PVT法（正式名称は物理気相輸送法）は、炭化ケイ素（SiC高温高圧下で結晶を成長させる。その基本原理は、炭化ケイ素粉末を2300℃以上の温度で真空に近い低圧環境下で昇華させ、Si、Si2C、SiC2などの気体成分を含む反応ガスを生成することである。固相昇華反応によって生成されるSiとC成分の気相分圧が異なるため、Si/Cの化学量論比は熱場分布によって変化する。したがって、成長チャンバー内の特定の結晶化位置に到達するように、気相成分の分布と輸送を制御する必要がある。
気相結晶化による多結晶炭化物の形成を防ぐため、成長チャンバー上部に炭化ケイ素種結晶を設置する。気相過飽和の駆動力により、気相成分が種結晶表面に析出し、炭化ケイ素単結晶が形成される。反応プロセス全体は密閉された成長チャンバー内で行われ、反応システムのすべてのパラメータが相互に連動している。成長条件に何らかの変動が生じると、単結晶成長の安定性に影響を与える。
さらに、炭化ケイ素単結晶は結晶方位によって密充填構造が異なるため、原子の結合様式も多様化し、200種類以上の異性体結晶構造が形成されます。異なる結晶構造間のエネルギー変換障壁は非常に低いため、PVT単結晶成長システムでは結晶構造の変換が起こりやすく、その結果、目的とする結晶構造が乱れたり、様々な結晶化欠陥が生じたりします。したがって、結晶インゴットの結晶構造や様々な欠陥を検出するためには、専用の検査装置を使用する必要があります。
炭化ケイ素の製造工程には極めて高い要求があり、主に以下の点に表れています。
- 炭化ケイ素粉末の合成プロセスには多くの環境不純物が混入するため、高純度粉末を得ることは困難である。反応源となるケイ素粉末と炭素粉末との反応が不完全であるため、Si/C比の不均衡が生じやすい。合成後の炭化ケイ素粉末の結晶構造や粒径を制御することも難しい。
- 2300℃を超える高温かつほぼ真空の条件下では、炭化ケイ素は密閉された黒鉛チャンバー内で「固相-気相-固相」の相転移と再結晶化プロセスを経て成長する。このプロセスは成長サイクルが長く、制御が難しく、微小管や介在物などの欠陥が生じやすい。
- 炭化ケイ素には200種類以上の結晶形が存在するが、製造には通常1種類の結晶形しか必要とされない。成長過程において結晶形の相転移が起こりやすく、その結果、多種類の介在物欠陥が生じる。製造過程において、特定の結晶形を安定的に制御することは困難であり、異なる結晶形間のエネルギー変換障壁が極めて低いため、制御の難易度がさらに高まる。この期間におけるパラメータ制御および関連研究には莫大な研究開発費が必要となり、これが高コストな炭化ケイ素の理由の一つとなっている。
投稿日時：2025年7月3日