炭化ケイ素（SiC）は、パワーエレクトロニクス、RFデバイス、次世代半導体プラットフォームにおいて、最も戦略的な材料の一つとなっています。利用可能なすべての結晶成長技術の中で、物理的気相輸送（PVT）は、高品質なバルクSiC単結晶を製造するための主要な工業的方法として残っています。
PVTプロセスでは、高純度のSiC粉末が密閉された成長チャンバー内で熱的に昇華し、気相種が輸送され、種結晶上に再凝縮して単結晶SiCインゴットを形成します。典型的なPVT成長システムは、温度制御、圧力制御、および結晶成長アセンブリの3つの密接に結合されたサブシステムで構成されています。
SiC PVT炉では、2つの加熱方式が一般的に使用されています。
誘導加熱（10～100 kHz）：
水冷二重層石英コイルが黒鉛るつぼに渦電流を誘起し、熱を発生させます。るつぼは、断熱のために黒鉛フェルトで囲まれています。
抵抗加熱：
黒鉛ヒーターがジュール熱を生成し、それが放射によってるつぼに伝達され、次に伝導によってSiC粉末に伝達されます。
抵抗加熱と比較して、誘導加熱は、より高い効率、より低いメンテナンスコスト、およびよりシンプルな炉設計を提供しますが、外部からの擾乱に対してより敏感であり、より洗練された熱場制御が必要です。
圧力システムは、最初にチャンバーを真空に排気し、次に制御された量の不活性ガス（通常はアルゴン）を導入します。SiCの昇華、気相輸送、および凝縮は圧力に強く依存するため、成長圧力を正確に調整する必要があります。高品質な成長には、温度と圧力制御の緊密な結合が必要です。
コア成長領域は以下で構成されています。
黒鉛るつぼ
SiC原料粉末
種結晶
高温では、SiC粉末はSi、Si₂C、SiC₂などの気相種に分解されます。これらの気相種は、より低温の種結晶領域に移動し、そこで再結合して単結晶SiCに結晶化します。
るつぼの内部形状は、結晶サイズ、成長の均一性、および欠陥密度に強く影響します。
SiCrystal（ドイツ）による初期の研究では、黒鉛パーティションを使用して、寄生核生成を犠牲表面に強制し、主結晶をより大きく成長させました。DENSOは、気相輸送を制御し、エッジの均一性を改善するために、可動シールドプレートと円錐形の流れガイドを導入しました。
その後の開発には以下が含まれます。
ガスフィルタリングパーティション（II-VI、SiCrystal）
原料精製層（TankeBlue、中国）
可動種ホルダーと調整可能な成長ゾーン（中国科学院物理研究所、SKC、昭和電工、天岳先進）
最近では、種または原料粉末のいずれかを持ち上げて、安定した温度差を維持し、より大きなインゴット直径を可能にするなど、動的成長ゾーン制御に注目が集まっています。
SiCの成長は高度に異方性です。種の結晶学的配向は、成長速度、欠陥形成、およびポリタイプの安定性を直接決定します。
主な歴史的発展には以下が含まれます。
シーメンス（1989）：（0001）極性面
トヨタ（1997）：20°～55°傾斜したオフ軸面
Wolfspeed（2005）：c軸と熱勾配の間のわずかな傾斜
ブリヂストン（2008）：マイクロパイプを抑制するための凸状種表面
表面エンジニアリングは、さらに欠陥を低減します。
溝と周期的なテクスチャ（日本製鉄、HOYA、富士電機）
ステップフローを制御するための中空微細構造
大きなSiCインゴットには大きな種が必要です。ネイティブな大きな種は利用できないため、モザイク種技術が広く使用されています。
TankeBlue（2016）：結合された小さな種→150 mmインゴット
山東大学（2019）：モザイク+横方向および表面エピタキシー→8インチ以上の種
このアプローチは現在、200 mmのSiCウェーハ開発の中心となっています。
るつぼ内の直接測定は不可能であるため、数値シミュレーションツール（例：Virtual Reactor）を使用して内部温度場を推定します。軸方向および半径方向の勾配は、気相輸送方向、過飽和度、および結晶形態を決定します。
SiCの成長速度は、以下の場合に増加します。
温度が上昇する
原料と種の温度勾配が増加する
チャンバー圧力が低下する
原料と種の距離が短くなる
ただし、過度の成長速度は、欠陥、ポリタイプの不安定性、および応力を誘発する可能性があります。
C/Si比は最も重要な熱力学的パラメータです。
低C/Si→3C-SiCを促進
炭素リッチな気相→4H-SiCを安定化
ガス組成、ドーパント、および不活性ガス圧力が共同で過飽和度、ポリタイプ、およびドーピングの均一性を決定します。
現代のSiC単結晶成長は、以下を含む多物理最適化問題です。
粉末純度と粒子サイズ
るつぼとガイドの設計
種の配向と表面トポロジー
動的熱および圧力制御
200 mmを超えるインゴットを増やすために、主な戦略は、成長ゾーンの拡大と大面積モザイク種です。結晶品質を向上させるために、焦点は、圧力温度スケジューリング、気相化学制御、および原料エンジニアリングにシフトしています。
電気自動車、AIパワーモジュール、および高電圧グリッドがSiC需要を牽引するにつれて、PVT結晶成長物理学の習得は、世界のワイドバンドギャップ半導体産業における中核的な競争優位性を維持するでしょう。
