KR101536744B1 - 종자정 받침대 접합 방법 - Google Patents

Abstract

종자정과 종자정 받침대 사이의 계면에서의 미세 채널 또는 기공 발생을 최소화할 수 있도록, 종자정의 적어도 일면의 휨정도를 측정하는 측정단계와, 상기 종자정의 일면과 접합되는 받침대의 접합면을 상기 종자정의 일면의 휨정도에 대응하는 형태로 가공하는 가공단계, 상기 종자정과 받침대 사이에 접착제를 도포하는 도포단계, 종자정과 받침대를 접합하는 접합단계를 포함하는 종자정 받침대 접합 방법을 제공한다.

Description

종자정 받침대 접합 방법{METHOD FOR ATTACHING SILICON-CARBIDE SEED ON HOLDER}

본 발명은 탄화 규소 단결정 성장을 위한 종자정에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 종자정과 받침대의 접합 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 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 성장시키는 방법이다.

종자정과 종자정 받침대는 실리콘 카바이드와 흑연 재질로 이루어지며, 이들 사이에 접착 재료가 도포되어 탄화 공정을 통해 계면이 접합된다.

그런데, 종자정은 성장 시 발생한 열적 스트레스와 가공 시 발생한 기계적 스트레스로 인해 표면이 휘는 현상이 발생된다. 이러한 휨 현상은 접착재를 이용하여 종자정을 받침대에 접합하는 과정에서 접합계면에 미세 채널 또는 기공과 이로 인한 불연속적인 결함을 발생시키게 된다. 이때 발생되는 결함은 성장 방향으로 계속 전파되어 동공 결함, 즉 마이크로파이프(micropipe)를 유발할 수 있다. 따라서, 고품질의 실리콘 카바이드 단결정을 생산하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

이에, 종자정과 종자정 받침대 사이의 계면에서의 미세 채널 또는 기공 발생을 최소화할 수 있도록 된 종자정 받침대 접합 방법을 제공한다.

이에, 본 접합 방법은 종자정의 적어도 일면의 휨정도를 측정하는 측정단계와, 상기 종자정의 일면과 접합되는 받침대의 접합면을 상기 종자정의 일면의 휨정도에 대응하는 형태로 가공하는 가공단계, 상기 종자정과 받침대 사이에 접착제를 도포하는 도포단계, 종자정과 받침대를 접합하는 접합단계를 포함할 수 있다.

상기 종자정의 일면은 실리콘면 또는 탄소면일 수 있다.

상기 종자정의 일면은 내측으로 오목하게 형성된 오목면일 수 있다.

상기 가공단계는 상기 오목면에 접하도록 접합면을 외측으로 볼록한 볼록면으로 가공하는 구조일 수 있다.

상기 접합단계는 부착된 종자정과 받침대를 노 내에서 고온으로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 접합단계는 불활성가스 분위기, 40 ~ 50Kpa 압력하에서 500 ~ 1000℃ 온도로 승온 후 6시간 유지하는 구조일 수 있다.

상기 접착제는 고상 또는 액상의 글루일 수 있다.

상기 불활성 분위기는 아르곤 가스 분위기일 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 종자정의 휨값에 맞춰 받침대를 연마하여 접합시킴으로써, 받침대와 종자정의 부착력을 높이고 접합계면에서의 기공이나 미세채널 형성을 억제하여 결함 발생을 줄일 수 있게 된다.

또한, 종자정과 받침대의 부착 구조 개선을 통해 양호한 품질의 탄화규소 단결정 잉곳을 생산할 수 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 종자정 받침대의 접합 과정을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 종자정의 휨 상태를 도시한 것이다.
도 3은 본 실시예에 따른 종자정과 받침대의 접합 상태를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 종자정과 받침대 접합 조건을 도시한 개략적인 그래프이다.
도 5와 도 6은 각각 본 실시예와 종래기술에 따른 종저정과 받침대의 접합된 상태를 도시한 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 종자정 받침대의 접합 과정을 도시한 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 접합 방법은 종자정의 적어도 일면의 휨정도를 측정하는 측정단계(S100)와, 상기 종자정의 일면과 접합되는 받침대의 접합면을 상기 종자정의 일면의 휨정도에 대응하는 형태로 가공하는 가공단계(S110), 상기 종자정과 받침대 사이에 접착제를 도포하는 도포단계(S120), 종자정과 받침대를 접합하는 접합단계(S130)를 포함한다.

본 실시예에서 상기 측정단계는 종자정의 일면 뿐 아니라 양면의 휨 정도를 모두 측정할 수 있다. 상기 종자정(seed)는 탄화규소 단결정으로 이루어지며, 원형 플레이트 형상을 가진다. 상기 종자정는 양면으로 실리콘 면과 탄소 면이 존재한다. 상기 종자정은 성장 시 각종 스트레스로 인해 표면이 휘게 되는 데, 상기 측정단계는 이와 같이 종자정 자체의 휨 정도를 측정하여 이를 수치화하게 된다.(S100)

도 2는 상기 측정단계를 통해 측정된 종자정의 양면 휨 상태를 도시하고 있다. 도 2의 왼쪽과 오른쪽은 각각 종자정의 양면 중 실리콘 면과 탄소 면을 각각 도시하고 있다.

상기 종자정 측정 단계를 통해 도 2에 도시된 바와 같이 상기 종자정(10)의 실리콘 면(12)은 +17.19um 값으로 위로 볼록하게 휘어 있고, 반대쪽 면인 탄소 면(14)은 -16.76um 값으로 오목하게 휘어있음을 확인할 수 있다.

