3세대 반도체인 탄화규소(SiC)는 실리콘보다 우수한 전기적 및 열적 특성을 갖고 있어 고온, -고주파, 고{3}}전력 및 고전압 장치를 제조하는 데 이상적인 재료 중 하나입니다. SiC는 실리콘과 탄소로 구성된 화합물이다. 실리콘 원자와 탄소 원자는 사면체 구조를 형성합니다. SiC 결정은 실리콘 원자층과 탄소 원자층을 서로 다른 방식으로 교대로 형성하여 형성된 200개 이상의 알려진 다형을 가지고 있습니다. 가장 일반적인 것은 3C-SiC(입방체 구조 또는 -SiC), 4H-SiC 및 6H-SiC(모두 육각형 구조 또는 -SiC)입니다.
3C-SiC
3C-SiC는 가장 단순한 SiC 폴리타입이며 입방형 조밀-압축 구조를 가지고 있습니다. 이 구조에서는 실리콘과 탄소 원자가 3차원 공간에서 특정한 방식으로 배열되어 고도로 대칭적인 결정 구조를 형성합니다. 대칭성으로 인해 3C-SiC는 전자적 및 광학적 특성이 상대적으로 열악하며 현재 실제 응용 분야에서는 상대적으로 거의 사용되지 않습니다.
4H-SiC 및 6H-SiC
3C-SiC와 달리 4H-SiC 및 6H-SiC는 육각형의 조밀-압축 구조를 가지고 있습니다. 이 두 가지 다형은 3C-SiC보다 전자 이동도, 열 전도성이 우수하고 밴드갭. 4H-SiC는 전자 이동도가 높아 고주파-고전력 전자 장치에 더 이상적입니다. 이는 신에너지 차량 및 5G 통신과 같은 분야에서 가장 널리 사용되며, 현재 SiC 제조업체는 주로 4H-SiC. 6H-SiC를 생산합니다. SiC는 밴드갭이 더 크기 때문에 고온{20}}및 높은{21}}방사선 환경에서 더 나은 성능을 발휘합니다.
SiC 단결정 성장 기술
현재 SiC 결정 성장에 사용되는 주요 기술로는 PVT(물리적 기상 수송), HTCVD(고온 화학 기상 증착), TSSG(상위 시드 용액 성장) 등이 있습니다. 그중 PVT는 현재 중국 및 해외에서 가장 성숙하고 가장 널리 사용되는 SiC 단결정 성장 방법입니다.{3}}
PVT(물리적 증기 수송) 방법
물리적 증기 수송(PVT)은 SiC 단결정의 상업적 성장을 위해 널리 채택되는 방법입니다. 1955년 Lely가 승화 공정을 통해 개발한 Lely 방식을 기반으로 개발되었습니다. 그러나 Lely 방법은 단결정 성장을 효과적으로 제어할 수 없습니다.- 1977년에 Tairov와 Tsvetkov는 SiC 단결정을 성장시키기 위해 최초로 씨뿌리기 승화를 사용했습니다. 이 방법은 "수정된 Lely 방법" 또는 PVT 방법이라고도 합니다.
PVT에서는 흑연 도가니 상단에 종결정을 배치하고 하단에 고순도 SiC 분말을 배치합니다.- 도가니 외부에는 단열층이 있습니다. 유도 가열 코일은 절연층 외부에 있고 냉각수는 코일 내부에 있습니다. 도가니 내부에서 온도와 온도 구배를 제어함으로써 SiC 분말은 기체 상태로 변환되어 종자 결정으로 이송되어 결정 성장이 일어납니다. PVT의 원료는 고순도 SiC 분말이고 성장 온도는 2100~2500도입니다. 현재 국내 일부 SiC 제조사에서는 이 방식을 주류 생산 방식으로 채택하고 있다. 단점은 높은 성장 온도, 높은 전력 소비 및 높은 비용입니다. 성장한 결정에는 결함이 많아 장치 성능과 서비스 수명에 영향을 미칩니다.
PVT SiC 성장 기술은 이미 매우 성숙했지만 실제 생산에는 다음과 같은 문제가 남아 있습니다. SiC 단결정의 PVT 성장에서는 다형 전이가 쉽게 발생하여 다결정 개재물로 이어집니다. SiC 결정 성장 중에 단일 다형을 제어하는 것은 복잡한 문제입니다. 주류인 4H-SiC 단결정을 예로 들면, 단일 다형의 안정적인 성장은 종자 결정 극성, 성장 온도, 성장 압력, 기상-Si/C 비율, 도핑 유형을 비롯한 여러 요인의 영향을 받으며, 이는 SiC 다형의 정밀한 조절이 더욱 어려워진다는 것을 의미합니다. SiC 단결정의 PVT 성장 중 용광로의 정확한 온도 제어도 여전히 큰 과제로 남아 있습니다. 또한 PVT는 고온에서의 가스 수송 및 반응 공정에 의존하므로 가스 흐름, 반응 동역학 등에 대한 요구가 높습니다.
