용액성장법에 의한 SiC 단결정 성장은 Si 또는 Si-금속합금의 융액으로부터 SiC를 성장시키는 방법으로서, 통상의 상부종자 용액성장법(Top Seeded Solution Growth)에서는 Si 융액을 담는 흑연도가니로부터 C가 Si 융액에 용해되고 용해된 C이 상부에 위치한 종자결정으로 이동하여 종자결정상에 SiC 형태로 재결정화하는 단계를 거쳐 SiC의 단결정을 성장시키는 과정을 거치게 된다. SiC 용액성장에 있어서는 SiC의 단결정성장을 위하여 흑연도가니의 형상, 크기, 재질 및 상대적 위치 배열 등 온도제어와 유체흐름 제어를 위해 다양한 공정변수를 선정해야한다. 본 연구에서는 용액성장공정의 설계를 위해 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 전자기장해석, 열전달해석, 유체해석에 대한 다중물리해석모델을 구축하고 이 모델을 이용하여 결정성장공정을 설계하였다. 해석결과에 기초하여 2 inch off-axis 4H-SiC 단결정을 종자결정으로 적용하여 $1700^{\circ}C$에서 상부종자 용액성장법에 의하여 SiC 단결정을 성장시켰다. 광학현미경 및 고분해능 X선회절분석을 통해 결정성을 분석한 결과 해당 성장조건에서 양호한 품질의 단결정이 성장함을 확인하였다. 이로써 본 연구에서 구축된 다중물리해석모델이 SiC의 용액성장 공정설계에 유효함을 확인하였다.
용액성장법에 의한 SiC 단결정 성장은 Si 또는 Si-금속합금의 융액으로부터 SiC를 성장시키는 방법으로서, 통상의 상부종자 용액성장법(Top Seeded Solution Growth)에서는 Si 융액을 담는 흑연도가니로부터 C가 Si 융액에 용해되고 용해된 C이 상부에 위치한 종자결정으로 이동하여 종자결정상에 SiC 형태로 재결정화하는 단계를 거쳐 SiC의 단결정을 성장시키는 과정을 거치게 된다. SiC 용액성장에 있어서는 SiC의 단결정성장을 위하여 흑연도가니의 형상, 크기, 재질 및 상대적 위치 배열 등 온도제어와 유체흐름 제어를 위해 다양한 공정변수를 선정해야한다. 본 연구에서는 용액성장공정의 설계를 위해 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 전자기장해석, 열전달해석, 유체해석에 대한 다중물리해석모델을 구축하고 이 모델을 이용하여 결정성장공정을 설계하였다. 해석결과에 기초하여 2 inch off-axis 4H-SiC 단결정을 종자결정으로 적용하여 $1700^{\circ}C$에서 상부종자 용액성장법에 의하여 SiC 단결정을 성장시켰다. 광학현미경 및 고분해능 X선회절분석을 통해 결정성을 분석한 결과 해당 성장조건에서 양호한 품질의 단결정이 성장함을 확인하였다. 이로써 본 연구에서 구축된 다중물리해석모델이 SiC의 용액성장 공정설계에 유효함을 확인하였다.
A top-seeded solution growth (TSSG) is a method of growing SiC single crystal from the Si melt dissolved the carbon. In this study, multiphysics modeling was conducted using COMSOL Multiphysics, a commercialized finite element analysis package, to get analytic results about electromagnetic analysis,...
A top-seeded solution growth (TSSG) is a method of growing SiC single crystal from the Si melt dissolved the carbon. In this study, multiphysics modeling was conducted using COMSOL Multiphysics, a commercialized finite element analysis package, to get analytic results about electromagnetic analysis, heat transfer and fluid flow in the Si melt. Experimental results showed good agreements with simulation data, which supports the validity of the simulation model. Based on the understanding about solution growth of SiC and our set-up, crystal growth was conducted on off-axis 4H-SiC seed crystal in the temperature range of $1600{\sim}1800^{\circ}C$. The grown layer showed good crystal quality confirmed with optical microscopy and high resolution X-ray diffraction, which also demonstrates the effectiveness of the multiphysics model to find a process condition of solution growth of SiC single crystal.
A top-seeded solution growth (TSSG) is a method of growing SiC single crystal from the Si melt dissolved the carbon. In this study, multiphysics modeling was conducted using COMSOL Multiphysics, a commercialized finite element analysis package, to get analytic results about electromagnetic analysis, heat transfer and fluid flow in the Si melt. Experimental results showed good agreements with simulation data, which supports the validity of the simulation model. Based on the understanding about solution growth of SiC and our set-up, crystal growth was conducted on off-axis 4H-SiC seed crystal in the temperature range of $1600{\sim}1800^{\circ}C$. The grown layer showed good crystal quality confirmed with optical microscopy and high resolution X-ray diffraction, which also demonstrates the effectiveness of the multiphysics model to find a process condition of solution growth of SiC single crystal.
