뉴스 - 탄화규소의 구조와 성장기술(Ⅱ)

네번째, 물리적 증기 전달 방식

PVT(물리적 증기 수송) 방식은 1955년 Lely가 발명한 기상 승화 기술에서 유래되었습니다. SiC 분말을 흑연 튜브에 넣고 고온으로 가열하여 SiC 분말을 분해 및 승화시킨 후 흑연 튜브를 냉각시킵니다. SiC 분말이 분해된 후 기상 성분은 흑연 튜브 주위에 SiC 결정으로 증착 및 결정화됩니다. 이 방법은 큰 크기의 SiC 단결정을 얻기 어렵고 흑연 튜브의 증착 공정을 제어하기 어렵지만 후속 연구자들에게 아이디어를 제공합니다.
Ym Terairovet al. 러시아에서는 이를 바탕으로 종결정 개념을 도입하여 SiC 결정의 결정 형상 및 핵생성 위치를 제어할 수 없는 문제를 해결했습니다. 후속 연구자들은 오늘날 산업용으로 사용되는 물리적 기상 수송(PVT) 방법을 지속적으로 개선하고 결국 개발했습니다.

최초의 SiC 결정 성장 방법으로는 물리적 증기 전달법이 SiC 결정 성장의 가장 주류인 성장 방법이다. 다른 방법과 비교하여 이 방법은 성장 장비에 대한 요구 사항이 낮고, 성장 프로세스가 간단하며, 강력한 제어 가능성, 철저한 개발 및 연구를 통해 산업적 응용을 실현했습니다. 현재 주류를 이루고 있는 PVT 방법으로 성장한 결정의 구조를 그림에 나타내었다.

흑연 도가니의 외부 단열 조건을 제어하여 축 방향 및 반경 방향 온도 필드를 제어할 수 있습니다. SiC 분말은 온도가 높은 흑연 도가니 바닥에 배치되고, SiC 종결정은 온도가 낮은 흑연 도가니 상단에 고정됩니다. 성장하는 단결정과 분말 사이의 접촉을 피하기 위해 분말과 종자 사이의 거리는 일반적으로 수십 밀리미터로 제어됩니다. 온도 구배는 일반적으로 15-35℃/cm 범위입니다. 대류를 증가시키기 위해 50-5000 Pa의 불활성 가스가 용광로에 유지됩니다. 이러한 방식으로, 유도 가열에 의해 SiC 분말을 2000-2500℃로 가열한 후, SiC 분말은 승화되어 Si, Si2C, SiC2 및 기타 증기 성분으로 분해되고 가스 대류를 통해 시드 끝으로 운반됩니다. SiC 결정은 종자 결정에서 결정화되어 단결정 성장을 달성합니다. 일반적인 성장률은 0.1-2mm/h입니다.

PVT 공정은 성장 온도, 온도 구배, 성장 표면, 재료 표면 간격 및 성장 압력의 제어에 중점을 두고 있으며, 장점은 공정이 상대적으로 성숙하고 원자재 생산이 쉽고 비용이 낮다는 것입니다. PVT 방법은 관찰하기 어렵고, 결정 성장 속도는 0.2-0.4mm/h이며, 큰 두께(>50mm)의 결정 성장이 어렵습니다. 수십 년간의 지속적인 노력 끝에 PVT 방식으로 성장한 SiC 기판 웨이퍼의 현재 시장은 매우 거대했으며 SiC 기판 웨이퍼의 연간 생산량은 수십만 개의 웨이퍼에 달할 수 있으며 크기는 점차 4인치에서 6인치로 변화하고 있습니다. , 8인치 SiC 기판 샘플을 개발했습니다.

제오,고온화학기상증착법

고온 화학 기상 증착(HTCVD)은 화학 기상 증착(CVD)을 기반으로 한 개선된 방법입니다. 이 방법은 1995년 스웨덴 Linkoping University의 Kordina et al.에 의해 처음 제안되었습니다.
성장 구조 다이어그램은 그림에 나와 있습니다.

제오,고온화학기상증착법

SiC 결정을 액상법으로 성장시킬 때 보조 용액 내부의 온도와 대류 분포는 그림에 표시됩니다.

