3 개의 SIC 단결정 성장 기술

SIC 단결정 성장을위한 주요 방법은 다음과 같습니다.물리 증기 수송 (PVT), 고온 화학 증기 증착 (HTCVD)그리고고온 용액 성장 (HTSG). 이들 중에서도 PVT 방법은이 단계에서 가장 성숙하고 널리 사용되는 방법입니다. 현재, 6 인치 단결정 기판은 산업화되었으며, 8 인치 단결정은 2016 년 미국에서 Cree에 의해 성공적으로 성장했습니다. 그러나이 방법은 높은 결함 밀도, 낮은 수율, 직경 확장 및 높은 비용과 같은 제한을 가지고 있습니다.

HTCVD 방법은 Si 소스 및 C 소스 가스가 화학적으로 반응하여 약 2100 ℃의 고온 환경에서 SIC를 생성하여 SIC 단결정의 성장을 달성한다는 원리를 사용한다. PVT 방법과 마찬가지로이 방법에는 높은 성장 온도가 필요하며 높은 성장 비용이 필요합니다. HTSG 방법은 위의 두 가지 방법과 다릅니다. 기본 원칙은 SIC 단결정의 성장을 달성하기 위해 고온 용액에서 SI 및 C 요소의 용해 및 재확인을 사용하는 것입니다. 현재 널리 사용되는 기술 모델은 TSSG 방법입니다.

이 방법은 더 낮은 온도 (2000 ° C 미만)에서 거의 갑상선 역학 평형 상태에서 SIC의 성장을 달성 할 수 있으며, 성장 결정은 고품질, 저렴한 비용, 쉬운 지름 확장 및 쉬운 안정적인 P- 타입 도핑의 장점을 갖습니다. PVT 방법 후 더 크고 고품질 및 저렴한 SIC 단결정을 준비하는 방법이 될 것으로 예상됩니다.

그림 1. 세 가지 SIC 단결정 성장 기술의 원리에 대한 개략도

01 TSSG 자란 SIC 단결정의 개발 기록 및 현재 상태

SIC 성장을위한 HTSG 방법은 60 년 이상의 역사를 가지고 있습니다.

1961 년 Halden et al. C가 용해 된 고온 Si 용융물로부터 SIC 단결정을 처음으로 얻은 다음, Si+X로 구성된 고온 용액으로부터 SIC 단일 결정의 성장을 탐색 하였다 (여기서 x는 원소 Fe, Cr, SC, TB, PR 등).

1999 년, Hofmann et al. 독일의 Erlangen 대학교에서 Pure Si를자가 플럭스로 사용하고 고온 및 고압 TSSG 방법을 사용하여 직경이 1.4 인치이고 두께가 처음으로 약 1mm의 SIC 단결정을 성장 시켰습니다.

2000 년에, 그들은 공정을 더욱 최적화하고 1900-2400 ° C에서 100-200 bar의 고압 AR 대기에서자가 플럭스로 순수한 SI를 사용하여 직경이 20-30mm의 두께로 SIC 결정을 성장시켰다.

그 이후로 일본, 한국, 프랑스, ​​중국 및 기타 국가의 연구원들은 TSSG 방법에 의해 SIC 단결정 기판의 성장에 대한 연구를 연속적으로 수행했으며, 이는 최근 몇 년 동안 TSSG 방법을 빠르게 발전시켰다. 그 중 일본은 Sumitomo Metal과 Toyota로 대표됩니다. 표 1과 그림 2는 SIC 단결정의 성장에서 Sumitomo Metal의 연구 진행을 보여 주며, 표 2 및 그림 3은 Toyota의 주요 연구 과정 및 대표적인 결과를 보여줍니다.

이 연구팀은 2016 년 TSSG 방법에 의한 SIC 결정의 성장에 대한 연구를 수행하기 시작했으며, 두께가 10mm 인 2 인치 4H-Sic 결정을 성공적으로 얻었습니다. 최근 에이 팀은도 4와 같이 4 인치 4H-sic 크리스탈을 성공적으로 성장시켰다.

그림 2.TSSG 방법을 사용하여 Sumitomo Metal의 팀에 의해 성장한 Sic Crystal의 광학 사진

그림 3.TSSG 방법을 사용하여 SIC 단결정 성장에서 Toyota 팀의 대표 성과

그림 4. TSSG 방법을 사용하여 SIC 단결정 성장에서 중국 과학 아카데미 물리학 연구소의 대표 업적

02 TSSG 방법에 의한 SIC 단결정 성장의 기본 원리

SIC는 정상 압력에서 용융점이 없습니다. 온도가 2000 년 이상에 도달하면 직접 가스화하고 분해됩니다. 따라서, 동일한 조성물의 SIC 용융물, 즉 용융 방법의 SIC 용융물을 천천히 냉각시키고 굳어함으로써 SIC 단결정을 성장시키는 것은 불가능하다.

