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문제 정의
- SiC/C 경사기능층의 증착에 사용되는 Hot-wall CVD법은 고온(>1500 K)을 사용하는 공정기술로서 열역학적 평형에 가까운 공정이므로 평형 계산을 통해서도 여러가지 유용한 정보를 얻어낼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 CVD법에 의한 SiC/C FGM 증착공정의 종합적인 검토를 위해 다양한 전구체를 사용하는 CVD 공정을 열역학적으 로 전산모사하였으며, 이를 통해 여러 증착 조건들 즉, 중 착온도, 반응기 압력, 반응 기체의 조성비, 운반 기체의 조성비 등이 증착층의 조성과 증착 수율에 미치는 영향을 광범위하게 조사하였다. 또한 주어진 공정 조건하에서의 증착층의 구성 (Si 단상, C 단상, SiC 단상, 또는 SiC/C 복합상)을 나타내는 CVD 상평형도도 계산하였고, 이러한 결과들을 종합함으로써 최적 공정 조건의 범위를 예측하였다.
제안 방법
- Hot-wall CVD법에 의한 SiC/C FGM 증착 공정의 열 역학적 전산모사를 통해 증착에 영향을 줄 수 있는 공정 변수들과 사용되는 전구체의 영향을 조사하였고 이로부터 최적 증착 공정 조건의 범위를 도출할 수 있었다.
- SiC/C FGM층 증착에 있어서의 반응기 압력의 영향을 조사하기 위해 입력 수소비 (H2/[SiCl4+C3H8])를 100으로 고정시킨 후 압력을 lOiTorr에서 760 Torr까지 변화시키면서 계산한 CVD 상평형도를 Fig. 3에 나타내었다. 압력이 증가함에 따라 C 단상 영역은 고온이면서 C3H8이 과량 입력되는 영역으로 이동하였으며, 상압인 760 Torr에서는 1100K 이하의 증착온도에서 반응 기체의 조성비에 관계없이 순수한 SiC 단상이 얻어짐을 확인할 수 있었다.
- 이러한 직선성은 실제 SiC/C FGM층의 증착에 있어 mass flow controller에 의한 반응 기체 조성비의 조절에 따라 증착층의 구성을 용이하게 조절할 수 있음을 보여주는 결과이다. SiC/C FGM층 증착에서 carbon 전구체의 변화가 증착층의 구 성에 미치는 영향을 조사하기 위해 입력 수소비는 100으로, 압력은 10 Torr로, 그리고 온도는 1573.15 K로 고정시킨 후 carbon 전구체를 바꿔가면서 CVD 상평형도와 증착층의 질량비를 계산하였다. Carbon 전구체의 종류에 상관없이 CVD phase diagrame 네 가지 상 즉, SiC(S) + Si(L), SiC(S) + Si(S), SiC(S) 그리고 SiC(S) + C(S) 상으로 구분되어지며 매우 유사한 상평형도가 얻어짐을 알 수 있었다.
- 양론적 algorithm은 선형화된 Gibbs 자유 에너지 함수를 필요로 하지 않고, 희소 성분들의 영향도 고려될 수 있으며, 또한 동일한계에 대하여 비양론적 algorithm에 비해 일반적으로 훨씬 적은 양의 컴퓨터 메모리를 사용하는 장점이 있다[13]. 따라서 본 연구에서는 양론적 algorithm을 사용하여 열역학적 전산모사를 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 CVD법에 의한 SiC/C FGM 증착공정의 종합적인 검토를 위해 다양한 전구체를 사용하는 CVD 공정을 열역학적으 로 전산모사하였으며, 이를 통해 여러 증착 조건들 즉, 중 착온도, 반응기 압력, 반응 기체의 조성비, 운반 기체의 조성비 등이 증착층의 조성과 증착 수율에 미치는 영향을 광범위하게 조사하였다. 또한 주어진 공정 조건하에서의 증착층의 구성 (Si 단상, C 단상, SiC 단상, 또는 SiC/C 복합상)을 나타내는 CVD 상평형도도 계산하였고, 이러한 결과들을 종합함으로써 최적 공정 조건의 범위를 예측하였다.
