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문제 정의
- 이 방법은 단결정잉곳의 성장률이 다른 방법에 비해 상대적으로 높으며, 도가니와 단열재 구조에 위해 다양한 결과의 잉곳을 얻을 수 있는 유연한 방법이다. 본 연구에서는 도가니의 구조를 변경하여 실리콘 카바이드 잉곳의 직경 확장과 고품질의 결정을 얻기 위한 실험을 실시하였다.
제안 방법
- MPD(Micro-Pipe Density)를 측정하기 위해 노말스키 모드로 3가지 타입으로 성장된 실리콘 카바이드 단결정을 관찰하였다. 표 1은 각각의 MPD를 나타낸다.
- 하지만 성장 시간은 50시간으로 변경하여 웨이퍼 획득 수율이 높은 단결정 잉곳이 성장되도록 하였다. 그리고 성장 전1500 ℃에서 baking 공정을 실시하여 실리콘 카바이드 분말 및 도가니, 단열재 등에 포함되어 있던 불순물을 제거한 후 성장을 실시하였다.
- 마지막으로 편광 필름을 이용하여 양면 polishing된 결정의 dislocation 및 다결정의 분포를 관찰하였다. 그림 10(a)의 경우 우측하단에 다결정이 혼입된 것을 알 수 있었고, 그 외 부분은 단결정으로 판별이 되었다.
- 여기에서는 seed crystal을 30°, 45°, 90°로 가공된 trapezoid 형상의 graphite seed holder에 부착하여 도가니에 장착하고(그림 1), guide tube를 사용하여 실리콘 카바이드 분말에서 승화된 source gas가 seed crystal쪽으로 집속되도록 하였다(그림 2). 성장 시간은 30시간으로 하였고, 성장 압력은 30~60 mbar 그리고 성장 온도는 상부 도가니 2100~2300 ℃, 하부 2200~2400 ℃로 적용하여 시뮬레이션을 진행하였고, 그 결과가 그림 3에 나타나있다.
- 999 %의 Ar gas 분위기를 조성하여 단결정 잉곳을 얻었다. 성장된 단결정 잉곳은 diamond wire saw를 이용하여 slicing하였고, diamond slurry를 사용하여 양면 polishing을 하였다. 양면 polishing이 끝난 wafer는 광학현미경의 노말스키(normarski)모드와 UV-Visible Spectroscopy, hall measurement, polarized film을 이용하여 분석하였다.
- 나타났다. 성장된 실리콘 카바이드 단결정의 polytype 과 dopant type 을 재검증하기 위해 UV-Visible Spectroscopy 측정을 하였다(그림 9). energy band-gap 원래의 3.
- 성장된 단결정 잉곳은 diamond wire saw를 이용하여 slicing하였고, diamond slurry를 사용하여 양면 polishing을 하였다. 양면 polishing이 끝난 wafer는 광학현미경의 노말스키(normarski)모드와 UV-Visible Spectroscopy, hall measurement, polarized film을 이용하여 분석하였다.
- Seed crystal/gas interfaced HetChem_SiC, SiC(Surface type)으로 하여 실시하였고 Fitting은 off로 했다. 여기에서는 seed crystal을 30°, 45°, 90°로 가공된 trapezoid 형상의 graphite seed holder에 부착하여 도가니에 장착하고(그림 1), guide tube를 사용하여 실리콘 카바이드 분말에서 승화된 source gas가 seed crystal쪽으로 집속되도록 하였다(그림 2). 성장 시간은 30시간으로 하였고, 성장 압력은 30~60 mbar 그리고 성장 온도는 상부 도가니 2100~2300 ℃, 하부 2200~2400 ℃로 적용하여 시뮬레이션을 진행하였고, 그 결과가 그림 3에 나타나있다.
- 우선 시뮬레이션 기법을 이용하여 최적 성장 조건을 확보하였다. 사용 프로그램명은 Sublimation Bulk Crystal Grouth Simulator Vertual Reactor 4.
- 이에 본 연구에서는 시뮬레이션 해석 결과로 얻어진 최적 조건을 바탕으로 수직 구조의 승화성장로에서 6H-SiC(0001) 기판 (Crysband社)을 seed crystal로 사용하여, 단결정 잉곳을 성장시켰다. 본 실험에서 사용한 승화성장로의 구조는 그림 4에 나타냈으며, seed crystal은 30°, 45°, 90°로 가공된 graphite holder에 부착하여 도가니 상부에 장착하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 승화성장로의 구조는 그림 4에 나타냈으며, seed crystal은 30°, 45°, 90°로 가공된 graphite holder에 부착하여 도가니 상부에 장착하였다. 원료 분말은 순도 99.
