KR101628691B1 - 화학기상증착 탄화규소의 전기 저항 조절 방법 - Google Patents

화학기상증착 탄화규소의 전기 저항 조절 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화규소를 제조하는 화학기상증착 과정 중에서, 반응가스의 조성을 최적 비율로 제어하여 원하는 수준의 전기 저항값을 갖도록 제어하면서도, 기계적 강도와 내구성이 우수한 탄화규소를 제조하는 방법 및 이러한 방법으로 제조된 반도체 공정용 탄화규소 제품을 제공하기 위한 것으로, 화학기상증착 탄화규소의 높은 기계적 강도를 유지하면서도 전기저항을 효과적으로 제어할 수 있으며, 불순물의 농도가 낮게 유지되면서도 적절한 화학기상증착 속도를 유지함으로써, 보다 효과적인 탄화규소 부품의 제조가 가능한 장점이 있다. 또한, 본 발명의 저항조절 방법으로 제조된 탄화규소 부품은, 탄화규소 내의 질소 이온의 농도가 상대적으로 낮게 유지됨으로써, 고내열성 및 고밀도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 기계적 강도(휩강도, 미소강도 등)가 높게 유지되는 효과가 있으며, 전기 전도성을 향상시켜 방전 가공 특성이 우수한 효과가 있다

Description

화학기상증착 탄화규소의 전기 저항 조절 방법{Control method of electrical conductivity for CVD SiC}
본 발명은 고온, 고압의 가혹한 공정을 거치게 되는 반도체 장비용 부품으로 널리 사용되는 탄화규소 부품의 제조 방법에 관한 것으로, 설비 내에서 적용되는 부품의 위치 또는 부품의 기능에 따라 높은 강도는 유지되면서도 전기 저항이 제어될 수 있도록, 화학기상증착 과정에서 실란 전구체와 수소의 유량비를 제어하고, 추가적인 탄화수소 반응가스를 도입하여 수천 ~ 0.1 오옴cm 수준으로 전기저항을 변화시키는 방법 및 이러한 방법으로 제조된 전기저항값이 제어된 탄화규소 부품에 관한 것이다.
이렇게 전기저항값이 제어된 탄화규소 부품은, 정전기를 형성(build-up)해야 하는 부품인 플라즈마 스크린(plasma screen), 초점 링(focus ring) 또는 엣지 링(edge ring)에 특히 유용하게 적용될 수 있다.
탄화규소는 우수한 고온강도, 내열성, 내마모성, 내부식성 등의 특성으로 인해 반도체 공정 장비의 부품, 고온 구조재료, 히터, 고온필터소재 등으로 널리 사용되고 있다. 특히 반도체 공정에서 웨이퍼가 대구경화되고, 열처리하는 양이 많아지고, 열처리 온도가 높아지면서, 최근에는 높은 밀도와 우수한 내열성 및 세척(cleaning)공정 동안에 사용되는 불산 등의 산에 대한 내식성이 우수한 탄화규소 소재가 요구되고 있다. 또한, 웨이퍼가 대구경화 되면서 가열 시 온도 균일성이 매우 우수한 히터 소재로 방전가공이 용이한 고밀도 탄화규소 소재가 사용되고 있다.
일반적으로 탄화규소는 강한 공유결합 물질로서 소결조제를 첨가하지 않고는 소결이 어려운 난소결성 세라믹스이며, 이러한 탄화규소 소재의 소결방법으로는 통상의 탄화규소 분말을 원료로 사용하는 상압소결 또는 가압소결 및 용융 실리콘(Si, silicon)과 탄소(C, carbon)의 반응에 의해 탄화규소를 합성하는 반응소결법이 알려져있다.
미국특허 제4,829,027호에 의하면, 소결조제로 0.5 ~ 19.5 중량%의 산화알루미늄(Al2O3)과 0.5 ~ 19.5 중량%의 희토류산화물을 포함하여 전체 소결조제의 함량을 2 ~ 20 중량%로 첨가하여 소결하는 방법이 제시되었고, 미국특허 제5,580,510호에는 소결조제로 5 ~ 20 중량%의 질화알루미늄 및 0.5 ~ 10 중량%의 산화알루미늄을 첨가하여 소결하는 방법 등이 제시되어 있다.