- 본 연구에서 전산모사한 화학계들은 CH4SiCl4-H2계, (C2H6-SiCl4-H2계, C3H8-SiCl4-H2계, C4H10-SiCl4-H2계, C3H8-SiH2Cl2-H2계, C3H8-SiH3Cl-H2계, 그리고 C3H8-CH3SiCl3-H2계들이었으며, 열역학적 계산은 1000~2000 K 사이의 온도 범위와 0.001~760 Torr 사이의 압력 범위에서 입력 기체의 원소비를 변화시키는 방식으로 수행되었다. 한편 CVD 상평형도의 계산에 있어서는 온도를 10 K 간격으로 그리고 입력 기체의 비는 0.
- 양론적 algorithm을 사용한 열역학 전산모사에 있어 평형 조성의 정확도를 결정하는 주요 인자들은 첫째, 화학계 내에 존재하는 것으로 가정되는 화학 종들의 선택이며 둘째, 선택된 화학 종들의 열역학 data의 정확도이다. 본 연구에서는 Si-C-H-Cl의 4성분계로부터 구성될 수 있는 모든 화학 종들 중에서 문헌조사를 통해 실험적으로 검증된 열역학 data가 있는 화학 종들을 우선적으로 선택하였고, 이들의 열역학 data를 종합하여 data base를 구성하였다. Table 1에 열역학 계산을 위해 선택된 주요 화학 종들과 이들의 열역학 data를 요약하였다.
성능/효과
- 증착층의 SiC와 C의 질량비를 계산한 결과 CH3SiCl3 를 제외한 나머지 세 전구체의 경우는 그 값이 거의 일치하는 것을 알 수 있었고 이는 carbon 전구체의 경우와는 달리 silicon 전구체의 종류가 증착층의 구성에 미치는 영향이 거의 없음을 의미한다. CH3SiCl3의 경우는 증착층의 SiC의 질량비가 반응 기체의 조성비에 따라 0.1 에서 0.9범위까지 직선적으로 변하였고 따라서 CH3SiCl3 가 변화하는 조성을 갖는 SiC + C 복합상의 증착에 매우 유용한 전구체임을 알 수 있었다. 그러나 순수한 SiC 단상을 얻기에는 적합하지 않다.
- 15 K로 고정시킨 후 carbon 전구체를 바꿔가면서 CVD 상평형도와 증착층의 질량비를 계산하였다. Carbon 전구체의 종류에 상관없이 CVD phase diagrame 네 가지 상 즉, SiC(S) + Si(L), SiC(S) + Si(S), SiC(S) 그리고 SiC(S) + C(S) 상으로 구분되어지며 매우 유사한 상평형도가 얻어짐을 알 수 있었다. 그러나 carbon 전구체의 carbon의 개수가 늘어남에 따라 SiC와 C의 복합상의 면적이 증가하며 이는 보다 넓은 반응 기체 조성비 범위에서 SiC + C 복합상의 증착이 가능함을 의미한다.
- SiC + C 복합상의 조성 조절에 있어서는 carbon 전구체의 종류가 미치는 효과가 큼을 일았고 보다 많은 탄소를 포함하는 전구체를 사용할수록 C-rich 박막을 얻기가 용이하며 또한 증착층의 SiC/C 비의 조절도 용이함을 알 수 있었다. SiC + C 복합상의 몰 yield는 입력 수소비가 감소할수록 그리고 압력이 감소할수록 증가하였고, 증착온도가 약 1400 K에서 1600 K 사이에서 최대의 수율(약 75%)을 얻음을 알 수 있었다. 최종적인 SiC/C FGM의 증착조건 최적화는 본 연구에서 수행된 열역학적 고찰과 더불어 증착층의 morphology, density, 열충격 강도 등 물리, 화학적 특성 분석을 통한 실험에 의해 결정되어야 할 것이다.
- 1 Torr에서 10 Torr 사이, 그리고 입력 수소비는 1에서 100 사이였다. SiC + C 복합상의 조성 조절에 있어서는 carbon 전구체의 종류가 미치는 효과가 큼을 일았고 보다 많은 탄소를 포함하는 전구체를 사용할수록 C-rich 박막을 얻기가 용이하며 또한 증착층의 SiC/C 비의 조절도 용이함을 알 수 있었다. SiC + C 복합상의 몰 yield는 입력 수소비가 감소할수록 그리고 압력이 감소할수록 증가하였고, 증착온도가 약 1400 K에서 1600 K 사이에서 최대의 수율(약 75%)을 얻음을 알 수 있었다.
