Teknologi Pertambangan Wutah Kristal Telung Tiga Sik

Cara utama kanggo macem-macem kristal sic yaiku:Pengangkutan beluk fisik (Pvt), Depepor uap kimia suhu (HTCVD)lanWutah Solusi Suhu Tinggi (HTSG)Waca rangkeng-. Kaya sing ditampilake ing Gambar 1. Antarane, cara pvt minangka metode sing paling diwasa lan digunakake ing tahap iki. Saiki, landasan kristal tunggal 6 inci wis industri wis industri wis digawe kanthi sukses dening Cree ing Amerika Serikat ing 2016. Nanging, cara sing murah, ngasilake diameter garing, lan biaya sing angel.

Cara SamsungVD nggunakake prinsip sing sumber lan C sumber gas reaksi kanggo ngasilake SIC ing lingkungan suhu sing dhuwur 2100 ℃ kanggo entuk tuwuh kristal sic. Kaya cara PVT, metode iki uga mbutuhake suhu wutah sing dhuwur lan nduweni biaya sing tuwuh. Cara HTSG beda karo rong cara ndhuwur ndhuwur. Prinsip dhasar yaiku nggunakake pembubaran lan teguran unsur SI lan C ing solusi suhu sing dhuwur kanggo entuk wutah kristal sic. Model teknis sing saiki digunakake yaiku metode TSSG.

Cara iki bisa nggayuh tuwuh ing negara keseimbangan sing cedhak karo termodinamik ing suhu sing luwih murah (ing ngisor iki 2000 ° C), lan kristal sing wis diwasa, lan gampang diamit kanthi kualitase. Mesthine dadi cara kanggo nyiapake kristal tunggal sing luwih gedhe lan luwih murah lan murah sawise metode pvt.

Gambar 1. Gambar Skematik Prinsip saka Technologies Pertumbuhan Crystal Three Tunggal

01 Sejarah Pembangunan lan Status Saiki Tssg-thukul Kristal Tsg

Cara HTSG kanggo ngembang SIC duwe riwayat luwih saka 60 taun.

Ing taun 1961, Halden et al. Kaping pisanan entuk kristal tunggal sic saka suhu sing dhuwur ing suhu C larut c, banjur njajahi pertumbuhan kristal sic saka SIC, ana siji utawa luwih saka Unsur-unsur Fe, CR, lsp, TB, PR, lan sapiturute).

Ing taun 1999, Hofmann et al. Saka Universitas Eritlang ing Jerman sing murni minangka flux dhewe lan nggunakake metode TSSG sing dhuwur lan tekanan tinggi kanggo tuwuh kristal tunggal sic lan kekandelan kira-kira 1 mm kanggo pisanan.

Ing taun 2000, dheweke luwih ngoptimalake proses kasebut lan tuwuh kristal SIC kanthi diameter 20-30 mm lan ketebalan nganti 20 mm nggunakake sifat-flux ing taun 190000 ing 19000000 ° C.

Mula, peneliti ing Jepang, Korea Selatan, Prancis, China lan negara liya sing ngasilake riset babagan pertumbuhan substrat kristal SIC kanthi metode TSSG kanthi cepet ing taun-taun kepungkur. Antarane, Jepang diwakili dening Sumitomo Metal lan Toyota. Tabel 1 lan Gambar 2 nuduhake kemajuan logam Sumitomo ing pertumbuhan kristal sic, lan meja 2 lan Gambar 3 nuduhake proses riset utama lan asil wakil ing Toyota.

Tim riset iki wiwit metu saka panaliten kristal SIC dening cara TSSG ing taun 2016, lan sukses entuk kristal 2-SIC kanthi kekandelan 10 mm. Bubar, tim kasebut wis nate tuwuh kristal 4-sik 4-SIC, kaya sing ditampilake ing Gambar 4.

Gambar 2.Foto optik saka Crystal SIC sing ditandur dening tim logam Sumitomo nggunakake cara TSSG

Gambar 3.Prestasi Perwakilan tim Toyota ing kristal tunggal sik sing nggunakake cara TSSG

Gambar 4. Prestasi Perwakilan Institut Fisika, Akademi Ilmu Cina, ing kristal tunggal sik sing nggunakake metode TSSG

02 Prinsip dhasar saka kristal tunggal sik tunggal ing metode TSSG

SIC ora ana titik leleh kanthi tekanan normal. Yen suhu tekan ndhuwur 2000 ℃, bakal langsung menehi gasify lan bosok. Mula, ora bisa digunakake kanggo tuwuh kristal tunggal sic kanthi alon kanthi adhem lan solidifying sic cair komposisi sing padha, yaiku cair metlet.

