半導体産業におけるSiC基板と結晶成長の重要な役割

炭化ケイ素 (SiC) 産業チェーン内では、主に価値の分配により、基板サプライヤーが大きな影響力を持っています。SiC基板が全体の47%を占め、次いでエピタキシャル層が23%を占める、デバイスの設計と製造が残りの 30% を占めます。この逆転したバリューチェーンは、基板とエピタキシャル層の製造に固有の高い技術的障壁に起因しています。

SiC 基板の成長を妨げる 3 つの主要な課題:厳しい成長条件、遅い成長速度、厳しい結晶学的要件。これらの複雑さは加工の難易度を高め、最終的には製品の歩留まりが低くなり、コストが高くなります。さらに、エピタキシャル層の厚さとドーピング濃度は、最終的なデバイスの性能に直接影響を与える重要なパラメータです。

SiC基板の製造プロセス：

原料合成:高純度のシリコンとカーボンの粉末を特定のレシピに従って注意深く混合します。この混合物は高温反応（2000℃以上）を受けて、制御された結晶構造と粒径を持つSiC粒子を合成します。その後の粉砕、ふるい分け、洗浄プロセスにより、結晶成長に適した高純度の SiC 粉末が得られます。

結晶成長:SiC 基板製造における最も重要なステップとして、結晶成長は基板の電気的特性を決定します。現在、商業的な SiC 結晶成長では物理的蒸気輸送 (PVT) 法が主流となっています。代替手段には、高温化学蒸着 (HT-CVD) や液相エピタキシー (LPE) が含まれますが、それらの商業的採用は依然として限られています。

クリスタル加工:この段階では、インゴット処理、ウェーハのスライス、研削、研磨、洗浄という一連の細心のステップを経て、SiC ブールを研磨ウェーハに変換します。各ステップには高精度の機器と専門知識が必要であり、最終的には最終的な SiC 基板の品質と性能が保証されます。

1. SiC結晶成長における技術的課題:

SiC 結晶の成長は、いくつかの技術的ハードルに直面しています。

高い成長温度:2300°C を超えるこれらの温度では、成長炉内の温度と圧力の両方を厳密に制御する必要があります。

多型性の制御:SiC には 250 以上のポリタイプがあり、電子用途には 4H-SiC が最も望ましいです。この特定のポリタイプを達成するには、成長中のシリコンと炭素の比率、温度勾配、ガスの流れのダイナミクスを正確に制御する必要があります。

成長率が遅い:PVT は商業的に確立されていますが、成長速度が約 0.3 ～ 0.5 mm/h と遅いという欠点があります。 2cmの結晶を成長させるには約7日かかり、達成可能な結晶の最大長は3〜5cmに制限されます。これは、ブールが 72 時間以内に高さ 2 ～ 3 メートルに達し、新しい施設では直径が 6 ～ 8 インチ、さらには 12 インチに達するシリコン結晶の成長とは著しく対照的です。この不一致により、SiC インゴットの直径が制限され、通常は 4 ～ 6 インチの範囲になります。

商業的な SiC 結晶成長は物理的蒸気輸送 (PVT) が主流ですが、高温化学気相成長 (HT-CVD) や液相エピタキシー (LPE) などの代替方法には明確な利点があります。ただし、その制限を克服し、成長速度と結晶品質を向上させることは、SiC 業界でのより広範な採用にとって重要です。

これらの結晶成長技術の比較概要を以下に示します。

(1) 物理的蒸気輸送 (PVT):

原理：SiC結晶成長に「昇華・輸送・再結晶」機構を利用。

プロセス: 高純度のカーボンとシリコンの粉末を正確な比率で混合します。 SiC粉末と種結晶は、それぞれ成長炉内の坩堝の底部と上部に配置されます。 2000°C を超える温度では温度勾配が生じ、SiC 粉末が昇華して種結晶上で再結晶し、ブールが形成されます。

欠点: 成長速度が遅い (7 日で約 2cm)、寄生反応の影響を受けやすく、成長した結晶内の欠陥密度が高くなります。

(2) 高温化学蒸着 (HT-CVD):

原理: 2000 ～ 2500°C の温度で、シラン、エタン、プロパンなどの高純度の前駆体ガスと水素が反応チャンバーに導入されます。これらのガスは高温ゾーンで分解し、ガス状の SiC 前駆体を形成し、その後低温ゾーンで種結晶上に堆積して結晶化します。

利点: 連続的な結晶成長を可能にし、高純度のガス状前駆体を利用して、欠陥の少ない高純度の SiC 結晶を生成します。

欠点: 成長速度が遅い (約 0.4 ～ 0.5 mm/h)、設備および運用コストが高い、ガス入口と出口が詰まりやすい。

(3) 液相エピタキシー (LPE):

(抜粋には含まれていませんが、完全を期すために LPE の簡単な概要を追加しています。)

原理：「溶解・析出」機構を採用。 1400 ～ 1800°C の範囲の温度で、炭素は高純度のシリコン融液に溶解します。過飽和溶液が冷却されると、SiC 結晶が沈殿します。

利点: 成長温度が低いと、冷却中の熱応力が軽減され、その結果、欠陥密度が低くなり、結晶品質が向上します。 PVT と比較して大幅に速い成長率を実現します。

欠点: るつぼからの金属汚染が発生しやすく、達成可能な結晶サイズが制限され、主に実験室規模の成長に限定されます。

各方法には固有の利点と制限があります。最適な成長技術の選択は、特定のアプリケーション要件、コストの考慮事項、および必要な結晶特性によって異なります。

2. SiC 結晶加工の課題と解決策:

ウェーハのスライス:SiC の硬度、脆性、耐摩耗性により、スライスは困難です。従来のダイヤモンド ワイヤーソー切断は、時間がかかり、無駄があり、コストがかかります。ソリューションには、スライス効率とウェーハの歩留まりを向上させるレーザー ダイシングおよびコールド スプリット技術が含まれます。

ウェーハの薄化:SiC は破壊靱性が低いため、薄化中に亀裂が発生しやすく、均一な厚さの減少が妨げられます。現在の技術は回転研削に依存しているため、ホイールの磨耗や表面損傷が発生します。超音波振動補助研削や電気化学的機械研磨などの先進的な方法は、材料の除去率を高め、表面欠陥を最小限に抑えるために研究されています。

3. 今後の展望：

SiC 結晶成長とウェーハ処理の最適化は、SiC を広く普及させるために重要です。今後の研究は、この有望な半導体材料の可能性を最大限に引き出すために、成長速度の向上、結晶品質の向上、ウェーハ処理効率の向上に焦点を当てていく予定です。**