KR102068933B1

KR102068933B1 - 탄화규소 잉곳 성장용 분말 및 이를 이용한 탄화규소 잉곳의 제조방법

Info

Publication number: KR102068933B1
Application number: KR1020190083910A
Authority: KR
Inventors: 박종휘; 구갑렬; 견명옥; 김정규; 최정우; 고상기; 장병규; 심종민
Original assignee: 에스케이씨 주식회사
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2039-07-11
Also published as: TW202102730A; JP2021014395A; CN112210824A; EP3763852A1; TWI725816B; JP6758527B1; US10822720B1

Abstract

본 발명의 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳, 원료 분말 등은, 내부공간을 갖는 도가니 본체 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 뚜껑을 포함하는 도가니 조립체를 준비하고, 원료 분말과 탄화규소 시드를 배치한 후, 탄화규소 잉곳을 성장시키되, 압력 변화에 따른 흐름지수가 5 내지 35인 원료 분말을 적용하여 대면적이면서도 결함이 적은 탄화규소 잉곳을 제공한다.

Description

탄화규소 잉곳 성장용 분말 및 이를 이용한 탄화규소 잉곳의 제조방법 {Powder for Silicon Carbide Ingot and Preparation Method of Silicon Carbide Ingot Using the Same}

본 발명은 탄화규소 입자를 포함한 탄화규소 잉곳 성장용 분말, 이를 이용해 탄화규소 잉곳을 성장시키는 방법 등에 관한 것이다.

차세대 반도체 소자 재료로서 탄화규소 (SiC), 질화갈륨 (GaN), 질화알루미늄 (AlN) 등의 광대역 반도체 재료가 많이 연구되고 있다.

단결정 탄화규소(single crystal SiC)는, 에너지 밴드갭(energy band gap)이 크고, 최대 절연파괴전계(break field voltage) 및 열전도율(thermal conductivity)이 실리콘(Si)보다 우수하다. 또한, 단결정 탄화규소의 캐리어 이동도는 실리콘에 비견되며, 전자의 포화 드리프트 속도 및 내압도 크다. 이러한 특성으로 인해 전기 자동차의 제어, 태양광 또는 풍력 발전용 파워 컨디셔너의 전력 제어 등의 용도에 적용이 진행되고 있다.

탄화규소는 액상 증착법(Liquid Phase Epitaxy; LPE), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport, PVT) 등으로 성장된다.

그 중에서 물리적 기상 수송법은 승화 (Sublimation)법이라고도 하며, 높은 성장률을 가짐으로써 잉곳 형태의 탄화규소를 제작할 수 있어 가장 널리 이용되고 있다.

이러한 탄화규소의 제조 방법으로서, 예컨대 한국 등록특허 10-1809642에는, 탄소계 보호막이 구비된 SiC 단결정의 종자정을 반응용기 내에 배치하고 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정에 SiC 단결정을 성장시키는 방법이 개시되어 있다. 이 외에도 대구경 단결정 잉곳을 실질적으로 결함 없이 제조하고자 하는 시도들이 있다.

결함이 적은 고품질의 단결정 잉곳을 성장시키기 위해, 반응기 내에 함입되는 원료의 특성을 제어할 필요가 있다. 반응기 내 분말 형태의 원료는 반응기 내에서 큰 온도 변화와 압력 변화를 받게 되고 그에 따른 거동 변화가 잉곳의 불량을 발생시킬 수 있다. 한국 등록특허공보 제10-1854731호는 과립화한 응집재료를 적용하는 방법이 개시되어 있다.

한국 등록특허 10-1809642 한국 등록특허 10-1854731

본 발명의 목적은 결함이 적거나 실질적으로 결함이 없는 우수한 품질의 탄화규소 잉곳을 효과적으로 성장시킬 수 있는 탄화규소 잉곳 성장용 분말, 이를 이용한 탄화규소 잉곳의 제조방법 등을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 구현예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조방법은, 탄화규소 입자를 포함하는 분말을 반응 용기에 장입하고 상기 반응 용기 일면에 종자정을 배치하는 준비단계; 및 상기 분말을 승화시켜, 상기 종자정으로부터 탄화규소 잉곳을 성장시키는 성장단계;를 포함한다.

상기 분말은 흐름지수가 5 내지 35인 것일 수 있다.

상기 분말은 D50이 10 ㎛ 내지 800 ㎛인 것일 수 있다.

상기 분말은 상기 분말에 8 kPa의 압력을 가하여 압축했을 때, 압축 전의 내부 마찰각에 대한 압축 후의 내부 마찰각의 변화량이 5% 내지 18%인 것일 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳은 표면 핏 (pit)이 10K/cm² 이하인 것일 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳은 구경이 4인치 이상일 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳은 구경이 6인치 이상일 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳은 4H SiC 단결정을 포함하는 잉곳일 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳은 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에 따른 탄화규소 잉곳은 4H SiC을 포함하고, 구경이 4인치 이상이며, (0001)면에 대한 오프 앵글을 4도로 적용한 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 -1.5 내지 +1.5 도인, 탄화규소 잉곳이다.