Miturut diagram fase binar Cinin, ana wilayah rong tahap "l + sic" ing mburi siic "ing mburi siic, sing menehi kamungkinan kanggo pertumbuhan phase sic. Nanging, kelarutan Si sing murni kanggo C kurang, saengga kudu nambah fluks menyang sing nyawiji kanggo nambah konsentrasi c ing solusi suhu dhuwur. Saiki, mode teknis utama kanggo kristal tunggal sik sing tuwuh dening metode HTSG yaiku cara TSSG. Gambar 5 (A) minangka diagram skema saka prinsip tunggal kristal sic sing tuwuh dening metode TSSG.

Antarane, aturan sifat termodinamik saka solusi suhu dhuwur lan dinamika proses transportasi solute lan panyerapan solute sing luwih apik kanggo entuk dhuwit cermat tunggal sing apik dening metode TSSG.

Gambar 5. (a) diagram skematis saka tunggal kristal wutah sic by metode tssg; (b) diagram skematis bagean longitudinal wilayah l + sic two-phase

03 properti termodinamik saka suhu suhu dhuwur

Mbubarake cukup c menyang solusi suhu dhuwur yaiku kunci kanggo ngembangake kristal tunggal sic kanthi cara TSSG. Nambahake Unsur Flux minangka cara sing efektif kanggo nambah kelarutan C ing solusi suhu dhuwur.

Ing wektu sing padha, tambahan unsur-unsur flux uga bakal ngatur kepadatan, ketegangan permukaan, pembekuan, alat pembekuan lan parameter kristal liyane sing ana gandhengane karo proses kristal kanthi raket banget lan langsung mengaruhi proses thermodinamic lan kinetik ing pertumbuhan kristal. Mula, pilihan unsur flux minangka langkah paling kritis kanggo nggayuh metode TSSG kanggo tuwuh kristal sic lan minangka fokus riset ing lapangan iki.

Ana pirang-pirang sistem solusi binar dhuwur sing dilaporake ing literatur, kalebu Li-si, CR-Si, Ni-si lan CO-SI. Antarane, sistem binar saka Cr-si, Fe-si lan Fe-si lan sistem multi-komponen kayata Cr-CE-SI kanthi apik lan entuk asil pertumbuhan kristal.

Gambar 6 (A) nuduhake hubungan antara tingkat pertumbuhan SIC lan suhu ing telung sistem solusi suhu ing Cr-Si, Ti-si, diringkes dening Kawanishi et al. Saka Universitas Thokoku ing Jepang ing taun 2020.

Kaya sing ditampilake ing Gambar 6 (b), hyun et al. Dirancang seri sistem solusi suhu kanthi rasio komposisi SI0.56CR0.4m0.0.4m0.04 (SC, V, CO, CO, NI, CU, CO, PD) kanggo nuduhake kelarutan C.

Gambar 6. (a) hubungan antara tingkat pertumbuhan kristal sic tunggal nalika nggunakake sistem solusi suhu sing beda

04 Peraturan Kinetika Wutah

Supaya luwih apik entuk kristal tunggal sic sing bermutu tinggi, uga kudu ngatur kinetik saka udan kristal. Mula, fokus riset liyane kanggo cara TSSG kanggo tuwuh kristal sic sing akeh yaiku aturan kinetik ing suhu suhu suhu dhuwur lan ing antarmuka pertumbuhan kristal.

Cara utama peraturan kalebu: Rotasi lan proses proses kristal wiji lan cuci, pangaturan struktur lan ukuran, lan pangaturan solusi solusi suhu dhuwur. Tujuane dhasar yaiku ngatur lapangan suhu, aliran lapangan lan bidang konsentrasi ing antarmuka ing antarane solusi suhu dhuwur lan luwih cepet lan tuwuh kristal kanthi ukuran gedhe.

Peneliti wis nyoba akeh cara kanggo nggayuh peraturan dinamis, kayata "Teknologi Rotasi Rotasi" Bisa digunakake dening Kusunoki et al. Ing pakaryane dilaporake ing taun 2006, lan teknologi pertumbuhan Solusi Solusi "Dikembangake dening Daikoku et al.

