KR102096787B1 - 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법 - Google Patents

다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면을 갖는 희생기재 표면에 1mm 이상의 두께를 가지는 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 후막을 대용량 화학기상증착법으로 제조하는 것이다. 10~30㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소를 성장시키는 최적화된 저속성장 조건으로 수행되는 저속성장 공정과 40~100㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소를 성장시키는 최적화된 고속성장 조건으로 수행되는 고속성장 공정을 구분하여 수행하며, 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정은, 각 1회 이상씩 교대로 수행되고, 저속성장 조건에서 고속성장 조건으로 공정 조건을 변경하거나 고속성장 조건에서 저속성장 조건으로 공정 조건을 변경하는 것에 의해서, 상기 저속성장 공정과 상기고속성장 공정은 연속된 공정으로 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 최적화된 저속성장 조건에 의한 저속성장 공정과 최적화된 고속 성장 조건에 의한 고속성장 공정을 교대로 수행함으로써, 저속성장 또는 고속성장 조건에서의 뛰어난 특성을 선택하여 성형체 표면층을 형성 할 수 있으며, 최종적으로는 희생기재 상에 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 후막 증착중이거나 또는 희생기재에서 분리된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체가 내부잔류응력 및 뷸균일 분포에 의한 제품의 변형이 없거나 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR MULTILAYERED POLYCRYSTALLINE SILICON CARBIDE PARTS}
본 발명은 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 화학기상증착 공정조건의 조절을 통하여 각각의 최적화된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
전기전자 및 반도체 기술의 급격한 발전으로 다양한 핵심소재의 개발과 산업적 적용이 활발히 이루어지고 있으며, 특히 탄화규소와 같은 소재는 우수한 기계적, 열적, 광학적, 화학적 특성과 고온 및 극한 환경에서의 안정성 등으로 인해 새로운 4차산업을 이끌 주요소재로서 단결정, 에피막 및 다결정 등의 형태로 기존 반도체 및 전력반도체, LED, 자율자동차 및 에너지 분야 등에서 광범위하게 적용되며 상업화가 활발히 이루어지고 있다.
일반적으로 탄화규소는 강한 공유결합 물질로서 고온 및 저압에서 고순도 단결정 혹은 다결정 분말의 형태로 제조되어 다양한 소결기술을 통하여 3차원 성형체의 부품으로 제조되어 왔으며, 특히 고순도 분말의 승화를 통한 단결정 탄화규소 웨이퍼 제작 기술이 발전하여 SiC 반도체 산업의 발전을 견인하고 있다. 또한 최근에는 반도체 기술의 초고집적화 및 초미세화 기술의 발전으로 인해 반도체 제조공정에 사용되는 공정장비 및 부품 특성 향상, 수율 향상 및 최종 제조원가의 감소를 위하여 반도체 공정장비 부품으로서 다결정 탄화규소 성형체의 사용이 증가하고 있다.
반도체 부품으로 사용되는 난소결성 탄화규소는 고순도 탄화규소 분말을 원료로 사용하여 상압소결 또는 가압소결 및 용융 실리콘(Si, Silicon)과 탄소(C, carbon)의 반응에 의해 탄화규소를 합성하는 반응소결법 등의 방법 및 추가적인 CVD SiC 코팅 방법을 통하여 소결 성형체가 제작되어 왔지만, 소결체가 갖는 공극, 불순물, 낮은 재료특성 등의 한계로 인하여 CVD 후막증착방법으로 제작된 다결정의 탄화규소 성형체가 반도체 공정장비 부품으로 제작되어 사용되고 있다.
