3つのSIC単結晶成長技術

SIC単結晶を栽培するための主な方法は次のとおりです。物理的蒸気輸送（PVT）, 高温化学蒸気堆積（HTCVD）そして高温溶液成長（HTSG）。図1に示すように、その中で、PVTメソッドは、この段階で最も成熟して広く使用されている方法です。現在、6インチの単結晶基板は工業化されており、8インチの単結晶も2016年に米国のCreeによって成功しました。しかし、この方法には、高欠陥密度、低収量、困難な直径の膨張、高コストなどの制限があります。

HTCVDメソッドは、Si源とC源ガスが化学的に反応して、約2100の高温環境でSICを生成してSIC単結晶の成長を達成するという原理を使用します。 PVTメソッドと同様に、この方法には高成長温度も必要であり、高成長コストがあります。 HTSGメソッドは、上記の2つの方法とは異なります。その基本的な原則は、高温ソリューションでのSiおよびC要素の溶解と再沈降を使用して、SIC単結晶の成長を達成することです。現在広く使用されている技術モデルはTSSGメソッドです。

この方法は、より低い温度（2000°C未満）で、より浸透性のほぼ形成性平衡状態でSICの成長を達成することができ、成長した結晶は、高品質、低コスト、簡単な直径の膨張、および安定したP型ドーピングの利点を持っています。 PVTメソッドの後、より大きく、より高品質で低コストのSIC単結晶を準備する方法になると予想されます。

図1。3つのSIC単結晶成長技術の原理の概略図

01開発履歴とTSSG成長SIC単結晶の現在の状態

SICを栽培するためのHTSGメソッドには、60年以上の歴史があります。

1961年、Halden et al。 Cが溶解した高温Si溶融物から最初にSIC単結晶を取得し、次にSi+Xで構成される高温溶液からのSIC単結晶の成長を調査しました（xはcr、sc、tb、prなどの1つ以上の要素です）。

1999年、Hofmann et al。ドイツのエルランゲン大学から、純粋なSiを自己フラックスとして使用し、高温および高圧TSSG法を使用して、直径1.4インチと厚さ約1 mmのSIC単結晶を初めて栽培しました。

2000年に、彼らはさらにプロセスを最適化し、直径20〜30 mm、純粋なSIを1900-2400°Cの100-200 BARの高圧AR雰囲気で自己フラックスとして使用して最大20 mmの厚さでSIC結晶を増加させました。

それ以来、日本、韓国、フランス、中国、その他の研究者は、TSSG法によりSIC単結晶基質の成長に関する研究を継続的に実施しており、TSSG法を近年急速に発達させています。その中で、日本はスミトモメタルとトヨタに代表されています。表1と図2は、SIC単結晶の成長におけるスミトモ金属の研究の進行を示しています。表2と図3は、トヨタの主要な研究プロセスと代表的な結果を示しています。

この研究チームは、2016年にTSSGメソッドによるSIC結晶の成長に関する研究を実施し始め、厚さ10 mmの2インチ4H-SIC結晶を正常に獲得しました。最近、図4に示すように、チームは4インチの4H-SICクリスタルを成功させました。

図2。TSSGメソッドを使用してSumitomo Metalのチームによって栽培されたSICクリスタルの光学写真

図3。TSSGメソッドを使用して、SIC単結晶の成長におけるトヨタのチームの代表的な成果

図4。 TSSGメソッドを使用して、SIC単結晶の成長における中国科学アカデミー、物理学研究所の代表的な成果

02 TSSGメソッドによるSIC単結晶の成長の基本原則

SICには、通常の圧力に融点がありません。温度が2000年以上に達すると、直接ガス化して分解します。したがって、同じ組成、つまり溶融方法のSIC溶融をゆっくりと冷却して固化することにより、SIC単結晶を栽培することは実現不可能です。

SI-Cバイナリ相図によれば、SIリッチ端に「L+SIC」の2相領域があり、SICの液相成長の可能性を提供します。ただし、Cに対する純粋なSiの溶解度は低すぎるため、高温溶液のC濃度の増加を支援するためにSi溶融物にフラックスを加える必要があります。現在、HTSGメソッドによるSIC単結晶を栽培するための主流の技術モードはTSSGメソッドです。図5（a）は、TSSGメソッドによるSIC単結晶を栽培するという原理の概略図です。

その中で、高温溶液の熱力学的特性の調節と溶質輸送プロセスと結晶成長界面のダイナミクスは、TSSG法によるSIC単結晶の成長をよりよく実現するための鍵です。

図5。 （a）TSSG法によるSIC単結晶成長の概略図。 （b）L+SIC二相領域の縦断面の概略図

03高温溶液の熱力学的特性

十分なCを高温溶液に溶解することは、TSSGメソッドによってSIC単結晶を栽培するための鍵です。フラックス要素を追加することは、高温溶液におけるCの溶解度を高める効果的な方法です。

同時に、フラックス要素の添加は、結晶成長に密接に関連する高温溶液の密度、粘度、表面張力、凍結点、およびその他の熱力学的パラメーターを調節し、それによって結晶成長における熱力学および運動プロセスに直接影響します。したがって、フラックス要素の選択は、SIC単結晶を栽培するためのTSSG方法を達成するための最も重要なステップであり、この分野での研究の焦点です。

