KR101409424B1 - 탄화규소 종자정의 결함 저감방법 - Google Patents

Abstract

탄화규소 종자정의 결함 저감방법이 개시된다. 본 발명에 의한 탄화규소 종자정의 결함 저감방법은 탄화규소 종자정의 어느 한 면에 접착재료를 코팅처리 하는 단계, 도가니의 바닥면에 탄화규소 원료분말을 충진하고 분말 반대면에 상기 코팅처리된 탄화규소 종자정을 부착시킨 후 베이킹하는 단계, 및 상기 베이킹 단계후 냉각시킨 종자정을 승온시킨 후 일정시간 유지하는 열처리 단계를 포함한다.

Description

탄화규소 종자정의 결함 저감방법{METHOD FOR DECREASING DEFECTS OF SILICON-CARBIDE SEED}

본 발명은 탄화규소 종자정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화규소 종자정의 결함을 저감하는 방법에 관한 것이다.

대표적인 반도체 소자 재료로 사용된 Si이 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 SiC, GaN, AlN 및 ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다.

여기서, GaN, AlN 및 ZnO에 비해 SiC는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한, SiC는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열 전도도를 가지고 있으며, 직경 4인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있어, GaN, AlN 및 ZnO 등의 기판에 비해 기술적 선도적으로 앞서 나가고 있다.

탄화규소 단결정 성장방법으로 PVT 법(Physical Vapor Transport)이 높은 수율과 고품질화된 실리콘 카바이드를 제작할 수 있는 장점이 있어, 현재 널리 통용 되고 있다.

PVT 법은 종자정을 종자정 받침대에 접착 재료를 이용하여 부착하고, 종자정으로 부터 잉곳 형태의 실리콘 카바이드를 성장 시키는 방법이다.

무결함 종자정을 제외한 통상적인 종자정 내부에는 다양한 결함이 존재하고, 표면에는 가공 시 생긴 기계적 충격이 존재하게 된다.

이후 단결정 성장 공정을 위해 단결정 원료가 장입된 도가니를 성장온도로 가열시키면, 약 1,600℃ 이상에서부터 원료가 승화되고, 종자정 표면에 재결정화 된다.

이때, 종자정 내, 외부의 불안정한 부분부터 불균일한 성장이 진행되기 시작하고, 이런 초기 공정에서 미세 채널 및 기공 등의 불연속적인 결함을 발생시키게 된다.

이때 발생되는 결함은 성장 방향으로 계속 전파되어 동공결함, 즉 마이크로파이프(micropipe)를 유발할 수 있다. 따라서, 고품질의 실리콘 카바이드 단결정을 생산하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

한국등록특허 제766917호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 탄화규소 종자정을 동공결함을 저감할 수 있는 탄화규소 종자정의 열처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 종자정의 결함 제거방법은 탄화규소 종자정의 어느 한 면에 접착재료를 코팅처리 하는 단계, 흑연도가니의 바닥면에 탄화규소 원료분말을 충진하고 분말 반대면에 상기 코팅처리된 탄화규소 종자정을 부착시킨 후 베이킹하는 단계, 및 상기 베이킹 단계후 냉각시킨 종자정을 승온시킨 후 일정시간 유지하는 열처리 단계를 포함할 수 있다.

상기 접착재료는 그래파이트 필름 또는 글루일 수 있다.

상기 원료분말의 순도는 4N 이상이며, 입도는 1㎛~10㎛의 구형 형상일 수 있다.

상기 베이킹 단계는 비활성 가스 분위기, 70~80kPa 압력에서, 상기 흑연도가니를 1,400℃ 까지 승온후 1시간 유지하고, 상기 흑연도가니를 1,800℃ 까지 승온후 2시간 유지할 수 있다.

상기 베이킹 단계후 냉각된 탄화규소 종자정을 비활성 분위기, 40~50kPa 압력에서, 1,600℃ 까지 승온후 12시간 유지시킬 수 있다.

상기 탄화규소 종자정의 성장률은 10~20㎛/hr 일 수 있다.

상기 비활성 분위기는 아르곤 가스 분위기일 수 있다.

