[논문]종자정 부착 시 생성되는 마이크로 기공이 PVT법에 의하여 성장시킨 6H-SiC 결정질에 미치는 영향

김정곤; 김정규; 손창현; 최정우; 황현희; 이원재; 김일수; 신병철

doi:10.4313/jkem.2008.21.3.222

문제 정의

본 연구에서는 서로 다른 두 가지 SiC 종자정 접착법으로 SiC 종자정과 고밀도 흑연 종자정 홀더의 접착 시 접착계면에 생성되는 마이크로 기공들이 최종적인 SiC 결정질에 미치는 영향을 연구하였다.
이 기공들은 SiC 벌크 단결정 내부로 관통할 수 있으며, 마이크로파이프(micro pipe) 생성의 원인이 될 수 있다[5]. 이 논문에서, 우리는 수크로오스(sucrose, C12H22O11)를 이용한 두 가지의 서로 다른 SiC 종자정 접착 방법을 비교하여, SiC 종자정과 고밀도 (1.92 g/cnF)의 흑연 종자정 홀더 계면의 기공을 제어할 수 있는 개선된 SiC 종자정 접착을 고찰하였다.

가설 설정

이와 더불어, 카라멜화 공정을 적용한 종자정 접착법에서 용융된 수크로오스 내부의 잔여 기공을 제거하기 위해 200℃의 온도를 가하는 단계에서 약 2시간 정도 유지시켰다. 이 단계에서 용융된 수크로오스 내부의 다수의 잔여 기공들이 감소할 것이라 가정하였다. 수크로오스에 포함된 휘발성의 유기 단분자 화합물(压0 및 CHK)H)등이 이 온도 영역에서 먼저 휘발하면서 기공을 발생 시키므로 용융된 수크로오스를 일정시간 유지한다면 내부에 잔존하는 기공의 탈포 효과를 거둘 수 있다.

