실리콘 카바이드 결정 성장이란 무엇입니까?

SiC에 접근 | 실리콘 카바이드 결정 성장의 원리

자연계에는 결정이 어디에나 있으며 그 분포와 적용 범위는 매우 광범위합니다. 그리고 결정마다 구조, 특성, 준비 방법이 다릅니다. 하지만 이들의 공통점은 결정 속의 원자들이 규칙적으로 배열되어 있다가 3차원 공간에서 주기적인 적층을 통해 특정 구조의 격자가 형성된다는 점이다. 따라서 결정질 물질의 외관은 일반적으로 규칙적인 기하학적 모양을 나타냅니다.

실리콘 카바이드 단결정 기판 재료(이하 SiC 기판이라고 함)도 일종의 결정질 재료입니다. 와이드 밴드갭 반도체 소재에 속하며 고내압, 고내열, 고주파, 저손실 등의 장점을 가지고 있습니다. 고출력 전자소자 및 마이크로파 RF 소자 제조의 기초소재입니다.

SiC의 결정 구조

SiC는 탄소와 실리콘이 화학량론적 비율로 1:1로 구성된 IV-IV 화합물 반도체 소재로, 경도가 다이아몬드 다음으로 높습니다.

탄소와 실리콘 원자 모두 4개의 원자가 전자를 갖고 있어 4개의 공유 결합을 형성할 수 있습니다. SiC 결정의 기본 구조 단위인 SiC 사면체는 실리콘과 탄소 원자 사이의 사면체 결합에서 발생합니다. 실리콘과 탄소 원자의 배위수는 모두 4입니다. 즉, 각 탄소 원자는 주변에 4개의 실리콘 원자를 갖고 있으며, 각 실리콘 원자도 주변에 4개의 탄소 원자를 가지고 있습니다.

SiC 기판은 결정재료로서 원자층이 주기적으로 적층되는 특성도 가지고 있습니다. Si-C 이원자 층은 [0001] 방향을 따라 적층됩니다. 층 간 결합 에너지의 작은 차이로 인해 원자 층 간에 서로 다른 연결 모드가 쉽게 생성되어 200개가 넘는 SiC 다형이 생성됩니다. 일반적인 폴리타입에는 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC 등이 있습니다. 그 중 "ABCB" 순서로 적층된 순서를 4H 폴리타입이라고 합니다. SiC의 다양한 다형은 동일한 화학적 조성을 갖고 있지만 물리적 특성, 특히 밴드갭 폭, 캐리어 이동도 및 기타 특성은 상당히 다릅니다. 그리고 4H 폴리타입의 특성은 반도체 응용 분야에 더 적합합니다.

2H-SiC

4H-SiC

6H-SiC

온도 및 압력과 같은 성장 매개변수는 성장 과정에서 4H-SiC의 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 고품질과 균일성을 갖춘 단결정 재료를 얻기 위해서는 준비 과정에서 성장 온도, 성장 압력 및 성장 속도와 같은 매개변수를 정밀하게 제어해야 합니다.

SiC의 제조 방법: 물리적 증기 수송법(PVT)

현재 탄화규소의 제조 방법에는 물리적 기상 수송법(PVT), 고온 화학 기상 증착법(HTCVD) 및 액상법(LPE)이 있습니다. 그리고 PVT는 산업적 대량생산에 적합한 주류 방식이다.

(a) SiC 부울에 대한 PVT 성장 방법의 스케치 

(b) 형태와 결정 성장 인터페이스 및 조건에 대한 세부 정보를 이미지화하기 위한 PVT 성장의 2D 시각화

PVT 성장 중에 SiC 종자 결정은 도가니 상단에 배치되고 원료 물질(SiC 분말)은 하단에 배치됩니다. 고온 저압의 밀폐된 환경에서 SiC 분말은 승화한 후 온도 구배와 농도 차이의 영향을 받아 종자 근처 공간으로 위쪽으로 이동합니다. 그리고 과포화 상태에 도달한 후 재결정됩니다. 이 방법을 통해 SiC 결정의 크기와 다형을 제어할 수 있습니다.

그러나 PVT 방법은 전체 성장 과정에서 적절한 성장 조건을 유지해야 하며 그렇지 않으면 격자 장애가 발생하고 바람직하지 않은 결함이 형성됩니다. 게다가, SiC 결정 성장은 모니터링 방법이 제한적이고 변수가 많은 밀폐된 공간에서 완료되므로 공정 제어가 어렵습니다.

단결정 성장의 주요 메커니즘: 단계적 흐름 성장

PVT법으로 SiC 결정을 성장시키는 과정에서 단결정을 형성하는 주요 메커니즘으로 계단식 흐름 성장(Step Flow Growth)이 고려된다. 기화된 Si 및 C 원자는 단계 및 꼬임에서 결정 표면의 원자와 우선적으로 결합하여 핵을 생성하고 성장하므로 각 단계가 평행하게 진행됩니다. 성장 표면의 각 단계 사이의 폭이 흡착된 원자의 확산 자유 경로보다 훨씬 클 경우, 많은 수의 흡착된 원자가 뭉쳐서 2차원 섬을 형성하여 단계 흐름 성장 모드를 파괴하여 결과적으로 4H 대신에 다른 다형이 형성됩니다. 따라서 공정 변수의 조정은 성장 표면의 계단 구조를 제어하여 원하지 않는 다형의 형성을 방지하고 4H 단결정 구조를 얻고 최종적으로 고품질 결정을 준비하는 목표를 달성하는 것을 목표로 합니다.

SIC 단결정의 단계적 흐름 성장

결정의 성장은 고품질 SiC 기판을 준비하기 위한 첫 번째 단계일 뿐입니다. 4H-SiC 잉곳은 사용되기 전에 슬라이싱, 래핑, 베벨링, 폴리싱, 세척, 검사 등 일련의 공정을 거쳐야 합니다. 단단하지만 부서지기 쉬운 재료인 SiC 단결정은 웨이퍼링 단계에 대한 높은 기술적 요구 사항도 가지고 있습니다. 각 공정에서 발생하는 손상은 특정 유전성을 갖고 다음 공정으로 전이되어 최종적으로 제품 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 SiC 기판의 효율적인 웨이퍼링 기술 역시 업계의 주목을 받고 있다.