シリコンカーバイド単結晶を成長させる主な方法には、物理気相輸送法 (PVT)、トップシード溶液成長法 (TSSG)、高温化学気相成長法 (HT-CVD) などがあります。

これらのうち、PVT 法は、設備のセットアップが比較的簡単で、操作と制御が容易であり、設備コストと運用コストが低いため、工業生産の主要技術となっています。

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PVT法によるSiC結晶成長の重要な技術的ポイント

PVT 法を使用してシリコンカーバイド結晶を成長させるには、いくつかの技術的な側面を慎重に制御する必要があります。

1. 熱分野におけるグラファイト材料の純度
   結晶成長熱場で使用されるグラファイト材料は、厳格な純度要件を満たす必要があります。グラファイト成分中の不純物含有量は5×10⁻⁶以下、断熱フェルトの場合は10×10⁻⁶以下である必要があります。具体的には、ホウ素（B）とアルミニウム（Al）の含有量はそれぞれ0.1×10⁻⁶以下である必要があります。

2. 種結晶の正しい極性
   経験的データによれば、C 面 (0001) は 4H-SiC 結晶の成長に適しており、Si 面 (0001) は 6H-SiC の成長に適していることが示されています。

3. オフアクシス種結晶の使用
   オフアクシスシードは成長の対称性を変え、結晶の欠陥を減らし、結晶の品質を向上させることができます。

4. 信頼性の高い種結晶結合技術
   成長中の安定性には、種結晶とホルダー間の適切な結合が不可欠です。

5. 成長インターフェースの安定性の維持
   高品質の結晶成長を確実にするために、結晶成長サイクル全体を通じて成長インターフェースは安定した状態に保たれなければなりません。

 

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SiC結晶成長におけるコア技術

1. SiC粉末のドーピング技術

SiC粉末にセリウム（Ce）をドーピングすると、4H-SiCなどの単一ポリタイプの成長を安定化させることができます。実践において、Ceドーピングには以下の効果があることが示されています。

• SiC 結晶の成長速度を向上します。

• 結晶の配向を改善し、より均一で方向性のある成長を実現します。

• 不純物や欠陥を減らす;

• 結晶の裏面腐食を抑制します。

• 単結晶の歩留まりを向上します。

2. 軸方向および放射状の温度勾配の制御

軸方向の温度勾配は、結晶の多形と成長速度に影響を与えます。勾配が小さすぎると、多形介在物の発生や気相中の物質輸送の低下につながる可能性があります。安定した高速結晶成長と一貫した品質の実現には、軸方向と径方向の両方の勾配を最適化することが不可欠です。

3. 基底面転位（BPD）制御技術

BPDは、主にSiC結晶において臨界閾値を超えるせん断応力によって形成され、すべり系が活性化されます。BPDは成長方向に垂直であるため、通常は結晶の成長と冷却中に発生します。内部応力を最小限に抑えることで、BPD密度を大幅に低減できます。

4. 蒸気相組成比制御

気相中の炭素/シリコン比を高めることは、単一ポリタイプの成長を促進する実証済みの方法です。高いC/Si比はマクロステップのバンチングを低減し、種結晶からの表面特性を維持するため、望ましくないポリタイプの形成を抑制します。

5. 低ストレス成長技術

結晶成長中の応力は、格子面の湾曲、クラック、およびBPD密度の増加につながる可能性があります。これらの欠陥はエピタキシャル層に持ち込まれ、デバイス性能に悪影響を及ぼす可能性があります。

内部結晶応力を軽減するための戦略としては、次のようなものがあります。

• 熱場分布とプロセスパラメータを調整して、ほぼ平衡な成長を促進します。

• 機械的な制約なしに結晶が自由に成長できるように坩堝の設計を最適化します。

• 加熱中にシードとグラファイト間の熱膨張の不一致を減らすためにシード ホルダーの構成を改良します (多くの場合、シードとホルダーの間に 2 mm の隙間を残します)。

• 結晶を炉で冷却し、温度と時間を調整して内部応力を完全に解放する焼きなましプロセスを改良します。

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SiC結晶成長技術の動向

1. より大きな結晶サイズ
SiC単結晶の直径は、わずか数ミリメートルから6インチ、8インチ、さらには12インチのウェハへと拡大しています。ウェハの大型化は、生産効率の向上とコスト削減を実現すると同時に、高出力デバイス用途の要求にも応えます。

2. より高い結晶品質
高性能デバイスには、高品質のSiC結晶が不可欠です。大幅な改善が見られるものの、現在の結晶にはマイクロパイプ、転位、不純物といった欠陥が依然として存在し、これらはすべてデバイスの性能と信頼性を低下させる可能性があります。

3. コスト削減
SiC結晶の製造コストは依然として比較的高く、普及の妨げとなっています。成長プロセスの最適化、生産効率の向上、原材料コストの削減によるコスト削減は、市場用途の拡大に不可欠です。

4. インテリジェント製造
人工知能（AI）とビッグデータ技術の進歩により、SiC結晶成長はインテリジェントで自動化されたプロセスへと移行しています。センサーと制御システムにより、成長条件をリアルタイムで監視・調整できるため、プロセスの安定性と予測可能性が向上します。データ分析により、プロセスパラメータと結晶品質をさらに最適化できます。

高品質SiC単結晶成長技術の開発は、半導体材料研究における主要な焦点です。技術の進歩に伴い、結晶成長法は進化と改善を続け、高温、高周波、高出力電子機器におけるSiC応用の確固たる基盤を提供します。