[논문]접촉각 측정방법을 이용한 SiC 단결정의 극성표면 판별에 있어 자연산화막의 영향

박진용; 김정곤; 김대성; 유우식; 이원재

doi:10.4313/jkem.2020.33.3.245

접촉각 측정방법을 이용한 SiC 단결정의 극성표면 판별에 있어 자연산화막의 영향
Effect of Native Oxide Layer on the Water Contact Angle to Determine the Surface Polarity of SiC Single Crystals 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.3, 2020년, pp.245 - 248

박진용 (동의대학교 신소재공학과) , 김정곤 , 김대성 (동의대학교 신소재공학과) , 유우식 , 이원재 (동의대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The wettability of silicon carbide (SiC) crystal, which has 6H-SiC and 4H-SiC regions prepared using the physical vapor transport (PVT) method, is quantitatively analyzed using dispensed deionized (DI) water droplets. Regardless of the polytypes in SiC, the average of five contact angle measurements showed a difference of about 6° between the Si-face and C-face. The contact angle on the Si-face (C-face) is measured after the removal of the native oxide using BOE (6:1), and revealed a significant decrease of the contact angle from 74.9° (68.4°) to 47.7° (49.3°) and from 75.8° (70.2°) to 51.6° (49.5°) for the 4H-SiC and 6H-SiC regions, respectively. The contact angle of the Si-face recovered over time during room temperature oxidation in air; in contrast, that of the C-face did not recover to the initial value. This study shows that the contact angle is very sensitive to SiC surface polarity, specific surface conditions, and process time. Contact angle measurements are expected to be a rapid way of determining the surface polarity and wettability of SiC crystals.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Side view images of DI water droplet.
그림 Fig. 2. The contact angle measurement of the Si and C faces of 6H-SiC and 4H-SiC.
그림 Fig. 3. DI water droplet on C-face 4H-SiC area (a) before surface treatment and (b) after surface treatment.
그림 Fig. 4. In-situ monitoring of contact angle after BOE surface treatment (a) C-face of 4H-SiC and 6H-SiC areas and (b) Si-face of 4H-SiC and 6H-SiC areas.

AI 본문요약
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문제 정의

SiC 결정의 극 성 판별은 고온건식/습식산화 공정(Si면과 C면의 표면 산화속도 차이)을 이용하는 것이 일반적인 식별방법이 지만 추가적인 공정과 시간이 소요되게 된다 [8,9]. 본 연구에서는 PVT (physical vapor transport) 방법으로 성장시킨 SiC 단결정의 4H와 6H의 결정다형 이 함께 혼재되어 있는 기판에 대해 DI (deionized) water를 이용한 접촉각 측정을 실시하여 단시간 현장 에서 SiC 극성을 판별할 수 있는 방법을 제안하였다. 극성에 따른 접촉각 차이와 SiC 표면에 형성된 자연산화막의 영향을 확인하기 위해 BOE 용액을 이용하여 표면 자연 산화막 제거 후 시간 경과(24시간)에 따른 각 극성면의 표면 젖음성을 분석하였다.

제안 방법

각 결정다형의 극성을 확인하기 위 해 Si면과 C면에 대해 접촉각 측정을 실시하였다. SiC 기판 위에 생성된 자연산화막(native oxide layer)이 각 극성면의 접촉각 형성에 미치는 영향을 확인하기 위해 상온에서 BOE (buffer oxide etch, NH4F：HF＝6：1) 용액을 이용한 산화막 제거를 실시한 후, 처리 직후 5 시간 동안 30분마다 접촉각 측정을 실시하였다. 추가적으로 이 샘플에 대해 대기 중에 24시간 동안 실온에 노출시킨 뒤에 접촉각을 재측정하였다.
본 연구에서는 PVT (physical vapor transport) 방법으로 성장시킨 SiC 단결정의 4H와 6H의 결정다형 이 함께 혼재되어 있는 기판에 대해 DI (deionized) water를 이용한 접촉각 측정을 실시하여 단시간 현장 에서 SiC 극성을 판별할 수 있는 방법을 제안하였다. 극성에 따른 접촉각 차이와 SiC 표면에 형성된 자연산화막의 영향을 확인하기 위해 BOE 용액을 이용하여 표면 자연 산화막 제거 후 시간 경과(24시간)에 따른 각 극성면의 표면 젖음성을 분석하였다.
본 연구에서는 BOE 표면 처리 전후의 자연산화막의 유무에 따른 SiC 극성 표면의 젖음성을 정량적인 방법으로 분석하였다. BOE 표면 처리 전 접촉각의 경우 결정다형과 관계없이 Si면이 C면보다 약 6° 정도 크게 측정되었으며 BOE 표면 처리 후 시간 경과에 따른 자연산화막 생성에 의해 각 극성면의 표면 특성이 다르게 변화하는 것을 확인하였다.

