SiC 단결정의 급속 성장CVD-SiC 벌크승화 방법을 통한 소스
재활용품을 사용하여CVD-SiC 블록SiC 소스로서 SiC 결정은 PVT 방법을 통해 1.46mm/h의 속도로 성공적으로 성장했습니다. 성장된 결정의 마이크로파이프와 전위 밀도는 높은 성장 속도에도 불구하고 결정 품질이 우수함을 나타냅니다.
실리콘 카바이드(SiC)고전압, 고전력, 고주파 응용에 탁월한 특성을 지닌 광대역갭 반도체입니다. 특히 전력반도체 분야에서 최근 수요가 급증하고 있다. 전력 반도체 응용 분야에서는 고순도 SiC 소스를 2100~2500°C에서 승화시킨 후 PVT(물리적 증기 수송) 방법을 사용하여 종자 결정에 재결정화하고 공정을 거쳐 웨이퍼에 단결정 기판을 얻는 방식으로 SiC 단결정을 성장시킵니다. . 전통적으로,SiC 결정결정성을 제어하기 위해 0.3~0.8mm/h의 성장 속도로 PVT 방법을 사용하여 성장하는데, 이는 반도체 응용 분야에 사용되는 다른 단결정 소재에 비해 상대적으로 느립니다. PVT 방법을 사용하여 SiC 결정을 높은 성장률로 성장시키는 경우 탄소 함유, 순도 감소, 다결정 성장, 결정립 경계 형성, 전위 및 다공성 결함을 비롯한 품질 저하가 배제되지 않습니다. 따라서, SiC의 급속한 성장은 개발되지 않았으며, SiC의 느린 성장 속도는 SiC 기판의 생산성에 큰 장애가 되어 왔습니다.
한편, 최근 SiC의 급속한 성장에 대한 보고들은 PVT 방식보다는 고온화학기상증착(HTCVD) 방식을 사용하고 있다. HTCVD 방법은 Si와 C를 함유한 증기를 반응기의 SiC 소스로 사용합니다. HTCVD는 아직 SiC의 대규모 생산에 사용되지 않았으며 상용화를 위해서는 추가 연구 개발이 필요합니다. 흥미롭게도 HTCVD 방법을 사용하면 약 3mm/h의 높은 성장 속도에서도 SiC 단결정이 좋은 결정 품질로 성장할 수 있습니다. 한편, SiC 부품은 극도로 높은 순도의 공정 제어가 요구되는 열악한 환경의 반도체 공정에 사용되어 왔습니다. 반도체 공정 응용 분야의 경우 ~99.9999%(~6N) 순도의 SiC 구성 요소는 일반적으로 메틸트리클로로실란(CH3Cl3Si, MTS)의 CVD 공정을 통해 제조됩니다. 그러나 CVD-SiC 부품은 순도가 높음에도 불구하고 사용 후 폐기되는 문제가 있었습니다. 최근에는 폐기된 CVD-SiC 부품이 결정 성장을 위한 SiC 소스로 간주되고 있지만, 결정 성장 소스에 대한 높은 수요를 충족하려면 분쇄 및 정제를 포함한 일부 회수 공정이 여전히 필요합니다. 본 연구에서는 버려진 CVD-SiC 블록을 사용하여 SiC 결정 성장을 위한 소스로 재료를 재활용했습니다. 단결정 성장용 CVD-SiC 블록은 크기가 조절된 분쇄 블록으로 제조되었으며 PVT 공정에서 일반적으로 사용되는 상용 SiC 분말과 비교하여 모양과 크기가 크게 다르므로 SiC 단결정 성장 거동이 크게 다를 것으로 예상됩니다. 다른. SiC 단결정 성장 실험을 수행하기 전에 높은 성장 속도를 달성하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고 단결정 성장에 맞게 열 영역을 구성했습니다. 결정 성장 후, 성장한 결정을 단면 단층 촬영, 마이크로 라만 분광학, 고해상도 X선 회절 및 싱크로트론 백색광 X선 지형학으로 평가했습니다.
그림 1은 본 연구에서 SiC 결정의 PVT 성장에 사용된 CVD-SiC 소스를 보여줍니다. 서문에서 설명했듯이 CVD-SiC 부품은 CVD 공정을 통해 MTS에서 합성되었으며 기계적 가공을 통해 반도체용으로 성형되었습니다. N은 반도체 공정 응용 분야의 전도성을 달성하기 위해 CVD 공정에서 도핑되었습니다. 반도체 공정에 사용된 후, CVD-SiC 부품을 파쇄하여 결정 성장을 위한 소스를 준비했습니다(그림 1). CVD-SiC 소스는 평균 두께 ~0.5mm, 평균 입자 크기 2mm의 플레이트로 준비되었습니다. 49.75mm.
그림 1: MTS 기반 CVD 공정으로 준비된 CVD-SiC 소스.