이러한 종래의 탄화규소 소재 또는 부품의 제조방법은 탄화규소 분말에 소결조제로서 고온에서 액상을 형성하는 산화물 또는 산화물의 혼합물 또는 산화물과 질화알루미늄을 동시에 첨가하여, 세라믹스의 일반적인 혼합 및 성형공정을 거친 후, 상압소결 또는 가압소결 공정으로 1,750℃ 이상에서 소결함으로써, 소결공정 동안에 소결조제의 용융에 기인하여 형성된 액상이 액상소결 기구로 치밀화를 촉진하여, 3.0g/cm3 이상의 소결밀도를 갖는 탄화규소 소결체를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 하지만, 이러한 방법으로 제조된 탄화규소 재료는 과량의 액상을 함유하기 때문에, 체적비저항이 여전히 높은 수준이어서 전기전도성 소재 또는 방전가공성 소재로 사용하기에는 체적비저항이 너무 높은 문제점을 갖고 있다.
미국특허 제4,829,027호 미국특허 제5,580,510호
따라서, 본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 탄화규소를 제조하는 화학기상증착 과정 중에서, 반응가스의 조성을 최적 비율로 제어하여 원하는 수준의 전기 저항값을 갖도록 제어하면서도, 기계적 강도와 내구성이 우수한 탄화규소를 제조하는 방법 및 이러한 방법으로 제조된 반도체 공정용 탄화규소 제품을 제공하고자 한다.
본 발명의 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법은, 기재층을 화학기상증착 반응기에 로딩하는 제1단계; 염소를 포함하는 알킬 실란(alkylsilane), 수소, 질소 및 탄화수소(Hydrocarbon)를 포함하는 반응 가스와 비활성 가스인 이송 가스를 상기 화학기상증착(CVD) 반응기에 공급하는 제2단계; 및 상기 기재층에 화학기상증착 방법을 통해 탄화규소(SiC)를 증착하는 제3단계;를 포함한다.
이때 이송가스는 필요에 따라 반응가스 중의 일부로 대체되어 사용될 수도 있다.
상기 제2단계에서 수소와 알킬 실란의 부피 유량비(QH2/QS)는 4.5 ~ 6.0의 범위로 유지하면서 동시에 상기 제2단계에서 도입되는 탄화수소의 공급 유량을 제어함으로써, 상기 제3단계에서 형성된 탄화규소가, 단위 부피당 6.6×1018/㎤ 이하의 질소원자 농도 및 0.1 ~ 2000 Ω-㎝의 전기저항값 또는 바람직하게는 0.1 ~ 900 Ω-㎝의 저항값을 갖도록 조절할 수 있다.
상기 반응 가스 중 하나로 도입되는 탄화수소는, C3H8, C2H2 또는 CH2Cl2인 것이 바람직하며, CH2Cl2가 사용되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 반응 가스 중 하나인 염소를 포함하는 알킬 실란은, MTS(CH3SiCl3), 디클로로실란(SiH2Cl2), (CH3)2SiCl2, (CH3)3SiCl 및 CH3SiHCl2로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직한데, 규소와 탄소의 몰비가 1:1인 MTS(CH3SiCl3)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 기재는, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 탄화규소(SiC), 석영(Quartz), 사파이어(Al2O3) 및 유리(Glass)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 된 것인, 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법.
상기 제3단계에서 형성된 탄화규소 내의 질소원자가 단위 부피당 6.3×1018/㎤ 이하인 것이 더욱 바람직하고, 상기 화학기상증착 반응기의 온도는 1,000 ~ 1,500 ℃이며, 압력은 10 ~ 700 Torr인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 다른 실시형태로, 상기 언급된 본 발명의 전기저항 조절 방법으로 제조된 반도체 공정용 화학기상증착 탄화규소 부품을 들 수 있으며, 이러한 화학기상증착 탄화규소 부품은 단위 부피당 6.6×1018/㎤ 이하의 질소원자를 포함하고, 0.1 ~ 2000 Ω-㎝의 전기저항값 또는 0.01 ~ 900 Ω-㎝의 전기저항값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 반도체 공정용 화학기상증착 탄화규소 부품의 단위 부피당 질소원자가 6.3×1018/㎤ 이하인 것이 더욱 바람직하며, 2.9 ~ 3.3 g/cc의 밀도와 390 ~ 470 MPa의 휨 강도, 150 ~ 200 W/mK의 열 전도도 및 1 ppm 미만의 불순물 농도를 갖는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 전기저항이 제어된 탄화규소 부품의 저항조절 방법은, 화학기상증착 탄화규소의 높은 기계적 강도를 유지하면서도 전기저항을 효과적으로 제어할 수 있으며, 불순물의 농도가 낮게 유지되면서도 적절한 화학기상증착 속도를 유지함으로써, 보다 효과적인 탄화규소 부품의 제조가 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명의 저항조절 방법으로 제조된 탄화규소 부품은, 탄화규소 내의 질소 이온의 농도가 상대적으로 낮게 유지됨으로써, 고내열성 및 고밀도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 기계적 강도(휨강도, 미소강도 등)가 높게 유지되는 효과가 있으며, 전기 전도성을 향상시켜 방전 가공 특성이 우수한 효과가 있다.