본 발명의 다른 일 구현예에 따른 분말은 일정한 압력을 가했을 때 흐름이 발생하고, 탄화규소 입자를 포함하며, 압력 변화에 따른 흐름지수가 5 내지 35 일 수 있다.

상기 분말은 상기 분말에 8 kPa의 압력을 가하여 압축했을 때, 압축 전의 내부 마찰각에 대한 압축 후의 내부 마찰각의 변화량이 5% 내지 18%인 분말일 수 있다.

본 발명의 잉곳 성장용 분말, 이를 이용한 잉곳의 제조방법 등은, 이종 폴리타입의 혼입이 억제되어 결함이 적거나 실질적으로 결함이 없는 우수한 품질의 탄화규소 잉곳, 이로부터 제조되는 웨이퍼 등을 제공할 수 있다.

도1은 잉곳성장 장치의 구조를 설명하는 개념도이다.
도2는 본 명세서에 개시된 실험실시예에서 실시예 및 비교예의 흐름지수를 보여주는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 명세서에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B"를 의미한다.

본 명세서에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 특별한 설명이 없는 한 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.

본 명세서에서, 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다

또한, 본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 아울러, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 명세서에서, 오프 앵글이 X 도라 함은 통상 허용하는 오차범위 내에서 기준 면으로부터 X도로 평가되는 오프 앵글을 갖는다는 것을 의미하며, 예시적으로 (X - 0.05 도) 내지 (X + 0.05 도) 범위의 오프 앵글을 포함한다. 4H SiC의 경우 기준 면으로 (0001)면이 적용될 수 있다.

본 명세서에서, 로킹각도가 "1 내지 +1 도”라 함은, 특별한 언급이 없어도 기준각도 대비 -1 내지 +1 도를 의미한다.

본 명세서에서, 로킹 각도가 “기준각도 대비 -1 내지 +1 도”라 함은 FWHM (Full Width at Half Maximum) 값이 기준각도인 (피크각도 - 1 도) 내지 (피크각도 + 1 도)의 범위 내에 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

물리적 기상 수송법 (PVT)를 적용하여 제조된 탄화 규소의 결정 구조에는 다양한 결정상이 있을 수 있으며, 대표적으로 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC 등이 있다. 단결정 잉곳을 제조하기 위해서는 목적으로 하는 결정상 이외의 결정상 (이종 결정상)의 발생을 억제하는 것이 중요하다. 이종 결정상이 혼입되면, 결정 불일치에 의해 마이크로 파이프 (Micropipe) 결함, 기저면 전위 (Basal Plane Dislocation, BPD), 전파 칼날 전위 (Threading Edge Dislocation, TED) 또는 전파 나선 전위 (Threading Screw Dislocation, TSD) 등으로 불리는 결정 결함 중 하나 이상이 발생할 수 있고, 품질 저하에 큰 영향을 미치기 때문이다.

본 발명자들은 결함에 영향을 미치는 요인 중 하나로 원료 분말의 성질에 주목하였다. 물리적 기상 수송법으로 잉곳을 성장시키는 종래의 방법은 원료 분말의 외부 환경 변화 (온도 또는 압력)에 따른 흐름성을 고려하지 않았다. 외부 환경 변화에 의해 입자의 미세표면 영역간의 충돌 거동 및 굳힘 거동이 달라지게 되면, 승화 공정에서 부분적인 편중이 발생할 수 있고, 발생하는 승화가스의 면 내 조성이 불균일하게 될 수 있다. 일반적으로 입자의 크기는 D10, D50, D90 등으로 표시하며, 이는 입자의 누적분포에서 가장 큰 값에 대하여 각각 10%, 50%, 90%에 해당하는 크기를 의미한다. 본 발명자들은 원료 입자의 크기가 유사해도 성장 후 잉곳 품질이 달라지는 원인 중 하나를 해명하고 상기 제조 방법을 완성시키는데 이르렀다. 특히, 결정 성장 조건에는 압력의 변화가 필수적으로 수반되기 때문에, 압력 변화에 따른 원료 분말의 흐름 지수가 중요하며, 이를 통해 보다 우수한 품질의 탄화규소를 제조할 수 있다는 점을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

도 1은 탄화규소 잉곳 제조장치의 구조를 설명하는 개념도이다. 이하, 첨부의 도면을 참고해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조방법은, 준비단계와 성장단계를 포함하여 4H SiC를 포함하는 탄화규소 잉곳을 제조한다.

