic उद्योग की।