본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 이하에 기재된 발명의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 수 있다. 이하에서는, 본 발명에 따른 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법 및 이러한 방법을 통해 제조된 반도체 공정용 화학기상증착 탄화규소 부품에 대하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 아니하며, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 아니 된다.
통상적으로 양론비와 동일하게 화학기상증착되어 제조된 순수한 탄화규소의 전기 저항은 약 5,000 Ω-㎝을 초과하는 매우 높은 값을 갖는데, 이러한 탄화규소는 매우 치밀하고, 기공이 없으며, 적어도 3.0 g/cc의 밀도를 가지며, 바람직하게는 적어도 3.15 g/cc(이론적 밀도의 98%에 대응되는 값임) 또는 그 이상의 밀도를 갖는다.
이러한 탄화규소의 높은 기계적 강도와 열전도도로 인해 반도체, 광학, 전자 및 화학 등의 분야에서 복잡형상의 고온구조재료, 반도체 공정장비용 부품, 진공장비용 부품, 내플라즈마용 부품, 반도체 공정용 더미 웨이퍼, 반도체 공정용 히터 소재, 플라즈마 식각 챔버 내 부품 등의 다양한 용도로 폭넓게 사용되어 왔지만, 탄화규소가 갖는 고유의 높은 전기 저항값으로 인해 일부 분야의 경우에는 그 적용 대상이 제한되기도 하였다.
특히, 플라즈마 장치와 같은 반도체 공정용 설비에 사용되는 부품의 경우에는 고온, 고압의 매우 가혹한 공정을 거치게 되므로, 기계적 강도가 필수적으로 요구되며, 다양한 부품 재료 중에서 탄화규소가 주목을 받기 시작하고 있다. 하지만, 이러한 플라즈마 장치의 부품의 경우에는, 설비 내에서 적용되는 부품의 위치 또는 부품의 기능에 따라 높은 강도는 유지되면서도 전기 저항이 변화될 필요가 존재하는데, 특히 정전기를 형성(build-up)해야 하는 부품인 플라즈마 스크린(plasma screen), 초점 링(focus ring) 또는 엣지 링(edge ring)의 경우에는 높은 기계적 강도를 유지하면서도 전기저항값이 낮은 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에서는 탄화규소를 제조하는 화학기상증착 과정 중에서, 반응가스의 조성을 제어하여 원하는 수준의 전기 저항값을 갖도록 제어하면서도, 기계적 강도와 내구성이 우수한 탄화규소를 제조하는 방법 및 이러한 방법으로 제조된 반도체 공정용 탄화규소 제품을 제공하고자 한다.
이렇게 전기 저항값이 제어된 탄화 규소는 크게 저저항, 중저항 및 고저항으로 구분될 수 있는데, 통상적인 벌크 형태의 일반 탄화규소의 전기저항 값인 5,000 Ω-㎝ 보다 작은 값이며, 구체적으로 본 명세서 내에서 언급하고 있는 저저항, 중저항 및 고저항 값은 각각 1 Ω-㎝ 미만, 1 Ω-㎝ 이상 ~ 100 Ω-㎝ 이하, 및 100 ~ 2000 Ω-㎝이하의 전기저항값을 의미한다.
본 발명의 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법 또는 전기저항값이 제어된 화학기상증착 탄화규소의 제조방법은, 기재층을 화학기상증착 반응기에 로딩하는 제1단계; 염소를 포함하는 알킬 실란(alkylsilane), 수소, 질소 및 탄화수소(Hydrocarbon)를 포함하는 반응 가스;와 비활성 가스인 이송 가스;를 상기 화학기상증착(CVD) 반응기에 공급하는 제2단계; 및 상기 기재층에 화학기상증착 방법을 통해 탄화규소(SiC)를 증착하는 제3단계;를 포함한다.