보다 구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳의 제조방법은 탄화규소 입자를 포함하는 분말을 반응 용기에 장입하는 단계; 상기 반응 용기 일면에 종자정을 배치하는 단계; 및 상기 분말을 승화시켜, 상기 종자정으로부터 탄화규소 잉곳을 성장시키는 단계;를 포함하고, 이 때, 상기 분말은 하기 식 1에 따른 흐름 지수가 5 내지 35인 것을 특징 중 하나로 한다.

상기 준비단계는 내부 공간을 갖는 도가니 본체(310) 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 뚜껑(320)을 포함하는 도가니 조립체(300)을 준비하고, 상기 도가니 조립체(300) 내에 원료물질인 분말(200)을 장입하고 상기 분말 상에는 탄화규소 종자정(100)을 상기 분말과 일정한 간격을 두고 배치되도록 하는 단계를 통칭한다.

상기 도가니 본체(310)는 예를 들면 윗면이 개방된 개구부를 갖는 원통형으로, 그 내부에 분말 등의 형태를 갖는 탄화규소 원료를 장입할 수 있는 구조를 갖는 것이 적용될 수 있다.

상기 도가니 본체(310) 및 상기 도가니 뚜껑(320)의 재료는 그라파이트가 포함될 수 있다.

상기 탄화규소 종자정(100)은, 상기 도가니 뚜껑(320)에 직접 접착하거나 도가니 본체 내 거치대(120)에 직접 거치하는 등의 방법으로 상기 분말 상에 배치될 수 있다. 이 경우 별도의 종자정 홀더(230)가 적용되지 않을 수 있고, 도가니 뚜껑(320)이 종자정홀더와 일체형으로 적용될 수 있다.

상기 탄화규소 종자정(100)은, 상기 종자정 홀더(110)에 직접 접착하여 배치될 수 있다.

구체적으로 상기 종자정(100)이 부착된 종자정 홀더(110)는 상기 도가니 본체(310)와 상기 도가니 뚜껑(320) 사이에 위치한 도가니 본체의 거치대(120)에 배치될 수 있다.

상기 분말(200)은 탄소원과 규소원을 포함하고 탄화규소 입자를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 분말(200)은 탄소-규소원을 포함하거나, 여기에 탄소원 및/또는 규소원 더 포함할 수 있다. 상기 탄소원으로는 고탄소 수지(ex: 페놀수지) 등이 적용될 수 있고, 상기 규소원으로는 규소 입자가 적용될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 더 구체적으로, 상기 분말은 탄화규소 입자로 이루어질 수 있다.

일 구현예에서, 상기 분말(200)의 입경(D50)은 예를 들어, 10 ㎛ 내지 800 ㎛, 예를 들어, 30 ㎛ 내지 650 ㎛, 예를 들어, 60 ㎛ 내지 600 ㎛, 예를 들어, 80 ㎛ 내지 500 ㎛, 예를 들어, 100 ㎛ 내지 470 ㎛일 수 있다.

상기 분말(200)은 하기 식1에 따른 흐름지수 (Flow Factor, FF)가 5 내지 35일 수 있고, 예를 들어, 7 내지 32일 수 있다.

[식 1] Y = aX + b, FF = 1/a

상기 식 1에 따른 흐름지수 (Flow Factor, FF)는 분말을 국한된 공간에서 일정 압력을 가하여 (consolidation stress, CS) 응집시킨 후 국한된 공간을 해제한 뒤, 응집이 붕괴되는 압력 (Unconfined failure strength, UFS)을 측정하여 X 축을 CS로, Y축을 UFS로 도식화했을 때 얻은 추세선 기울기의 역수로 정의한다. FF는 예를 들어, Brookfield社 PFT^TM 장비를 이용하여 측정할 수 있다.

분말의 평균크기가 유사해도 FF값은 유사하지 않을 수 있다. 이는 실제로 모든 분말의 입자 크기가 동일하거나 균일하지 않고, 일반적으로 특정 범위 내에 분포되는 형태를 가지며, 입자 각각의 형상 또한 동일하지 않고, 외부 환경 (온도 및 압력)에 의해 입자의 미세표면 영역 간의 충돌 거동 및 굳힘 거동이 달라지기 때문이라 생각된다.

상기 FF값이 5미만이면 압력 변화에 의한 원료 분말의 흐름이 거의 없어 승화되는 원료의 불균형성이 증가할 수 있고, 상기 FF값이 35초과이면 미세 압력 변화에도 원료 분말의 흐름성이 극대화되어 성장단계에서 발생하는 승화가스의 성장면 내 조성이 불균일하게 될 수 있다.

