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

이 중 PVT 방식은 장비 설치가 비교적 간단하고, 조작과 제어가 쉬우며, 장비 및 운영 비용이 낮기 때문에 산업 생산의 주요 기술이 되었습니다.

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PVT법을 이용한 SiC 결정성장의 핵심 기술 포인트

PVT 방법을 사용하여 탄화규소 결정을 성장시키려면 몇 가지 기술적 측면을 주의 깊게 제어해야 합니다.

1. 열 분야에서 흑연 재료의 순도
   결정 성장 열 분야에 사용되는 흑연 재료는 엄격한 순도 요건을 충족해야 합니다. 흑연 부품의 불순물 함량은 5×10⁻⁶ 미만이어야 하며, 단열 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 데이터는 C면(0001)이 4H-SiC 결정 성장에 적합한 반면, Si면(0001)은 6H-SiC 성장에 적합하다는 것을 보여줍니다.

3. 축외 시드 결정의 사용
   축외 씨앗은 성장 대칭성을 바꾸고, 결정 결함을 줄이며, 더 나은 결정 품질을 촉진할 수 있습니다.

4. 신뢰할 수 있는 종자 결정 결합 기술
   성장 중 안정성을 유지하려면 종자 결정과 홀더 사이의 적절한 결합이 필수적입니다.

5. 성장 인터페이스의 안정성 유지
   결정 성장 주기 전체 동안 성장 계면은 안정적으로 유지되어야만 고품질 결정 발달이 보장됩니다.

 

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SiC 결정 성장의 핵심 기술

1. SiC 분말 도핑 기술

SiC 분말에 세륨(Ce)을 도핑하면 4H-SiC와 같은 단일 폴리타입의 성장을 안정화할 수 있습니다. 실제 실험 결과, Ce 도핑은 다음과 같은 효과를 발휘하는 것으로 나타났습니다.

• SiC 결정의 성장 속도를 증가시킵니다.

• 보다 균일하고 방향성 있는 성장을 위해 결정 방향을 개선합니다.

• 불순물과 결함을 줄입니다.

• 크리스탈의 뒷면 부식을 억제합니다.

• 단결정 수율 향상

2. 축 방향 및 반경 방향 열 구배 제어

축 방향 온도 구배는 결정 다형과 성장 속도에 영향을 미칩니다. 구배가 너무 작으면 다형 내포물이 생성되고 기상에서 물질 이동이 감소할 수 있습니다. 일관된 품질로 빠르고 안정적인 결정 성장을 위해서는 축 방향 및 방사 방향 온도 구배를 모두 최적화하는 것이 중요합니다.

3. 기저면 전위(BPD) 제어 기술

BPD는 주로 SiC 결정에서 임계 한계점을 초과하는 전단 응력으로 인해 발생하며, 이로 인해 슬립 시스템이 활성화됩니다. BPD는 성장 방향에 수직이기 때문에 일반적으로 결정 성장 및 냉각 과정에서 발생합니다. 내부 응력을 최소화하면 BPD 밀도를 크게 줄일 수 있습니다.

4. 기상 조성비 제어

기상에서 탄소-규소 비율을 높이는 것은 단일 폴리타입 성장을 촉진하는 검증된 방법입니다. 높은 C/Si 비율은 매크로스텝 번칭을 줄이고 시드 결정으로부터 표면 유전을 유지하여 원치 않는 폴리타입의 형성을 억제합니다.

5. 저스트레스 성장 기술

결정 성장 중 응력은 격자면의 휘어짐, 균열, 그리고 높은 BPD 밀도를 초래할 수 있습니다. 이러한 결함은 에피택셜층으로 전이되어 소자 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

내부 결정 응력을 줄이는 몇 가지 전략은 다음과 같습니다.

• 열장 분포와 공정 매개변수를 조정하여 평형에 가까운 성장을 촉진합니다.

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

• 가열 중 씨앗과 흑연 사이의 열 팽창 불일치를 줄이기 위해 씨앗 홀더 구성을 개선합니다. 종종 씨앗과 홀더 사이에 2mm 간격을 두는 방법이 있습니다.

• 정련 어닐링 공정은 결정을 용광로에서 식히고 온도와 지속 시간을 조절하여 내부 응력을 완전히 해소하는 과정입니다.

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SiC 결정 성장 기술의 동향

1. 더 큰 결정 크기
SiC 단결정의 직경은 불과 몇 밀리미터에서 6인치, 8인치, 심지어 12인치 웨이퍼까지 커졌습니다. 웨이퍼 크기가 커질수록 생산 효율이 높아지고 비용은 절감되는 동시에 고전력 소자 애플리케이션의 요구 사항도 충족합니다.

2. 더 높은 결정 품질
고품질 SiC 결정은 고성능 소자에 필수적입니다. 상당한 개선에도 불구하고, 현재 결정은 여전히 마이크로파이프, 전위, 불순물과 같은 결함을 가지고 있으며, 이러한 결함은 모두 소자의 성능과 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

3. 비용 절감
SiC 결정 생산은 여전히 상대적으로 비용이 많이 들기 때문에 광범위한 적용을 제한하고 있습니다. 최적화된 성장 공정, 생산 효율 향상, 그리고 원자재 비용 절감을 통한 비용 절감은 시장 적용 분야 확대에 필수적입니다.

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

고품질 SiC 단결정 성장 기술 개발은 반도체 소재 연구의 주요 초점입니다. 기술이 발전함에 따라 결정 성장 방법은 지속적으로 발전하고 개선될 것이며, 고온, 고주파 및 고전력 전자 소자에서 SiC 응용 분야를 위한 탄탄한 기반을 제공할 것입니다.