- 압력이 증가함에 따라 C 단상 영역은 고온이면서 C3H8이 과량 입력되는 영역으로 이동하였으며, 상압인 760 Torr에서는 1100K 이하의 증착온도에서 반응 기체의 조성비에 관계없이 순수한 SiC 단상이 얻어짐을 확인할 수 있었다. SiC와 C의 복합상을 증착시키는데 있어 압력의 영향을 받지 않는 공정조건은 C3H8의 입력비가 약 0.3 이상과 1400 K에서 1600 K 사이의 온도 범위임을 상평형도를 통해 알 수 있었다.
- 7(b)] 변화시켰다. 먼저 입력 수소비의 영향을 살펴보면 입력 수소비가 1에서 100 사이에서는 전 온도 범위에서 비교적 일정한 값을 갖으나 입력 수소비가 1000 이상에서는 증착 온도에 따라 처음에는 온도에 따라 증가하다가 고온에서는 다시 급격히 감소함을 알 수 있다. 그리고 압력 변화에 따른 SiC와 C의 몰 yield는, 0.
- Table 1에 열역학 계산을 위해 선택된 주요 화학 종들과 이들의 열역학 data를 요약하였다. 선택된 화학 종들은 모두 51종으로서 47종의 기상 종과 3종의 고상 종 그리고 1종의 액상 종들로 구성되었다. 평형 조성의 계산에 필요한 열역학 data는 각 화학 종들의 표준 생성 엔탈피 (Δ#, 298 K), 표준 생성 엔트로피 (#, 298 K) 그리고 정압 열용량(C#) 관계식들이다.
- Carbon 개수의 증가에 따라 SiC + C 복합상 증착의 공정 window가 증가되는 이유는 C의 증착이 증가하기 때문이다. 순수한 SiC 단상이 나타나는 영역의 면적은 모두 거의 비슷하였으며 도입 carbon 전구체의 조성비가 약 0.2에서 0.5까지 양론비에 따라 변화되며 본 연구에서 조사된 모든 carbon 전구체의 경우에 있어 SiC 단상 증착 영역은 매우 좁음을 알 수 있었다. 단, Fig.
- 3에 나타내었다. 압력이 증가함에 따라 C 단상 영역은 고온이면서 C3H8이 과량 입력되는 영역으로 이동하였으며, 상압인 760 Torr에서는 1100K 이하의 증착온도에서 반응 기체의 조성비에 관계없이 순수한 SiC 단상이 얻어짐을 확인할 수 있었다. SiC와 C의 복합상을 증착시키는데 있어 압력의 영향을 받지 않는 공정조건은 C3H8의 입력비가 약 0.
- 일반적으로 같은 증착 온도에서는 압력이 증가함에 따라 yield는 감소한다. 약 75% 정도의 yield 를 얻을 수 있는 공정조건은 입력 수소비가 1에서 100 사이, 증착온도는 1300 K에서 1700 K 사이, 그리고 압력은 10 Torr 이하가 적당함을 알 수 있다.
- 05 이하이며, 증착온도가 1200 K 이하와 1700 K 이상인 조건으로 축소되어 일반적인 SiC/C 증착 공정 조건에서는 증착이 되지 않는 것으로 예측된다. 증착층의 SiC와 C의 질량비를 계산한 결과 CH3SiCl3 를 제외한 나머지 세 전구체의 경우는 그 값이 거의 일치하는 것을 알 수 있었고 이는 carbon 전구체의 경우와는 달리 silicon 전구체의 종류가 증착층의 구성에 미치는 영향이 거의 없음을 의미한다. CH3SiCl3의 경우는 증착층의 SiC의 질량비가 반응 기체의 조성비에 따라 0.
후속연구
- SiC + C 복합상의 몰 yield는 입력 수소비가 감소할수록 그리고 압력이 감소할수록 증가하였고, 증착온도가 약 1400 K에서 1600 K 사이에서 최대의 수율(약 75%)을 얻음을 알 수 있었다. 최종적인 SiC/C FGM의 증착조건 최적화는 본 연구에서 수행된 열역학적 고찰과 더불어 증착층의 morphology, density, 열충격 강도 등 물리, 화학적 특성 분석을 통한 실험에 의해 결정되어야 할 것이다.
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