[논문]KOH Etching을 통한 4H-SiC Epitaxy 박막에서의 전위결함 거동

신윤지; 김원정; 문정현; 방욱

doi:10.4313/jkem.2011.24.10.779

[국내논문] KOH Etching을 통한 4H-SiC Epitaxy 박막에서의 전위결함 거동
Characterization of Dislocations in 4H-SiC Epitaxy Using Molten-KOH Etching 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.10, 2011년, pp.779 - 783

신윤지 (창원대학교 물리학과) , 김원정 (창원대학교 물리학과) , 문정현 (한국전기연구원 에너지반도체센터) , 방욱 (한국전기연구원 에너지반도체센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The morphology of etch pits in commercial 4H-SiC epi-wafer were investigated by molten-KOH etching. The etching process was optimized in $525{\sim}570^{\circ}C$ at 2~10 min and the novel type of etch pits was revealed. This type of etch pits have been considered as TED (threading edge dislocation) II, its origin and nature, however, are not reported yet. In this work, the morphology and evolution of etch pits during epitaxial growth were analyzed and the different behavior between TED and TEDII was discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 표면법을 통하여 SiC epiwafer의 전위결함을 관찰하였다. 각 전위결함을 명확히 판별하기 위한 에칭 조건 확립한 후, epitaxy layer에서 전위의 거동을 관찰하였다.
각 전위결함을 명확히 판별하기 위한 에칭 조건 확립한 후, epitaxy layer에서 전위의 거동을 관찰하였다. 새로운 거동 및 특성을 보이는 새로운 TED (이하 TEDⅡ)에 대해서도 고찰하였다.

가설 설정

따라서 TED 보다 에치 피트 사이즈가 더 작은 것은 성립되지 않으므로, TEDⅡ의 line vector와 burgers vector가 이루는 각도나 방향이 기존의 TED와 다를 것으로 고려하였다. 더불어 기존의 TED와 달리 BPD와 상호작용 하지 않는 것으로 보아 burgers vector가 {0001}가 아닌 다른 면상에 존재할 것으로 추정하였다. 이것은 Kallinger의 SXRT (synchrotron x-ray topography) 실험으로도 증명된 바 있다 [3].

제안 방법

4H-SiC epiwafer의 에치 피트의 특성 및 거동을 파악하기 위해, molten KOH를 이용한 에칭과 diamond paste를 이용한 표면 연마 과정을 반복하며 에치 피트의 거동의 분석하였다. 기존의 TED는 BPD와 90% 상호작용하였다.
본 연구에서는 표면법을 통하여 SiC epiwafer의 전위결함을 관찰하였다. 각 전위결함을 명확히 판별하기 위한 에칭 조건 확립한 후, epitaxy layer에서 전위의 거동을 관찰하였다. 새로운 거동 및 특성을 보이는 새로운 TED (이하 TEDⅡ)에 대해서도 고찰하였다.
그림 2에서 보듯이 에피층 두께가 18 µm인 샘플을 세 번에 걸쳐 각 10 µm, 3 µm, 3 µm 가량 polishing하며 3번에 걸쳐 두께가 다른 에피층의 표면을 관찰하였다.
둘째, diamond paste를 이용하여 에치 피트가 사라질 때까지 표면을 연마한 후 다시 에칭을 반복하며 전위의 거동을 관찰하였다. 그림 2에서 보듯이 에피층 두께가 18 µm인 샘플을 세 번에 걸쳐 각 10 µm, 3 µm, 3 µm 가량 polishing하며 3번에 걸쳐 두께가 다른 에피층의 표면을 관찰하였다.
TED의 burgers vector가 SiC 결정에서의 최솟값이다. 따라서 TED 보다 에치 피트 사이즈가 더 작은 것은 성립되지 않으므로, TEDⅡ의 line vector와 burgers vector가 이루는 각도나 방향이 기존의 TED와 다를 것으로 고려하였다. 더불어 기존의 TED와 달리 BPD와 상호작용 하지 않는 것으로 보아 burgers vector가 {0001}가 아닌 다른 면상에 존재할 것으로 추정하였다.
에치 피트의 기본적인 형상과 거동은 광학 현미경 (normalski optical microscopy, NOM)을 통해 관찰하였고, 보다 정밀한 morphology를 관찰하고자 SEM (scanning electron microscopy)와 AFM (atomic force microscopy) 측정을 실시하였다.
추가적으로 TEDⅡ와 다른 전위의 morphology 차이를 정밀하게 파악하기 위해 SEM과 AFM을 측정하였다.(그림 6) AFM 분석을 통해 TSD와 TED, TEDⅡ의 정확한 사이즈를 비교할 수 있었다.