보조용액의 도가니 벽 근처의 온도가 더 높은 반면, 종결정의 온도는 더 낮은 것을 알 수 있습니다. 성장 과정에서 흑연 도가니는 결정 성장을 위한 C 소스를 제공합니다. 도가니 벽의 온도가 높고 C의 용해도가 크고 용해 속도가 빠르기 때문에 많은 양의 C가 도가니 벽에서 용해되어 C의 포화 용액을 형성합니다. 용해된 C는 보조 용액 내의 대류에 의해 종자 결정의 하부로 운반됩니다. 종결정 말단의 온도가 낮기 때문에 상응하는 C의 용해도는 그에 따라 감소하고, 원래의 C 포화 용액은 이 조건에서 저온 말단으로 이동한 후 C의 과포화 용액이 됩니다. 보조 용액의 Si와 결합된 용액의 과포화된 C는 종자 결정에서 SiC 결정 에피택셜을 성장시킬 수 있습니다. C의 과공 부분이 석출되면 용액은 대류를 통해 도가니 벽의 고온 끝으로 돌아가고 C를 다시 용해하여 포화 용액을 형성합니다.

전체 과정이 반복되고 SiC 결정이 성장합니다. 액상 성장 과정에서 용액 내 C의 용해 및 침전은 성장 진행의 매우 중요한 지표입니다. 안정적인 결정 성장을 보장하려면 도가니 벽에서 C의 용해와 결정핵 끝의 침전 사이의 균형을 유지하는 것이 필요합니다. C의 용해가 C의 침전보다 크면 결정 내 C가 점차 농축되고 SiC의 자발적인 핵 생성이 발생합니다. C의 용해량이 C의 석출량보다 적으면 용질이 부족하여 결정 성장이 어려워진다.
동시에, 대류에 의한 C의 이동은 성장 중 C의 공급에도 영향을 미칩니다. 충분한 결정 품질과 충분한 두께를 갖는 SiC 결정을 성장시키기 위해서는 위의 세 가지 요소의 균형을 보장해야 하며, 이는 SiC 액상 성장의 어려움을 크게 증가시킵니다. 그러나 관련 이론과 기술의 점진적인 개선과 개선으로 SiC 결정의 액상 성장의 장점이 점차 나타날 것입니다.
현재 일본에서는 2인치 SiC 결정의 액상성장이 가능하며, 4인치 결정의 액상성장도 개발 중이다. 현재 국내 관련 연구에서는 좋은 결과가 나오지 않고 있어 관련 연구에 대한 후속 연구가 필요하다.

제칠, SiC 결정의 물리적, 화학적 특성

(1) 기계적 성질: SiC 결정은 경도가 매우 높고 내마모성이 우수합니다. 모스 경도는 9.2~9.3이고, 크릿 경도는 2900~3100Kg/mm2로 발견된 물질 중 다이아몬드 결정에 이어 두 번째입니다. SiC의 우수한 기계적 특성으로 인해 분말 SiC는 절단 또는 연삭 산업에 자주 사용되며 연간 수요는 최대 수백만 톤에 이릅니다. 일부 공작물의 내마모성 코팅에는 SiC 코팅도 사용됩니다. 예를 들어 일부 군함의 내마모성 코팅은 SiC 코팅으로 구성됩니다.

(2) 열적 특성: SiC의 열전도율은 3~5W/cm·K에 달할 수 있으며 이는 기존 반도체 Si의 3배, GaAs의 8배입니다. SiC로 제조된 장치의 열 생산은 신속하게 수행될 수 있으므로 SiC 장치의 방열 조건에 대한 요구 사항은 상대적으로 느슨하며 고전력 장치를 제조하는 데 더 적합합니다. SiC는 안정적인 열역학적 특성을 가지고 있습니다. 정상적인 압력 조건에서 SiC는 더 높은 온도에서 Si와 C를 포함하는 증기로 직접 분해됩니다..

(3) 화학적 성질: SiC는 화학적 성질이 안정적이고 내식성이 우수하며 실온에서 알려진 산과 반응하지 않습니다. SiC를 공기 중에 오랫동안 방치하면 치밀한 SiO2의 얇은 층이 천천히 형성되어 더 이상의 산화 반응을 방지합니다. 온도가 1700℃ 이상으로 올라가면 SiO2박막이 빠르게 녹아 산화됩니다. SiC는 용융된 산화제 또는 염기와 느린 산화 반응을 겪을 수 있으며, SiC 웨이퍼는 일반적으로 SiC 결정의 전위를 특성화하기 위해 용융된 KOH 및 Na2O2에서 부식됩니다..