炭化ケイ素（SiC）は、パワーエレクトロニクス、RFデバイス、次世代半導体プラットフォームにおいて、最も戦略的な材料の一つとなっています。利用可能なすべての結晶成長技術の中で、物理的気相輸送（PVT）は、高品質なバルクSiC単結晶を製造するための主要な工業的方法として残っています。
PVTプロセスでは、高純度のSiC粉末が密閉された成長チャンバー内で熱的に昇華し、気相種が輸送され、種結晶上に再凝縮して単結晶SiCインゴットを形成します。典型的なPVT成長システムは、温度制御、圧力制御、および結晶成長アセンブリの3つの密接に結合されたサブシステムで構成されています。
SiC PVT炉では、2つの加熱方式が一般的に使用されています。
誘導加熱（10～100 kHz）：
水冷二重層石英コイルが黒鉛るつぼに渦電流を誘起し、熱を発生させます。るつぼは、断熱のために黒鉛フェルトで囲まれています。
抵抗加熱：
黒鉛ヒーターがジュール熱を生成し、それが放射によってるつぼに伝達され、次に伝導によってSiC粉末に伝達されます。
抵抗加熱と比較して、誘導加熱は、より高い効率、より低いメンテナンスコスト、およびよりシンプルな炉設計を提供しますが、外部からの擾乱に対してより敏感であり、より洗練された熱場制御が必要です。
圧力システムは、最初にチャンバーを真空に排気し、次に制御された量の不活性ガス（通常はアルゴン）を導入します。SiCの昇華、気相輸送、および凝縮は圧力に強く依存するため、成長圧力を正確に調整する必要があります。高品質な成長には、温度と圧力制御の緊密な結合が必要です。
コア成長領域は以下で構成されています。
黒鉛るつぼ
SiC原料粉末
種結晶
高温では、SiC粉末はSi、Si₂C、SiC₂などの気相種に分解されます。これらの気相種は、より低温の種結晶領域に移動し、そこで再結合して単結晶SiCに結晶化します。
るつぼの内部形状は、結晶サイズ、成長の均一性、および欠陥密度に強く影響します。
SiCrystal（ドイツ）による初期の研究では、黒鉛パーティションを使用して、寄生核生成を犠牲表面に強制し、主結晶をより大きく成長させました。DENSOは、気相輸送を制御し、エッジの均一性を改善するために、可動シールドプレートと円錐形の流れガイドを導入しました。
その後の開発には以下が含まれます。
ガスフィルタリングパーティション（II-VI、SiCrystal）
原料精製層（TankeBlue、中国）
可動種ホルダーと調整可能な成長ゾーン（中国科学院物理研究所、SKC、昭和電工、天岳先進）
最近では、種または原料粉末のいずれかを持ち上げて、安定した温度差を維持し、より大きなインゴット直径を可能にするなど、動的成長ゾーン制御に注目が集まっています。
SiCの成長は高度に異方性です。種の結晶学的配向は、成長速度、欠陥形成、およびポリタイプの安定性を直接決定します。
主な歴史的発展には以下が含まれます。
シーメンス（1989）：（0001）極性面
トヨタ（1997）：20°～55°傾斜したオフ軸面
Wolfspeed（2005）：c軸と熱勾配の間のわずかな傾斜
ブリヂストン（2008）：マイクロパイプを抑制するための凸状種表面
表面エンジニアリングは、さらに欠陥を低減します。
溝と周期的なテクスチャ（日本製鉄、HOYA、富士電機）
ステップフローを制御するための中空微細構造
大きなSiCインゴットには大きな種が必要です。ネイティブな大きな種は利用できないため、モザイク種技術が広く使用されています。
TankeBlue（2016）：結合された小さな種→150 mmインゴット
山東大学（2019）：モザイク+横方向および表面エピタキシー→8インチ以上の種
このアプローチは現在、200 mmのSiCウェーハ開発の中心となっています。
るつぼ内の直接測定は不可能であるため、数値シミュレーションツール（例：Virtual Reactor）を使用して内部温度場を推定します。軸方向および半径方向の勾配は、気相輸送方向、過飽和度、および結晶形態を決定します。
SiCの成長速度は、以下の場合に増加します。
温度が上昇する
原料と種の温度勾配が増加する
チャンバー圧力が低下する
原料と種の距離が短くなる
ただし、過度の成長速度は、欠陥、ポリタイプの不安定性、および応力を誘発する可能性があります。
C/Si比は最も重要な熱力学的パラメータです。
低C/Si→3C-SiCを促進
炭素リッチな気相→4H-SiCを安定化
ガス組成、ドーパント、および不活性ガス圧力が共同で過飽和度、ポリタイプ、およびドーピングの均一性を決定します。
現代のSiC単結晶成長は、以下を含む多物理最適化問題です。
粉末純度と粒子サイズ
るつぼとガイドの設計
種の配向と表面トポロジー
動的熱および圧力制御
200 mmを超えるインゴットを増やすために、主な戦略は、成長ゾーンの拡大と大面積モザイク種です。結晶品質を向上させるために、焦点は、圧力温度スケジューリング、気相化学制御、および原料エンジニアリングにシフトしています。
電気自動車、AIパワーモジュール、および高電圧グリッドがSiC需要を牽引するにつれて、PVT結晶成長物理学の習得は、世界のワイドバンドギャップ半導体産業における中核的な競争優位性を維持するでしょう。
