SiC 결정 성장 최적화를 위한 내부 캐비티 기반 시드 홀더 연구 = Cavity-structured seed holders for enhanced crystalline quality of SiC

국문 초록 (Abstract)

유도가열 방식 기반의 PVT(Physical Vapor Transport)법에 의한 SiC 단결정 성장 시 결정 내부에 발생되는 열응 력을 해소하기 위해서는 새로운 구조의 핫존 설계가 필수적이다. 도가니 상부측의 단열재 유/무, 단열재 밀도, 단열재 구조 등이 고려대상이 될 수 있다. 특히, 종자정이 부착되는 흑연 시드홀더의 플랫폼(후면부) 두께 변경이나 캐비티 공간의 적용 은 도가니 축방향(Axial direction) 온도 구배달성은 물론 결정 반경방향(Radial direction)의 균일한 열장제어를 가능하게 한 다. 본 연구에서는 도가니 상부측에 위치하는 흑연 시드홀더 플랫폼의 캐비티 두께를 조정해 도가니 반경방향의 온도구배 를 최소화하여 결정 내부응력를 해소하고자 하였다. 기존 시드홀더 구조(Design A) 후면의 플랫폼(단면적 0%)을 기준으로 Design B와 Design C의 단면적을 각각 50%와 80%로 설정하여 동일한 성장조건으로 시뮬레이션과 결정성장을 진행하였 다. 결정 성장결과, 캐비티의 면적 증가에 따라 도가니 중심(0mm)으로부터 반경방향 온도구배(잉곳형상)의 경우 Design A: 2.6°C(오목), Design B: 1.5°C(편평), Design C: 1.8°C(편평)로 얻어졌다. XRD 2θ-ω 스캔, 라만 스펙트럼 FTA 매핑 및 표면에칭을 통한 결함밀도 분석 결과, Design B를 적용한 결정이 -0.0033 GPa의 가장 낮은 응력값을 가지며, 높은 결정성 균일 성(평균값 : 44.1 arcsec)과 낮은 결함밀도을 보였다. 이러한 연구 결과는 시드 홀더 플랫폼의 정밀한 캐비티 설계가 고품질 SiC 단결정을 확보하기 위한 단순하면서도 매우 효과적인 전략임을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the growth of silicon carbide (SiC) single crystals using the induction-heated physical vapor transport (PVT) method, designing an innovative hot-zone structure is essential to mitigate internal thermal stress. Key design parameters, such as the top insulation characteristics and graphite seed holder geometry, play a critical role in shaping the thermal distribution. This study focuses on modifying the thickness and cavity area of the seed holder platform to achieve an optimal axial temperature gradient and uniform radial thermal distribution. Three cavity-structured designs were evaluated based on the cavity surface area relative to the platform: Design A (0 %, baseline), Design B (50 %), and Design C (80 %). Numerical simulations and experimental growth were conducted under identical growth conditions. The results revealed that the radial temperature gradient (shape of the crystal) from the center to the periphery decreased as the cavity area increased, yielding gradients of 2.6°C (concave) for Design A, 1.5°C (flat) for Design B, and 1.8°C (flat) for Design C. Comprehensive characterization via XRD 2theta-omega scans, Raman mapping for FWHM of the FTA phonon, and defect (etch pit) density analysis through surface etching confirmed that Design B exhibited the highest quality crystals. Specifically, Design B exhibited the lowest internal stress of -0.0033 GPa, superior crystalline uniformity with an average FWHM of 44.1 arcsec, and significantly reduced defect density. These findings demonstrate that precise cavity engineering of the seed holder platform is a straightforward yet highly effective strategy for achieving high-quality SiC crystals.