상기 제1단계에서 사용되는 반응가스에는 염소를 포함하는 알킬 실란(alkylsilane), 수소, 질소 및 탄화수소(Hydrocarbon)가 포함되며, 이러한 반응가스를 화학기상증착 반응기 내로 이동시키는 역할을 하는 이송가스(carrier gas)는 He, Ar, Ne 등의 비활성 기제를 사용할 수 있는데, Ar이 바람직하다.
또한 반응가스에 포함된 질소 가스 역시 Ar과 같은 이송 가스 역할을 동시에 수행할 수 있는데, 화학기상증착 반응 과정 중에서 생성되는 탄화규소의 저항을 감소시키는 역할을 수행하면서 동시에 다른 반응 가스(예를 들어 염소를 포함하는 알킬 실란, 탄화수소 등)에 비해 반응성이 낮기 때문에 이송가스의 역할도 추가로 수행할 수 있다.
화학기상증착 반응기 내에서 형성되는, 탄화규소를 형성하는 탄소를 포함하는 중간가스종(C-containing intermediate species)과 규소를 포함하는 중간가스종(Si-containing intermediate species)의 반응과정 중에 참여하여 전기저항을 낮추는 불순물의 역할을 수행하는 탄화수소와 질소 등의 반응가스의 유량은 제어하고자 하는 탄화규소의 저항 범위에 따라 변화시키게 된다. 이때 고저항 범위의 탄화규소를 제조할 경우에는 추가적인 Ar과 같은 비활성 이송가스를 공급하지 않고, 질소 가스만을 공급하여 반응가스와 이송가스의 역할을 동시에 수행하도록 할 수 있다.
상기 제1단계에서 사용되는 기재층은, 본 발명의 전기저항이 조절된 화학기상증착 탄화규소가 형성되는 대상면에 해당하고, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 탄화규소(SiC), 석영(Quartz), 사파이어(Al2O3) 또는 유리(Glass)가 사용될 수 있으며, 전기저항이 조절된 탄화규소가 화학기상증착 반응을 통해 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 탄화규소를 상기 기재층과 분리하여 사용할 수 있으며, 기재층과 분리하지 않고 그대로 반도체 공정용 부품인 탄화규소 부품으로 사용할 수도 있다.
또한, 기재층의 양면에 동시에 전기저항이 조절된 화학기상증착 탄화규소를 형성한 후, 기재층의 중심부를 따라 절단하여 1회 반응을 통해 2개의 탄화규소 부품을 형성할 수 있으며, 기재층의 형태는 제조하고자 하는 탄화규소 부품의 형태에 따라 자유롭게 변화 또는 변경시켜 적용하는 것도 가능하다.
상기 제2단계에서 수소와 염소를 포함하는 알킬 실란의 부피 유량비(QH2/QS)는 6.0 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 이는 알킬 실란이 화학기상증착 반응기 내에서 아래의 식과 같이 탄소를 포함하는 중간가스종(C-containing intermediate species; IPC)과 규소를 포함하는 중간가스종(Si-containing intermediate species; IPSi)으로 분해되는데, 이때 IPC는 대부분 CxHy의 형태의 화합물로 수소 분압이 낮을 경우에 활발하게 기재층에서 표면반응을 일으키게 된다. 반대로 수소의 유량이 높아져 수소 분압이 증가되는 경우에는 IPC의 반응성을 억제하게 되어 양론비에 가까운 탄화규소를 형성하게 되고, 이렇게 이론적인 양론비의 탄화규소가 형성될 경우에는 전기저항이 증가하게 된다.
CH3SiCl3 → IPC + IPSi + BP
(여기서 BP는 부산물인 by-product를 의미함)
하지만, 수소의 분압을 너무 낮게 유지할 경우에는 IPC의 활성도가 지나치게 상승하여 탄화규소의 구조 자체를 치밀하게 유지할 수 없어, 기계적 강도가 감소하는 문제점을 야기하므로, 반응 가스 조성물의 유량에 대한 최적화가 필수적으로 요구된다.
