結晶成長炉は、炭化ケイ素結晶成長炉は従来の結晶シリコングレードの結晶成長炉と類似しており、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、コイル伝達機構、真空取得・測定システム、ガスパスシステム、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、結晶成長の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く、監視が不可能です。したがって、主な困難はプロセス自体にあります。主な困難は次のとおりです。
（１）熱場制御の難しさ：
高温密閉空洞の監視は困難で制御不能です。従来のシリコン系溶液直接引張結晶成長装置は高度な自動化と結晶成長プロセスの観察・制御が可能でしたが、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するため、製造工程において成長温度を精密に制御する必要があり、温度制御が困難です。
（２）結晶形態制御の難しさ：
成長過程では、マイクロパイプ、多形介在物、転位などの欠陥が発生しやすく、互いに影響を及ぼし合いながら進展していきます。マイクロパイプ（MP）は、数ミクロンから数十ミクロンの大きさ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種類以上の結晶構造がありますが、製造に必要な半導体材料となるのはごく少数の結晶構造（4H型）です。成長過程では結晶構造の変態が起こりやすく、多形介在物欠陥が発生します。そのため、シリコンと炭素の比率、成長温度勾配、結晶成長速度、空気流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。また、炭化ケイ素単結晶成長の熱場には温度勾配があり、結晶成長過程で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・性能に影響を与えます。
（３）困難なドーピング管理：
方向性ドーピングによる導電性結晶を得るには、外部不純物の導入を厳密に制御する必要があります。
（4）成長率の低さ：
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、炭化ケイ素結晶棒は7日かかる。そのため、炭化ケイ素の生産効率は必然的に低下し、生産量は非常に限られてしまう。
一方、シリコンカーバイドエピタキシャル成長のパラメータは、装置の気密性、反応室内のガス圧の安定性、ガス導入時間の精密制御、ガス比率の精度、堆積温度の厳格な管理など、極めて厳しい要求が課せられます。特に、装置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制御の難易度は著しく高まっています。また、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ことが、新たな大きな課題となっています。電動制御システムでは、高精度センサーとアクチュエータを統合し、各種パラメータを正確かつ安定的に制御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。フィードバック信号に応じて制御戦略をリアルタイムで調整し、シリコンカーバイドエピタキシャル成長プロセスのさまざまな変化に適応する必要があります。
主な困難炭化ケイ素基板製造:
投稿日時: 2024年6月7日