結晶成長炉は、炭化ケイ素結晶成長。これは従来の結晶シリコングレード結晶成長炉に似ています。炉の構造はそれほど複雑ではありません。主に炉本体、加熱システム、コイル伝動機構、真空取得および測定システム、ガス経路システム、冷却システム、制御システムなどで構成されています。熱場とプロセス条件が主要な指標を決定します。炭化ケイ素結晶品質、サイズ、導電性など。
一方、成長中の温度は炭化ケイ素結晶非常に高い値であり、監視が不可能である。したがって、主な困難はプロセスそのものにある。主な困難は以下のとおりである。
（１）熱場制御の難しさ：
密閉された高温キャビティの監視は困難で制御不能です。自動化の度合いが高く、結晶成長プロセスが観察可能で制御可能な従来のシリコンベースの溶液直接引き上げ結晶成長装置とは異なり、炭化ケイ素結晶は2,000℃を超える高温環境の密閉空間で成長し、製造中に成長温度を精密に制御する必要があるため、温度制御が困難です。
（２）結晶形態の制御の難しさ：
マイクロパイプ、多形介在物、転位などの欠陥は成長過程で発生しやすく、互いに影響し合い、進化します。マイクロパイプ（MP）は数ミクロンから数十ミクロンのサイズの貫通型欠陥であり、デバイスの致命的な欠陥です。炭化ケイ素単結晶には200種類以上の結晶形がありますが、半導体製造に必要な材料はごく一部の結晶構造（4H型）のみです。結晶形の変化は成長過程で容易に発生し、多形介在物欠陥を引き起こします。そのため、シリコン-カーボン比、成長温度勾配、結晶成長速度、空気流量圧力などのパラメータを正確に制御する必要があります。さらに、炭化ケイ素単結晶の成長熱場には温度勾配があり、結晶成長過程で固有の内部応力とそれに伴う転位（基底面転位BPD、らせん転位TSD、刃状転位TED）が発生し、その後のエピタキシャル成長やデバイスの品質と性能に影響を与えます。
（３）ドーピング検査の難しさ：
方向性ドーピングを有する導電性結晶を得るためには、外部不純物の混入を厳密に制御する必要がある。
（４）成長率が低い：
炭化ケイ素の成長速度は非常に遅い。従来のシリコン材料は結晶棒に成長するのにわずか3日しかかからないのに対し、炭化ケイ素の結晶棒は7日もかかる。このため、炭化ケイ素の生産効率は必然的に低く、生産量も非常に限られている。
一方、炭化ケイ素エピタキシャル成長のパラメータは、装置の気密性、反応チャンバー内のガス圧の安定性、ガス導入時間の精密制御、ガス比の精度、成膜温度の厳密な管理など、極めて高い要求水準が求められます。特に、デバイスの耐電圧レベルの向上に伴い、エピタキシャルウェーハのコアパラメータの制御は著しく困難になっています。さらに、エピタキシャル層の厚さが増加するにつれて、厚さを確保しながら抵抗率の均一性を制御し、欠陥密度を低減する方法が、もう一つの大きな課題となっています。電動制御システムにおいては、高精度センサとアクチュエータを統合し、様々なパラメータを正確かつ安定的に制御できるようにする必要があります。同時に、制御アルゴリズムの最適化も重要です。炭化ケイ素エピタキシャル成長プロセスにおける様々な変化に対応するため、フィードバック信号に基づいて制御戦略をリアルタイムで調整できる必要があります。
主な困難は炭化ケイ素基板製造：
投稿日時：2024年6月7日