高品質炭化ケイ素（SiC）単結晶製造における重要な考慮事項

炭化ケイ素単結晶の主な製造方法には、物理的気相輸送法（PVT）、種結晶溶液成長法（TSSG）、高温化学気相成長法（HT-CVD）があります。

これらのうち、PVT は、比較的シンプルな設備構成、制御の容易さ、設備および運用コストの低さから、工業生産で最も広く採用されている方法です。

SiC結晶成長におけるPVT法の技術的ハイライト

PVT法を用いてSiC単結晶を成長させる場合、以下の技術的側面が重要です:

• グラファイト材料の純度

熱場に使用されるグラファイトは、厳格な純度要件を満たす必要があります。グラファイト部品の不純物含有量は5×10⁻⁶未満、断熱フェルトは10×10⁻⁶未満である必要があります。特に、ホウ素（B）とアルミニウム（Al）の含有量は0.1×10⁻⁶未満でなければなりません。​

• 適切な種結晶極性の選択

実験により、4H-SiCの成長にはC（0001）面が適しており、6H-SiCの成長にはSi（0001）面が使用されることが示されています。

• オフ軸種結晶の使用

オフ軸種は、成長対称性を破り、結果として得られる結晶の欠陥を減らすのに役立ちます。

• 高品質な種結晶接合プロセス

種結晶と基板間の信頼性の高い接合は、安定した成長に不可欠です。

• 安定した成長界面の維持

成長サイクル全体を通して、均一な品質を確保するために、結晶成長界面の安定性を維持することが重要です。

SiC結晶成長におけるコアテクノロジー

• SiC粉末におけるドーピング技術

  炭化ケイ素粉末にセリウム（Ce）をドーピングすると、単一ポリタイプの4H-SiCの安定した成長が促進されます。このドーピング技術は以下を可能にします:

   

  • 成長速度の向上;

  • 結晶方位の強化;

  • 不純物の混入と欠陥の形成の抑制;

  • 高品質結晶の収率向上;

  • 裏面腐食の防止と単結晶性の向上。

• 軸方向および半径方向の温度勾配制御

  軸方向の勾配は、結晶の形態と成長効率に大きく影響します。勾配が小さすぎると、ポリタイプの混合や蒸気輸送の減少につながる可能性があります。最適な軸方向および半径方向の勾配は、高速で安定した結晶成長をサポートします。

• 基底面転位（BPD）制御

  BPDは、内部せん断応力が臨界閾値を超えたときに発生し、通常は成長中および冷却中に発生します。これらの応力を管理することは、BPD欠陥を最小限に抑えるための鍵となります。

• 気相組成比制御

  気相中の炭素とケイ素の比率を増加させると、単一ポリタイプの成長が安定し、マクロステップのバンチングが防止され、それによってポリタイプの形成が抑制されます。

• 低応力結晶成長技術

  内部応力は、格子歪み、結晶のひび割れ、転位密度の増加につながる可能性があり、これらはすべて結晶品質と下流デバイスの性能を低下させます。応力は、以下によって軽減できます:

   

  • 準平衡成長のための温度場とプロセス最適化;

  • 自由な結晶膨張を可能にするためのるつぼ構造の再設計;

  • 熱膨張のミスマッチを減らすために、種とグラファイトホルダーの間に2 mmの隙間を残すことによる、種取り付け方法の改善;

  • 温度と時間を慎重に調整して、炉内で結晶をアニーリングして残留応力を解放する。

SiC単結晶成長技術の将来の動向

• より大きな結晶サイズ

  SiC単結晶の直径は、数ミリメートルから6インチ、8インチ、さらには12インチのウェーハへと成長しています。スケールアップは、生産効率を向上させ、単位コストを削減し、高出力デバイスのニーズに対応します。

• より高い結晶品質

  現在の結晶は大幅に改善されていますが、マイクロパイプ、転位、不純物などの課題が残っています。これらの欠陥を排除することは、より高性能なデバイスを実現するために不可欠です。

• コスト削減

  SiC結晶成長の高コストは、普及の障壁となっています。プロセス最適化、より良い資源利用、より安価な原材料を通じてコストを削減することは、研究の重要な分野です。

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• インテリジェントマニュファクチャリング

  AIとビッグデータの進歩により、インテリジェントな結晶成長が目前に迫っています。センサーと自動制御システムは、リアルタイムで状態を監視および調整し、安定性と再現性を向上させることができます。データ分析は、収率と品質を向上させるためにプロセスをさらに洗練させることができます。