반도체 산업에서 SiC 기판과 결정 성장의 중요한 역할

실리콘 카바이드(SiC) 산업 체인 내에서 기판 공급업체는 주로 가치 분배로 인해 상당한 영향력을 갖고 있습니다.SiC 기판이 전체 가치의 47%를 차지하고, 에피택셜 레이어가 23%로 그 뒤를 잇습니다., 장치 설계 및 제조는 나머지 30%를 차지합니다. 이러한 역전된 가치 사슬은 기판 및 에피택셜 층 생산에 내재된 높은 기술 장벽에서 비롯됩니다.

SiC 기판 성장을 방해하는 세 가지 주요 과제:엄격한 성장 조건, 느린 성장 속도, 까다로운 결정학적 요구 사항 등이 있습니다. 이러한 복잡성으로 인해 가공 난이도가 높아져 궁극적으로 제품 수율이 낮아지고 비용이 높아집니다. 또한 에피택셜 층의 두께와 도핑 농도는 최종 장치 성능에 직접적인 영향을 미치는 중요한 매개변수입니다.

SiC 기판 제조 공정:

원료 합성:고순도 실리콘과 카본 분말을 특정 레시피에 따라 꼼꼼하게 혼합합니다. 이 혼합물은 고온 반응(2000°C 이상)을 거쳐 제어된 결정 구조와 입자 크기를 갖는 SiC 입자를 합성합니다. 후속 분쇄, 체질 및 세척 공정을 통해 결정 성장에 적합한 고순도 SiC 분말이 생성됩니다.

결정 성장:SiC 기판 제조에서 가장 중요한 단계인 결정 성장은 기판의 전기적 특성을 결정합니다. 현재 PVT(물리적 증기 수송) 방법이 상용 SiC 결정 성장을 지배하고 있습니다. 대안으로는 HT-CVD(고온 화학 기상 증착) 및 LPE(액상 에피택시)가 있지만 상업적 채택은 여전히 ​​제한적입니다.

크리스탈 처리:이 단계에는 잉곳 처리, 웨이퍼 슬라이싱, 연삭, 연마 및 세척과 같은 일련의 세심한 단계를 통해 SiC 부울을 연마된 웨이퍼로 변환하는 작업이 포함됩니다. 각 단계에는 고정밀 장비와 전문 지식이 필요하며 궁극적으로 최종 SiC 기판의 품질과 성능을 보장합니다.

1. SiC 결정 성장의 기술적 과제:

SiC 결정 성장은 몇 가지 기술적 장애물에 직면해 있습니다.

높은 성장 온도:2300°C를 초과하는 온도에서는 성장로 내의 온도와 압력 모두에 대한 엄격한 제어가 필요합니다.

다형성 제어:SiC는 250개 이상의 다형을 나타내며, 4H-SiC는 전자 응용 분야에 가장 적합합니다. 이러한 특정 폴리타입을 달성하려면 성장 중 실리콘-탄소 비율, 온도 구배 및 가스 흐름 역학에 대한 정밀한 제어가 필요합니다.

느린 성장률:PVT는 상업적으로 확립되었지만 약 0.3-0.5mm/h의 느린 성장률로 어려움을 겪고 있습니다. 2cm 크리스탈을 성장시키는 데는 대략 7일이 소요되며, 달성 가능한 최대 크리스탈 길이는 3~5cm로 제한됩니다. 이는 부울이 72시간 내에 높이가 2~3m에 도달하고 직경이 6~8인치에 도달하고 새로운 시설에서는 심지어 12인치에 달하는 실리콘 결정 성장과 완전히 대조됩니다. 이러한 불일치로 인해 SiC 잉곳 직경이 일반적으로 4~6인치 범위로 제한됩니다.

물리적 기상 수송(PVT)이 상업용 SiC 결정 성장을 지배하는 반면, 고온 화학 기상 증착(HT-CVD) 및 액상 에피택시(LPE)와 같은 대체 방법은 뚜렷한 이점을 제공합니다. 그러나 SiC 산업의 폭넓은 채택을 위해서는 한계를 극복하고 성장률과 결정 품질을 향상시키는 것이 중요합니다.