통상 SiC 용액성장법에서 C는 발열체이자 Si 융액의 용기 역할을 하는 흑연도가니 그 자체에서 공급 되며, 이때 흑연도가니의 형상, 크기, 재질 및 상대적 위치 배열 등 온도제어와 유체흐름 제어를 위해 다양한 실험변수를 선정해야 하지만 실제 성장실험에서는 다수의 실험변수를 모두 평가하는 것은 매우 어렵다[6]. 따라서본 연구에서는 용액성장법을 통한 SiC의 단결정성장에 있어 흑연도가니의 영향과 유체의 흐름에 따른 SiC 단결정 성장거동을 파악하고자 온도구배 및 유체흐름에 대한 다중물리 모델링을 수행하고 실험에 적용하여 SiC 단결정을 성장시키고 이를 분석하였다.
제안 방법
본 연구에서는 유도가열방식 SiC 용액성장시스템에 다중물리 유한요소모델을 구축하고 이에 대하여 실험적으로 유효성을 확인하였다. 본 연구에서 구축된 다중물리모델은 비용 및 시간적 측면에서 SiC 용액성장연구에 유리할 것으로 전망되며 향후 다양한 내부 구조 및 성장조건 최적화에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
대상 데이터
해석시간을 고려하여 2차원 축대칭 모델을 사용하였다. 전체 해석모델은 Mercier 등이 보고한 바와 같이 구리 코일에 흐르는 전류의 전자기유도현상에 의한 흑연도가니내의 2차전류에 따라 발생하는 유도가열의 발열과 고체물질의 전도 및 복사에 따른 열전달을 해석하는 물리모델과 Si 융액의 움직임을 해석하는 물리모델로 구성되며 이 두 해석결과는 커플링하여 상호해석결과가 각 해석결과에 반영되도록 해석하였다[8]. Table 1에 해석에 적용한 재료의 물성을 나타내었다.
이론/모형
본 연구에서는 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics 4.3a를 사용하여 유도가열에 의한 도가니및 유체내의 온도 해석과 유체의 흐름을 해석하였다[7]. Fig.
해석결과를 근거로 한 용액성장실험은 종자결정(Seed crystal)을 흑연 막대(Seed shaft)에 부착시켜 Si 융액상부에 위치시키고 C이 융해된 Si 융액으로부터 SiC를 성장시키는 상부종자용액성장법(TSSG법)을 사용하였다. 성장실험중 도가니의 파손에 의한 고온의 Si 융액의 유실을 고려하여 Fig.
성능/효과
반면 상대적으로 저온이면서 C의 농도가 높은 표면부분(Zone B)에서는 C의 농도는 용해도에 근접할 것으로 보여 열역학적인 용해도 차이에 의해 단결정 성장이 가능해 지는 것으로 보인다. 다시 말하여 시뮬레이션으로 얻은 Si 융액의 온도구배는 흑연도가니 → Si 융액 → SiC 결정성장으로 연결되는 C의 공급경로가 원활하게 작용하는 구조로 용액성장시스템이 구성되어 있어 바람직한 온도 및 유체흐름을 갖는 모델이라고 할 수 있다.
(004) Peak에 대한 Rocking curve 분석결과 반치폭(Full width at half maximum; FWHM)은 27 arcsec로 나타나 성장 층의 결정성이 상당히 양호한 수준인 것으로 나타났다. 이에 따라 다중물리모델로 제안한 실험조건에서 양호한 결정성장조건이 얻어지는 것으로 확인할 수 있었으며 이를 통하여 SiC 용액성장 다중물리모델의 유효성을 확인할 수 있었다. 본 연구로 얻어진 용액성장 모델은 향후 도가니 구조의 최적화 및 공정조건 제어등에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
3에 전자기 유도가열 및 열전달 해석에 의해 얻은 용액성장 시스템의 전체적인 온도분포를 나타내었다. 해석결과 유도가열에 의해 흑연도가니에서 온도가 가장 높고 그라파이트 펠트로 단열된 부분에서 크게 온도가 떨어지고 있음을 알 수 있다. 융액표면과 도가니 하부의 온도구배는 융액표면온도 1600~1800℃에서 50~100℃정도로 계산되었으며 Pyrometer 실측치와 일치하였다.