이에 따라서 다양한 대형의 양산용 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 장비 및 공정기술의 발전으로 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 기술이 상용화되었으며, 화학기상증착 공정 조절을 통하여 우수한 기계적, 열적, 광학적, 전기적 특성의 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.(유럽 공개특허 1702088, 미국 등록특허 6893749, 대한민국 등록특허 10-1628691)
화학기상증착 방식으로 시간당 수 마이크론에서 수 밀리미터의 속도로 증착되는 다결정 탄화규소는 치밀한 화학양론적인 비율의 고품질 탄화규소 성형체로 제조될 수 있다. 특히 화학기상증착에 사용되는 반응가스 종류, 가스혼합비율, 가스혼합 균일도 및 반응챔버로의 가스투입 방법, 증착온도 및 챔버내 온도균일도 혹은 온도구배, 증착압력, 반응가스 투입속도 및 반응챔버내에서의 속도분포, 증착속도, 반응챔버구조, 반응성 가스 및 반응부산물 배기 및 챔버내 기재의 적재방식 등의 많은 증착 조건들에 의해 다결정 탄화규소의 입자크기와 모양, 결함의 생성, 형태 및 밀도, 우선결정성장방위, 내부잔류응력 및 분포, N형 혹은 P형 도핑 특성 등이 조절되어 다양한 특성의 다결정 탄화규소 성형체가 제작된다.
이에 따라서 다양한 화학기상증착 공정조건으로 최적화된 다결정 탄화규소 성형체를 여러 산업 분야별로 적용하려는 노력이 계속되고 있으며, 기존의 액상에서 고형화되는 대형소재와는 달리, 흑연 등의 희생기재 위에 후막의 성형체를 제조한 후 희생기재를 제거하여 탄화규소 성형체를 제작하는 방법을 주로 사용하고 있다. 그러나 희생기재로 사용되는 흑연기재와 후막으로 증착된 다결정 탄화규소 후막의 열팽창계수의 차이에 의해 내부잔류응력 및 탄화규소 성장중에 발생하는 다결정 미세구조 차이에 의한 밀도변화 또는 결정립계 및 결함들에 의해 내부잔류응력 및 불균일 분포 등에 의하여 희생기재에서 분리된 다결정 탄화규소 성형체의 변형이 발생될 수 있으며, 특히 대용량 화학기상증착 반응챔버 내에 적재된 복잡한 3차원 형상의 희생기재 모든 면에 균일한 농도 및 흐름속도로 반응가스 공급이 어렵게 되어 균일한 두께의 다결정 탄화규소 성형체를 제작하기가 어렵다.
또한, 수mm~수십mm 두께의 고품질 다결정 탄화규소 성형체 제작을 위한 대형의 양산용 화학기상증착 공정을 수행하는 동안 다결정 탄화규소 성형체 내부에 축적되는 잔류응력의 크기와 불균일 분포에 의한 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형 문제들을 극복하기 위해 다결정 탄화규소 성형체의 증착온도, 증착압력, 반응가스 농도, 증착속도 등의 주요 증착 조건을 조절하거나, 다양한 기재상에 복수 개 다층으로 탄화규소 후막 형성 및 잔류응력 제거를 위한 추가적인 열처리를 통하여 탄화규소 성형체를 제작하거나(대한민국 공개특허 10-2018-0071952), 투과도가 다른 복수 개 다층의 탄화규소 후막 형성을 통하여 탄화규소 성형체를 제작하거나(대한민국 공개특허 10-2018-0020912), CVD 공정온도 조절을 통하여 상하부 두 개의 결정입자 크기가 다른 CVD 후막층을 이용하여 탄화규소 성형체를 제조하거나(대한민국 등록특허 10-1631797), 소결 또는 CVD SiC 성형체를 주형으로 반복 사용하며 CVD 탄소 분리막과 함께 CVD 탄화규소 성형체를 제작하거나(대한민국 등록특허 10-1832882) 혹은 고속/고밀도 후막제조 방법을 이용하여 인장 및 압축 잔류응력의 박막을 교차 적층하여 후막을 제조하는 기술(대한민국 등록특허 10-0885664)을 활용하여 다결정 탄화규소 후막의 성형체를 제조하거나, 이상 조직의 결정 구조의 확장을 차단할 수 있도록 층을 복수 개로 하여 빠르게 증착 형성하고, 그 복수 층간의 경계를 덮도록 내플라즈마 특성이 강한 층을 그 위에 다시 증착하여 층간 경계를 덮는 증착층을 포함하는 반도체 제조용 부품을 제조하거나(대한민국 공개특허 10-2018-0133822), 대용량 CVD 반응챔버 내에서 층류 및 난류의 반응가스 흐름을 제어하여 균일한 두께의 다결정 탄화규소 후막의 성형체를 제조하는 기술들이 개발되고 있지만, 최종적으로 흑연 희생기재 상에서 제작되고 분리되는 복잡한 3차원 형상의 다결정 탄화규소 성형체의 내부잔류응력 특성 및 분포조절 및 대용량 화학기상증착 반응챔버에서 고수율의 균일한 다수의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하기가 쉽지는 않다.