SI-C 이진 위상 다이어그램에 따르면, Si- 풍부한 말단에는 "L+SIC"의 2 상 영역이 있으며, 이는 SIC의 액체 상 성장 가능성을 제공한다. 그러나, C에 대한 순수한 SI의 용해도는 너무 낮기 때문에, 고온 용액에서 C 농도를 증가시키는 데 도움이되도록 Si 용융물에 플럭스를 추가해야한다. 현재, HTSG 방법에 의해 SIC 단결정 성장을위한 주류 기술 모드는 TSSG 방법이다. 그림 5 (a)는 TSSG 방법에 의해 SIC 단결정을 성장시키는 원리의 개략도입니다.

그중, 고온 솔루션의 열역학적 특성의 조절 및 전체 성장 시스템에서 용질 C의 공급 및 수요의 동적 균형을 달성하기위한 용질 수송 공정의 역학 및 결정 성장 계면의 역학은 TSSG 방법에 의한 SIC 단일 결정의 성장을 더 잘 실현하는 열쇠입니다.

그림 5. (A) TSSG 방법에 의한 SIC 단결정 성장의 개략도; (b) L+SIC 2 상 영역의 세로 섹션의 개략도

03 고온 용액의 열역학적 특성

고온 솔루션에 충분한 C를 용해시키는 것은 TSSG 방법에 의해 SIC 단결정을 성장시키는 열쇠입니다. 플럭스 요소를 추가하는 것은 고온 솔루션에서 C의 용해도를 증가시키는 효과적인 방법입니다.

동시에, 플럭스 요소의 첨가는 또한 결정 성장과 밀접한 관련이있는 고온 용액의 밀도, 점도, 표면 장력, 동결 지점 및 기타 열역학적 파라미터를 조절하여 결정 성장에서 열역학적 및 운동 공정에 직접 영향을 미칩니다. 따라서, 플럭스 요소의 선택은 SIC 단결정을 성장시키기위한 TSSG 방법을 달성하는 데 가장 중요한 단계 이며이 분야의 연구 초점이다.

Li-Si, Ti-Si, CR-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si 및 Co-Si를 포함하여 문헌에보고 된 많은 이진 고온 솔루션 시스템이 많이 있습니다. 그중에서도 Cr-Si, Ti-Si 및 Fe-Si의 이진 시스템 및 CR-CE-AL-SI와 같은 다중 성분 시스템은 잘 개발되었으며 우수한 결정 성장 결과를 얻었습니다.

그림 6 (a)는 Kawanishi et al. 2020 년 일본 도호쿠 대학교.

도 6 (b)에 도시 된 바와 같이, Hyun et al. C의 용해도를 보여주기 위해 SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, MN, FE, CO, NI, CU, RH 및 PD)의 조성 비를 갖는 일련의 고온 솔루션 시스템을 설계했습니다.

그림 6. (a) 다른 고온 솔루션 시스템을 사용할 때 SIC 단결정 성장률과 온도의 관계

04 성장 동역학 규정

고품질 SIC 단결정을 더 잘 얻으려면 결정 강수량의 동역학을 조절해야합니다. 따라서, SIC 단결정 성장을위한 TSSG 방법의 또 다른 연구 초점은 고온 용액 및 결정 성장 인터페이스에서 동역학의 조절이다.

주요 조절 수단은 종자 결정 및 도가니의 회전 및 당김 과정, 성장 시스템의 온도 필드 조절, 도가니 구조 및 크기의 최적화, 외부 자기장에 의한 고온 용액 대류 조절을 포함한다. 근본적인 목적은 고온 용액과 결정 성장 사이의 계면에서 온도 필드, 유동장 및 용질 농도 필드를 조절하여 고온 용액으로부터 순서대로 고품질의 대형 단결정으로 성장하는 것입니다.

연구원들은 Kusunoki et al.이 사용하는 "Crucible Accelerated Rotation Technology"와 같은 동적 규제를 달성하기 위해 많은 방법을 시도했습니다. 그들의 연구에서 2006 년에보고되었고 Daikoku et al.

