첨단 반도체 결정 물질

실리콘 카바이드 (SiC) 는 전력 전자, RF 장치 및 차세대 반도체 플랫폼에서 가장 전략적인 재료 중 하나가되었습니다.물리적 증기 운송 (PVT) 은 고품질의 대량 SiC 단일 결정 생산에 대한 지배적인 산업 방법입니다..

PVT 공정에서 고순도의 SiC 분말은 밀폐된 성장 챔버에서 열적으로 수분화되고 증기 종은 씨앗 결정으로 운반되고 재집약됩니다.단 결정성 SiC 볼을 형성하는전형적인 PVT 성장 시스템은 세 개의 밀접하게 결합 된 하위 시스템으로 구성됩니다: 온도 제어, 압력 제어 및 결정 성장 조립.

1PVT 성장 시스템의 구조

1.1 온도 조절 시스템

SiC PVT 오븐에는 두 가지 난방 방식이 일반적으로 사용됩니다.

• 인덕션 난방 (10~100 kHz):
  수로 냉각 된 이중층 쿼츠 코일은 그래피트 크라이블에 에드디 전류를 유도하여 열을 발생시킵니다. 그 크라이블은 열 절연을 위해 그래피트 필트로 둘러싸여 있습니다.

• 저항 난방:
  그래피트 난방기는 Joule 열을 생성하여 방사선으로 크라이블로 전달되고 그 다음 전도성으로 SiC 분자에 전달됩니다.

저항 가열과 비교하면 인덕션 가열은 더 높은 효율, 낮은 유지 보수 비용 및 더 간단한 오븐 디자인을 제공합니다.하지만 외부 장애에 더 민감하고 더 정교한 열장 조절이 필요합니다..

1.2 압력 조절 시스템

압력 시스템은 먼저 높은 진공으로 방을 비공하고, 그 다음 무활성 가스 (일반적으로 아르곤) 의 통제 된 양을 도입합니다. 성장 압력은 정확하게 조절되어야합니다.,증기 운송과 응축은 압력에 강하게 의존합니다. 고품질의 성장은 온도와 압력 조절의 긴밀한 결합을 필요로합니다.

1.3 크리스탈 성장 조립

핵심 성장 지역은 다음과 같습니다.

• 그래피트 크라이블

• SiC 소스 분말

• 씨앗 결정

높은 온도에서, SiC 분자는 Si, Si2C, SiC2와 같은 증기 종으로 분해됩니다. 이 기체 형태의 종은 차가운 씨앗 결정 영역으로 이동합니다.다시 결합하여 단일 결정 SiC로 결정화됩니다..

2크루시블 및 내부 구조 공학

크리글의 내부 기하학은 결정 크기와 성장 균일성, 결함 밀도에 강하게 영향을 미친다.

SiCrystal (독일) 의 초기 작업은 기생충 핵을 희생 표면에 강요하기 위해 그래피트 파티션을 사용하여 주요 결정이 더 커지게했습니다.덴소는 증기 운송을 제어하고 가장자리의 균일성을 향상시키기 위해 이동식 보호판과 피침 모양의 흐름 안내기를 도입했습니다..

이후의 발전은 다음과 같습니다.

• 가스 필터링 파티션 (II-VI, SiCrystal)

• 소스 정화층 (TankeBlue, 중국)

• 이동식 씨앗 보관소 및 조절 가능한 성장 구역 (물리학 연구소, CAS; SKC; 쇼와 덴코; 티아뉴에 고급)

최근에는 종이나 원료 분말을 들어올리는 것과 같은 동적 성장 구역 제어에 관심을 기울이고 안정적인 온도 차이를 유지하고 더 큰 볼 지름을 가능하게합니다..

3씨드 크리스탈 디자인 및 방향

SiC 성장은 매우 애니소트로프적입니다. 씨앗의 결정학적 방향은 성장 속도, 결함 형성과 다형성 안정성을 직접적으로 결정합니다.

주요 역사적 발전은 다음과 같습니다.

• 시멘스 (1989): (0001) 극면

• 토요타 (1997): 20°~55°로 기울인 비축면

• 울프스피드 (2005): c축과 열 경사 사이의 작은 기울기

• 브리지스톤 (2008): 마이크로 파이프를 억제하기 위한 마주나고 있는 씨앗 표면

표면 공학은 결함을 더욱 감소시킵니다.

• 갈라지고 주기적인 텍스처 (닛폰 스틸, 호야, 후지 일렉트릭)

• 단계 흐름을 제어하기 위한 홀리 마이크로 구조물

4큰 지름의 씨앗 공학

큰 SiC 볼은 큰 씨앗이 필요합니다. 원산지 큰 씨앗은 사용할 수 없기 때문에 모자이크 씨앗 기술은 널리 사용됩니다.

• TankeBlue (2016): 결합된 작은 씨앗 → 150mm 볼

• 산둥 대학 (2019): 모자이크 + 측면 및 표면 표본 검사 → ≥8인치 씨앗

이 접근 방식은 이제 200mm의 중심에 있습니다.SiC 웨이퍼개발

5중요한 SiC 성장 매개 변수

5.1 온도 경사

크라이블 내부의 직접 측정이 불가능하기 때문에, 수치 시뮬레이션 도구 (예를 들어, 가상 원자로) 는 내부 온도 필드를 추정하는 데 사용됩니다.축적 및 방사선 경사점은 증기 운송 방향을 결정합니다., 초포화, 그리고 결정 형태.

5.2 성장률

SiC의 성장률은 다음과 같이 증가합니다.

• 온도가 상승합니다

• 원천 種子 온도 경사율 증가

• 방 압력 감소

• 소스 싹 거리가 줄어들기

그러나 과도한 성장률은 결함, 다형식 불안정성 및 스트레스를 유발할 수 있습니다.

5.3 증기 화학

C/Si 비율은 가장 중요한 열역학 매개 변수입니다.

• 낮은 C/Si → 3C-SiC를 선호합니다.

• 탄소 풍부한 증기 → 4H-SiC를 안정시킵니다

가스 구성, 도핑 물질, 관성 가스 압력은 함께 초포화, 다형, 도핑 균일성을 결정합니다.

6. 전망

현대 SiC 단일 결정 성장은 다음과 같은 여러 물리학 최적화 문제입니다.

• 분말 순도 및 입자 크기

• 크로지블 및 가이드 설계

• 시드 오리엔테이션 및 표면 토폴로지

• 동적 열 및 압력 조절

볼을 200mm 이상 증가시키기 위해 주요 전략은 성장 영역 확대 및 넓은 면적의 모자이크 씨앗입니다. 결정 품질을 향상시키기 위해 초점은 압력-온도 스케줄링으로 전환됩니다.증기 화학 제어, 그리고 소스 엔지니어링.

전기차, 인공지능 전력 모듈, 고전압 전력망이 SiC 수요를 증가시키면서PVT 크리스탈 성장 물리학의 마스터링은 글로벌 광대역 반도체 산업의 핵심 경쟁 장점으로 남아있을 것입니다..