저항가열 방식 기반 PVT법을 이용한 SiC 단결정 성장모색 = Exploration of SiC single crystal growth by a resistive-heating-based PVT method

국문 초록 (Abstract)

현재 SiC 단결정 성장 방법 중 산업적으로 가장 안정적인 방법은 물리적 기상 수송(Physical Vapor Transport, PVT)법이다. 그러나 기존의 유도가열 방식 기반 PVT법의 경우, 단결정 직경이 대구경화됨에 따라 열장(thermal field)의 비 균일성 개선을 위해 핫존(hot zone)과 단열재 구조를 변경하는 등의 외부적 제어에 의존하는 경우가 많았다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 저항가열 방식이 제안되고 있다. 저항가열 방식 기반의 PVT법은 내부 흑연 히터 구조를 다양하게 설계함으로써 열장을 보다 정밀하고 균일하게 제어할 수 있다는 강점을 가지고 있다. 본 연구에서는 저항가열 방식 기반 PVT 장비를 도입하여 핫존과 단열재를 구성하고 4인치 SiC 단결정을 성장을 시도하였다. 성장된 SiC 결정은 약간 볼록한 형상을 나타내었으며, 평균 116 µm/hr의 성장률을 보였다. UVF 이미지 분석을 통해 6H-SiC 다형이 국부적으로 존재하는 4H-SiC 결정이 얻어졌으며, 고분해능 XRD 분석에서는 71.1~115.9 arcsec의 반치폭을 확인하였다. 라만 분광법을 통해 결정 면내 진동 모드인 FTO(2/4) 밴드의 반치폭이 5.5~5.9 cm-1 수준으로 XRD 분석과 일관된 결정성을 보였으며, 6H-SiC 다결 정이 혼재한 영역 외에는 Free-standing 4H-SiC의 FTO(2/4)(776 cm-1)에 가까운 stress-free 결정이 얻어졌음을 확인하였다. 본 연구에서 도입한 저항가열 방식 기반 PVT 성장로를 이용한 SiC 단결정 성장결과, 다형 발생 영역을 적절히 제어한다면 높은 결정성과 응력이 해소된 고품질의 SiC 단결정 육성이 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Currently, the only established method for stable SiC single-crystal growth is the physical vapor transport (PVT) technique. However, conventional PVT systems often require optimizing the hot-zone and insulation layouts to compensate for thermal non-uniformities inherent in large-diameter crystal growth. To address these limitations, a resistive-heating-based PVT approach has been proposed, enabling more precise and uniform thermal-field control through flexible internal heater design. In this study, a resistive-heating-type PVT furnace was newly constructed, and 4-inch SiC single crystals were grown by optimizing the hot-zone and insulation configurations. The grown crystals exhibited a slightly convex shape and achieved an average growth rate of 116 µm/hr. Ultraviolet fluorescence (UVF) imaging revealed that 4H-SiC crystals containing locally distributed 6H-SiC polytype regions were obtained. High-resolution X-ray diffraction (HR-XRD) measurements showed full width at half maximum (FWHM) values ranging from 71.1 arcsec to 115.9 arcsec. Raman spectroscopy confirmed consistent crystal quality, with the FTO (2/4) phonon mode exhibiting a FWHM of 5.5 cm-1 to 5.9 cm-1. Except for areas with 6H- SiC polytypes, the dominant 4H-SiC regions exhibited nearly stress-free characteristics with the FTO (2/4) peak close to 776 cm-1 of typical of free-standing 4H-SiC. These results demonstrate that resistive-heating-based PVT method can yield high-crystallinity, low-stress SiC single crystals, provided that polytype stability is maintained during growth.