Ing taun 2014, Kusunoki et al. Nambah struktur cincin grafit minangka pandhuan kecuahan (IG) ing Crucible kanggo entuk aturan konvelasi solusi solusi suhu dhuwur. Kanthi ngoptimalake ukuran lan posisi cincin grafit, mode Pengangkutan munggah seragam bisa diadegake ing solusi suhu ing ngisor kristal lan kualitas wiji kristal, kaya sing ditampilake ing Gambar 7.

Gambar 7: (a) Asil simulasi aliran suhu suhu dhuwur lan distribusi suhu ing Crucibing; 

(b) diagram skematis piranti eksperimen lan ringkesan asil

05 Keuntungan Cara Tssg kanggo kristal tunggal sik

Kauntungan cara TSSG ing kristal tunggal sik sing ngembang ing aspek ing ngisor iki:

(1) Cara solusi suhu dhuwur kanggo kristal tunggal sik sing bisa ndandani mikrobub lan makro cacat liyane ing kristal wiji, saéngga ningkatake kualitas kristal. Ing taun 1999, Hofmann et al. Diamati lan mbuktekake liwat mikroskop optik sing mikrootub bisa ditutupi ing proses kristal sic sing tuwuh kanthi cara TSSG, kaya sing ditampilake ing Gambar 8.

Gambar 8: Ngilangi mikrotub nalika tuwuh kristal tunggal ing TSSG:

(a) mikrograph optik kristal SIC sing ditandur dening TSSG ing mode transmisi, ing endi mikrotbub ing ngisor lapisan wutah bisa katon kanthi jelas; 

(b) mikrograph optik saka wilayah sing padha ing mode refleksi, sing nuduhake yen mikroduk wis ditutupi.

(2) Dibandhingake karo cara PVT, cara TSSG bisa luwih gampang nggayuh ekspansi diameter kristal, kanthi nambah diameteripun atural fastracal kristal, kanthi efektif ningkatake efisiensi produksi piranti lan kanthi efektif nyuda biaya produksi.

Tim riset sing relevan saka Toyota lan Sumitomo Corporation wis sukses entuk teknologi diameter kristal kristensi kanthi nggunakake teknologi "menisscus dhuwur kontrol", kaya sing ditampilake ing Gambar 9 (b).

Gambar 9: (a) diagram skematis meniskus teknologi kontrol meniskus ing cara TSSG; 

(b) Ganti sudut wutah θ kanthi dhuwur lan tampilan sisih kristal SIC sing dipikolehi teknologi iki; 

(c) Wutah 20 h ing dhuwur meniscus 2,5 mm; 

(d) Wutah kanggo 10 h ing dhuwur meniscus 0,5 mm;

(e) Wutah 35 h, kanthi dhuwure meniscus kanthi bertahap nambah saka 1,5 mm kanggo regane luwih gedhe.

(3) Dibandhingake karo cara PVT, cara TSSG luwih gampang kanggo entuk doping versi p-jinis kristal sic stabil. Contone, Shirai et al. Saka Toyota dilaporake ing taun 2014, dheweke wis tahan kristal p-jinis 4h-sik karo cara TSSG, kaya sing ditampilake ing Gambar 10.

Gambar 10: (a) sisih tampilan Crystal Tunggal Crystal SIC Tanduran sing ditandur dening metode TSSG; 

(b) Foto optik transmisi bagean longitudinal saka kristal; 

(c) Morfologi lumahing ndhuwur kristal thukul saka solusi suhu kanthi isi all 3% (fraksi atom)

06 kesimpulan lan Outlook

Cara TSSG kanggo ngembang kristal sand sand saya akeh banget sajrone 20 taun kepungkur, lan sawetara tim wis tuwuh kristal sicel 4-inci kanthi dhuwur 4-inci kanthi cara TSSG.

Nanging, pangembangan teknologi iki isih mbutuhake terobosan ing aspek kunci ing ngisor iki:

(1) Sinau babagan sifat-sifat termodinamik saka solusi;

(2) imbangan antarane tingkat pertumbuhan lan kualitas kristal;

(3) panyiapan kahanan pertumbuhan kristal sing stabil;

(4) pangembangan teknologi kontrol dinamis sing direncanakake.

Sanajan cara TSSG isih ana ing mburi cara PVT, dipercaya kanthi upaya peneliti sing terus-terusan, teknologi iki bakal ditindakake kanthi cara TSSG kanthi terus-terusan kanthi cara TSSG kanthi terus-terusan lan nyopir pembangunan SIC industri.