2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of simulator of crystal growth based on multi-physics
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16H03859
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
柿本 浩一 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (90291509)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西澤 伸一 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (40267414)
中野 智 九州大学, 応用力学研究所, その他 (80423557)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 結晶成長 / マルチフジックス / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
過去40 年以上にわたって昇華法による結晶育成法等の常識として踏襲されてきた巨視的な操作パラメータであ る「温度と圧力のみの組み合わせを変化させた結晶成長条件の最適化」の発想を大きく転換し、マルチレベルフィジックス技術に基づいて、(1) 結晶原料の結晶育成炉内における輸送現象を定量的に解析し、炉内ガス対流を 制御することにより、従来では全く考慮されていなかった結晶の化学量論的組成制御を可能にし、電気的特性制 御を実現する。(2)不純物添加と結晶方位により表面エネルギーを制御して結晶成長の過飽和度を制御し、昇華法で生じる結晶多形の問題を解決する。また、(3)転位等の結晶欠陥分布の予測と制御に関しては、新規に結晶欠陥伝播のモデルを構築し、結晶欠陥抑制による安定した高品質単結晶の成長方法を提案する。
すなわち、高品質SiC単結晶の実現には、従来技術では実現できなかった結晶成長表面エネルギーの制御により、結晶多形の問題に関して安定した成長を可能とし、結晶全領域において化学量論的組成が一定な結晶育成法の確立を行う。さらには、転位等の結晶欠陥の伝播の制御など、思いきった機能・特性への改革が強く期待されている。海外に目を転じれば、米国、ドイツ、スウェーデン、フランス、そして中国、台湾、韓国では新しい結晶育成技術を創成しつつあり、日本の基幹産業である半導体製造科学技術、特にパワーデバイス用半導体製造科学技術の新たな展開が望まれている。このような研究動向の中で、従来の「温度と圧力の組み合わせを変化させた結晶成長条件の最適化」のみでは、問題点解決策の提示は不可能である。本研究ではマルチレベルフィジックスシミュレーションを構築し、表面エネルギー制御法を用いた「化学量論的組成、結晶多形および結晶欠陥の制御可能な新規結晶成長法」を提案解析し、実験的検証を行うことにより、前述の問題の解決を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
40年以上にわたって不可能とされてきたSiCやAlN単結晶育成炉内の化学種の濃度分布を定量的に解析することが可能となり、さらにはこのデータから結晶成長の過飽和度を算出することができる方法を確立した。同時に、育成結晶表面の表面エネルギーを第一原理計算により定量的に議論することにより、いかなる結晶多形が成長表面 で安定に核生成するかを、２次元核生成理論を用いて定量的に求めることが可能となる。すなわち、SiC単結晶 の多形である4H, 15R, 6H, 3Cのいずれの結晶多形が優先的に成長するかが定量的に予測でき、これを実験により実証することが可能となった。また、AlNの結晶表面での過飽和度の定量化も終了した。これを基に実験パラメータの最適化を行う。 結晶欠陥に関しては、従来なされていなかった結晶内の3次元転位分布解析が可能になってきているために、本提案では、結晶欠陥低減の結晶成長方法及び冷却方法の提案を行った。また、マルチレベルフィジックスシミュレーションを用いて最適結晶育成条件である「化学量論的組成、結晶多 形および結晶欠陥の制御可能な新規結晶成長法」を提案した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本提案の表面エネルギー解析手法と不純物濃度制御型高周波加熱装置を用いて、化学量論的組成の制御可能なSiC結晶育成方法を確立する。具体的には、平成27年度に開発した昇華法原料濃度分布解析手法を用いて、化学量論的組成比が１に近い結晶、すなわちSi:Cの原子数比が１に近い結晶の育成に必要な炉内温度分布、特に原料を充てんするるつぼと種結晶の周囲の温度分布を解析により求める。次に、この不純物濃度制御が可能な不純物導入装置の形状を決定し、今回開発する不純物濃度制御型高周波加熱装置に装填し、化学量論的組成を制御することが可能な昇華法を確立する。ここで確立した結晶育成方法を用いてSiC結晶を育成し、九州大学に現有する強力X線トポグラフ装置等を用いて、化学量論的組成に敏感な格子定数を確認する。これにより、本提案の有効性を確認し、結晶の電気的特性を左右する化学量論的組成が１に近い結晶の育成が可能であることを確認する。この実験と解析は、柿本、中野、西澤が担当する。
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