유럽 공개특허 1702088 미국 등록특허 6893749 대한민국 등록특허 10-1628691 대한민국 공개특허 10-2018-0020912 대한민국 등록특허 10-1631797 대한민국 등록특허 10-1832882 대한민국 등록특허 10-0885664 대한민국 공개특허 10-2018-0133822
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 대용량 화학기상증착 반응챔버 내에 적재된 복잡한 3차원 형상의 희생기재 전면에 최적화된 두개 이상의 증착속도가 다른 다결정 탄화규소 후막층을 형성하여 희생기재를 기준으로 대칭 혹은 양면으로 다층의 다결정 탄화규소 성형체를 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면을 갖는 흑연 희생기재 위에서 성장시킬 때 또는 흑연 희생기재에서 분리한 후에도 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형 문제가 없거나 최소화하여 내부응력의 균형이 잡힌 대칭 구조의 다층의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법으로서, 희생기재를 준비하는 준비 단계; 상기 희생기재의 표면에 1mm 이상의 두께를 가지는 다층의 다결정 탄화규소 성형체를 화학기상증착법으로 성장시키는 증착 단계; 및 상기 희생기재를 제거하는 성형체 형성 단계를 포함하며, 상기 증착 단계가, 10~30㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 저속성장 조건으로 수행되는 저속성장 공정과 40~100㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 고속성장 조건으로 수행되는 고속성장 공정을 구분하여 수행하며, 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정은 각 1회 이상씩 교대로 수행되고, 저속성장 조건에서 고속성장 조건으로 공정 조건을 변경하거나 고속성장 조건에서 저속성장 조건으로 공정 조건을 변경하며, 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정은 연속된 공정으로 진행되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 희생기재가 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면을 가지며, 상기 증착단계는 상기 희생기재의 양면에 동시에 수행되는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 "대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체"는, 모양이 대칭되는 형태임을 의미하는 것은 아니고, 희생기재의 양면에 동시에 증착을 수행함으로써 희생기재를 기준으로 양면에 배치된 다층구조의 배치 순서가 대칭됨 또는 형성된 다층구조의 성형체의 중간막을 기준으로 다층막 구조의 배치 순서가 대칭됨 을 의미한다.
또한, 저속성장 공정과 고속성장 공정의 순서를 조절하면, 형성된 다층구조의 성형체의 적층방향의 중심을 기준으로 다층 구조의 배치 순서가 대칭이 되도록 구성할 수 있다.
따라서 첫 번째 공정은 흑연 희생기재 표면에 저속공정 또는 고속공정 조건으로 다결정 탄화규소 증착을 시작할 수 있으며, 반복 교차 증착되는 저속증착 및 고속증착의 총 증착 횟수는 홀수로 구성되며, 흑연 희생기재 위에서 성장시킬 때 희생기재 기준으로 또는 흑연 희생기재에서 분리한 후에 다층의 다결정 탄화규소 성형체 정중앙의 저속공정 또는 고속공정 후막을 기준으로 다층의 다결정 탄화규소 성형체는 대칭 구조로 제작된다. 또한 마지막 공정은 첫 번째 공정조건과 동일한 저속공정 또는 고속공정으로 증착이 이루어진다.
