고품질 탄화규소 단결정 제조를 위한 주요 고려 사항

실리콘 단결정 제조의 주요 방법으로는 물리 기상 수송(PVT), 상부 시드 용액 성장(TSSG), 고온 화학 기상 증착(HT-CVD) 등이 있습니다. 이 중 PVT법은 장비가 간단하고 제어가 용이하며, 장비 및 운영 비용이 저렴하여 산업 생산에 널리 채택되고 있습니다.

탄화규소 결정의 PVT 성장을 위한 핵심 기술 사항

물리적 증기 수송(PVT) 방법을 사용하여 탄화규소 결정을 성장시킬 때 다음과 같은 기술적 측면을 고려해야 합니다.

1. 성장 챔버 내 흑연 재료의 순도: 흑연 구성 요소의 불순물 함량은 5×10⁻⁶ 미만이어야 하며, 단열재 펠트의 불순물 함량은 10×10⁻⁶ 미만이어야 합니다. B 및 Al과 같은 원소는 0.1×10⁻⁶ 미만으로 유지해야 합니다.
2. 올바른 종자 결정 극성 선택: 경험적 연구에 따르면 C(0001) 면은 4H-SiC 결정을 성장시키는 데 적합한 반면, Si(0001) 면은 6H-SiC 결정을 성장시키는 데 사용됩니다.
3. 비축 시드 결정의 사용: 비축 시드 결정은 결정 성장의 대칭성을 변경하여 결정의 결함을 줄일 수 있습니다.
4. 고품질 종자 결정 결합 공정.
5. 성장 주기 동안 결정 성장 계면의 안정성 유지.

탄화규소 결정 성장을 위한 핵심 기술

1. 탄화규소 분말 도핑 기술
   탄화규소 분말에 적정량의 Ce를 도핑하면 4H-SiC 단결정의 성장을 안정화할 수 있습니다. 실제 실험 결과, Ce 도핑은 다음과 같은 효과를 나타냅니다.

• 탄화규소 결정의 성장 속도를 높입니다.
• 결정 성장의 방향을 제어하여 결정이 더 균일하고 규칙적으로 성장하도록 합니다.
• 불순물 형성을 억제하여 결함을 줄이고 단결정 및 고품질 결정 생산을 용이하게 합니다.
• 결정의 뒷면 부식을 억제하고 단결정 수율을 향상시킵니다.

• 축 및 반경 방향 온도 구배 제어 기술
  축 방향 온도 구배는 결정 성장 유형과 효율에 주로 영향을 미칩니다. 온도 구배가 지나치게 작으면 다결정이 형성되어 성장 속도가 감소할 수 있습니다. 적절한 축 방향 및 반경 방향 온도 구배는 안정적인 결정 품질을 유지하면서 빠른 SiC 결정 성장을 촉진합니다.
• 기저면 전위(BPD) 제어 기술
  BPD 결함은 주로 결정 내부의 전단 응력이 SiC의 임계 전단 응력을 초과하여 슬립 시스템을 활성화할 때 발생합니다. BPD는 결정 성장 방향에 수직이기 때문에 주로 결정 성장 및 냉각 과정에서 형성됩니다.
• 기상 조성비 조절 기술
  성장 환경에서 탄소 대 규소 비율을 높이는 것은 단결정 성장을 안정화하는 효과적인 방법입니다. 탄소 대 규소 비율이 높을수록 큰 스텝 번칭이 감소하고, 종자 결정 표면 성장 정보가 보존되며, 다형체 형성이 억제됩니다.
• 저스트레스 제어 기술
  결정 성장 중 응력은 결정면의 굽힘을 유발하여 결정 품질 저하 또는 균열 발생을 초래할 수 있습니다. 높은 응력은 또한 기저면 전위를 증가시켜 에피택셜층 품질과 소자 성능에 악영향을 미칠 수 있습니다.

6인치 SiC 웨이퍼 스캐닝 이미지

결정의 응력을 줄이는 방법:

• SiC 단결정의 거의 평형 성장을 가능하게 하기 위해 온도장 분포와 공정 매개변수를 조정합니다.
• 최소한의 제약으로 자유로운 결정 성장을 허용하기 위해 도가니 구조를 최적화합니다.
• 종자 결정과 흑연 홀더 사이의 열팽창 불일치를 줄이기 위해 종자 결정 고정 기술을 수정하십시오. 일반적인 방법은 종자 결정과 흑연 홀더 사이에 2mm 간격을 두는 것입니다.
• 현장 용광로 어닐링을 구현하고, 어닐링 온도와 기간을 조정하여 내부 응력을 완전히 해소함으로써 어닐링 공정을 개선합니다.

실리콘 카바이드 결정 성장 기술의 미래 동향

앞으로 고품질 SiC 단결정 제조 기술은 다음과 같은 방향으로 발전할 것으로 예상됩니다.

1. 대규모 성장
   탄화규소 단결정의 직경은 수 밀리미터에서 6인치, 8인치, 그리고 더 큰 12인치 크기로 발전했습니다. 대구경 SiC 결정은 생산 효율을 향상시키고 비용을 절감하며 고출력 장치의 요구를 충족합니다.
2. 고품질 성장
   고품질 SiC 단결정은 고성능 소자에 필수적입니다. 상당한 발전이 이루어졌음에도 불구하고, 마이크로파이프, 전위, 불순물과 같은 결함은 여전히 존재하여 소자 성능과 신뢰성에 영향을 미칩니다.
3. 비용 절감
   SiC 결정 제조 비용이 높아 특정 분야에서의 적용이 제한적입니다. 성장 공정 최적화, 생산 효율 향상, 그리고 원자재 비용 절감을 통해 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
4. 지능적 성장
   AI와 빅데이터의 발전으로 SiC 결정 성장 기술은 점점 더 지능형 솔루션을 채택하게 될 것입니다. 센서와 자동화 시스템을 활용한 실시간 모니터링 및 제어는 공정 안정성과 제어성을 향상시킬 것입니다. 또한, 빅데이터 분석을 통해 성장 매개변수를 최적화하여 결정 품질과 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다.

고품질 탄화규소 단결정 제조 기술은 반도체 소재 연구의 핵심입니다. 기술이 발전함에 따라 SiC 결정 성장 기술은 지속적으로 발전하여 고온, 고주파, 고출력 분야의 응용을 위한 탄탄한 기반을 제공할 것입니다.