후속연구
본 연구에서는 유도가열방식 SiC 용액성장시스템에 다중물리 유한요소모델을 구축하고 이에 대하여 실험적으로 유효성을 확인하였다. 본 연구에서 구축된 다중물리모델은 비용 및 시간적 측면에서 SiC 용액성장연구에 유리할 것으로 전망되며 향후 다양한 내부 구조 및 성장조건 최적화에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SiC은 무엇이며 어떤 구조 재료로서 사용되어 왔는가?
실리콘(Si)과 탄소(C)의 화합물인 SiC는 Si가 C와 공유결합하고 있는 재료로서, 특히 강한 공유결합에 따라 기계적 물성이 매우 우수하여 연마재, 자동차 브레이크 및 클러치, 방탄 조끼 등 높은 내구성이 요구되는 구조 재료로서 널리 사용되어왔다[1]. SiC는 구조재료 외에도 발광다이오드(LED), 라디오 검출기 등의 전자 분야에도 사용 가능하여 특히 고온이나 고전압이 요구되는 반도체 전자 분야에 활용될 수 있다[2].
광대역반 도체 중 SiC단결정은 어떤 특징을 가지며 앞으로 어디에 쓰일 것으로 전망되는가?
통상 에너지 밴드갭이 3 eV 이상인 소재를 광대역반 도체(Wide Bandgap Semiconductor)로 지칭하며 GaN, AlN, ZnO, SiC 등이 해당되는데, 그 중 SiC는 대표적인 광대역반도체 소재로서 최근 직경 6 inch 단결정 웨이퍼가 상용화되어 기존의 Si 단결정 기판을 대체할 수 있는 가장 유력한 차세대 전력반도체 기판으로 대두되고 있다. SiC 단결정은 전력변환장치의 고효율화, 극한환경 사용성 등의 측면에서 종래 사용되어 왔던 Si 단결정 대비 우수한 성능을 나타내므로 특히 고성능 전력반도체의경우 수년내에 SiC 기판으로 전환될 것으로 전망되고 있다[3].
SiC 단결정을 제조하는 방법으로 이미 상용화된 방법은 무엇이 있는가?
SiC 단결정을 제조하는 방법은 이미 상용화된 방법으로 널리 사용되고 있는 물리적기상수송법(Physical vapor transport)을 비롯하여 차세대 성장 기술인 고온화학기상증착법, 용액성장법 등 여러 가지 방법이 제안되어 있다[4]. 앞서 밝힌 바와 같이 6인치급까지 상용화된 물리적 기상수송법은 SiC 분말을 출발물질로 사용하는 방법으로서 1978년 소개된 이후 가장 장기간 개발된 기술이며 구성이 간단하고 기술력이 축적되어 있어 SiC 단결정의 초기 개발을 견인해왔다.
K. Kamei, K. Kusunoki, N. Yashiro, N. Okada, T. Tanaka and A. Yauchi, "Solution growth of single crystalline 6H, 4H-SiC using Si-Ti-C melt", J. Cryst. Growth 311 (2009) 855.
H.-Y. Shin, J.-H. Im and J.-I. Im, "Numerical analysis of sapphire crystal growth process using Ky and CZ method", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 23 (2013) 59.
J.H. Kim, Y.H. Park and Y.C. Lee, "Analysis of melt flows and remelting phenomena through numerical simulations during the kyropoulos sapphire single crystal growth", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 23 (2013) 129.
F. Mercier, J.-M. Deddulle, D. Chaussende and M. Pons, "Coupled heat transfer and fluid dynamics modeling of high-temperature SiC solution growth", J. Cryst. Growth 312 (2010) 155.
ACerS-NIST Phase Equilibria Diagrams Version 3.2.1 CD-ROM Database, NIST Standard Reference Database 31; http://ceramics.org/publications-and-resources/ phase-equilibria-diagrams (accessed 15.07.01).
F. Mercier and S.Nishizawa, "Solution growth of SiC from silicon melts: Influence of the alternative magnetic field on fluid dynamics", J. Cryst. Growth 318 (2011) 385.
J. Lefebure, J.-M. Deddulle, T. Ouisse and D. Chaussende, "Modeling of the growth rate during top seeded solution growth of SiC using pure silicon as a solvent", Cryst. Growth Des. 12 (2011) 909.
F. Mercier and S. Nishizawa, "Numerical investigation of the growth rate enhancement of SiC crystal growth from silicon melts", Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 5603.
K. Danno, H. Saitoh, A. Seki, H. Daikoku, Y. Fujiwara, T. Ishii, H. Sakamoto and Y. Kawaii, "High-speed growth of high-quality 4H-SiC bulk by solution growth using Si-Cr based melt", Mater. Sci. Forum 645 (2010) 13.
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