탄화규소 단결정을 성장시키는 주요 방법에는 물리적 증기 수송(PVT), 상부 시드 용액 성장(TSSG) 및 고온 화학 기상 증착(HT-CVD)이 있습니다.

이러한 방법들 중에서 PVT 방식은 장비 설치가 비교적 간단하고, 작동 및 제어가 용이하며, 장비 및 운영 비용이 저렴하기 때문에 산업 생산에서 주요 기술로 자리 잡았습니다.

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PVT 방법을 이용한 SiC 결정 성장의 주요 기술적 특징

PVT 방법을 이용하여 탄화규소 결정을 성장시키려면 몇 가지 기술적 측면을 신중하게 제어해야 합니다.

1. 열 분야에서 흑연 재료의 순도
   결정 성장 열 분야에 사용되는 흑연 재료는 엄격한 순도 요구 사항을 충족해야 합니다. 흑연 구성 요소의 불순물 함량은 5×10⁻⁶ 미만이어야 하며, 절연 펠트의 경우 10×10⁻⁶ 미만이어야 합니다. 특히, 붕소(B)와 알루미늄(Al)의 함량은 각각 0.1×10⁻⁶ 미만이어야 합니다.

2. 종자 결정의 올바른 극성
   경험적 데이터에 따르면 C면(0001)은 4H-SiC 결정 성장에 적합하고 Si면(0001)은 6H-SiC 성장에 적합한 것으로 나타났습니다.

3. 비축 방향 종자 결정의 사용
   축에서 벗어난 위치에 씨앗을 놓으면 성장 대칭성을 변경하고, 결정 결함을 줄이며, 더 나은 결정 품질을 촉진할 수 있습니다.

4. 신뢰할 수 있는 종자 결정 결합 기술
   종자 결정과 홀더 사이의 적절한 결합은 성장 과정 중 안정성을 위해 필수적입니다.

5. 성장 인터페이스의 안정성 유지
   고품질 결정 형성을 위해서는 결정 성장 주기 전체에 걸쳐 성장 계면이 안정적으로 유지되어야 합니다.

 

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SiC 결정 성장 핵심 기술

1. SiC 분말용 도핑 기술

세륨(Ce)으로 SiC 분말을 도핑하면 4H-SiC와 같은 단일 다형체의 성장을 안정화할 수 있습니다. 실제 실험 결과, Ce 도핑은 다음과 같은 효과를 나타내는 것으로 확인되었습니다.

• SiC 결정의 성장 속도를 높인다.

• 보다 균일하고 방향성 있는 성장을 위해 결정 배향을 개선합니다.

• 불순물과 결함을 줄입니다.

• 결정의 뒷면 부식을 억제합니다.

• 단결정 수율을 향상시키세요.

2. 축 방향 및 방사 방향 열 구배 제어

축 방향 온도 구배는 결정의 다형성과 성장 속도에 영향을 미칩니다. 구배가 너무 작으면 다형성 불순물이 생성되고 기상에서의 물질 이동이 감소할 수 있습니다. 일관된 품질을 유지하면서 빠르고 안정적인 결정을 성장시키려면 축 방향 및 방사 방향 구배를 모두 최적화하는 것이 중요합니다.

3. 기저면 전위(BPD) 제어 기술

BPD(Bottom Particle Deposition, 결정립계 결함)는 주로 SiC 결정에서 전단 응력이 임계값을 초과하여 슬립 시스템이 활성화될 때 발생합니다. BPD는 성장 방향에 수직이므로 일반적으로 결정 성장 및 냉각 중에 발생합니다. 내부 응력을 최소화하면 BPD 밀도를 크게 줄일 수 있습니다.

4. 기체상 조성비 제어

기상에서 탄소 대 실리콘 비율을 높이는 것은 단일 다형체 성장을 촉진하는 효과적인 방법으로 입증되었습니다. 높은 C/Si 비율은 거시적인 결정 단계의 뭉침 현상을 줄이고 종자 결정으로부터 표면 특성을 유지하여 원치 않는 다형체의 형성을 억제합니다.

5. 저스트레스 성장 기법

결정 성장 중 발생하는 응력은 휘어진 격자면, 균열 및 높은 BPD 밀도를 유발할 수 있습니다. 이러한 결함은 에피택셜 층으로 전이되어 소자 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

결정 내부 응력을 줄이기 위한 몇 가지 전략은 다음과 같습니다.

• 열장 분포 및 공정 매개변수를 조정하여 평형에 가까운 성장을 촉진합니다.

• 기계적 제약 없이 결정이 자유롭게 성장할 수 있도록 도가니 설계를 최적화합니다.

• 가열 과정에서 씨앗과 흑연 사이의 열팽창 불일치를 줄이기 위해 씨앗 홀더의 구성을 개선하는데, 일반적으로 씨앗과 홀더 사이에 2mm의 간격을 두는 방식을 사용합니다.

• 어닐링 공정을 개선하여 결정이 용광로와 함께 냉각되도록 하고, 온도와 시간을 조절하여 내부 응력을 완전히 해소합니다.

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SiC 결정 성장 기술의 동향

1. 더 큰 결정 크기
실리콘 산화물(SiC) 단결정 웨이퍼의 직경이 불과 몇 밀리미터에서 6인치, 8인치, 심지어 12인치까지 커졌습니다. 웨이퍼 크기가 커짐에 따라 생산 효율이 향상되고 비용이 절감되는 동시에 고출력 소자 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있게 되었습니다.

2. 더 높은 결정 품질
고품질 SiC 결정은 고성능 소자에 필수적입니다. 상당한 개선에도 불구하고, 현재의 결정에는 여전히 미세관, 전위, 불순물과 같은 결함이 존재하며, 이러한 결함들은 소자의 성능과 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

3. 비용 절감
SiC 결정 생산은 여전히 ​​상대적으로 비용이 많이 들어 광범위한 보급을 제한하고 있습니다. 시장 적용 범위를 확대하기 위해서는 성장 공정 최적화, 생산 효율 증대, 원자재 비용 절감을 통해 비용을 줄이는 것이 중요합니다.

4. 지능형 제조
인공지능과 빅데이터 기술의 발전으로 SiC 결정 성장 공정은 지능적이고 자동화된 방향으로 나아가고 있습니다. 센서와 제어 시스템은 성장 조건을 실시간으로 모니터링하고 조정하여 공정 안정성과 예측 가능성을 향상시킬 수 있습니다. 데이터 분석을 통해 공정 매개변수와 결정 품질을 더욱 최적화할 수 있습니다.

고품질 SiC 단결정 성장 기술 개발은 반도체 재료 연구의 주요 과제입니다. 기술이 발전함에 따라 결정 성장 방법도 지속적으로 발전하고 개선되어 고온, 고주파, 고출력 전자 장치 분야에서 SiC 응용을 위한 견고한 기반을 제공할 것입니다.