SiC 탄화규소 단결정의 성장

탄화규소는 발견 이후 폭넓은 관심을 받아왔습니다. 탄화규소는 반쪽 Si 원자와 반쪽 C 원자로 구성되어 있으며, 이들은 sp3 혼성 오비탈을 공유하는 전자쌍을 통해 공유 결합으로 연결되어 있습니다. 단결정의 기본 구조 단위는 네 개의 Si 원자가 규칙적인 사면체 구조를 이루며, C 원자는 이 규칙적인 사면체의 중심에 위치합니다. 반대로, Si 원자는 사면체의 중심으로 간주될 수도 있으며, 따라서 SiC4 또는 CSi4를 형성합니다. 사면체 구조. SiC의 공유 결합은 높은 이온성을 가지며, 실리콘-탄소 결합 에너지는 약 4.47eV로 매우 높습니다. 낮은 적층 결함 에너지 덕분에 탄화규소 결정은 성장 과정에서 다양한 다형을 쉽게 형성합니다. 200개 이상의 다형이 알려져 있으며, 이는 입방정계, 육방정계, 삼방정계의 세 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다.

현재 SiC 결정의 주요 성장 방법으로는 물리 기상 수송법(PVT법), 고온 화학 기상 증착법(HTCVD법), 액상법 등이 있습니다. 그 중 PVT법은 더 성숙되어 있으며 산업적 대량 생산에 더 적합합니다.

PVT(Physical Transition)법은 SiC 종결정을 도가니 상단에 배치하고, SiC 분말을 원료로 도가니 하단에 배치하는 방식을 말합니다. 고온 저압의 밀폐된 환경에서 SiC 분말은 온도 구배와 농도 차이의 영향으로 승화하여 위로 이동합니다. 종결정 근처로 이동시킨 후 과포화 상태에 도달하면 재결정하는 방법입니다. 이 방법은 SiC 결정 크기와 특정 결정 형태를 제어 가능한 방식으로 성장시킬 수 있습니다.
그러나 PVT법을 이용하여 SiC 결정을 성장시키려면 장기적인 성장 과정 동안 항상 적절한 성장 조건을 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 격자 불안정으로 이어져 결정의 품질에 영향을 미칩니다. 그러나 SiC 결정 성장은 밀폐된 공간에서 이루어지기 때문에 효과적인 모니터링 방법이 부족하고 변수가 많아 공정 제어가 어렵습니다.

PVT법으로 SiC 결정을 성장시키는 과정에서, 계단형 성장 모드(Step Flow Growth)가 단결정 형태의 안정적인 성장을 위한 주요 메커니즘으로 여겨진다.
기화된 Si 원자와 C 원자는 킹크 지점에서 결정 표면 원자와 우선적으로 결합하여 핵을 형성하고 성장하며, 각 단계가 평행하게 앞으로 흐르게 됩니다. 결정 표면의 단계 폭이 흡착 원자의 확산 자유 경로를 크게 초과하면, 많은 흡착 원자가 응집될 수 있으며, 형성된 2차원 섬 모양 성장 모드가 단계 흐름 성장 모드를 파괴하여 4H 결정 구조 정보를 손실시켜 다중 결함을 초래합니다. 따라서 공정 변수 조정을 통해 표면 단계 구조를 제어하여 다형성 결함의 발생을 억제하고, 단결정 형태를 얻고, 궁극적으로 고품질 결정을 제조하는 목표를 달성해야 합니다.

가장 먼저 개발된 SiC 결정 성장 방법으로서, 물리 기상 수송법은 현재 SiC 결정 성장을 위한 가장 주류 성장 방법입니다. 이 방법은 다른 방법과 비교하여 성장 장비에 대한 요구 사항이 낮고, 성장 공정이 간단하며, 제어성이 뛰어나고, 비교적 철저한 개발 연구가 이루어졌으며, 이미 산업적 응용을 달성했습니다. HTCVD 방법의 장점은 전도성(n, p) 및 고순도 반절연 웨이퍼를 성장시킬 수 있으며, 웨이퍼의 캐리어 농도를 3×1013~5×1019/cm3 사이에서 조절할 수 있도록 도핑 농도를 제어할 수 있다는 것입니다. 단점은 높은 기술적 한계와 낮은 시장 점유율입니다. 액상 SiC 결정 성장 기술이 계속 성숙함에 따라, 이는 미래에 전체 SiC 산업을 발전시키는 데 큰 잠재력을 보여줄 것이며, SiC 결정 성장의 새로운 돌파구가 될 가능성이 높습니다.