흑연 단열재 최적화 및 질소 도핑을 통한 SiC 단결정성장에서의 폴리타입 안정화와 결정성 향상 = Polytype stabilization and crystal quality improvement in SiC crystal growth through graphite insulation optimization and nitrogen doping

국문 초록 (Abstract)

물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport, PVT)을 이용한 SiC 단결정 성장에서 최적화된 성장조건, 핫존 및 단열재의 설계가 중요하다. 불완전한 성장 설계로 인한 단결정 내부의 폴리타입(Polytype) 혼입, 균열(Crack) 발생, 결함밀도 증가는 최종 SiC 단결정의 품질을 저하시킨다. 본 연구에서는 기존 흑연 단열재 구조 대비 도가니 상부의 축 방향(Axial direction)과 반경 방향 (Radial direction) 온도구배를 높일 수 있는 새로운 단열재 디자인을 구성하고 폴리타입 안정성 확보 를 위해 성장 공정에 질소가스를 주입하는 단계를 적용하였다. 상부 단열 보강에 의한 도가니 내부 온도 분포, SiC 원료 화학종의 이동경로를 확인하기 위해 VR reactor 소프트웨어를 통한 시뮬레이션을 진행하였다. 각 디자인을 적용하여 성장 된 잉곳은 ~100 µm/hr 초중반의 성장률이 달성되었다. 기존 구조인 Design A를 이용한 결정의 경우, 잉곳 전체로 폴리타입 의 혼입과 균열이 발생하였으나, Design B와 Design C를 이용한 결정에서는 잉곳 외곽부의 다결정 발생 상대적으로 억제 되었으며 결정성이 대폭 향상된 것을 알 수 있었다. 특히, 도가니 상부측 단열을 강화하고 성장 공정동안 질소 가스 주입한 Design C를 적용한 결정의 경우 고품질 4H-SiC 결정이 얻어졌다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The optimization of growth conditions, hot zone design, and insulation structure is crucial for high-quality SiC single crystal growth using Physical Vapor Transport (PVT) techniques. Inadequate growth design can lead to polytype inclusions, crack formation, and increased defect density within the crystal, ultimately deteriorating the quality of the final SiC single crystal. In this study, a new insulation design was developed to enhance the axial and radial temperature gradients at the top of the crucible compared to the conventional graphite insulation structure. Additionally, nitrogen gas was employed during the growth process to ensure polytype stability. Simulations using VR reactor software were conducted to analyze the internal temperature distribution within the crucible and the migration pathways of SiC source chemical species resulting from the enhanced upper insulation. Ingots grown using each design achieved growth rates in the mid-100 µm/hr range. In crystals grown with the conventional Design A, polytype inclusions and cracking were observed throughout the ingot. In contrast, crystals grown with Designs B and C showed significant suppression of polycrystalline formation at the ingot periphery and markedly improved crystallinity. Notably, the application of Design C, which featured enhanced upper crucible insulation and nitrogen gas employed during the growth process, resulted in high-quality 4H-SiC crystals.