SiC실리콘 카바이드는 넓은 밴드갭, 높은 열전도율, 높은 임계 항복 전계 강도, 높은 전자 포화 드리프트율 등의 특성을 지니고 있어 고온, 고압, 고주파, 고출력 환경에서의 응용 요건을 충족할 수 있습니다. 신에너지 자동차, 태양광 발전, 산업 제어, 무선 주파수 통신 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 관련 산업의 급속한 발전과 함께 실리콘 카바이드가 대표하는 3세대 반도체 시장은 새로운 기회를 맞이하고 있습니다.
결정 성장은 탄화규소 기판 생산의 핵심 단계이며, 핵심 장비는 결정 성장로입니다. 기존의 결정질 실리콘 등급 결정 성장로와 유사하게, 이 로의 구조는 그다지 복잡하지 않습니다. 주로 로 본체, 가열 시스템, 코일 전달 메커니즘, 진공 획득 및 측정 시스템, 가스 통로 시스템, 냉각 시스템, 제어 시스템 등으로 구성됩니다. 열 환경과 공정 조건은 탄화규소 결정의 품질, 크기, 전도도 및 기타 주요 지표를 결정합니다.
Ⅰ. 탄화규소 결정 성장 기술의 어려움
탄화규소 결정 성장의 온도는 매우 높아서 제어할 수 없으므로, 주된 어려움은 공정 자체에 있다.
(1)열장 제어의 어려움밀폐된 고온 공간의 모니터링은 어렵고 제어가 불가능합니다. 자동화 수준이 높고 결정 성장 과정을 관찰, 제어 및 조정할 수 있는 기존의 실리콘 기반 용액 인발 결정 성장 장비와 달리, 탄화규소 결정은 2,000°C 이상의 고온 환경의 밀폐된 공간에서 성장하며, 생산 과정에서 성장 온도를 정밀하게 제어해야 하므로 온도 제어가 어렵습니다.
(2)결정 형태 제어의 어려움성장 과정에서 미세관, 다형성 개재물, 전위 및 기타 결함이 발생하기 쉬우며, 이러한 결함들은 서로 영향을 주고받으며 진화합니다. 미세관(MP)은 수 마이크론에서 수십 마이크론 크기의 관통형 결함으로, 소자의 치명적인 결함입니다. 탄화규소 단결정은 200가지가 넘는 다양한 결정 형태를 가지고 있지만, 그중에서도 몇 가지 결정 구조만이 (4H 타입실리콘, 탄소, 실리콘(SiO₂)은 반도체 생산에 필요한 재료입니다. 결정 성장 과정에서 결정 형태 변형이 발생하기 쉬우며, 이로 인해 다형성 불순물이 생성될 수 있습니다. 따라서 실리콘-탄소 비율, 성장 온도 구배, 결정 성장 속도, 가스 유량 압력 등의 매개변수를 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.
또한, 탄화규소 단결정 성장 과정의 열장에는 온도 구배가 존재하며, 이는 결정 성장 과정 중에 고유한 내부 응력과 그로 인한 전위(기저면 전위(BPD), 나사 전위(TSD), 모서리 전위(TED))를 유발하여 후속 에피택시 및 소자의 품질과 성능에 영향을 미칩니다.
(3)도핑 관리가 어렵습니다방향성 도핑이 적용된 전도성 결정을 얻기 위해서는 외부 불순물의 유입을 엄격하게 제어해야 합니다.
(4)느린 성장률탄화규소의 성장 속도는 매우 느립니다. 전통적인실리콘 소재이 물질은 결정 막대로 성장하는 데 단 3일밖에 걸리지 않지만, 탄화규소 결정 막대는 7일이 걸립니다. 이로 인해 탄화규소의 생산 효율이 자연스럽게 낮아지고 생산량도 매우 제한적입니다.
반면, 탄화규소 에피택셜 성장 공정은 장비의 기밀성, 반응 챔버 내 가스 압력의 안정성, 가스 주입 시간의 정밀한 제어, 가스 비율의 정확성, 증착 온도의 엄격한 관리 등 여러 매개변수에 매우 까다로운 조건을 요구합니다. 특히, 소자의 내전압 수준이 향상됨에 따라 에피택셜 웨이퍼의 핵심 매개변수를 제어하는 난이도가 크게 증가했습니다.