그림 1에 표시된 CVD-SiC 소스를 사용하여 유도 가열로에서 PVT 방법으로 SiC 결정을 성장시켰습니다. 열영역의 온도 분포를 평가하기 위해 상용 시뮬레이션 코드 VR-PVT 8.2(STR, 세르비아 공화국)를 사용했습니다. 열 구역이 있는 원자로는 그림 2와 같이 메시 모델을 사용하여 2D 축대칭 모델로 모델링되었습니다. 시뮬레이션에 사용된 모든 재료는 그림 2에 나타나 있으며 그 특성은 표 1에 나열되어 있습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 SiC 결정은 Ar 분위기에서 2250~2350°C의 온도 범위에서 PVT 방법을 사용하여 성장되었습니다. 4시간 동안 35Torr. 4° 축외 4H-SiC 웨이퍼가 SiC 시드로 사용되었습니다. 성장한 결정은 마이크로-라만 분광법(Witec, UHTS 300, 독일)과 고해상도 XRD(HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, 네덜란드)로 평가되었습니다. 성장된 SiC 결정의 불순물 농도는 동적 2차 이온 질량 분석기(SIMS, Cameca IMS-6f, 프랑스)를 사용하여 평가되었습니다. 성장된 결정의 전위 밀도는 포항 광원에서 싱크로트론 백색빔 X선 지형을 사용하여 평가되었습니다.
그림 2: 유도 가열로에서 PVT 성장의 열 구역 다이어그램 및 메시 모델.
HTCVD 및 PVT 방법은 성장 전단에서 기체-고상 평형 하에서 결정을 성장시키기 때문에, 본 연구에서는 HTCVD 방법에 의한 SiC의 성공적인 급속 성장이 PVT 방법에 의한 SiC의 급속 성장에 대한 도전을 촉발시켰습니다. HTCVD 방식은 흐름 제어가 용이한 가스 소스를 사용하는 반면, PVT 방식은 흐름을 직접 제어하지 않는 고체 소스를 사용합니다. PVT 방법에서 성장전단에 제공되는 유속은 온도분포 제어를 통해 고체소스의 승화속도에 의해 제어될 수 있지만, 실제 성장시스템에서는 온도분포의 정밀한 제어가 쉽지 않다.
PVT 반응기의 소스 온도를 높이면 소스의 승화 속도를 높여 SiC의 성장 속도를 높일 수 있습니다. 안정적인 결정 성장을 위해서는 성장 전면의 온도 제어가 중요합니다. 다결정을 형성하지 않고 성장 속도를 높이려면 HTCVD 방법을 통한 SiC 성장에서 볼 수 있듯이 성장 전면에서 고온 구배를 달성해야 합니다. 캡 후면에 대한 수직 열 전도가 부적절하면 성장 표면에 열 복사를 통해 성장 전면에 축적된 열이 분산되어 과잉 표면, 즉 다결정 성장이 형성됩니다.
PVT 방법의 물질 전달 및 재결정화 공정은 모두 SiC 소스가 다르지만 HTCVD 방법과 매우 유사합니다. 이는 SiC 소스의 승화 속도가 충분히 높을 때 SiC의 빠른 성장도 가능하다는 것을 의미합니다. 그러나 PVT 방법을 통해 높은 성장 조건에서 고품질 SiC 단결정을 달성하는 데는 몇 가지 과제가 있습니다. 상업용 분말은 일반적으로 작은 입자와 큰 입자의 혼합물을 포함합니다. 표면 에너지 차이로 인해 작은 입자는 상대적으로 높은 불순물 농도를 가지며 큰 입자보다 먼저 승화되어 결정의 초기 성장 단계에서 불순물 농도가 높아집니다. 또한, 고체 SiC는 고온에서 C 및 Si, SiC2 및 Si2C와 같은 증기 종으로 분해되므로 SiC 소스가 PVT 방법에서 승화될 때 고체 C가 필연적으로 형성됩니다. 형성된 고체 C가 충분히 작고 가벼우면 빠른 성장 조건에서 "C 먼지"로 알려진 작은 C 입자가 강한 물질 전달에 의해 결정 표면으로 이동하여 성장된 결정에 함유물이 생길 수 있습니다. 따라서 금속 불순물과 C 먼지를 줄이기 위해서는 일반적으로 SiC 소스의 입자 크기를 200μm 미만의 직경으로 제어해야 하며, 느린 물질 전달을 유지하고 부유를 배제하기 위해 성장 속도는 ~0.4mm/h를 초과하지 않아야 합니다. ㄷ 먼지. 금속 불순물과 C 먼지는 성장한 SiC 결정의 열화를 초래하며, 이는 PVT 방법을 통한 SiC의 급속한 성장에 주요 장애물입니다.
본 연구에서는 작은 입자가 없는 분쇄된 CVD-SiC 소스를 사용하여 강력한 물질 전달 하에서 부유하는 C 먼지를 제거했습니다. 따라서 열 구역 구조는 빠른 SiC 성장을 달성하기 위해 다중 물리 시뮬레이션 기반 PVT 방법을 사용하여 설계되었으며 시뮬레이션된 온도 분포 및 온도 구배는 그림 3a에 표시됩니다.