이때 첫 번째 공정 이후의 다층의 다결정 탄화규소 후막들은 동일한 횟수의 저속 및 고속증착이 반복수행되며, 다층의 다결정 탄화규소 성형체 정중앙의 다결정 탄화규소 후막은 첫 번째 및 마지막 공정과 같거나 다를 수 있으며, 첫 번째 및 마지막 공정의 다결정 탄화규소 후막의 두께는 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 정중앙에 위치하는 저속 및 고속증착에 의한 후막 두께와 같거나 다를 수 있다.
상기 최적화된 저속성장 공정에서 형성된 저속성장층과 상기 최적화된 고속성장 공정에서 형성된 고속성장층의 두께가 서로 동일 또는 다르게 하도록, 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정의 조건 또는 증착시간을 조절할 수도 있다.
또한 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체가 적용되는 목적에 부합하는 최종 표면 특성에 의해 저속 또는 고속증착 공정을 선택할 수 있으며, 희생기재에서 분리된 다층의 다결정 탄화규소 성형체의 표면가공 등의 후속 공정을 통하여 최종 외곽 표면의 특성을 선택할 수도 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 대용량 화학기상증착 반응챔버에서 최적화된 저속성장 조건에 의한 저속성장 공정과 최적화된 고속성장 조건에 의한 고속성장 공정을 교대로 수행하여, 흑연 희생기재 상에서나 희생기재에서 분리된 후에도 저속 혹은 고속성장 조건에서의 뛰어난 특성을 나타내며, 특히 내부잔류응력 및 불균형 분포에 의한 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형이 없거나 최소화된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 사용되는 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 응용별 목적에 따라서 최적화된 저속성장 공정과 고속성장 공정의 순서 배치 및 반복 횟수를 조절함으로써, 마지막 공정에서 선택된 최외각 표면의 특성으로 형성되는 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있는 효과가 있으며, 최적화된 저속성장 공정으로만 제작되는 다결정 탄화규소 성형체와 비교시 최적화된 저속 및 고속성장 공정으로 인해 제작시간이 단축되어 생산성을 향상시킬 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 첫번째 실시예의 방법으로 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재 양면상에 같은 두께로 증착된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 두번째 실시예의 방법으로 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재 양면상에 도1의 경우보다는 두껍게 같은 두께로 증착된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 세번째 실시예의 방법으로 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재 양면상에 정중앙의 고속증착층이 다른 두께로 증착된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 네번째 실시예의 방법으로 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재 양면상에 정중앙의 저속증착층이 다른 두께로 증착된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명은 1mm 이상의 두께를 가지는 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 대용량 CVD(화학기상증착) 공정으로 제작하기 위하여, 먼저 희생기재를 준비하며, 희생기재의 양면에 동시에 화학기상증착 공정으로 다결정 탄화규소 성형체를 증착하고, 마지막으로 희생기재를 제거한다. 이때, 화학기상증착 공정으로 다결정 탄화규소 성형체를 증착하는 과정에서, 전체 탄화규소 성형체의 내부잔류응력의 균형이 잡히게 형성하기 위하여 최적화된 저속성장 조건에 의한 저속성장 공정과 최적화된 고속성장 조건에 의한 고속성장 공정을 구분하여 수행하되, 단층의 다결정 탄화규소 성형체의 내부잔류응력 및 불균형 분포로 인해 발생될 수 있는 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형에 의한 품질 저하를 방지하거나 최소화하기 위하여 각각의 최적화된 저속 및 고속공정 조건을 균형있게 반복 적층하는 방법을 적용하였다.
본 발명에서는 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키기 위한 대용량 CVD 공정 조건에서, 특히 시간당 10~30㎛의 성장속도(Deposition Rate)로 다결정 탄화규소를 성장시키는 경우를 저속성장 조건으로 명칭하고, 저속성장 조건으로 수행하는 공정을 저속성장 공정으로 명칭한다.