또한, 에피택셜 층의 두께가 증가함에 따라 두께를 유지하면서 저항률의 균일성을 제어하고 결함 밀도를 줄이는 것이 또 다른 주요 과제가 되었습니다. 전동 제어 시스템에서는 다양한 매개변수를 정확하고 안정적으로 제어하기 위해 고정밀 센서와 액추에이터를 통합해야 합니다. 동시에 제어 알고리즘의 최적화 또한 매우 중요합니다. 피드백 신호에 따라 실시간으로 제어 전략을 조정하여 다양한 변화에 적응할 수 있어야 합니다.탄화규소 에피택셜 성장프로세스.
Ⅱ. 탄화규소 기판 제조의 주요 어려움:
1. 성장 온도는 2000℃ 이상으로, 실리콘의 두 배에 달합니다.
2. 결정 성장 기간 동안 결정 막대의 두께는 얇으며, 7일 만에 2cm 길이의 탄화규소 결정 막대가 성장합니다.
3. 결정 형태에 대한 요구 조건이 높으며, 결정 구조를 가진 단결정 탄화규소는 극히 드물다.
4. 절삭 마모가 심하고, 탄화규소는 경도가 매우 높습니다.
요약하자면, 높은 제조 시간과 복잡한 가공 기술로 인해 탄화규소 기판의 가격이 높고, 이는 탄화규소의 응용 분야를 제한하는 요인이 됩니다.
III. 결정 성장로의 분류
가열 방식에 따라 결정 성장로는 유도식과 저항식으로 나눌 수 있다. 현재 시판되는 장비의 대부분은 유도식으로, 저렴한 가격, 간단한 구조, 편리한 유지 보수 및 높은 열효율이라는 장점을 가지고 있다. 그러나 전자기 유도 효과로 인해 유도 가열은 축 방향 온도와 반경 방향 온도가 서로 연관되어 나타나므로 결정 성장 속도와 결정 성장 품질을 동시에 고려하기 어렵다.
저항 열장 성장 플랫폼은 축 방향 온도와 반경 방향 온도를 각각 정밀하게 제어할 수 있어 대형 결정 성장에 유리하고 결정 성장 속도를 향상시킵니다. 이는 향후 고품질 8인치 탄화규소 결정 성장을 위한 해결책 중 하나입니다.
유도법과 저항법의 비교:
| 유도법 | 저항법 | |
| 작동 원리 | 유도 가열은 전류의 자기 효과를 이용하여 공작물 표면층에 비교적 높은 밀도의 유도 전류를 발생시켜 오스테나이트 상태까지 빠르게 가열한 다음, 급속 냉각하여 마르텐사이트 구조를 얻는 열처리 방법입니다. | 저항 가열은 도체를 통과하는 전류에 의해 발생하는 줄열을 열원으로 사용합니다. 저항 가열은 간접 저항 가열(전기 발열체 또는 전도 매체 사용)과 직접 저항 가열의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. |
| 온도 조절 | 유도 가열 방식은 도가니 외부에 설치된 유도 코일을 통해 내부 자기장을 가열하는 방식입니다. 가열 속도는 빠르지만, 유도 코일과 도가니 사이의 거리가 멀고, 열 방출 영역이 넓어 도가니 표면의 수평 방향 발열량을 정밀하게 제어하기 어렵다는 단점이 있습니다. | 저항 가열 방식은 도가니 가까이에 별도의 가열기를 설치합니다. 이 가열기를 조절함으로써 도가니 표면의 온도를 더욱 정밀하게 제어할 수 있습니다. |
| 대형 결정 성장 | 유도 가열 방식의 열장 구조에 여러 개의 가열 코일을 추가할 경우, 자기장이 서로 간섭하여 설계 목적에 따라 자기장과 열이 원활하게 분산되지 않아 가열 효과 및 결정 성장에 영향을 미칠 수 있습니다. | 저항 가열 방식의 결정 성장 장비에는 다단계 독립 제어 가열 시스템을 설계하는 것이 더 쉽고, 장비 자체의 반경 방향 기울기가 작아 대형 결정 성장에 필요한 조건을 충족할 수 있습니다. |
| 결정 성장 주기 | 유도 성장법은 결정 성장에 약 10일, 어닐링에 10~15일이 소요되며, 전체 성장 주기는 20~25일입니다. | 결정 성장 주기는 약 5~7일이며, 자동 어닐링이 가능하고 전원 공급이 중단된 후에도 온도가 서서히 떨어집니다. |
| 에너지 소비량 | 저항 방식의 에너지 소비량은 유도 방식보다 2~3배 더 높습니다. | |
| 수확량 수준 | 저항법을 이용한 결정 성장로에서 성장시킨 결정의 수율은 유도법을 이용한 결정 성장로에 비해 크게 향상되었다. | |
게시 시간: 2025년 6월 24일