(4) 전기적 특성: 와이드 밴드갭 반도체의 대표적인 물질인 SiC는 6H-SiC와 4H-SiC의 밴드갭 폭이 각각 3.0eV, 3.2eV로 Si의 3배, GaAs의 2배이다. SiC로 만든 반도체 소자는 누설 전류가 작고 항복 전기장이 크기 때문에 SiC는 고전력 소자에 이상적인 재료로 간주됩니다. SiC의 포화 전자 이동도는 Si보다 2배 더 높으며 고주파 장치 제조에 있어서도 분명한 이점을 가지고 있습니다. P형 SiC 결정 또는 N형 SiC 결정은 결정에 불순물 원자를 도핑하여 얻을 수 있습니다. 현재 P형 SiC 결정은 주로 Al, B, Be, O, Ga, Sc 및 기타 원자로 도핑되어 있으며 N형 SiC 결정은 주로 N 원자로 도핑되어 있습니다. 도핑 농도와 유형의 차이는 SiC의 물리적, 화학적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 동시에 V와 같은 깊은 수준의 도핑으로 자유 캐리어를 고정할 수 있고 저항률을 높일 수 있으며 반절연 SiC 결정을 얻을 수 있습니다.

(5) 광학적 특성: 상대적으로 넓은 밴드 갭으로 인해 도핑되지 않은 SiC 결정은 무색 투명합니다. 도핑된 SiC 결정은 서로 다른 특성으로 인해 서로 다른 색상을 나타냅니다. 예를 들어 6H-SiC는 N을 도핑한 후 녹색입니다. 4H-SiC는 갈색입니다. 15R-SiC는 노란색입니다. Al로 도핑된 4H-SiC는 파란색으로 나타납니다. 색상의 차이를 관찰하여 SiC 결정의 종류를 직관적으로 구별하는 방법입니다. 지난 20년간 SiC 관련 분야에 대한 지속적인 연구를 통해 관련 기술에 큰 발전이 이루어졌습니다.

여덟 번째,SiC 개발 현황 소개

현재 SiC 산업은 기판 웨이퍼, 에피택시 웨이퍼부터 장치 생산, 패키징에 이르기까지 점점 더 완벽해지고 있으며 전체 산업 체인이 성숙해졌으며 SiC 관련 제품을 시장에 공급할 수 있습니다.

Cree는 SiC 기판 웨이퍼의 크기와 품질 모두에서 선도적인 위치를 차지하고 있는 SiC 결정 성장 산업의 선두주자입니다. Cree는 현재 연간 300,000개의 SiC 기판 칩을 생산하며 이는 전 세계 출하량의 80% 이상을 차지합니다.

2019년 9월 Cree는 미국 뉴욕주에 최첨단 기술을 사용하여 직경 200mm 전력 및 RF SiC 기판 웨이퍼를 성장시킬 새로운 시설을 건설할 것이라고 발표했습니다. 이는 자사의 200mm SiC 기판 재료 준비 기술이 더 성숙해지다.

현재 시중에 나와 있는 SiC 기판 칩의 주류 제품은 주로 4H-SiC 및 6H-SiC 전도성 및 반절연형 2~6인치입니다.
2015년 10월 Cree는 N형 및 LED용 200mm SiC 기판 웨이퍼를 최초로 출시하여 8인치 SiC 기판 웨이퍼의 시장 출시를 알렸습니다.
2016년에 Romm은 Venturi 팀을 후원하기 시작했으며 기존 200kW 인버터의 IGBT + Si FRD 솔루션을 대체하기 위해 자동차에 IGBT + SiC SBD 조합을 최초로 사용했습니다. 개선 후, 인버터의 무게는 2kg 감소하고, 크기는 19% 감소하면서도 동일한 출력을 유지했다.

2017년에는 SiC MOS + SiC SBD를 추가로 채용하여 무게는 6kg 감소했을 뿐만 아니라 크기도 43% 감소했으며 인버터 전력도 200kW에서 220kW로 증가했습니다.
Tesla는 2018년 Model 3 제품의 메인 구동 인버터에 SIC 기반 장치를 채택한 이후 시연 효과가 급격히 증폭되어 xEV 자동차 시장이 곧 SiC 시장의 흥분의 원천이 되었습니다. SiC의 성공적인 적용으로 관련 시장 생산량도 빠르게 상승했습니다.

제구,결론:

SiC 관련 산업 기술의 지속적인 개선으로 수율과 신뢰성이 더욱 향상되고 SiC 장치의 가격도 낮아지며 SiC의 시장 경쟁력이 더욱 분명해질 것입니다. 앞으로 SiC 디바이스는 자동차, 통신, 전력망, 교통 등 다양한 분야에서 더욱 폭넓게 활용될 것이며 제품 시장도 더욱 넓어지고 시장 규모도 더욱 확대되어 국가의 중요한 지원군이 될 것입니다. 경제.

게시 시간: 2024년 1월 25일

탄화규소의 구조 및 성장기술(Ⅱ)