그림 3: (a) 유한 요소 분석을 통해 얻은 PVT 반응기 성장 전면 근처의 온도 분포 및 온도 구배, (b) 축대칭 선을 따른 수직 온도 분포.
1°C/mm 미만의 작은 온도 구배에서 0.3~0.8mm/h의 성장 속도로 SiC 결정을 성장시키기 위한 일반적인 열 영역 설정과 비교하여, 본 연구의 열 영역 설정은 ~의 상대적으로 큰 온도 구배를 갖습니다. ~2268°C의 성장 온도에서 3.8°C/mm. 본 연구의 온도 구배 값은 온도 구배가 ~14°C/mm로 설정된 HTCVD 방법을 사용하여 2.4mm/h의 속도로 SiC가 빠르게 성장하는 것과 비슷합니다. 그림 3b에 표시된 수직 온도 분포에서 문헌에 설명된 대로 다결정을 형성할 수 있는 역방향 온도 구배가 성장 전면 근처에 존재하지 않음을 확인했습니다.
그림 2와 3에 표시된 것처럼 PVT 시스템을 사용하여 SiC 결정이 CVD-SiC 소스에서 4시간 동안 성장했습니다. 성장된 SiC의 대표적인 SiC 결정 성장이 그림 4a에 나와 있습니다. 그림 4a에 표시된 SiC 결정의 두께와 성장 속도는 각각 5.84mm와 1.46mm/h입니다. 그림 4b-e에 표시된 대로 그림 4a에 표시된 성장된 SiC 결정의 품질, 다형, 형태 및 순도에 대한 SiC 소스의 영향을 조사했습니다. 그림 4b의 단면 단층 촬영 이미지는 최적이 아닌 성장 조건으로 인해 결정 성장이 볼록한 모양임을 보여줍니다. 그러나 그림 4c의 마이크로 라만 분광법은 성장한 결정이 다형 함유물이 없는 4H-SiC의 단일 상으로 확인되었습니다. X-ray rocking curve 분석에서 얻은 (0004) 피크의 FWHM 값은 18.9 arcsecond로 결정 품질도 양호함을 확인했습니다.
그림 4: (a) 성장한 SiC 결정(성장 속도 1.46mm/h) 및 (b) 단면 단층 촬영, (c) 마이크로 라만 분광법, (d) X선 요동 곡선 및 ( e) 엑스레이 지형.
그림 4e는 성장된 결정의 연마된 웨이퍼에서 스크래치 및 스레딩 전위를 식별하는 백색 빔 X선 지형을 보여줍니다. 성장된 결정의 전위밀도는 ~3000 ea/cm²로 측정되었으며, 종자결정의 전위밀도 ~2000 ea/cm²보다 약간 높았다. 성장된 결정은 상용 웨이퍼의 결정 품질에 필적할 정도로 상대적으로 낮은 전위 밀도를 갖는 것으로 확인되었습니다. 흥미롭게도 SiC 결정의 급속한 성장은 큰 온도 구배 하에서 분쇄된 CVD-SiC 소스를 사용하는 PVT 방법을 사용하여 달성되었습니다. 성장된 결정의 B, Al, N 농도는 각각 2.18×101⁶, 7.61×101⁵, 1.98×101⁹atoms/cm3이었다. 성장된 결정의 P 농도는 검출 한계(<1.0 × 101⁴ 원자/cm3)보다 낮았습니다. CVD 공정 중 의도적으로 도핑된 N을 제외하고는 전하 캐리어에 대한 불순물 농도가 충분히 낮았습니다.
본 연구의 결정 성장은 상용 제품을 고려하면 소규모였지만, PVT 방법을 통해 CVD-SiC 소스를 사용하여 우수한 결정 품질을 갖춘 빠른 SiC 성장을 성공적으로 입증한 것은 중요한 의미를 갖습니다. CVD-SiC 원료는 우수한 특성에도 불구하고 폐재료를 재활용할 수 있어 가격 경쟁력이 있어 SiC 분말 원료를 대체할 수 있는 유망 SiC 원료로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. SiC의 급속한 성장을 위해 CVD-SiC 소스를 적용하려면 PVT 시스템의 온도 분포를 최적화해야 하며 이는 향후 연구에 대한 추가 질문을 제기합니다.
결론
본 연구에서는 PVT 방법을 통해 고온 구배 조건에서 분쇄된 CVD-SiC 블록을 사용하여 빠른 SiC 결정 성장을 성공적으로 입증했습니다. 흥미롭게도 SiC 소스를 PVT 방법으로 대체함으로써 SiC 결정의 빠른 성장이 실현되었습니다. 이 방법은 SiC 단결정의 대규모 생산 효율을 크게 높여 궁극적으로 SiC 기판 단가를 낮추고 고성능 파워 디바이스의 보급을 촉진할 것으로 기대된다.
게시 시간: 2024년 7월 19일