Li-Si、Ti-Si、Cr-Si、Fe-Si、Sc-Si、Ni-Si、Co-Siなど、文献には多くのバイナリ高温溶液システムが報告されています。その中で、Cr-Si、Ti-Si、Fe-Siのバイナリシステム、およびCr-Ce-Al-Siなどの多成分システムはよく発達しており、良好な結晶成長結果が得られています。

図6（a）は、Kawanishi et al。 2020年に日本の東北大学。

図6（b）に示すように、ヒョン等。 Cの溶解度を示すために、SI0.56CR0.4M0.04（M = SC、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Co、Ni、Cu、Rh、Pd）の組成比を備えた一連の高温溶液システムを設計しました。

図6。 （a）異なる高温ソリューションシステムを使用する場合のSIC単結晶成長率と温度との関係

04成長速度規制

高品質のSIC単結晶をより適切に得るためには、結晶沈殿の動力学を調節する必要もあります。したがって、SIC単結晶を栽培するためのTSSG法の別の研究焦点は、高温溶液および結晶成長界面での速度論の調節です。

規制の主な手段には、種子結晶とるつぼの回転と引っ張りプロセス、成長システムにおける温度場の調節、るつぼ構造とサイズの最適化、および外部磁場による高温溶液対流の調節。基本的な目的は、高温溶液と結晶成長の間の界面で温度場、流れ場、溶質濃度場を調節し、高温溶液からより良く速い沈殿物を整然と沈殿させ、高品質の大規模な単結晶に成長させることです。

研究者は、Kusunokiらが使用する「るつぼ加速回転技術」など、動的な規制を達成するために多くの方法を試しました。 2006年に報告された彼らの研究と、Daikoku et al。

2014年、ヌーノキら。高温溶液対流の調節を実​​現するために、るつぼに浸漬ガイド（IG）としてグラファイトリング構造を追加しました。グラファイトリングのサイズと位置を最適化することにより、図7に示すように、シード結晶の下の高温溶液で均一な上方溶質輸送モードを確立し、結晶の成長速度と品質を改善できます。

図7：（a）るつぼ中の高温溶液の流れと温度分布のシミュレーション結果。 

（b）実験装置の概略図と結果の概要

05 SIC単結晶を栽培するためのTSSG方法の利点

SIC単結晶の成長におけるTSSG法の利点は、次の側面に反映されています。

（1）SIC単結晶を栽培するための高温溶液方法は、種子結晶の微小管やその他のマクロ欠陥を効果的に修復し、それによって結晶の品質を改善することができます。 1999年、Hofmann et al。図8に示すように、TSSG法でSIC単結晶を栽培するプロセスで微小管を効果的に覆うことができるという光学顕微鏡を通じて観察および証明されました。

図8：TSSG法によるSIC単結晶の成長中の微小管の除去：

（a）透過モードでTSSGによって成長したSICクリスタルの光学顕微鏡写真では、成長層の下の微小管がはっきりとわかります。 

（b）反射モードの同じ領域の光学顕微鏡写真。これは、微小管が完全に覆われていることを示しています。

（2）PVTメソッドと比較して、TSSG法は結晶径の膨張をより簡単に達成でき、それによりSIC単結晶基質の直径を増加させ、SICデバイスの生産効率を効果的に改善し、生産コストを削減できます。

トヨタとスミトモコーポレーションの関連研究チームは、図9（a）および（b）に示すように、「メニスカス高さ制御」技術を使用して、人為的に制御可能な結晶径の拡大を成功裏に達成しました。

図9：（a）TSSGメソッドのメニスカス制御技術の概略図。 

（b）メニスカスの高さとこの技術によって得られたSICクリスタルの側面図による成長角度θの変化。 

（c）2.5 mmのメニスカスの高さで20時間の成長。 

（d）0.5 mmのメニスカスの高さで10時間の成長。

（e）35時間の成長。メニスカスの高さは1.5 mmからより大きな値に徐々に増加します。

（3）PVTメソッドと比較して、TSSGメソッドは、SIC結晶の安定したP型ドーピングを実現するのが簡単です。たとえば、Shirai et al。 Toyotaのうち、2014年に、図10に示すように、TSSGメソッドによって低耐性Pタイプ4H-SIC結晶が成長したと報告しました。

図10：（a）TSSGメソッドによって成長したP型SIC単結晶のサイドビュー。 

（b）結晶の縦断面の伝送光学写真。 

（c）3％のAL含有量を持つ高温溶液から成長した結晶の上面の形態（原子分画）

06結論と見通し

SIC単結晶を栽培するためのTSSG法は、過去20年間で大きな進歩を遂げており、いくつかのチームはTSSG法により高品質の4インチSIC単結晶を成長させました。

ただし、このテクノロジーのさらなる開発には、次の重要な側面におけるブレークスルーが依然として必要です。

（1）溶液の熱力学的特性の詳細な研究。

（2）成長率と結晶の質のバランス。

（3）安定した結晶成長条件の確立。

（4）洗練された動的制御技術の開発。

TSSGメソッドはまだPVTメソッドの背後にありますが、この分野の研究者の継続的な努力により、TSSGメソッドによるSIC単結晶の成長の中心的な科学的問題は継続的に解決され、成長プロセスの重要な技術が継続的に壊れているため、この技術は産業を促進する可能性を促進する可能性を促進する可能性があります。 SIC業界。