따라서 본 발명에서는 탄화규소의 기계적 강도를 유지할 수 있도록 수소의 분압을 적절한 수준으로 유지시키기 위해 수소와 알킬 실란의 부피 유량비(QH2/QS)를 4.5 ~ 6.0로 유지하면서, 탄화규소의 전기저항을 제어할 수 있도록 추가적인 탄화수소와 질소를 반응가스로 공급함으로써, 화학기상증착 반응기에서 형성되는 탄화규소의 전기저항값을 0.01 ~ 2000 Ω-㎝ 또는 0.01 ~ 900 Ω-㎝의 범위로 제어하는 방법을 완성하였다.
또한, 본 발명의 전기저항값이 제어된 탄화규소는 단위 부피당 6.6×1018/㎤ 이하의 질소원자 농도를 포함하는 것이 바람직한데, 과량의 질소원자로 인한 표면 결함의 발생하거나, 과도핑 되면 저항이 오히려 상승하는 경우 발생한다. 특히, 질소가 탄화규소에 너무 많이 도입될 경우에는 거대 결정립을 생성하여 결정립의 크기가 증가하는 현상을 일으키게 되므로 바람직하지 아니한데, 결정립의 크기가 증가하면 기계적 물성(예를 들어 경도, 강도 등)이 감소하게 되는 문제점이 존재한다.
상기 반응가스에 포함되는 탄화수소는, 화학기상증착 반응 중에서 보다 효과적으로 화학활성종(chemically active species)를 형성할 수 있도록 이중결합 또는 삼중결합을 포함하는 탄화수소가 바람직한데, C3H8, C2H2 또는 CH2Cl2를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 반응가스를 구성하는 가스 중의 하나인 염소를 포함하는 알킬 실란은, MTS(Methyl Trichlori Silane; CH3SiCl3), 디클로로실란(SiH2Cl2), (CH3)2SiCl2, (CH3)3SiCl 및 CH3SiHCl2로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하며, 분자내의 Si와 C의 비가 1:1이면서도 안전성 및 취급 용이성을 고려해 볼때 MTS가 더욱 바람직하다.
이렇게 본 발명의 화학기상증착 방법으로 제조된 탄화규소는 질소원자가 탄화규소 단위 부피당 6.6×1018/㎤ 이하, 더욱 바람직하게는 6.3×1018/㎤ 이하인 것이 바람직한데, 질소원자의 농도가 이들 보다 더 증가할 경우에는 휨강도와 경도값이 감소하는 문제점을 갖게 되므로 바람직하지 않다.
이러한 반응가스를 사용하여 화학기상증착 반응이 수행되는 화학증착 반응기의 온도는 1,000 ~ 1,500 ℃인 것이 바람직하고, 압력은 10 ~ 700 Torr인 것이 바람직한데, 온도가 1,000 ℃ 미만일 경우에는 반응가스의 활성화가 충분히 일어나지 아니하고, 온도가 1,500 ℃를 초과할 경우에는 반응가스의 활성이 너무 높아 탄화규소의 증착 속도와 증착량을 제어하기 곤란한 문제점이 있으며, 압력이 너무 낮거나 높을 경우에도 반응가스의 적절한 반응성을 확보하기 어려운 문제점이 발생한다.
본 발명의 다른 실시형태로 앞서 언급한 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법을 통해 제조된 화학기상증착 탄화규소 부품이 포함되며, 이러한 화학기상증착 탄화규소 부품은 반도체 제조 설비인 플라즈마 증착 설비의 부품인, 플라즈마 스크린(plasma screen), 초점 링(focus ring) 또는 엣지 링(edge ring) 등으로 사용될 수 있다. 이러한 반도체 공정용 화학기상증착 탄화규소 부품은 단위 부피당 6.6×1018/㎤ 이하, 더욱 바람직하게는 6.3×1018/㎤ 이하의 질소원자를 포함하고, 0.01 ~ 2000 Ω-㎝의 전기저항값 또는 0.01 ~ 900 Ω-㎝의 전기저항값을 갖도록 제어될 수 있다.
또한 본 발명을 통해 제공되는 반도체 공정용 화학기상증착 탄화규소 부품은, 2.9 ~ 3.3 g/cc의 밀도와 390 MPa의 휨 강도, 150 ~ 200 W/mK의 열 전도도 및 1 ppm 미만의 불순물 농도를 갖는다. 이때 불순물은 반응이 완료된 시료에 대해서 가스 방출 매스 편광기(Gas Discharge Mass Spectroscopy; GDMS)를 사용하여 측정하였으며, 0.05 ppm 이상의 검출 가능한 대부분의 고형성분에 대해서 측정되었으며, 질소와 탄소 및 규소는 제외하였다.