대상 데이터

접촉각 측정에 사용된 SiC 웨이퍼는 PVT 방법으로 성장시킨 1019/cm3 이상의 질소 도핑농도를 가지며 mechanical polishing이 완료된 6H-SiC와 4H-SiC의 결정다형이 혼재하는 기판을 사용하였다. DI water droplet을 이용한 접촉각 측정은 ㈜펨토바이오메드사의 smartdrop 장비를 이용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 BOE 표면 처리 전후의 자연산화막의 유무에 따른 SiC 극성 표면의 젖음성을 정량적인 방법으로 분석하였다. BOE 표면 처리 전 접촉각의 경우 결정다형과 관계없이 Si면이 C면보다 약 6° 정도 크게 측정되었으며 BOE 표면 처리 후 시간 경과에 따른 자연산화막 생성에 의해 각 극성면의 표면 특성이 다르게 변화하는 것을 확인하였다. 이는 SiC 단결정 성장 은 물론 소자 제작을 위한 공정 단계에서 짧은 시간 동안의 표면 특성 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있다는 것은 물론 빠르고 신뢰성 있는 표면 극성 식별 및 표면 손상 여부 식별 방법으로, 긍정적인 결과를 기대할 수 있다는 것이다.
6°로 나타났다. SiC의 결정다형과 관계없이 Si면의 접촉각이 C면의 접촉각보다 약 6° 정 도 큰 것을 확인하였다. 각 결정다형의 동일 극성면에서 접촉각 5회 측정의 평균값(검정색 원)이 거의 유사 한 것을 알 수 있다.

후속연구

특히 디바이스 제작 공정단계에서 플라즈마 처리나 화학적 표면 처리 후 SiC 기판의 표면 상태가 시간이 지남에 따라 급격히 변화하게 되므로 디바이스 성능에 크게 영향을 줄 수 있음을 시사한다. DI water droplet을 이용한 접촉각 결과는 SiC 도핑농도, 표면상태, 표면 처리조건, 접촉각 측정 시의 DI water volume 등에 의해서도 크게 변화할 수 있으므로 SiC 표면상태의 고려와 측정 정확도를 향상시키는 지속적인 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	성장된 SiC 단결정은 무엇으로 재사용될 수 있는가?	각 Si면과 C면인 극성면의 표면에너지는 서로 다른 값을 가지므로 극성면에 따른 물성 또한 다르게 나타나 게 된다 [6,7]. 성장된 SiC 단결정은 종자정으로 재사용될 수 있으며 디바이스 제작을 위한 epitaxy layer 증착 등의 후공정을 실시할 수도 있다. SiC 결정의 극 성 판별은 고온건식/습식산화 공정(Si면과 C면의 표면 산화속도 차이)을 이용하는 것이 일반적인 식별방법이 지만 추가적인 공정과 시간이 소요되게 된다 [8,9].
	SiC는 무엇인가?	SiC는 원소 주기율표상의 4족 원소인 Si와 C로 구성된 화합물 반도체이다. Si에 비해 10배 높은 절연 파괴 및 전계 강도를 가지며 3배 정도 높은 밴드갭을 가지므로 고온에서 우수한 기계적 강도와 산화 저항성 을 나타낸다.
	SiC는 Si에 비해 어떠한 특징이 있는가?	SiC는 원소 주기율표상의 4족 원소인 Si와 C로 구성된 화합물 반도체이다. Si에 비해 10배 높은 절연 파괴 및 전계 강도를 가지며 3배 정도 높은 밴드갭을 가지므로 고온에서 우수한 기계적 강도와 산화 저항성 을 나타낸다. 이러한 물성으로 종래의 Si 기반 반도체소재의 한계를 뛰어넘는 차세대 Widebandgap 반도체 소재로써 활용되고 있다.

참고문헌 (13)

W. J. Choyke and G. Pensl, MRS Bull., 22, 25 (1997). [DOI: https://doi.org/10.1557/S0883769400032723]

상세보기
C. H. Park, B. H. Cheong, K. H Lee, and K. J. Chang, Phys. Rev. B, 49, 4485 (1994). [DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.49.4485]

상세보기
K. Karch, F. Bechstedt, P. Pavone, and D. Strauch, Phys. Rev. B, 53, 13400 (1995). [DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.53.13400]
E. Schmitt, T. Straubinger, M. Rasp, M. Vogel, and A. Wohlfart, J. Cryst. Growth, 310, 966 (2008). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2007.11.185]

상세보기
R. Yakimova, M. Syvajarvi, T. Iakimov, H. Jacobsson, R. Raback, A. Vehanen, and E. Janzen, J. Cryst. Growth, 217, 255 (2000). [DOI: https://doi.org/10.1016/S0022-0248(00)00488-7]

상세보기
R. A. Stein, P. Lanig, and S. Leibenzeder, Mater. Sci. Eng., B, 11, 69 (1992). [DOI: https://doi.org/10.1016/0921-5107(92)90193-D]

상세보기
R. A. Stein and P. Lanig, J. Cryst. Growth, 131, 71 (1993). [DOI: https://doi.org/10.1016/0022-0248(93)90397-F]

상세보기
B. Hornetz, H. J. Michel, and J. Halbritter, J. Mater. Res., 9, 3088 (1994). [DOI: https://doi.org/10.1557/JMR.1994.3088]

상세보기
Y. Song, S. Dhar, L. C. Feldman, G. Chung, and J. R. Williams, J. Appl. Phys., 95, 4953 (2004). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.1690097]

상세보기
H. Matsunami, Diamond Relat. Mater., 2, 1043 (1993). [DOI: https://doi.org/10.1016/0925-9635(93)90271-3]

상세보기
R.C.A. Harris, J. Am. Ceram. Soc., 58, 7 (1975). [DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1975.tb18969.x]

상세보기
C. P. Saini, A. Barman, D. Das, B. Satpati, S. R. Bhattacharyya, D. Kanjilal, A. Ponomaryov, S. Zvyagin, and A. Kanjilal, J. Phys. Chem. C, 121, 278 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b08991]
M. Syvajarvi, R. Yakimova, and E. Janzen, J. Electrochem. Soc., 146, 1565 (1999). [DOI: https://doi.org/10.1149/1.1391805]

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