대상 데이터

실험에 이용한 샘플은 [#] 방향으로 8° 기운 off-axis 상용 4H-SiC epitaxy wafer로써, 4.273 mm2의 영역을 지정하고 molten KOH를 이용한 에칭 실험을 실시하였다.
273 mm²의 영역을 지정하고 molten KOH를 이용한 에칭 실험을 실시하였다. 도가니는 Al₂O₃로 제작하였고, 실험은 내화벽돌로 이루어진 소형 chamber 안에서 이루어졌다.
본 실험은 지식경제 기술혁신사업(WPM사업)으로 수행되고 있는 ‘초고순도 SiC소재’ 개발 사업의 지원으로 수행되었다.

성능/효과

(표 2) 측정 결과, TEDⅡ가 TED에 비하여 길이가 4 µm가량 짧고, 깊이도 0.6 µm가량 얕았다.
추가적으로 TEDⅡ와 다른 전위의 morphology 차이를 정밀하게 파악하기 위해 SEM과 AFM을 측정하였다.(그림 6) AFM 분석을 통해 TSD와 TED, TEDⅡ의 정확한 사이즈를 비교할 수 있었다.(표 2) 측정 결과, TEDⅡ가 TED에 비하여 길이가 4 µm가량 짧고, 깊이도 0.
BPD의 거동을 관찰하면서 BPD가 다른 전위와 소멸 혹은 생성, 반발 등의 상호작용이 일어나는 것을 발견하였다. 특히 burgers vector가 같은 기저면에 존재하는 TED를 만났을 때, 50%는 그림 3(a)와 같이 서로 소멸하였는데, 10%의 경우 (b)처럼 아무런 현상도 발생하지 않았다.
첫째, 에치 피트 (etch pit)를 가장 명확히 구별하고 관찰할 수 있는 조건을 찾기 위하여 525∼570℃에서 2∼10분 사이로 수차례 테스트를 거쳤고, 540℃ 2 min이 가장 적합한 조건임을 확인하였다.
최소의 burgers vector를 가질 수 있는 방향을 추정한 결과, 기존의 TED와 달리 가 아닌 면상에 있을 것으로 추정된다.

후속연구

향후 TEM (transmission electron microscopy)과 SXRT를 통하여 이에 대한 정밀 분석을 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파괴분석법이란?	파괴분석법은 비파괴분석법과 달리 시편을 특수 처리하여 전위결함을 시각적으로 관찰, 분석할 수 있는 기술이다. 대표적으로 표면법 (surface methods)이 있는데, molten KOH를 이용한 화학적 에칭(etching) 방법이 가장 일반적이다.
	대표적인 전위결함에는 무엇이 있는가?	하지만 SiC 내 존재하는 많은 결함, 그중에서도 전위 (dislocation)결함이 소자의 특성 및 신뢰성 저하를 야기하고 있다 [1]. 대표적인 전위결함으로는 MP (micropipe), 칼날 전위 (threading edge dislocation, TED), 나선 전위 (threading screw dislocation, TSD), 기저면 전위 (basal plane dislocation, BPD) 등이 보고되고 있다. 아직까지는 많은 결함들의 정확한 생성 메커니즘이 파악되지 않은 상태이다.
	X-선회절 토포그래피의 장단점은?	대표적인 비파괴분석법으로 X-선회절 토포그래피 (x-ray diffraction topography)가 있다 [2]. 이 방법은 ≤ 104 mm -2 의 낮은 전위결함 밀도에도 적용할 수 있어서 유용하지만, 전위결함에 대한 전자의 회절 벡터값(#)의 미세한 조절이 매우 까다롭다.

참고문헌 (8)

H. Lendenmann, F. Dahlquist, N. Johansson, R. Soderholm, P. A. Nilsson, J. P. Bergman, and P. Skytt, Mater. Sci. Forum, 353, p. 727 (2000).
H. Tsuchida, I. Kamata, and M. Nagano, J. Cryst. Growth, 306, 254 (2007).

상세보기
B. Kallinger, S. Polster, P. Berwian, J. Friedrich, G. Muller, A. N. Danilewsky, A. Wehrhahn, and A. D. Weber, J. Cryst. Growth, 312, 21 (2011).
R. E. Stahlbush, B. L. VanMil, R. L. Myers-Ward, K-K. Lew, D. K. Gaskill, and C. R. Eddy, J. Appl. Phys. Lett., 94, 041916 (2009).

상세보기
B. Chen, J. Chen, T. Sekiguchi, A. Kinoshita, H. Matsuhata, H. Yamaguchi, I. Nagai, and H. Okumura. J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 19, 219 (2008).

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D. Hull and D. J. Bacon, Introduction to Dislocations, 5th ed. (Butterworth-Heinemann, USA, 2011) p. 8.
S. M. Koo, Ph. D. Thesis, p. 6, KTH, Royal Institute of Technology, Kista-Stockholm (2003).
T. Furusho, R. Kobauashi, T. Nishiguchi, M. Sasaki, K. Hirai, T. hayashi, H. Kinoshita, and H. Shiomi, Mater. Sci. Forum, 527, 35 (2006).

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