이하에서는 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 살펴보기 위해 실시예를 참조하여 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저 수소와 염소를 포함하는 알킬실란의 공급 유량비를 결정하기 위하여, 반응가스로 MTS(CH3SiCl3), 수소, 질소 CH2Cl2를 사용하여 화학기상증착 반응기 내에서 탄화규소를 기재상에 증착시켰다. 이때 기재로는 단결정 실리콘을 사용하였으며, MTS, 질소 및 CH2Cl2의 부피 유량비(volumetric flow ratio)는 각각 15, 2.5, 2.5로 고정한 후, 다음의 표 1과 같이 수소의 부피 유량을 조절하여 상기 MTS와의 부피 유량비(α=QH2/QMTS)를 4 내지 6.5의 범위로 변화시켰다.
증착 속도는 전체 반응시간에 따른 증착 두께를 측정함으로써 결정하였고, 휨강도는 자체 제작한 4 포인트 굽힘 테스트 장치를 사용하여 측정하였으며, 미소경도(Micro Hardness)는 비커스 미소경도계를 사용하여 측정하였다.
부피 유량비 α[QH2/QMTS] 증착속도
[mg/cm2/min]		 휨강도 [MPa] 미소경도[Hv]
실험예 1 6.5 0.5 471 3560
실험예 2 6 1.2 469 3415
실험예 3 5.5 1.4 461 3325
실험예 4 5 1.7 458 3017
실험예 5 4.5 2.1 431 2957
실험예 6 4 2.7 362 2115
상기 표 1에 정리된 실험결과에서 알 수 있듯이, 수소 가스의 유량을 감소시켜 MTS와의 부피 유량비(α)를 낮춰줌에 따라, 탄소를 포함하는 중간가스종(C-containing intermediate species; IPC)의 활성이 지나치게 증가하여 증착속도가 너무 빨라지고, 치밀한 구조를 얻을 수 없어, 휨강도 및 미소경도가 감소하는 문제가 발생함을 알 수 있었다.
따라서 이하의 실험에서는 적절한 증착속도와 강도를 갖도록, 수소와 MTS의 부피 유량비(α)를 4.5 내지 6의 범위로 고정하여 실험을 수행하였다.
고 저항 탄화규소의 제조
화학기상증착을 통해 형성되는 탄화규소의 전기저항을 다양한 범위로 제어하기 위해, 앞서 실시예 1과 동일한 방법으로 탄화규소를 기재층에 증착하였다. 이때 사용된 반응기스의 구체적인 부피 유량비(volumetric flow ratio)와 이렇게 제조된 탄화규소층의 물성 측정 결과는 다음의 표 2와 같다.
CH2Cl2 H2 N2 MTS 밀도[g/cc] 휨강도[MPa] 미소
경도[Hv]		 질소농도
[atom/㎤]		 전기저항값
[Ω-㎝]
실험예 7 0 85 0 15 3.2 475 3443 - 4000
실험예 8 1 84 0 15 3.1 470 3420 - 2000
실험예 9 1 83 1 15 3.0 463 3409 6.1×1018 810
실험예 10 1 82 2 15 2.9 451 3329 7.1×1018 750
실험예 11 2 82 1 15 2.9 453 3359 6.5×1018 710
상기 표 2의 반응가스 조성에서 확인할 수 있듯이, 수소와 MTS와의 부피 유량비(α)를 5.4 내지 5.6의 범위로 제어하면서 질소 또는 CH2Cl2의 부피 유량비를 변화시키면서 탄화규소를 증착하였으며, 이렇게 증착된 탄화규소층의 질소농도와 전기저항값을 측정하였다. 질소 농도는 스캐닝 이온 매스 편광기(scanning ion mass spectroscopy)를 사용하여 분석하였고, 4 포인트 저항성 프로브를 사용하여 전기저항값을 측정하였다.
실험예 7과 같이 수소와 MTS만을 사용하여 탄화규소를 증착한 경우, 질소농도는 측정되지 아니하였지만, 매우 높은 전기 저항값이 측정되었다. 탄화수소인 CH2Cl2를 추가하여 공급한 실험예 8의 경우에는 저항값이 절반 수준으로 감소하였지만, 여전히 높은 수준임을 알 수 있다.