일 구현예에서, 상기 원료물질은 분말 형태로, 전술한 입경(D50) 범위와 상기 식 1에 따른 FF 값의 범위를 동시에 만족함으로써 목적하는 수준의 물성을 갖는 잉곳을 제조하기에 보다 유리하다.

상기 분말(200)의 압축 전 내부 마찰각은 30°내지 40°일 수 있고, 상기 분말(200)의 8 kPa 압축 후 내부 마찰각은 30°내지 35°일 수 있다.

내부마찰각의 변화량은 아래 식 (2)로 정의된다. 상기 분말은 내부마찰각 변화량이 5% 내지 18% 일 수 있다.

식 (2):

상기 내부마찰각의 변화량이 5% 미만이면 압력 변화에 의한 분말의 흐름성이 거의 없고, 상기 내부마찰각의 변화량이 18% 초과하게 되면 분말의 흐름 문제로 원료재료의 불균일성을 야기할 수 있다. 압축 전후의 내부마찰각은, 예를 들어, Brookfield社 PFT^TM 장비를 이용하여 측정할 수 있다.

이러한 상기 서술된 FF 값 및/또는 내부마찰각 변화량 값을 갖는 분말을 적용하는 경우 로킹각도로 평가되는 결정성과 잉곳 표면의 핏(pit) 값이 모두 우수한 탄화규소 잉곳 등을 성장시킬 수 있다.

상기 성장단계는 상기 도가니 본체(310)의 내부공간을 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기 이송되어 증착되고 상기 탄화규소 시드로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 단계이다.

상기 성장단계는 상기 도가니조립체의 내부공간을 결정성장분위기로 조절하는 과정이 포함되며, 구체적으로 단열재(400)로 상기 도가니 조립체(300)를 감싸서 상기 도가니 조립체와 이를 감싸는 상기 단열재를 포함하는 반응용기를 마련하고, 이를 석영관(410) 등의 반응챔버에 위치시킨 후 가열수단(500)에 의하여 상기 도가니 등을 가열하는 방식으로 진행될 수 있다.

상기 반응챔버 내에는 상기 반응용기가 위치하여 가열수단(500)에 의해 상기 도가니 본체(210)의 내부공간을 결정성장분위기에 적합한 온도로 유도한다. 이러한 온도는 상기 결정성장분위기에 중요한 요소 중 하나이며, 압력과 가스의 이동 등의 조건을 조절하여 보다 적합한 결정성장분위기를 형성한다. 상기 반응챔버와 상기 반응용기 사이에는 단열재(400)가 위치하여 결정성장분위기의 형성과 제어를 보다 용이하게 도울 수 있다.

상기 단열재(400)는 성장분위기에서 상기 도가니 본체 내부 또는 상기 반응용기 내부의 온도 구배에 영향을 미칠 수 있다. 구체적으로 상기 단열재는 그라파이트 단열재를 포함할 수 있고, 더 구체적으로 상기 단열재는 레이온계 그라파이트 펠트 또는 피치계 그라파이트 펠트를 포함할 수 있다.

상기 결정성장분위기는 상기 반응챔버 외부의 가열수단(500)의 가열을 통해 진행될 수 있으며, 상기 가열과 동시에 또는 별도로 감압하여 공기를 제거하고, 가압/감압분위기 및/또는 불활성 분위기(예시, Ar 분위기, N2 분위기 또는 이의 혼합 분위기)에서 진행될 수 있다.

상기 결정성장분위기는 원료를 탄화규소 시드의 표면에 증기 이송되도록 하여 탄화규소 결정의 성장을 유도하여 잉곳(100)으로 성장시킨다. 상기 결정성장분위기는 2000 내지 2500 ℃의 성장온도와 1 내지 200 torr의 성장압력 조건이 적용될 수 있고, 이러한 온도와 압력을 적용하는 경우 보다 효율적으로 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 잉곳성장단계에서 잉곳의 성장 속도는, 예를 들어, 50 ㎛/hr 이상일 수 있고, 예를 들어, 100 ㎛/hr 이상일 수 있으며, 예를 들어, 100 ㎛/hr 내지 500 ㎛/hr일 수 있고, 예를 들어, 150 ㎛/hr 내지 300 ㎛/hr일 수 있다. 이러한 상기 잉곳의 성장 속도는, FF값이 5 내지 35 및/또는 압축 전후 내부마찰각의 변화량이 5% 내지 18%인 원료를 적용하여 균일한 승화 조건이 형성되었기 때문에 얻어진다고 생각된다.

위에서 설명한 결정성장분위기를 적용하면, 일 구현예에 따른 제조방법이 보다 고품질의 탄화규소 잉곳을 제조하는데 유리할 수 있다.