본 발명에 의하면, 탄화규소 종자정을 열처리하여 동공 결함농도를 저감시킬 수 있어 결함 농도가 매우 저하된 탄화규소 종자정을 제조할 수 있다.

또한, 결함 농도가 매우 낮은 탄화규소 종자정을 이용하여 양호한 품질의 탄화규소 단결정 잉곳을 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 탄화규소 종자정의 결함을 제거하기 위한 열처리 공정들을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 탄화규소 종자정의 결함제거시 사용된 원료분말들의 주사전자현미경(scanning electron microscope) 사진이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명에 의한 종자정 결함 제거방법 전과 후의 종자정의 표면 주사전자현미경 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄화규소 종자정의 결함 저감방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 탄화규소 종자정의 결함 제거방법은 탄화규소 종자정의 어느 한 면에 접착재료를 코팅처리 하는 단계, 도가니의 바닥면에 탄화규소 원료분말을 충진하고 분말 반대면에 상기 코팅처리된 탄화규소 종자정을 부착시킨 후 베이킹하는 단계, 및 상기 베이킹 단계후 냉각시킨 종자정을 승온시킨 후 일정시간 유지하는 열처리 단계를 포함한다.

탄화규소 종자정(seed)는 양면으로 실리콘 면, 탄소 면이 존재하는데, 원하는 면의 반대편에 접착재료로 코팅처리를 한다.

상기 접착재료는 그래파이트 필름 또는 글루(glue) 인 것을 특징으로 한다. 이러한 접착재료는 탄소(Carbon)를 많이 함유하고 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이상적인 SiC 단결정 성장 시, 흑연 도가니 내에는 Si와 C만 존재해야 하고 그 외의 물질은 모두 불순물로 작용하기 때문이다. 상기의 그래파이트는 탄소이며, 글루(glue)로는 Sugar, Carbon paste, Photoresist등이 사용될 수 있다.

상기 원료분말의 순도는 4N 이상이며, 입도는 1㎛~10㎛의 구형 형상인 것을 특징으로 한다. SiC 분말의 순도가 4N 이하가 되게 되면, Al, Ti, B, Fe, V 같은 금속불순물 들이 양이 많이 존재하게 되며 결함을 저감시키는데 있어서 이런 금속 불순물들은 치명적인 결함 생성을 유발할 수 있기 때문이다.

원료분말이 1㎛ 보다 작으면 저온에서 분말이 비산되어 탄화규소 종자정의 원하지 않는 부위에도 증착되는 문제가 발생하며, 10㎛ 보다 큰 경우에는 특정 온도이상에서 분말 승화량이 급격히 증가하여, 클러스터 형태의 거대 입자가 형성된다. 또한, 입자가 구형인 경우 규칙적인 승화가 잘 일어날 수 있다.

상기 베이킹 단계는 비활성 가스 분위기, 70~80kPa 압력에서, 상기 도가니를 1,400℃ 까지 승온후 1시간 유지하고, 상기 도가니를 1,800℃ 까지 승온후 2시간 유지하는 것을 특징으로 한다.

베이킹 단계에서 온도를 1,400℃에서 1시간 유지하는 이유는 실험 준비 시, 종자정, 분말, 도가니, 단열재, 챔버 등에 묻어 있는 유기물들을 제거하기 위한 것이다. 또한, 1,800℃까지 승온후 2시간 유지시키는 이유는, 원료분말의 전처리를 통해 금속 불순물들을 분해시키기 위한 것이다. 이 경우, 분말의 승화가 아주 작거나 일어나지 않아야 하기 때문에 압력을 70~80 Kpa로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 베이킹 단계후 냉각된 탄화규소 종자정을 비활성 분위기, 40~50kPa 압력에서, 1,600℃ 까지 승온후 12시간 유지시키는 것을 특징으로 한다.

베이킹이 끝난 후, 실제로 분말이 승화되어 종자정 표면에 성장이 되어야 하므로 압력을 40~50Kpa로 낮추게 된다. 일반적으로, 단결정 성장 압력은 1~20Kpa이지만 압력이 높게 되면 성장률이 낮아지는 효과가 있다.