하지만, 실험예 9와 같이 질소와 탄화수소인 CH2Cl2를 동시에 공급한 실험예 9의 경우에는 1000 Ω-㎝ 미만의 수준으로 전기저항이 현저하게 감소하였음을 알 수 있으며, 질소 농도 역시 낮은 수준으로 유지되고 있음을 알 수 있다. 하지만, 질소의 유량을 더욱 증가시키거나 탄화수소인 CH2Cl2의 유량을 더욱 증가시킬 경우에는 휨강도나 미소경도가 실시예 9에 비해 감소하는 경향을 보였다.
중저항 및 저저항 탄화규소의 제조
실시예 2에서 확인하였던 탄화규소의 전기저항 감소 경향을 토대로 더욱 전기저항을 낮게 조절하기 위하여 수소와 MTS와의 부피 유량비(α)를 5.0 이하로 더욱 낮추고, 질소와 CH2Cl2 의 유량을 증가시켜 전기 저항값을 확인하였다.
CH2Cl2 H2 N2 Ar MTS 휨강도[MPa] 미소
경도[Hv]		 질소농도
[atom/㎤]		 전기저항값
[Ω-㎝]
실험예 12 2.5 75 2.5 5 15 451 3213 5.9×1018- 54
실험예 13 5 70 5 5 15 430 3154 6.3×1018- 0.1
실험예 14 10 60 5 5 15 368 2215 6.8×1018 0.01
상기 실험예 12 및 13에서 확인할 수 있듯이, 수소와 MTS와의 부피 유량비(α)를 4.7 내지 5.0으로 유지하면서, 질소와 CH2Cl2 의 유량을 증가시킴으로써, 탄화규소 내에 포함된 질소농도는 크게 변화되지 않은 범위내에서 전기저항을 0.1 Ω-㎝의 수준으로 낮출수 있었다(실시예 12 및 13).
하지만, 추가적으로 CH2Cl2 의 유량을 더욱 증가시킬 경우에는 질소농도가 더욱 증가하면서, 휨강도 및 미소경도가 더욱 감소하는 현상을 확인할 수 있었다(실시예 14). 실시예 13과 비교하여 볼때, 실시예 14의 경우에는 질소가스의 유량이 일정하게 유지되었음에도 불구하고, 수소의 분압이 너무 낮아져 탄소를 포함하는 가스종의 활성이 크게 증가하여, 탄화규소의 증착과정에서 화학적으로 반응하거나 물리적으로 트랩되는 질소가스의 비율이 더욱 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

Claims (10)

  1. 기재층을 화학기상증착 반응기에 로딩하는 제1단계;
    염소를 포함하는 알킬 실란(alkylsilane), 수소, 질소 및 탄화수소(Hydrocarbon)를 포함하는 반응 가스;와 비활성 가스인 이송 가스;를 상기 화학기상증착(CVD) 반응기에 공급하는 제2단계; 및
    상기 기재층에 화학기상증착 방법을 통해 탄화규소(SiC)를 증착하는 제3단계;를 포함하고,
    상기 제2단계에서 수소와 알킬 실란의 부피 유량비(α=QH2/QMTS)는 6.0 이하로 유지하면서 동시에 상기 제2단계에서 도입되는 탄화수소의 공급 유량을 제어함으로써, 상기 제3단계에서 형성된 탄화규소가, 단위 부피당 6.6×1018/㎤ 이하의 질소원자 농도 및 0.1 ~ 2000 Ω-㎝의 전기저항값을 갖는, 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소는, C3H8, C2H2 또는 CH2Cl2인 것을 특징으로 하는, 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 염소를 포함하는 알킬 실란은, MTS(CH3SiCl3), 디클로로실란(SiH2Cl2), (CH3)2SiCl2, (CH3)3SiCl 및 CH3SiHCl2로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재는, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 탄화규소(SiC), 석영(Quartz), 사파이어(Al2O3) 및 유리(Glass)로 이루어진 군에서 선택된 것인, 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계에서 형성된 탄화규소 내의 질소원자가 단위 부피당 6.3×1018/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는, 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학기상증착 반응기의 온도는 1,000 ~ 1,500 ℃인 것을 특징으로 하는, 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학기상증착 반응기의 압력은 10 ~ 700 Torr인 것을 특징으로 하는, 화학기상증착 탄화규소의 전기저항 조절 방법.
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