상기 탄화규소 시드(110)는 성장시키려는 잉곳의 특성에 따라 달리 적용될 수 있는데, 예시적으로 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC, 15R-SiC 등이 적용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

상기 탄화규소 시드(110)는 성장시키려는 잉곳의 크기에 따라 달리 적용될 수 있는데, 상기 잉곳은 4 인치 이상의 직경을 가진 것일 수 있고, 구체적으로, 상기 잉곳은 4인치 이상, 예를 들어, 5인치 이상, 예를 들어, 6인치 이상의 구경을 가질 수 있다. 더 구체적으로 상기 잉곳은 4 인치 내지 12 인치, 예를 들어, 4 인치 내지 10 인치, 예를 들어, 6 인치 내지 8 인치의 직경을 가질 수 있다.

상기 탄화규소 시드(110)는 바람직하게 단결정 4H-SiC를 성장시킬 수 있는 것이라면 적용 가능하고, 예시적으로 탄화규소 잉곳이 성장하는 전면이 C면(0001)인 4H-SiC 시드가 적용될 수 있다.

상기 분말(200)은 결정성장분위기에서 증기 이송되어 탄화규소 시드 방향으로 이동하며, 상기 탄화규소 시드의 표면에서 탄화규소 잉곳을 성장시킨다.

일 구현예에서, 상기 탄화규소 잉곳(100)은 4H SiC을 함유할 수 있고, 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것일 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳(100)의 표면이 오목한 형태로 형성되는 경우 의도하는 4H-SiC 결정 외에 6H-SiC와 같은 다른 다형이 혼입된 것일 수 있고, 이는 탄화규소 잉곳의 품질을 떨어드릴 수 있다. 또한, 상기 탄화규소 잉곳의 표면이 과도하게 볼록한 형태로 형성되는 경우에는 잉곳 자체에 크랙이 발생하거나, 웨이퍼로 가공할 때 결정이 깨질 수 있다.

이 때, 상기 탄화규소 잉곳(100)이 과도하게 볼록한 형태의 잉곳인지 여부는 휘어짐 정도를 기준으로 판단하며, 본 명세서에서 제조되는 탄화규소 잉곳은 휘어짐이 15 mm 이하이다.

상기 휘어짐은, 탄화규소 잉곳의 성장이 완료된 샘플을 정반 위에 놓고 잉곳 후면을 기준으로 잉곳의 중심과 가장자리의 높이를 높이 게이지(Height Gauge)로 측정하여 (중심 높이 - 가장자리높이)의 값으로 평가한다. 휘어짐의 수치가 양의 값이면 볼록함을 의미하고 0의 값은 평평함, 그리고 음의값은 오목함을 의미한다.

구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)은 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것으로 휘어짐이 0 mm 내지 15 mm인 것일 수 있고, 예를 들어 0 mm 내지 12 mm일 수 있으며, 예를 들어, 0 mm 내지 10 mm인 것일 수 있다. 이러한 휘어짐 정도를 갖는 탄화규소 잉곳은 웨이퍼 가공이 보다 용이하고 깨짐 발생을 감소시킬 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳(100)은 결함이나 다형 혼입이 최소화된 실질적으로 단결정인 4H SiC 잉곳일 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳(100)은 실질적으로 4H SiC로 이루어진 것으로, 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것일 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳(100)은 탄화규소 잉곳에서 발생할 수 있는 결함을 줄인 것으로 보다 고품질의 탄화규소 웨이퍼를 제공할 수 있다.

상기 탄화규소 잉곳의 제조방법으로 제조된 상기 탄화규소 잉곳은 그 표면의 핏(pit)을 감소시키며, 구체적으로 4 인치 이상의 직경을 갖는 잉곳에서 그 표면에 포함되는 핏(pit)이 10k/cm² 이하일 수 있다.

본 명세서에서, 상기 탄화규소 잉곳의 표면 핏 측정은, 잉곳 표면에서 패싯을 제외한 중앙부분의 한 곳, 그리고 탄화규소 잉곳 엣지에서 중앙부 방향으로 약 10 mm 안쪽에 위치하는 3시, 6시, 9시, 그리고 12시 방향의 네 곳, 총 5곳을 광학현미경으로 관찰하여 각 위치에서 단위면적(1 cm²)당 핏(pit)을 측정한 후 그 평균값으로 평가한다.

상기 탄화규소 잉곳은 통상의 방법으로 탄화규소 웨이퍼로 가공될 수 있다. 예시적으로, 상기 탄화규소 잉곳을 외경 연삭 장비를 적용하여 잉곳의 외곽 테두리 부분을 다듬고(External Grinding), 일정한 두께로 절삭(Slicing)한 후 가장자리 연삭과 표면 연마, 폴리싱 등의 가공이 진행될 수 있다.