반면에 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 대용량 CVD 공정 조건에서, 특히 시간당 40~100㎛의 성장속도로 다결정 탄화규소를 성장시키는 경우를 고속성장 조건으로 명칭하고, 고속성장 조건으로 수행하는 공정을 고속성장 공정으로 명칭한다. 대용량 CVD 반응챔버 내에서의 최적의 저속 및 고속 증착공정은 증착온도 및 반응챔버 내 온도 균일도 또는 온도구배, 저압에서 상압 범위의 증착압력, MTS(methyltrichlorosilane)와 같은 원료가스와 운송 및 도핑가스와의 혼합비 또는 농도, 균일한 혼합가스 흐름속도 및 분포 등을 조절하여 수행할 수 있다.
본 발명은 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조를 위한 대형의 양산용 CVD 공정을 수행하는 과정에서, 최적화된 저속성장 공정과 최적화된 고속성장 공정을 각 1회 이상씩 교대로 수행하는 것에 특징이 있다. 그에 따라서 저속 및 고속성장 조건에서의 뛰어난 특성을 나타내는 다결정 탄화규소 성형체의 특성을 유지하면서, 선택적으로 최외각층에 최적화된 저속 혹은 고속성장 조건에서 증착된 탄화규소 후막을 형성하여 응용분야의 목적에 부합하는 특성의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있는 방법을 제공하며, 이러한 방식으로 제작된 희생기재의 양면으로 형성된 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는 정중앙의 저속 또는 고속성장 후막을 기준으로 대칭된 적층구조에 의하여 희생기재 상에서 후막증착 중이거나 또는 희생기재에서 분리된 후에도 변형이 거의 없는 대칭 및 다층의 다결정 탄화규소 성형체를 제공한다.
최적화된 저속성장 조건에서 고속성장 조건으로 공정 조건을 변경하거나 최적화된 고속성장 조건에서 저속성장 조건으로 공정 조건을 변경하여 적용하는 것에 의해서, 동일한 대용량 CVD 장비 내에서 희생기재를 외부로 이동하지 않고 저속성장 공정과 고속성장 공정을 연속된 공정으로 진행할 수 있으며, 저속 혹은 고속성장으로 전환하는 속도는 최소 1시간에서 최대 6시간 이내로 한다.
이때, 공정 조건을 1회 이상 변경하여 복수의 연속 공정을 수행하는 과정에서, 첫번째 공정과 마지막 공정은 제조 대상인 성형체가 적용되는 목적에 부합되는 표면 특성을 나타내도록, 저속성장 공정과 고속성장 공정 중에서 선택하여 배치하며, 이때 첫번째 공정과 마지막 공정이 동일한 공정일 수도 있고 서로 다른 공정일 수도 있다. 이 경우 대칭 및 다층의 다결정 탄화규소 성형체의 전체 두께 대비 작은 두께를 가지는 최외각 양면은 성형체 전체의 응력 분포에 영향을 미치치 않는 저속 및 고속공정의 조합으도 제작될 수 있다.
그리고 2회 이상 저속성장 조건과 고속성장 조건을 변경하는 과정에서, 최적화된 저속성정 조건과 최적화된 고속성장 조건의 순서와 시간을 조절하여, 다결정 탄화규소의 내부잔류응력이 균형잡힌 다층의 탄화규소 성형체를 제조할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따라 제조되는 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 형태를 기준으로 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
구체적으로 평면 또는 대칭의 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 3차원 희생기재 상에서 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하기 위한 경우로서, 흑연 희생기재를 대용량 CVD의 장치에 대량으로 배치하고 희생기재의 상하 양면에 다결정 탄화규소 저속성장과 고속성장 후막을 교차하여 대칭의 구조로 다층의 탄화규소 성형체를 형성시킨다.