- 본 실험에서 사용한 승화성장로의 구조는 그림 4에 나타냈으며, seed crystal은 30°, 45°, 90°로 가공된 graphite holder에 부착하여 도가니 상부에 장착하였다. 원료 분말은 순도 99.98 %의 실리콘 카바이드 분말로서 6H, 4H, 3C, 15R의 결정 다형이 혼재된 것으로 입자 사이즈는 9~250 ㎛이다.
성능/효과
- 또한 성장률은 30°에서 가장 높았고, 다음으로 90°, 45°순으로 성장률의 차이를 보였는데, 다결정이 생성되는 공간의 크기와 승화된 source gas가 guide tube에 의해 집속되어 성장할 때 단결정 영역이 guide tube와 만나서 접점을 이루어 다결정의 성장을 얼마큼 억제하느냐에 따라 달라짐을 알 수 있었다. MPD의 경우에는 도가니의 구조 변경에 의한 영향보다는 seed 의 부착 정도나 표면 damage layer에 더 큰 영향을 받는다는 것을 추론할 수 있었다. 다결정의 혼입은 낮은 각도로 갈수록 줄어드는 경향을 보였으나 너무 낮은 각도에서는 다시 다결정이 생성되는 것을 관찰하였다.
- Seed holder의 각도를 조절함으로서 직경 확대를 이루었는데, 각도가 높을수록 실리콘 카바이드 단결정 ingot의 형상이 convex해지고, 낮아질수록 convex한 것과 concave한 것이 동시에 출현하는 것을 관찰할 수 있었다. 이것은 guide tube의 역할뿐만 아니라 seed holder의 trapezoid의 면적에 의해 발열 양상이 틀려지기 때문인 것으로 판단된다.
- MPD의 경우에는 도가니의 구조 변경에 의한 영향보다는 seed 의 부착 정도나 표면 damage layer에 더 큰 영향을 받는다는 것을 추론할 수 있었다. 다결정의 혼입은 낮은 각도로 갈수록 줄어드는 경향을 보였으나 너무 낮은 각도에서는 다시 다결정이 생성되는 것을 관찰하였다. 바람직한 seed holder^] 각도는 45° 전·후인 것으로 판단된다.
- 첫 번째는 seed crystal이 접착제를 사용하여 seed holder에 부착될 때 가공이나 들뜸이 없이 잘 부착되었는가의 부착성 문제이다. 두 번째는 seed crystal의 결함 밀도와 surface roughness, 표면의 damage layer 영향으로 초기 성장시 생성되는 island들의 방향이 뷸균일하게 분포된 상태로 진행되는 경우, 성장 속도가 빠른 방향으로 성장이 진행됨으로서 3차원적인 성장이 일어나게 되므로 성장된 표면이 거칠어짐과 동시에 결함 밀도가 커지는 것으로 판단된다[3].
- 따라서, 도가니의 구조를 변경하여 실리콘 카바이드 단결정의 직경 확장 및 고품질 결정을 획득할 수 있었다. 상기한 기술을 바탕으로 여러 가지 응용 연구가 시도되길 기대한다.
- 이것은 guide tube의 역할뿐만 아니라 seed holder의 trapezoid의 면적에 의해 발열 양상이 틀려지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 성장률은 30°에서 가장 높았고, 다음으로 90°, 45°순으로 성장률의 차이를 보였는데, 다결정이 생성되는 공간의 크기와 승화된 source gas가 guide tube에 의해 집속되어 성장할 때 단결정 영역이 guide tube와 만나서 접점을 이루어 다결정의 성장을 얼마큼 억제하느냐에 따라 달라짐을 알 수 있었다. MPD의 경우에는 도가니의 구조 변경에 의한 영향보다는 seed 의 부착 정도나 표면 damage layer에 더 큰 영향을 받는다는 것을 추론할 수 있었다.
- 0pt">≧90°) 증가하게 되면 다시 concave한 형상이 된다는 것 을 알 수 있었다. 상기 결과에서 graphite seed holder 각도에 따라 온도 편차의 차이가 발생하고, 이와 함께 guide tube와 상호 작용을 하여 잉곳의 양상변화가 일어났다.
후속연구
- 상기와 같이 graphite seed holder의 구조만 바꾸어도 실리콘 카바이드 단결정의 직경 확장과 고품질의 결정을 얻을 수 있었으며, 이를 실리콘 카바이드 단결정 양산화에 적용시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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