구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은, 상기 잉곳으로부터 (0001)면에 대한 오프 앵글을 0도로 적용하여 얻어지는 얻어지는 웨이퍼의 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 내지 + 1.0 도인 것일 수 있고, 예를 들어, 기준각도 대비 -0.5 내지 +0.5 도일 수 있고, 예를 들어, 기준각도 대비 -0.1 내지 +0.1 도일 수 있으며, 예를 들어, 기준각도 대비 -0.05 내지 +0.05 도일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.

상기 로킹 각도는 고분해능 엑스선 회절 분석 시스템(HR-XRD system)을 적용하여 상기 웨이퍼 [11-20] 방향을 X-ray 경로에 맞추고, X-ray source optic과 X-ray detector optic 각도를 2θ(35 내지 36도)로 설정한 후 웨이퍼의 오프 앵글에 맞추어 오메가(ω, 또는 쎄타 θ, X-ray detector optic) 각도를 조절하여 로킹 커브(Rocking curve)를 측정하고, 기준각도인 피크각도와 두 개의 FWHM값의 차이 값을 각각 로킹 각도로 설정하여 결정성을 평가한다(이하, 로킹 각도에서 동일함).

본 명세서에서, 오프 앵글이 X 도라 함은 통상 허용하는 오차범위 내에서 X도로 평가되는 오프 앵글을 갖는다는 것을 의미하며, 예시적으로 (X - 0.05 도) 내지 (X + 0.05 도) 범위의 오프 앵글을 포함한다.

본 명세서에서, 로킹 각도가 "기준각도 대비 -1 내지 +1 도"라 함은 반치폭 (Full Width at Half Maximum, FWHM) 값이, 기준각도인 피크각도를 기준으로 (피크각도 - 1 도) 내지 (피크각도 + 1 도)의 범위 내에 있다는 것을 의미한다.

또한, 상기 로킹 각도는 웨이퍼의 중앙 부분과 가장자리에서 중앙 방향으로 5mm 이내의 부분을 제외한 표면을 실질적으로 균등하게 3등분하여, 각 부분에서 3번 이상 측정한 결과를 평균하여 위의 로킹 각도로 취급한다.

구체적으로, 0도 오프 앵글 기준으로 오메가 각도는 17.8111도이고, 4도 오프 앵글 기준으로 오메가 각도는 13.811도, 그리고 8도 오프 앵글 기준으로 오메가 각도는 9.8111도로, 상기 오메가 각도는 9.8111 내지 17.8111도 범위일 수 있다.

구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은, 상기 잉곳으로부터 얻어지는 오프 앵글을 4 도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준 각도 대비 -1.5 내지 +1.5 도인 것을 포함할 수 있고, 기준 각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있으며, 기준 각도 대비 -0.5 내지 +0.5 도인 것을 포함할 수 있고, 기준 각도 대비 -0.1 내지 +0.1 도인 것을 포함할 수 있으며, 기준 각도 대비 -0.05 내지 +0.05 도인 것을 포함할 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.

구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은, 상기 잉곳으로부터 얻어지는 오프 앵글을 8도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준 각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있고, 기준 각도 대비 -0.5 내지 +0.5 도인 것을 포함할 수 있으며, 기준 각도 대비 -0.1 내지 +0.1 도인 것을 포함할 수 있고, 기준 각도 대비 -0.05 내지 +0.05 도인 것을 포함할 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.

본 발명의 다른 일 구현예에 다른 탄화규소 잉곳은 4인치 이상의 대구경을 갖는 것으로, 4H SiC를 함유하고, 그 표면의 핏(pit)이 10k/cm² 이하인 것이다.

상기 탄화규소 잉곳의 오프 앵글을 4도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준 각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있다. 상기 오프 앵글은 4H SiC의 (0001)면을 기준으로 한다. 이러한 특징을 갖는 탄화규소 잉곳은 대면적이면서도 그 결정 품질이 우수하다.

상기 탄화규소 잉곳에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 다른 분말은 탄화규소 잉곳의 성장을 위한 원료물질로 적용되며, 일정한 압력을 가했을 때 흐름이 발생하고, 탄화규소 입자를 포함하며, 흐름지수가 5 내지 35 이다.

상기 분말에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 명세서가 개시하는 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 및 비교예>

실시예 1

도 1에 간단히 구조를 제시한 것과 같이, SiC 입자가 포함된 분말(200)을 도가니 본체(310) 내부에 장입했다. 사용된 SiC 입자가 포함된 분말의 특성은 아래에 설명한 방법으로 측정했고, 아래 표 1에 나타냈다.

상기 분말의 상부에 탄화규소 종자정(100) 및 종자정 홀더(110)를 배치하였다. 이 때, 탄화규소 종자정(4H SiC 단결정, 6인치)의 C면 (000-1)이 도가니 하부를 향하도록 통상의 방법으로 고정하였으며, 아래 실시예 2 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 동일하게 적용했다.

