炭化シリコンの結晶成長とは何ですか？

sicに近づく|炭化シリコンの結晶成長の原理

自然界では、結晶はどこにでもあり、その分布と用途は非常に広範囲です。また、異なる結晶には、異なる構造、特性、準備方法があります。しかし、それらの一般的な特徴は、結晶内の原子が定期的に配置され、特定の構造を持つ格子が3次元空間での周期的な積み重ねによって形成されることです。したがって、結晶材料の外観は通常、通常の幾何学的な形状を示します。

炭化シリコン単結晶基質材料（以下、SIC基質と呼ばれる）も一種の結晶材料です。ワイドバンドギャップの半導体材料に属し、高電圧抵抗、高温抵抗、高頻度、低損失などの利点があります。高出力の電子デバイスとマイクロ波RFデバイスを準備するための基本的な材料です。

SICの結晶構造

SICは、1：1の化学量論比の炭素とシリコンで構成されるIV-IV化合物半導体材料であり、その硬度はダイヤモンドに次ぐものです。

炭素原子とシリコン原子の両方に4つの原子価電子があり、4つの共有結合を形成できます。 SICクリスタルの基本構造単位であるSIC四面体は、シリコンと炭素原子の間の四面体結合から生じます。シリコン原子と炭素原子の両方の配位数は4です。つまり、各炭素原子にはその周りに4つのシリコン原子があり、各シリコン原子にはその周りに4つの炭素原子もあります。

結晶材料として、SIC基質には原子層の周期的な積み重ねの特性もあります。 Si-C珪藻層は[0001]方向に沿って積み重ねられています。層間の結合エネルギーの小さな違いにより、原子層間で異なる接続モードが簡単に生成され、200を超えるSICポリタイプにつながります。一般的なポリタイプには、2H-SIC、3C-SIC、4H-SIC、6H-SIC、15R-SICなどが含まれます。その中で、「ABCB」の順にスタッキングシーケンスは4Hポリタイプと呼ばれます。 SICの異なるポリタイプには同じ化学組成がありますが、その物理的特性、特にバンドギャップ幅、キャリアの移動度、その他の特性はまったく異なります。 4Hポリタイプの特性は、半導体アプリケーションにより適しています。

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

温度や圧力などの成長パラメーターは、成長プロセス中の4H-SICの安定性に大きく影響します。したがって、高品質と均一性を持つ単結晶材料を得るには、調製中に成長温度、成長圧力、成長速度などのパラメーターを正確に制御する必要があります。

SICの準備方法：物理的蒸気輸送方法（PVT）

現在、炭化シリコンの調製方法は、物理蒸気輸送法（PVT）、高温化学蒸気堆積法（HTCVD）、および液相法（LPE）です。また、PVTは、産業大量生産に適した主流の方法です。

（a）SICブールのPVT成長方法のスケッチと 

（b）形態と結晶成長の界面と条件に関する優れた詳細を画像化するためのPVT成長の視覚化

PVT成長中、SICシードクリスタルはるつぼの上部に配置され、ソース材料（SICパウダー）が底に配置されます。高温と低圧の囲まれた環境では、SIC粉末は昇華し、温度勾配と濃度の差の効果の下で種子近くの空間に上方に輸送します。そして、それは過飽和状態に到達した後に再結晶します。この方法により、SICクリスタルのサイズとポリタイプを制御できます。

ただし、PVTメソッドでは、成長プロセス全体にわたって適切な成長条件を維持する必要があります。そうしないと、格子障害につながり、望ましくない欠陥を形成します。その上、SICクリスタルの成長は、監視方法が限られている密閉型空間と多くの変数で完了するため、プロセスの制御は困難です。

単結晶を成長させる主なメカニズム：ステップフロー成長

PVTメソッドによるSIC結晶の栽培プロセスでは、ステップフローの成長は単結晶を形成する主なメカニズムと見なされます。気化したSiおよびC原子は、各ステップが並行して前方に流れるように、段階とねじれの結晶表面の原子と優先的に結合します。成長面の各ステップ間の幅が吸着原子の拡散自由経路よりもはるかに大きい場合、吸着された原子の多数が凝集し、2次元の島を形成し、ステップフロー成長モードを破壊し、4Hの代わりに他のポリア型が形成されます。したがって、プロセスパラメーターの調整は、望ましくないポリタイプの形成を防ぎ、4H単結晶構造を取得し、最終的に高品質の結晶を準備するという目標を達成するために、成長面のステップ構造を制御することを目的としています。

SIC単結晶のステップフロー成長

結晶の成長は、高品質のSIC基質を準備するための最初のステップにすぎません。使用する前に、4H-SIC Ingotは、スライス、ラッピング、ベベル、研磨、クリーニング、検査などの一連のプロセスを実行する必要があります。硬いが脆い材料として、SIC単結晶には、ウェーフステップに高い技術的要件もあります。各プロセスで発生した損害は、特定の遺伝性を持ち、次のプロセスに移動し、最終的に製品の品質に影響を与えます。したがって、SIC基質の効率的なウェーフテクノロジーも業界の注目を集めています。