도 1은 본 발명에 따른 첫번째 실시예의 방법으로 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재 양면상에 같은 두께로 증착된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
희생기재의 형태에 따라서, 도 1a는 평면의 희생기재를 사용한 경우이고, 도 1b는 대칭 굴곡면의 희생기재를 사용한 경우이며, 도 1c는 비대칭 굴곡면의 희생기재를 사용한 경우이다.
첫번째 실시예는 평면 또는 대칭 굴곡 표면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재(100)의 양면에 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소를 성장시키는 과정에서, 최적화된 저속성장 조건 및 고속성장 조건을 교번하여 적용하되, 처음과 마지막 공정에서 형성되는 다결정 탄화규소 후막층을 저속성장 조건으로 수행하고, 8번의 공정 조건의 교번을 통해서 같은 두께의 저속성장층(200)과 고속성장층(300)이 교대로 위치하는 10mm 두께의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.
이때, 저속성장 공정은 성장속도가 10㎛/h이고 고속성장 공정은 성장속도가 40㎛/h이며, 저속성장층(200)과 고속성장층(300)이 동일한 두께로 형성되도록 성장시간이 조절된다.
그리고 희생기재(100)의 표면에 고르게 저속성장층(200)과 고속성장층(300)이 증착됨으로써, 희생기재(100)의 표면 굴곡이 반영되어 표면 구조가 입체적인 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.
도시된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는, 최종적으로 가운데에 위치한 흑연 희생기재를 제거하고 위쪽과 아래쪽에 성장된 2개의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체가 분리되어 제조된다. 이때, 각각의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는 최하단과 최상단이 모두 최적화된 저속성장조건에 의해 성장된 저속성장층(200)임을 확인할 수 있다.
희생기재에서 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 분리한 뒤에, 황삭, 정삭, 연마 및 세정공정을 거치며 최종 제품으로 제작되며, 본 실시예에서는 최하단과 최상단이 최적화된 저속성장층(200)으로 구성되어 최소한의 가공만으로 고품질의 다결정 탄화규소의 표면이 노출된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.
하지만 이러한 형태에 한정되는 것은 아니며, 희생기재에서 분리된 이후에 후속공정에서 많은 가공이 필요한 경우에는, 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 최하단과 최상단에 적절한 두께의 고속성장층이 위치하도록 구성함으로써 후속공정을 진행한 뒤에 목적에 부합하는 고품질의 저속성장층이 표면에 노출되도록 할 수도 있다.
한편, 희생기재(100)의 재질로서 고순도의 치밀한 흑연을 사용하여도 초기에 형성되는 다결정 탄화규소는 희생기재(100)의 재료특성 및 표면특성에 영향을 받기 때문에, 연속공정 중에서 첫번째 공정은 저속 공정을 적용하는 것이 좋겠으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 도시된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는 저속성장층(200)과 고속성장층(300)이 동일한 두께로 형성되어 있기 때문에, 희생기재(100) 면상에서 성장되는 과정에서나 또는 희생기재(100)에서 분리된 뒤에도 다층 구조의 내부응력이 균형이 잡힌 상태가 된다. 결국, 흑연 등의 희생기재(100)에서 분리된 각각의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는, 중심을 기준으로 균형이 잡힌 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 형성한다.
한편, 본 실시예에서는 희생기재(100)의 상부와 하부에 동일한 구조를 가지는 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체가 성장되기 때문에, 희생기재(100) 상부와 하부에 위치하는 다층의 다결정 탄화규소 성형체 사이의 스트레스 차이에 의한 제품 변형이 없거나 최소화될 수 있으며, 최종적으로 희생기재(100)에서 분리된 뒤에는 제품의 변형이 없는 독립된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제작할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 두번째 실시예의 방법으로 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재 양면상에 도1의 경우보다는 두껍게 같은 두께로 증착된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
희생기재의 형태에 따라서, 도 2a는 평면의 희생기재를 사용한 경우이고, 도 2b는 대칭 굴곡면의 희생기재를 사용한 경우이며, 도 2c는 비대칭 굴곡면의 희생기재를 사용한 경우이다.