상기 종자정(100) 및 종자정 홀더(110)가 설치된 도가니 본체를 도가니 뚜껑(320)으로 덮고, 단열재(400)로 에워싼 뒤, 가열수단인 가열 코일(500)이 구비된 반응챔버 내에 넣었다.

도가니 내부를 진공 상태로 만든 뒤, 아르곤 가스를 서서히 주입하여 상기 도가니 내부가 대기압에 도달하도록 하고, 다시 상기 도가니 내부를 서서히 감압시켰다. 이와 함께, 도가니 내부의 온도를 2300 ℃까지 서서히 승온시켰다.

2300 ℃의 온도와 20 torr의 압력 조건 하에서 100시간 동안 탄화규소 종자정으로부터 SiC 단결정 잉곳을 성장시켰다.

실시예 2

분말을 아래 표 2에 나타낸 특징을 갖는 것을 적용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 SiC 단결정 잉곳을 성장시켰다.

실시예 3

실시예 4

실시예 5

실시예 6

분말을 아래 표 2에 나타낸 특징을 갖는 것을 적용하였다는 점을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 SiC 단결정 잉곳을 성장시켰다.

비교예 1

탄화규소 잉곳의 물성 평가

1) 흐름지수 (Flow Factor, FF) 및 내부 마찰각 측정

분말을 230 cc의 통 (trough)에 담아 무게를 재고, Brookfield社 PFT^TM 장비를 이용하여 흐름지수, 내부마찰각 등을 측정했다.

압력 변화에 따른 흐름지수(Flow Factor, FF)는, 국한된 공간에서 일정한 압력을 각각 가하여 (Consolidation Stress, CS) 응집시킨 후 국한된 공간을 해제한 뒤, 응집이 붕괴되는 압력 (Unconfiend failure strength, UFS)을 측정했다. 압력은 각각 각각 0.5, 1, 2, 4 및 9 kPa로 변화하며 반복하여 측정한 결과를 도식화하되, X축을 CS로, Y축을 UFS로 적용하여 추세선을 얻고, 이 추세선의 기울기의 역수로 흐름지수를 구했다(식 (1) 참고).

[식 1] Y = aX + b, FF = 1/a

표 1에 실시예 및 비교예의 CS, UFS, 및 추세선의 기울기 값을 정리했고, 각각의 그래프를 도2에 도식화했다.

압축의 강도를 증가시키면서 압축 전과 후의 내부마찰각을 측정하고 8 kPa에서의 내부마찰각의 변화량을 구했다. 내부마찰각 변화량(%)은 아래 식 (2)을 따라 계산하였다.

식 (2): 내부마찰각 변화량(%) = [{(압축 전 내부 마찰각) - (8 Ka 압축 후 내부 마찰각)}/(압축 전 내부 마찰각)*100]

2) 표면 핏 (Pit) 측정

잉곳 표면에서 패싯을 제외한 중앙부 중 정중앙인 한곳과, 잉곳 엣지에서 중앙부로 10mm 안쪽에 위치하되, 각각 3 시, 6 시, 9 시, 그리고 12 시 방향의 네 곳으로, 총 5곳을 광학현미경으로 핏 측정 후 평균 값을 아래 표 2에 핏 값으로 제시했다.

3) 다형혼입 여부

성장시킨 잉곳의 다형혼입 여부는 자외선 유도 발광 이미지 분석 방법으로 평가하였다. 다형혼입이 있는 경우는 fail, 다형혼입이 관찰되지 않은 경우는 pass로 평가해 아래 표 2에 나타냈다.

4) 로킹 각도 평가

고분해능 엑스선 회절 분석 시스템(HR-XRD system, Rigaku社 SmartLab High Resolution X-ray Diffraction System)을 적용하여 상기 잉곳 (0001)면을 기준으로 표 3에 제시된 각각의 오프각이 적용된 웨이퍼를 준비하고, 웨이퍼의 [11-20] 방향을 X-ray 경로에 맞추고, X-ray source optic과 X-ray detector optic 각도를 2θ(35 내지 36도)로 설정한 후 웨이퍼의 오프 각도에 맞추어 오메가(ω, 또는 쎄타 θ, X-ray detector optic) 각도를 조절하여 측정하였다. 구체적으로 0도 오프 기준으로 오메가 각도는 17.8111도이고, 4도 오프 기준으로 오메가 각도는 13.811도, 그리고 8도 오프 기준으로 오메가 각도는 9.8111도를 적용했다.

X-ray power는 9kW로, 그리고 X-ray target은 Cu를 적용했으며, Goniometer resolution는 0.0001 도인 것이 적용되었다. Max Intensity에서의 각도를 기준으로 FWHM을 측정하여 각각 로킹 각도(Rocking angle)로 평가했고, 그 결과를 표 3에 나타냈다.