2014 년 Kusunoki et al. 고온 용액 대류의 조절을 달성하기 위해 Crucible의 침지 가이드 (IG)로 흑연 고리 구조를 추가했습니다. 흑연 고리의 크기 및 위치를 최적화함으로써, 종자 결정 아래의 고온 용액에서 균일 한 상향 용질 수송 모드가 확립 될 수 있으며, 이는도 7에 도시 된 바와 같이 결정 성장 속도 및 품질을 향상시킬 수있다.

그림 7 : (a) 도가니에서 고온 용액 흐름 및 온도 분포의 시뮬레이션 결과; 

(b) 실험 장치의 개략도 및 결과 요약

05 SIC 단결정 성장을위한 TSSG 방법의 장점

SIC 단결정 성장에서 TSSG 방법의 장점은 다음과 같은 측면에 반영됩니다.

(1) SIC 단결정 성장을위한 고온 솔루션 방법은 종자 결정에서 마이크로 튜브 및 기타 매크로 결함을 효과적으로 복구하여 결정 품질을 향상시킬 수있다. 1999 년, Hofmann et al. 광학 현미경을 통해 관찰되고 입증되었다.도 8에 도시 된 바와 같이, 마이크로 튜브는 TSSG 방법에 의해 SIC 단결정을 성장시키는 과정에서 효과적으로 덮을 수있다.

그림 8 : TSSG 방법에 의한 SIC 단결정의 성장 동안 마이크로 튜브 제거 :

(A) 전송 모드에서 TSSG에 의해 성장한 SIC 결정의 광학 현미경 사진, 여기서 성장층 아래의 마이크로 튜브가 명확하게 볼 수있다. 

(b) 반사 모드에서 동일한 영역의 광학 현미경 사진, 이는 마이크로 튜브가 완전히 덮여 있음을 나타낸다.

(2) PVT 방법과 비교하여, TSSG 방법은 더 쉽게 결정 직경 팽창을 달성하여 SIC 단결정 기판의 직경을 증가시켜 SIC 장치의 생산 효율을 효과적으로 개선하고 생산 비용을 줄입니다.

Toyota와 Sumitomo Corporation의 관련 연구 팀은 그림 9 (a) 및 (b)와 같이 "메 니스 커스 높이 제어"기술을 사용하여 인위적으로 제어 가능한 결정 직경 확장을 성공적으로 달성했습니다.

그림 9 : (a) TSSG 방법에서 메 니스 커스 제어 기술의 개략도; 

(b)이 기술에 의해 얻어진 SIC 결정의 메 니스 커스 높이 및 측면도에 의한 성장 각도 θ; 

(c) 2.5 mm의 메 니스 커스 높이에서 20 시간 동안의 성장; 

(d) 0.5 mm의 메 니스 커스 높이에서 10 시간 동안의 성장;

(e) 메 니스 커스 높이가 점차 1.5 mm에서 더 큰 값으로 증가하면서 35 시간 동안의 성장.

(3) PVT 방법과 비교하여, TSSG 방법은 SIC 결정의 안정적인 p- 타입 도핑을 달성하기가 더 쉽다. 예를 들어, Shirai et al. Toyota는 2014 년에 그림 10에 표시된 것처럼 TSSG 방법에 의해 저 부적 P- 타입 4H-Sic 결정을 성장 시켰다고보고했다.

도 10 : (a) TSSG 방법에 의해 성장 된 P 형 SIC 단결정의 측면도; 

(b) 결정의 세로 섹션의 전달 광학 사진; 

(c) AL 함량이 3% (원자 분획) 인 고온 용액으로부터 성장한 결정의 상부 표면 형태

06 결론과 전망

SIC 단결정 성장을위한 TSSG 방법은 지난 20 년 동안 큰 진전을 보였으며, 일부 팀은 TSSG 방법에 의해 고품질 4 인치 SIC 단결정을 성장 시켰습니다.

그러나이 기술의 추가 개발에는 여전히 다음과 같은 주요 측면에서 획기적인 방법이 필요합니다.

(1) 용액의 열역학적 특성에 대한 심층적 인 연구;

(2) 성장률과 결정 품질 사이의 균형;

(3) 안정적인 결정 성장 조건의 확립;

(4) 정제 된 동적 제어 기술의 개발.

Although the TSSG method is still somewhat behind the PVT method, it is believed that with the continuous efforts of researchers in this field, as the core scientific problems of growing SiC single crystals by the TSSG method are continuously solved and key technologies in the growth process are continuously broken through, this technology will also be industrialized, thereby giving full play to the potential of the TSSG method for growing SiC single crystals and further promoting and driving the rapid SIC 산업의 개발.