탄화규소(SiC) 단결정 성장

탄화규소는 발견 이후 광범위한 관심을 불러일으켰습니다. 탄화규소는 절반은 Si 원자, 절반은 C 원자로 구성되어 있으며, 이들은 sp3 혼성 오비탈을 공유하는 전자쌍을 통해 공유 결합으로 연결되어 있습니다. 단결정의 기본 구조 단위에서 네 개의 Si 원자는 정사면체 구조로 배열되고, C 원자는 정사면체의 중심에 위치합니다. 반대로 Si 원자를 정사면체의 중심으로 간주하여 SiC4 또는 CSi4와 같은 정사면체 구조를 형성할 수도 있습니다. SiC의 공유 결합은 매우 이온성이 강하며, 실리콘-탄소 결합 에너지는 약 4.47eV로 매우 높습니다. 낮은 적층 결함 에너지로 인해 탄화규소 결정은 성장 과정에서 다양한 다형체를 쉽게 형성합니다. 알려진 다형체는 200가지가 넘으며, 크게 입방정계, 육방정계, 삼방정계 세 가지로 나눌 수 있습니다.

현재 SiC 결정 성장의 주요 방법으로는 물리적 수송법(PVT법), 고온 화학 기상 증착법(HTCVD법), 액상법 등이 있다. 그중 PVT법은 더욱 성숙되어 있으며 산업적 대량 생산에 더 적합하다.

소위 PVT(Public Vapor Transfer) 방법은 도가니 상단에 SiC 종자 결정을 놓고, 도가니 하단에 원료인 SiC 분말을 넣는 것을 말합니다. 고온 저압의 밀폐된 환경에서 SiC 분말은 온도 구배와 농도 차이에 의해 승화되어 위쪽으로 이동합니다. 이는 SiC 분말을 종자 결정 근처로 이송한 후 과포화 상태에 도달하게 하여 재결정화하는 방법입니다. 이 방법을 통해 SiC 결정의 크기와 특정 결정 형태를 제어하여 성장시킬 수 있습니다.
하지만 PVT 방법을 이용하여 SiC 결정을 성장시킬 때는 장기간의 성장 과정 동안 항상 적절한 성장 조건을 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 격자 구조가 불규칙해져 결정 품질이 저하될 수 있습니다. 더욱이 SiC 결정 성장은 밀폐된 공간에서 이루어지기 때문에 효과적인 모니터링 방법이 부족하고 변수가 많아 공정 제어가 어렵습니다.

PVT 방법을 이용한 SiC 결정 성장 과정에서, 단결정 형태의 안정적인 성장을 위한 주요 메커니즘은 계단 흐름 성장(Step Flow Growth)으로 여겨진다.
기화된 Si 원자와 C 원자는 결정 표면의 꺾임점에서 우선적으로 결합하여 핵을 형성하고 성장하며, 각 계단이 평행하게 진행되도록 합니다. 결정 표면의 계단 폭이 흡착 원자의 자유 확산 경로를 훨씬 초과하면, 많은 흡착 원자가 응집되어 2차원 섬 형태의 성장 모드가 형성되고, 이는 계단 흐름 성장 모드를 파괴하여 4H 결정 구조 정보의 손실을 초래하고 다형성 결함을 발생시킵니다. 따라서 공정 변수 조정을 통해 표면 계단 구조를 제어하고 다형성 결함 발생을 억제하여 단일 결정 형태를 얻고 궁극적으로 고품질 결정을 제조해야 합니다.

가장 먼저 개발된 SiC 결정 성장 방법인 물리적 기상 수송법(PVDT)은 현재 SiC 결정 성장에 가장 널리 사용되는 방법입니다. 다른 방법에 비해 성장 장비 요구 사항이 낮고, 성장 공정이 간단하며, 제어성이 뛰어나고, 연구 개발이 비교적 잘 이루어져 이미 산업 현장에 적용되고 있습니다. HTCVD 방식의 장점은 전도성(n, p) 웨이퍼와 고순도 반절연 웨이퍼를 성장시킬 수 있고, 도핑 농도를 제어하여 웨이퍼 내 캐리어 농도를 3×10¹³~5×10¹⁹/cm³ 범위로 조절할 수 있다는 점입니다. 단점으로는 높은 기술적 진입 장벽과 낮은 시장 점유율이 있습니다. 액상 SiC 결정 성장 기술이 지속적으로 발전함에 따라 향후 SiC 산업 전반의 발전을 이끌고 SiC 결정 성장 분야의 새로운 돌파구가 될 것으로 기대됩니다.