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문제 정의
- 대부분의 연구가 단결정이나 에티탁셜 성장과 관련된 시뮬레이션[4-7]이고 대면적의 다결정 후막에 응용하고자 하는 연구[8]는 충분하지 못하였다. 본 연구에서는 양산용 시스템에 대하여 CFD 해석을 통하여 탄화규소 막의 증착 균일도를 향상시키기 위한 서셉터의 구조와 공정 조건에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 3단의 회전하는 스테이지를 지닌 CVD 리엑터에서 노즐의 구조를 바꿈에 따라서 각 단 위에서의 기상 농도의 변화를 전산유체역학 시뮬레이션을 통하여 살펴보았다. 그 결과, 각 단에서의 가스 농도의 차이는 노즐의 구조에 따라 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다.
- Fig. 1은 전산 모사에 적용되는 유동 공간 만을 표시한 것으로 반응기 내부는 온도와 압력이 각각 1300°C, 100 torr로 일정한 등온 등압으로 경계조건을 설정하였으며 내부의 서셉터가 분당 3회 회전하도록 설정하였다.
- 계산 영역에 대한 격자는 사용자 조정 격자를 사용하여 약 210만개의 사면체(tetrahedral) 격자를 생성하였으며, 스테이지의 구멍 및 지지대, 배출구의 확산판에 대하여 조밀한 격자를 형성시켜 계산의 정확도를 높이고자 하였다. 정상 상태(steady state)에서의 결과를 PARDISO solver를 사용하여 도출하였다.
- 본 연구에서는 실제 반응기 내부를 CAD 프로그램을 사용하여 3차원 모델링을 하였으며, 상용코드인 COMSOL Multi-physics의 CFD 모듈과 Chemical 모듈을 커플링하여 계산을 진행하였다. CFD 해석을 위한 지배방정식으로 Navier-Stokes 방정식을 사용하였으며 3차원 비압축성 모델을 적용하였다.
- 1은 전산 모사에 적용되는 유동 공간 만을 표시한 것으로 반응기 내부는 온도와 압력이 각각 1300°C, 100 torr로 일정한 등온 등압으로 경계조건을 설정하였으며 내부의 서셉터가 분당 3회 회전하도록 설정하였다. 상중하 세 곳의 가스주입구 중 상부와 하부의 주입구를 통해 각각 알곤과 수소 가스를 1:1의 몰 비로 주입하였는데 각각의 가스의 유속은 0.3 m/s로 설정하였으며, 이 때 노즐 구조에 따른 가스 내부의 농도 분포를 알아보기 위해 3차원에서 CFD 해석을 수행하였다. 이 때, 다성분계의 확산에 대한 지배방정식은 Maxwell-Stefan 확산식[9]을 적용하였다.
- 실제 증착 실험은 2회에 걸쳐서 실시되었고 증착 조건은 증착 온도 1300°C, 압력은 50 Torr, H/Si(가스의 조성)가 16.5이며 2 rpm의 속도로 서셉터를 회전시킨 경우와 1200°C, 50 Torr에서 H/Si가 21.4 그리고 0.5 rpm으로 서셉터를 회전시킨 경우이다.
- 처음 계산 진행시 난류 효과를 고려하여 k-ε 난류 모델을 적용하였으나 층류 모델을 적용한 계산 결과와 큰 차이를 보이지 않았으며, 층류를 적용하여 계산하였을 때 더 짧은 시간이 소요되었으므로 층류 모델을 사용하여 계산을 진행하였다.
대상 데이터
- 정상 상태(steady state)에서의 결과를 PARDISO solver를 사용하여 도출하였다. 해석에 사용된 워크스테이션은 DELL사의 PRECISION T7500(Intel(R) Xeon(R) CPU G2.67 GHz, RAM 192 GB)이었으며 스테이지 회전속도와 유속에 따라 최대 6시간 정도의 시간이 소요되었다.