고온-HTCVD(화학 기상 증착) 방법
고온 화학 기상 증착(HTCVD) 방법에서는 -SiC 종자 결정을 흑연으로 만든 도가니에 넣습니다. 원료인 실란과 탄소-를 함유한 전구체 가스는 하부 반응기를 통해 연속적으로 도가니에 유입됩니다. 그런 다음 실란은 Si 클러스터로 직접 열분해되며, 이 클러스터는 탄소- 함유 전구체 가스의 탄화수소(CxHy)와 반응하여 종자정 아래에 SiC 단결정을 형성합니다.
PVT에 비해 HTCVD는-더 높은 순도의 원료를 사용하고 성장 중 원료 공급 속도, C/Si 비율, 성장 온도를 정확하게 제어할 수 있어 더 높은 품질의 SiC 결정을 생산할 수 있습니다.- 또한, 캐리어 가스를 직접 열분해하면 HTCVD는 다른 방법보다 에너지 효율이 높고, 고속- 캐리어 가스는 열분해로 얻은 클러스터가 SiC 종자정에 도달하는 데 도움이 되므로 HTCVD는 다른 방법보다 빠르게 SiC 결정을 성장시킵니다.
HTCVD는 높은 결정 품질, 빠른 성장 속도, 연속 공급 등의 장점을 가지고 있습니다. 그러나 이 방법은 성장장비와 고순도 가스 등이 고가이기 때문에 생산비용이 높고 상용화 과정이 느리다. 동시에 SiC 단결정의 HTCVD 성장에서는 SiH4와 C3H8이 고온에서 분해되고 다양한 반응을 거쳐야 SiC 시드에서 결정이 최종적으로 성장하기 때문에 소스 가스가 너무 빨리 분해되면 가스 유입구가 막히게 됩니다. 소스 가스가 너무 느리게 분해되면 미반응 가스가 가스 배출구에 남아 막힐 수 있습니다. 이는 HTCVD SiC 단결정 성장 장비를 상대적으로 불안정하게 만듭니다.- 또한, 현재 HTCVD에 대한 연구가 부족하고, 공정이 아직 성숙되지 않았으며, 아직 R&D 단계이기 때문에 SiC 단결정의 HTCVD 성장은 산업계에서 널리 활용되지 못하고 있다.
상위-TSSG(시드 솔루션 성장) 방법
TSSG(상위 시드 용액 성장) 방법에서 실리콘 소스는 실리콘 용융물이고 탄소 소스는 고순도 흑연 도가니입니다.- 2000도 이하에서는 실리콘 용융물에서 탄소의 용해도가 1% 미만이므로 SiC 결정 성장에 필요한 Si:C=1:1 몰비에 도달하기 어렵습니다. 2800도에서도 실리콘의 탄소 용해도는 19%에 불과합니다. 따라서 실제 액상-SiC 결정 성장 실험에서는 고온-용액에서 탄소의 용해도를 높이기 위해 일부 플럭스를 추가해야 합니다. 일반적인 플럭스에는 Cr, Fe, Ti 등이 포함됩니다. 결정 성장 중에 흑연 도가니의 탄소는 점차적으로 용융물에 용해되고 용융물을 통해 종자 결정으로 이동하여 지속적인 탄소 공급이 가능합니다. 시드/도가니 회전 속도, 온도 필드, 전류 주파수 및 크기와 같은 매개변수를 제어함으로써 적절한 온도 구배, 압력 구배 및 유동장이 용융물에 형성되므로 탄소가 도가니 벽에서 시드 결정으로 이동할 수 있습니다. 그러나 실제 성장에서는 종자 결정이 종종 용해되고 다결정 물질이 도가니 벽과 종자 결정에 침전됩니다. 따라서 결정 성장 과정 전반에 걸쳐 성장 매개변수를 조정하여 전체 시스템을 적절한 동적 평형 상태로 유지함으로써 지속적인 결정 성장이 이루어질 수 있도록 해야 합니다.
TSSG는 보다 온화한 성장 조건에서 SiC 결정을 준비할 수 있습니다. 또한 공정 매개변수의 역동적이고 정밀한 조절, 지속적인 직경 확장 성장, 균일한 높은 p{1}}형 도핑과 같은 기술적 특징도 갖추고 있습니다. 이는 저비용, 고품질-SiC 기판을 위한 경쟁력이 매우 높은 혁신적인 기술 중 하나가 되었습니다. TSSG는 SiC 결정을 제조하는 데 상당한 이점을 갖고 있지만 규제해야 하는 수많은 공정 매개변수에 주로 반영되는 높은 기술적 장벽도 있습니다. 부적절한 매개변수 선택은 결정 성장 중에 동적 평형을 방해하고 심각한 거시적 결함을 유발할 수 있습니다.