炭化ケイ素は発見以来、広く注目を集めてきました。炭化ケイ素は、半分のSi原子と半分のC原子から構成され、sp3混成軌道を共有する電子対を介して共有結合で結ばれています。その単結晶の基本構造単位において、4つのSi原子は正四面体構造に配置され、C原子は正四面体の中心に位置しています。逆に、Si原子を正四面体の中心とみなすこともでき、その場合はSiC4またはCSi4の正四面体構造を形成します。SiCの共有結合は非常にイオン性が高く、ケイ素-炭素結合エネルギーは約4.47eVと非常に高いです。積層欠陥エネルギーが低いため、炭化ケイ素結晶は成長過程で容易に様々な多形を形成します。200種類以上の多形が知られており、立方晶、六方晶、三方晶の3つの主要なカテゴリに分類できます。
現在、SiC結晶の主な成長方法には、物理気相輸送法（PVT法）、高温化学気相成長法（HTCVD法）、液相法などがある。中でも、PVT法はより成熟しており、工業的な大量生産に適している。
いわゆるPVT法とは、るつぼの上部にSiC種結晶を、るつぼの底部に原料となるSiC粉末を配置する手法である。高温低圧の密閉環境下で、SiC粉末は温度勾配と濃度差の作用により昇華し、上昇する。そして、種結晶の近傍まで移動させ、過飽和状態に達した後に再結晶化させる。この方法により、SiC結晶のサイズと結晶形態を制御可能に成長させることができる。
しかし、PVT法を用いてSiC結晶を成長させるには、長期にわたる成長過程において常に適切な成長条件を維持する必要があり、そうしないと格子欠陥が生じ、結晶の品質に悪影響を及ぼす。さらに、SiC結晶の成長は閉鎖空間で行われるため、効果的なモニタリング方法が少なく、多くの変数が存在するため、プロセス制御が困難である。
PVT法によるSiC結晶の成長過程において、ステップフロー成長モード（ステップフロー成長）は、単結晶形態の安定的な成長のための主要なメカニズムであると考えられている。
気化したSi原子とC原子は、キンクポイントで結晶表面原子と優先的に結合し、そこで核生成と成長を起こし、各ステップが平行に前方に流れます。結晶表面のステップ幅が吸着原子の拡散自由行程をはるかに超えると、多数の吸着原子が凝集し、形成された二次元島状成長モードがステップフロー成長モードを破壊し、4H結晶構造情報の損失、ひいては多重欠陥の発生につながります。したがって、プロセスパラメータの調整によって表面ステップ構造を制御し、多形欠陥の発生を抑制し、単結晶形態を得るという目的を達成し、最終的に高品質の結晶を作製する必要があります。
最も早く開発された SiC 結晶成長法である物理気相輸送法は、現在 SiC 結晶を成長させるための最も主流の成長法です。他の方法と比較して、この方法は成長装置の要求が低く、成長プロセスが単純で、制御性が高く、開発研究が比較的徹底しており、すでに産業応用が実現しています。HTCVD 法の利点は、導電性 (n、p) ウェーハと高純度半絶縁性ウェーハを成長させることができ、ドーピング濃度を制御できるため、ウェーハ内のキャリア濃度を 3×10¹³〜5×10¹⁹/cm³ の間で調整できることです。欠点は、技術的ハードルが高く、市場シェアが低いことです。液相 SiC 結晶成長技術が成熟し続けるにつれて、将来的に SiC 産業全体を前進させる大きな可能性を示し、SiC 結晶成長の新たなブレークスルーポイントとなる可能性が高いです。
投稿日時：2024年4月16日