데이터처리
- 계산 영역에 대한 격자는 사용자 조정 격자를 사용하여 약 210만개의 사면체(tetrahedral) 격자를 생성하였으며, 스테이지의 구멍 및 지지대, 배출구의 확산판에 대하여 조밀한 격자를 형성시켜 계산의 정확도를 높이고자 하였다. 정상 상태(steady state)에서의 결과를 PARDISO solver를 사용하여 도출하였다. 해석에 사용된 워크스테이션은 DELL사의 PRECISION T7500(Intel(R) Xeon(R) CPU G2.
이론/모형
- 본 연구에서는 실제 반응기 내부를 CAD 프로그램을 사용하여 3차원 모델링을 하였으며, 상용코드인 COMSOL Multi-physics의 CFD 모듈과 Chemical 모듈을 커플링하여 계산을 진행하였다. CFD 해석을 위한 지배방정식으로 Navier-Stokes 방정식을 사용하였으며 3차원 비압축성 모델을 적용하였다. 처음 계산 진행시 난류 효과를 고려하여 k-ε 난류 모델을 적용하였으나 층류 모델을 적용한 계산 결과와 큰 차이를 보이지 않았으며, 층류를 적용하여 계산하였을 때 더 짧은 시간이 소요되었으므로 층류 모델을 사용하여 계산을 진행하였다.
- 3 m/s로 설정하였으며, 이 때 노즐 구조에 따른 가스 내부의 농도 분포를 알아보기 위해 3차원에서 CFD 해석을 수행하였다. 이 때, 다성분계의 확산에 대한 지배방정식은 Maxwell-Stefan 확산식[9]을 적용하였다. 여기서 알곤과 수소를 실제 CVD 공정의 모델 가스로 사용한 이유는 CVD 공정에서 발생하는 가스의 99 % 이상이 수소와 염화수소인데 염화수소와 알곤의 분자량이 각각 36.
성능/효과
- 각 단에서의 평균 값의 차이는 normal > 60° nozzle > 120° nozzle의 순으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 3단의 회전하는 스테이지를 지닌 CVD 리엑터에서 노즐의 구조를 바꿈에 따라서 각 단 위에서의 기상 농도의 변화를 전산유체역학 시뮬레이션을 통하여 살펴보았다. 그 결과, 각 단에서의 가스 농도의 차이는 노즐의 구조에 따라 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 실제 증착 실험을 통하여 확인한 결과, 각 단에서의 두께 균일도는 서셉터의 회전속도에 의하여 가장 큰 영향을 받으며 균일도를 향상시키기 위해서는 가능하면 느리게 회전 시킬 필요가 있음을 확인하였다.
- 2에 평행한 노즐과 60도 갈라지는 노즐, 그리고 120도로 갈라지는 노즐을 설치하였을 때 각 단에서의 농도 분포를 도시하였다. 그 결과를 보면 120도 노즐을 사용하였을 때 상중하 3단에서의 가스 농도의 차이가 가장 작은 것을 확인할 수 있었고 같은 단 위에서는 회전 속도가 빠를수록 농도의 편차가 적어지는 양상을 나타내었다. 한편, 가스의 유속의 경우에는 유속이 빨라질수록 각 단 간의 농도의 차이가 커지는 양상을 확인할 수 있었다.
- 3의 (a)와 (b)에 각각 나타내었다. 두 조건 모두에서 3C-SiC 상의 치밀한 탄화 규소가 컬리플라워와 유사한 형상으로 증착된 것을 확인할 수 있었다.
- 실제 증착 물의 두께 균일도는 다른 변수보다 스테이지의 회전 수에 가장 크게 영향을 받는 것으로 추정되는데 두 경우를 비교해 보면 회전 수가 느릴수록 스테이지의 중심부와 가장 자리에서 증착 속도의 차이가 좁혀지는 경향을 나타내었다. 또한 중심부에서의 각 단의 증착 속도 차이가 2 rpm의 경우에서 크게 나타나다가 0.
- 그 결과, 각 단에서의 가스 농도의 차이는 노즐의 구조에 따라 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 실제 증착 실험을 통하여 확인한 결과, 각 단에서의 두께 균일도는 서셉터의 회전속도에 의하여 가장 큰 영향을 받으며 균일도를 향상시키기 위해서는 가능하면 느리게 회전 시킬 필요가 있음을 확인하였다.
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