아래 결과는 웨이퍼의 중앙부와 가장자리에서 5 mm 이내 부분을 제외한 표면을 3등분하여, 각 부분에서 최소한 3번 이상을 측정한 결과를 평균하여 나타냈다.

Consolidation Strength (CS, kPa)	Unconfined Failure Strength (UFS, kPa)
Consolidation Strength (CS, kPa)	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6	비교예1
0.5	0.05	0.02	0.06	0.02	0.02	0.05	0.02
1	0.11	0.08	0.12	0.12	0.05	0.15	0.06
2	0.2	0.13	0.26	0.15	0.09	0.29	0.08
4	0.38	0.22	0.49	0.27	0.18	0.69	0.15
9	0.8	0.33	1.17	0.5	0.31	1.43	0.26
추세선 기울기	0.087	0.035	0.129	0.053	0.034	0.163	0.026
FF	11.5	28.9	7.8	18.9	29.5	6.1	37.9

구분	D50 (㎛)	Flow Factor (FF)	압축전 내부마찰각(°)	8 kPa 압축 후 내부마찰각(°)	내부마찰각 변화량 (%)	표면 핏 (k/cm²)	다형혼입
실시예 1	130	11.5	38.1	33.5	12.1	8.5	Pass
실시예 2	450	28.9	36.0	31.9	11.4	8.9	Pass
실시예 3	80	7.8	39.2	32.5	17.1	9.4	Pass
실시예 4	280	18.9	37.6	34.7	7.6	8.7	Pass
실시예 5	380	29.5	35.9	34.7	3.3	9.9	Pass
실시예 6	130	6.1	38.5	30.9	19.7	9.8	Fail
비교예 1	300	37.9	37.3	33.1	11.3	10.9	Fail

구분	오프각 (Wafer Off angle)	XRD [11-20]
구분	오프각 (Wafer Off angle)	피크각도 (angle at Max intensity)	로킹각도 (Rocking angle)
실시예 1	0°	17.811°	±0.15°
실시예 2	4°	13.811°	±0.07°
실시예 3	4°	13.811°	±0.60°
실시예 4	8°	9.811°	±0.12°
실시예 5	0°	17.811°	± 1.2°
실시예 6	4°	13.811°	± 1.7°
비교예 1	4°	13.811°	± 1.8°

상기 표 1 및 표 2를 참조하면, 상기 FF값이 5 내지 35인 경우 표면 핏이 10 k/cm² 이하로 도일한 조건으로 평가시 보다 우수한 물성을 보였다. 상기 FF값이 7 내지 32를 벗어나는 6.4나 37.2와 같이 상기 범위를 벗어난 결과들과 비교하여 로킹 각도 값이 현저하게 작게 나타나 제조된 잉곳 등의 결정특성이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 내부마찰각 변화량의 경우도 5% 내지 18% 인 경우, 실시예들에서 전체적으로 로킹각도와 핏 값이 모두 우수하게 나타났다.

10: 잉곳 100: 종자정
110: 종자정 홀더 120: 거치대
200: 원료물질, 분말 300: 도가니, 반응용기
310: 도가니 본체 320: 도가니 뚜껑
400: 단열재 410: 석영관
500: 가열수단

Claims

탄화규소 입자를 포함하는 분말을 반응 용기에 장입하고, 상기 반응 용기 일면에 종자정을 배치하는 준비단계; 및
상기 분말을 승화시켜, 상기 종자정으로부터 탄화규소 잉곳을 성장시키는 성장단계;를 포함하고,
상기 분말은 흐름지수가 5 내지 35 이고,
상기 분말에 8 kPa의 압력을 가하여 압축했을 때, 압축 전의 내부 마찰각에 대한 압축 후의 내부 마찰각의 변화량이 5% 내지 18%이고,
상기 탄화규소 잉곳은 표면 핏(pit)이 10K/cm² 이하인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 분말의 D₅₀이 10 ㎛ 내지 800 ㎛ 인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 탄화규소 잉곳이 4인치 이상의 구경을 갖는, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 탄화규소 잉곳이 6인치 이상의 구경을 갖는, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 탄화규소 잉곳은 4H SiC 단결정을 포함하는 잉곳인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 탄화규소 잉곳은 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
삭제
표면 핏(pit)이 10K/cm² 이하인 탄화규소 잉곳의 제조에 적용되는 분말로,
상기 분말은 일정한 압력을 가했을 때 흐름이 발생하고,
탄화규소 입자를 포함하며,
흐름지수가 5 내지 35 이고,
상기 분말에 8 kPa의 압력을 가하여 압축했을 때, 압축 전의 내부 마찰각에 대한 압축 후의 내부 마찰각의 변화량이 5% 내지 18%인, 분말.
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