제안 방법

고려사항 중 하나이다. 이에 본 연구에서 최상의 결과를 도출하기 위해 Automatic geometry modification을 기반으로 하는 특화된 소프트웨 어인 “Virtual Reactor"를 사용하여 공정 조건을 찾았다.
SiC 단결정 성장 후 카라멜화 공정을 적용하지 않은 종자정 접착법으로 얻어진 결정과 카라멜화 공정을 적용한 종자정 접착법으로 얻어진 결정을 이용하여 2인치 SiC 웨이퍼로 제작하여, wafering 공정이 완료된 SiC 웨이퍼의 Cross-polarizing 이미지를 촬영하였으며, Hall 측정으로 전기적 특성이 분석되었다. KOH용융염을 이용하여 화학적 에칭을 실시한 후 웨이퍼 표면의 광학이미지를 촬영하였다. Hall 분석 후 얻어진 다양한 웨이퍼의 특성들을 표 1에 나타내었다.
PVT법으로 성장시킨 두 잉곳을 wafering 공정을 통해 양면 (Si-face, C-face) polishing하여 경면으로 만든 후 편광필름을 이용하여 Crosspolarizing 이미지를 촬영하였다.
하부에 장입 하여 뚜껑으로 봉한 후도가니의 단열을 위한 흑연 단열재로 둘러싸인 water-cooled 고주파 유도 가열로 내부에 장착하였다. SiC 결정성장을 위해 2300℃-2500℃ 성장온도에서, 50mbar의 성장압력으로 알곤가스(6N)를 이용한 불활성 분위기에서 약70시간의 공정을 진행하였다. 성장 동안 SiC 결정을 가로 지르는 축 방향의 온도 구배는 10~20℃/cm로 측정 되었다.
있다. SiC 단결정 성장 후 카라멜화 공정을 적용하지 않은 종자정 접착법으로 얻어진 결정과 카라멜화 공정을 적용한 종자정 접착법으로 얻어진 결정을 이용하여 2인치 SiC 웨이퍼로 제작하여, wafering 공정이 완료된 SiC 웨이퍼의 Cross-polarizing 이미지를 촬영하였으며, Hall 측정으로 전기적 특성이 분석되었다. KOH용융염을 이용하여 화학적 에칭을 실시한 후 웨이퍼 표면의 광학이미지를 촬영하였다.
SiC 종자정 접착법의 결과를 얻기 위해, SiC 종자정과 고밀도(1.92 g/cm³)의 흑연 종자정 홀더의 접착용 접착제인 수크로오스를 140℃ -300℃ 온도 범위(DTA-TGA 곡선 측정결과)의 대기 분위기에서 가열하였다. 그리고 SiC 종자정과 고밀도 흑연 종자정 홀더 계면의 마이크로 기공을 없애기 위해 SiC 종자정 접착 전 수크로오스에 카라멜화 공정을 적용시켰다.
결정 내부에 생성된 전위 등의 응력분포를 조사하기 위해 편광필름을 이용한 편광이미지가 촬영되었으며, 전기적 특성을 측정하기 위해 van der Pauw geometry를 이용한 Hall 효과 측정이 실시되었다.
92 g/cm³)의 흑연 종자정 홀더의 접착용 접착제인 수크로오스를 140℃ -300℃ 온도 범위(DTA-TGA 곡선 측정결과)의 대기 분위기에서 가열하였다. 그리고 SiC 종자정과 고밀도 흑연 종자정 홀더 계면의 마이크로 기공을 없애기 위해 SiC 종자정 접착 전 수크로오스에 카라멜화 공정을 적용시켰다. 그림 1은 SiC 종자정 접착 공정의 모식도로, 카라멜화 공정을 적용하지 않은 종자 정접착법(a)과, 카라멜화 공정을 적용한 종자정 접착법(b)으로 각각 나눴다.
PVT법으로 성장된 6H-SiC 단결정 잉곳은 웨이퍼 형태로의 가공을 위해 기저면(결정의 C축)을 따라 절삭하였으며, 광학 현미경을 통한 웨이퍼 표면을 조사하기 위해 다양한 입자크기의 다이아몬드 슬러리를 이용한 폴리싱 공정이 실시되었다. 또한 웨이퍼 표면의 결함 관찰을 위해 KOH용융염을 이용하여 480 笆에서 5분간 화학적 에칭을 실시한 후, 광학현미경의 Nomarski 모드로 관찰하였다.
성장 동안 SiC 결정을 가로 지르는 축 방향의 온도 구배는 10~20℃/cm로 측정 되었다. 선행 실험을 통해 질소도핑에 의해 N-타입의 SiC 단결정을 제조할 수 있는 종래의 SiC 소스 분말을 사용하여 SiC 결정을 성장 시켰다.
그림 4. 용융 KOII를 이용한 화학적 에칭 후의 광학현미경의 Nomarski 모드를 이용한 결함관찰. 카라멜화 공정을 적용하지 않은 웨이퍼 표면(a)와 공정을 적용한 웨이퍼 표면(b)의 형상.
카라멜화 공정을 적용하지 않은 종자정 접착법은 Hot plate를 이용하여 200℃의 온도에서 고밀도 흑연 종자정 홀더 표면에 수크로오스를 용융시켰으며, 용융된 수크로오스 위에 SiC 종자정이 올려졌다. 용융된 수크로오스와 종자정 계면을 탄화시키기 위해 약간의 하중을 가한 후, SiC 종자정 접착기를 사용하여 보다 큰 하중을 SiC 종자정과 고밀도 흑연 종자정 홀더에 가하면서 300笆이상의 온도로 수크로오스를 탄화시켰다. SiC 종자정 접착 공정 결과 SiC 종자정과 고밀도 흑연 종자정 홀더의 계면에 단단한 결합이 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 두 계면에 존재하는 수크로오스의 완전탄화와 out-gassing을 위해 PVT시스템을 이용하여 7.
카라멜화 공정이 적용된 SiC 종자정 접착법과 그렇지 않은 SiC 종자정 접착법으로 얻어진 SiC 종자정으로 PVT법을 이용하여 도핑농도 ~1016/cm3 갖는 N-type 2인치 SiC단결정을 성공적으로 제조하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 두 가지 서로 다른 SiC 종자정 접착 공정이 적용되었다. 카라멜화 공정을 적용하지 않은 종자정 접착법은 Hot plate를 이용하여 200℃의 온도에서 고밀도 흑연 종자정 홀더 표면에 수크로오스를 용융시켰으며, 용융된 수크로오스 위에 SiC 종자정이 올려졌다.