상기 탄화규소 종자정의 성장률은 10~20㎛/hr 인 것을 특징으로 한다.

성장률이 10㎛/hr 이하의 경우는 동공이 모두 매워지지 않을 수 있으며, 20㎛/hr 이상인 경우에는 성장률이 높아 미세 채널이 제대로 매워 지지 않거나, 마면(facet)이 심하게 생성되어 추후 성장 시 문제가 될수 있기 때문이다.

상기와 같이 탄화규소 종자정을 열처리하는 이유는 원료분말을 비교적 낮은 온도인 1,800℃ 이하에서 매우 천천히 승화시키면, 종자정의 불안정한 부분부터 성장이 진행되기 때문에, 동공결함을 매울 수 있다는 점에 착안한 것이다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

흑연도가니 바닥면에 탄화규소 원료분말을 충진시키고, 분말 반대편에 탄화규소 종자정을 부착시켰다.

도 2는 사용한 원료분말의 주사전자현미경(SEM) 사진으로 원료분말의 입도는 1㎛ ~ 10㎛ 이었다. 원료분말의 순도는 4N급 이상이며 형태는 구형을 띄고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 분말이 구형이고 입도분포가 균일해야 규칙적인 승화가 일어나 종자정 열처리 효과를 높일 수 있다.

아르곤 분위기, 75kPa 압력에서, 1,400℃ 까지 흑연도가니를 승온 후에 1시간 유지하였고, 다시 1,800℃ 까지 승온후 2시간 유지시킨 후 실온까지 서냉하였다.

충분히 냉각시킨 탄화규소 종자정을 아르곤 분위기, 45kPa 압력에서 다시 1,600℃ 까지 승온후 12시간 유지시켰다.

도 3, 4는 탄화규소 종자정의 열처리 전, 후 사진이다. 도 3은 열처리 전 사진으로 좌측 상, 하에 각각의 큰 동공결함(동그라미)이 관찰되고 우측 상단에 작은 동공결함(네모)가 관찰됨을 알 수 있다.

도 4는 열처리 후 사진으로 원료분말이 승화하여 종자정 표면에 성장이 일어났기 때문에 전위 스텝들이 관찰된다. 동공결함 완전히 제거되지 않았지만, 기존 자리에 Hilllock 형태로 변한 것으로 보여지기 때문에, 종자정을 관통하는 구멍은 완전 또는 부분적으로 원료분말로 채워진 것으로 판단된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. 탄화규소 종자정의 어느 한 면에 접착재료를 코팅처리 하는 단계;
   흑연도가니의 바닥면에 탄화규소 원료분말을 충진하고 분말 반대면에 상기 코팅처리된 탄화규소 종자정을 부착시킨 후 베이킹하는 단계; 및
   상기 베이킹 단계후 냉각시킨 종자정을 1,600 내지 1800℃로 승온시킨 후 일정시간 유지하는 열처리 단계를 포함하는 탄화규소 종자정의 결함 저감방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 접착재료는 그래파이트 필름 또는 글루 인 것을 특징으로 하는 탄화규소 종자정의 결함 저감방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 원료분말의 순도는 4N 이상이며, 입도는 1㎛~10㎛의 구형 형상인 것을 특징으로 하는 탄화규소 종자정의 결함 저감방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이킹 단계는 비활성 가스 분위기, 70~80kPa 압력에서, 상기 흑연도가니를 1,400℃ 까지 승온후 1시간 유지하고, 상기 흑연도가니를 1,800℃ 까지 승온후 2시간 유지하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 종자정의 결함 저감방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이킹 단계후 냉각된 탄화규소 종자정을 비활성 분위기, 40~50kPa 압력에서, 1,600℃ 까지 승온후 12시간 유지시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 종자정의 결함 저감방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 탄화규소 종자정의 성장률은 10~20㎛/hr 인 것을 특징으로 하는 탄화규소 종자정의 결함 저감방법.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에서,
   상기 비활성 분위기는 아르곤 가스 분위기인 것을 특징으로 하는 탄화규소 종자정의 결함 저감방법.
8. 삭제

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