다음은 이러한 결정 성장 기술에 대한 비교 개요입니다.

(1) 물리적 증기 수송(PVT):

원리: SiC 결정 성장을 위해 "승화-수송-재결정화" 메커니즘을 활용합니다.

공정: 고순도 탄소와 실리콘 분말을 정확한 비율로 혼합합니다. SiC 분말과 종자 결정은 성장로 내 도가니 바닥과 상단에 각각 배치됩니다. 2000°C를 초과하는 온도는 온도 구배를 생성하여 SiC 분말이 승화 및 종자 결정으로 재결정화되어 부울을 형성하게 합니다.

단점: 느린 성장 속도(7일에 약 2cm), 기생 반응에 대한 민감성으로 인해 성장된 결정의 결함 밀도가 높아집니다.

(2) 고온 화학 기상 증착(HT-CVD):

원리: 2000~2500°C 사이의 온도에서 실란, 에탄 또는 프로판과 같은 고순도 전구체 가스와 수소가 반응 챔버에 도입됩니다. 이러한 가스는 고온 영역에서 분해되어 기체 SiC 전구체를 형성하며, 이후 저온 영역의 종자 결정에 증착 및 결정화됩니다.

장점: 지속적인 결정 성장이 가능하고 고순도 기체 전구체를 활용하여 결함이 적은 고순도 SiC 결정을 생성합니다.

단점: 느린 성장 속도(약 0.4-0.5mm/h), 높은 장비 및 운영 비용, 가스 입구 및 출구가 막히기 쉬움.

(3) 액상 에피택시(LPE):

(발췌본에는 포함되지 않았지만 완전성을 위해 LPE에 대한 간략한 개요를 추가하고 있습니다.)

원리: "용해-침전" 메커니즘을 사용합니다. 1400~1800°C 범위의 온도에서 탄소는 고순도 실리콘 용융물에 용해됩니다. SiC 결정은 냉각되면서 과포화 용액에서 침전됩니다.

장점: 낮은 성장 온도는 냉각 중 열 응력을 줄여 결함 밀도를 낮추고 결정 품질을 높입니다. PVT에 비해 훨씬 빠른 성장률을 제공합니다.

단점: 도가니에서 금속 오염이 발생하기 쉽고, 달성 가능한 결정 크기가 제한되어 있으며 주로 실험실 규모 성장에 국한됩니다.

각 방법에는 고유한 장점과 한계가 있습니다. 최적의 성장 기술을 선택하는 것은 특정 응용 분야 요구 사항, 비용 고려 사항 및 원하는 결정 특성에 따라 달라집니다.

2. SiC 결정 처리 과제 및 솔루션:

웨이퍼 슬라이싱:SiC의 경도, 취성 및 내마모성은 절단을 어렵게 만듭니다. 전통적인 다이아몬드 와이어 톱질은 시간이 많이 걸리고 낭비적이며 비용이 많이 듭니다. 솔루션에는 슬라이싱 효율성과 웨이퍼 수율을 향상시키는 레이저 다이싱 및 콜드 분할 기술이 포함됩니다.

웨이퍼 박화:SiC는 파괴인성이 낮아 박형화 과정에서 균열이 생기기 쉽고 균일한 두께 감소를 방해한다. 현재 기술은 휠 마모와 표면 손상으로 인해 발생하는 회전 연삭에 의존합니다. 재료 제거율을 높이고 표면 결함을 최소화하기 위해 초음파 진동 보조 연삭 및 전기화학 기계적 연마와 같은 고급 방법이 연구되고 있습니다.

3. 향후 전망:

SiC 결정 성장과 웨이퍼 처리를 최적화하는 것은 SiC 채택이 널리 확산되는 데 매우 중요합니다. 향후 연구는 이 유망한 반도체 소재의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 성장률 증가, 결정 품질 개선, 웨이퍼 처리 효율성 향상에 중점을 둘 것입니다.**