이론/모형

실험을 위한 시간의 절약과 결과예측을 위해 ", Virtual Reactor”를 이용한 SiC 결정성장 시뮬레이션 소프트웨어가 사용되었다[6-8]. PVT법으로 성장된 6H-SiC 단결정 잉곳은 웨이퍼 형태로의 가공을 위해 기저면(결정의 C축)을 따라 절삭하였으며, 광학 현미경을 통한 웨이퍼 표면을 조사하기 위해 다양한 입자크기의 다이아몬드 슬러리를 이용한 폴리싱 공정이 실시되었다.

성능/효과

결론적으로 용융된 수크로오스의 카라멜화 공정시 적정 가열온도와 유지시간은 이 계면 사이의 기공 제거와 접착력에 상당한 상호관계가 있음을 알 수 있었다. 수크로오스를 이용한 종자정 접착 후의 계면의 잔존 기공으로 인한 back surface deposition을 억제하고 SiC 잉곳의 초기 결함 발생을 제어하기 위한 종자정 접착방법으로, 종자정의 C면(000T)에 spin coater를 이용한 얇은 glue 코팅층을 형성한 후 탄화하여 C면에 탄화 된 barrier를 생성시켜 접착하는 방법, 기계적인 결합을 이용한 SiC 종자정 점착방법 등이 현재 고려되고 있으며, 앞으로 SiC 종자정과 고밀도 흑연 종자정 홀더 계면에서 buffer 층으로 사용될 수 있는 새로운 glue재료 및 소재의 선택도 고려되어야 할 것이다.
수 있었다. 또한 전기적 특성 평가에서는, 수크로오스에 카라멜화 공정을 적용하여 성장시킨 SiC 결정이 상대적으로 낮은 0.183Q・cm의 저항값과 42ea/Cm2의 마이크로파이프 밀도(MPD) 및 293.9 cne/Vs의 높은 전자 이동도를 나타내었다.
상기의 실험결과 우리는 SiC종자정과 고밀도 흑연 종자정 홀더를 이용한 종자정 접착 시 카라멜화 공정을 적용하지 않은 접착법을 이용하여 결정을 성장 시킨 경우 이 두 계면에 생성된 기공이 결함으로 진전되어 다수의 면상결함, 마이크로파이프 및 전위 등이 형성된다는 사실을 알 수 있었다. 또한 Hall 측정결과, 이러한 결함들은 결정 내부에서 전자와 홀의 이동을 방해하는 장애물로 작용함으로써 결정 내부의 전자와 홀의 이동도를 낮게 만드는 것으로 사료된다.
편광이미지 촬영결과 수크로오스에 카라멜화 공정을 적용하지 않은 SiC 종자정으로 성장 시킨 SiC결정이 카라멜화 공정을 적용한 SiC 종자정으로 성장 시킨 SiC 결정보다 내부의 응력분포 영역이 넓고 다수의 전위들이 결정전반에 분포된 것을 알 수 있었다. 또한 전기적 특성 평가에서는, 수크로오스에 카라멜화 공정을 적용하여 성장시킨 SiC 결정이 상대적으로 낮은 0.

후속연구

따라서, 수크로오스에 카라멜화 공정을 적용하면 내부에 잔존하는 휘발성 유기 단분자 화합물(H2O 및 CTkOH)등이 종자정 접착 전에 방출되어 기공 발생이 억제되므로 결과적으로 SiC 결정 내부의 결함 발생 및 응력을 줄여 결정질에 긍정적인 효과를 줄 수 있을 것으로 기대된다.
수 있었다. 수크로오스를 이용한 종자정 접착 후의 계면의 잔존 기공으로 인한 back surface deposition을 억제하고 SiC 잉곳의 초기 결함 발생을 제어하기 위한 종자정 접착방법으로, 종자정의 C면(000T)에 spin coater를 이용한 얇은 glue 코팅층을 형성한 후 탄화하여 C면에 탄화 된 barrier를 생성시켜 접착하는 방법, 기계적인 결합을 이용한 SiC 종자정 점착방법 등이 현재 고려되고 있으며, 앞으로 SiC 종자정과 고밀도 흑연 종자정 홀더 계면에서 buffer 층으로 사용될 수 있는 새로운 glue재료 및 소재의 선택도 고려되어야 할 것이다.

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