상기 종자정(10)의 자체 휨 정도를 측정한 후에는 측정된 종자정의 휨값에 맞춰 종자정이 접합될 받침대의 접합면을 가공한다.(S110)

도 3은 일 실시예로 받침대에 종자정의 탄소 면이 접합되는 경우를 예로서 도시하고 있다. 상기 받침대는 종자정의 탄소 면 외에 실리콘 면과 접합될 수 있으며, 이 경우 종자정의 실리콘 면과 대응되는 형태로 가공된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 받침대(20)는 종자정(10)의 양면 중 오목면인 탄소 면(14)과 접합되며, 접합면(22)은 종자정의 탄소 면 휨값인 -16.76um과 대응되도록 +16.76um 값으로 볼록하게 가공한다.

이에, 받침대(20)의 접합면(22)은 +16.76um 값인 볼록면을 이루고, 종자정(10)의 탄소 면(14)은 -16.76um 값인 오목면을 이루게 되어, 도 3에 도시된 바와 같이 받침대(20) 접합면(22)과 종자정(10)의 탄소 면(14)은 서로 최대한 밀착이 가능하게 된다.

이와 같이, 종자정의 휨값을 측정하여 받침대를 가공함으로써, 종자정과 받침대 사이는 높은 부착력을 통해 기공율을 최대한 낮출 수 있게 된다. 따라서 잉곳 생성시 접합계면에서의 기공 등으로 인한 불연속적인 결합 발생을 최소화할 수 있게 된다.

상기 받침대의 접합면 가공이 완료되면 상기 종자정과 받침대 사이에 접착제를 도포한 후 접합한다.(S120 ~ S130)

상기 접착제는 고상 또는 액상의 글루(glue)일 수 있다. 이러한 접착제는 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 글루(glue)로는 Sugar, Carbon paste, Photoresist등이 사용될 수 있다.

상기 접합 단계는 부착된 종자정과 받침대를 노 내에서 고온으로 가열하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서 상기 접합단계는 저항가열 튜브로(tube furnace)를 이용하여 이루어진다.

상기 노 내부로 부착된 종자정과 받침대가 장입되고, 분위기로 불활성가스인 아르곤 가스가 채워진다. 이 과정에서 노 내부에서 산소는 제거된다. 노 내부 산소가 제거되어야 후 공정에서 계면 산화를 방지할 수 있게 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 가열 과정은 아르곤 가스 분위기하에서 40 ~ 50Kpa 압력으로 500 ~ 1000℃ 까지 승온 후 6시간 유지하여 이루어진다.

상기 글루는 탄소성분을 포함하며 유기물을 기반으로 하고 있기 때문에, 상기 온도 범위 내에서 탄소를 제외한 유기물들이 반응하여 제거된다. 상기 가열 과정에서 온도가 500℃보다 낮게 되면 글루의 유기물들이 충분히 제거되지 않으며 1000℃를 넘게 되면 남아있는 탄소성분이 접착력을 잃게 된다. 이에, 상기 온도 범위에서 글루의 탄소성분만 탄화가 되어 남아있게 된다.

또한, 상기 가열 과정에서 압력이 40Kpa보다 작게 되면 포함된 글루 량이 많이 휘발하게 되며, 50Kpa를 넘게 되면 질소 및 산소의 오염 문제가 발생된다.

도 5와 도 6은 본 실시예와 종래기술에 따른 종자정과 받침대의 접합 상태를 도시하고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 경우 종자정과 받침대 사이로 접착재가 빠져나와 계면이 제대로 접합되지 못하였고, 종자정 표면에 미세 채널과 기공 등의 결함이 발생된다.

이에 반해 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 경우 상기 과정을 거쳐 받침대를 가공하고 종자정을 부착함으로써, 표면이 깨끗하고 기공이나 미세채널이 형성되지 않아 결함이 전혀없는 상태로 종자정이 받침대에 접합되었음을 확인할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 종자정 12 : 실리콘 면
14 : 탄소면 20 : 받침대
22 : 접합면

Claims (8)

1. 종자정의 적어도 일면의 휨정도를 측정하는 측정단계와,
   상기 종자정의 일면과 접합되는 받침대의 접합면을 상기 종자정의 일면의 휨정도에 대응하는 형태로 가공하는 가공단계,
   상기 종자정과 받침대 사이에 접착제를 도포하는 도포단계,
   상기 종자정과 받침대를 접합하는 접합단계를 포함하고,
   상기 접합단계는 부착된 종자정과 받침대를 노 내에서 불활성가스 분위기, 40 ~ 50Kpa 압력하에서, 500 ~ 1000℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 종자정 받침대 접합 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 받침대와 접합되는 종자정의 일면은 내측으로 오목하게 형성되어 오목면을 이루는 종자정 받침대 접합 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 가공단계는 상기 오목면에 접하도록 접합면을 외측으로 볼록한 볼록면으로 가공하는 종자정 받침대 접합 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 받침대와 접합되는 종자정의 일면은 외측으로 볼록하게 형성되어 볼록면을 이루는 종자정 받침대 접합 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 가공단계는 상기 볼록면에 접하도록 접합면을 내측으로 오목한 오목면으로 가공하는 종자정 받침대 접합 방법.
6. 삭제
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 접합단계는 6시간 유지하는 종자정 받침대 접합 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 불활성가스는 아르곤 가스인 종자정 받침대 접합 방법.

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