두번째 실시예는 평면 또는 대칭 굴곡 표면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재(100)의 양면에 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소를 성장시키는 과정에서, 저속 성장 조건과 고속 성장 조건을 교번하여 적용하되, 처음과 마지막 다결정 탄화규소 후막층을 저속 성장 조건으로 수행하고, 4번의 공정 조건의 교번을 통해서 같은 두께의 저속성장층(200)과 고속성장층(300)이 교대로 위치하는 10mm 두께의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.
이때, 저속성장속도는 성장속도가 10~30㎛/h이고 고속성장속도는 성장속도가 40~100㎛/h이며, 저속성장층(200)과 고속성장층(300)이 동일한 두께로 형성되도록 성장시간을 조절하였고, 첫번째 실시예에 비하여 각 층의 두께가 더 두껍다.
그리고 희생기재(100)의 표면에 고르게 저속성장층(200)과 고속성장층(300)이 증착됨으로써, 희생기재(100)의 표면 굴곡이 반영되어 표면 구조가 입체적인 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.
최하단과 최상단에 저속성장층(200)이 위치하는 점은 첫번째 실시예와 동일하며, 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 후속공정에 따라서 변경이 가능한 것도 첫번째 실시예와 동일하다.
한편, 두번째 실시예는 첫번째 실시예에 비하여 공정 조건을 변경하는 횟수가 감소하여 전체 공정에서는 유리하며, 저속성장층(200)과 고속성장층(300)이 동일한 두께로 형성되어 있기 때문에 첫 번째 실시예와 같이 내부잔류응력이 균형잡힌 결과를 얻을 수 있다. 다만, 고속성장층이 두꺼워질수록 내부응력의 균형을 유지하기 어려울 수 있으므로 요구되는 제품의 사양에 맞추어 공정 조건의 변경 회수를 적절하게 선택하는 것이 좋다.
도 3은 본 발명에 따른 세번째 실시예의 방법으로 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재(100) 양면상에 정중앙의 고속증착층이 다른 두께로 증착된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
희생기재의 형태에 따라서, 도 3a는 평면의 희생기재를 사용한 경우이고, 도 3b는 대칭 굴곡면의 희생기재를 사용한 경우이며, 도 3c는 비대칭 굴곡면의 희생기재를 사용한 경우이다.
앞선 실시예들과는 달리, 가운데에 두꺼운 고속성장층(310)이 매우 두껍게 위치함을 확인할 수 있다. 이는 저속 성장된 표면 특성이 중요하고 내부의 특성이 상대적으로 중요하지 않은 경우에, 안쪽에 위치하는 두꺼운 고속성장층(310)을 성장시키는 고속성장 공정의 시간을 늘림으로써 전체 대칭 및 다층 구조의 다결정 성형체 제조 시간을 더 줄일 수 있다.
다만, 고속성장층이 두꺼워질수록 고속성장층 내부의 잔류응력의 균형을 유지하기 어려울 수 있으므로 요구되는 제품의 사양에 맞추어 고속성장층의 두께를 적절하게 조절하는 것이 좋다.
최하단과 최상단에 저속성장층(200)이 위치하는 점은 첫번째 실시예와 동일하며, 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 후속공정에 따라서 변경이 가능한 것도 첫번째 실시예와 동일하다.
또한, 희생기재의 표면 굴곡이 반영되어 표면 구조가 입체적인 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있는 것도 첫번째 실시예와 동일하다.
도 4는 본 발명에 따른 네번째 실시예의 방법으로 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면의 희생기재(100) 양면상에 정중앙의 저속증착층이 다른 두께로 증착된 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
희생기재의 형태에 따라서, 도 4a는 평면의 희생기재를 사용한 경우이고, 도 4b는 대칭 굴곡면의 희생기재를 사용한 경우이며, 도 4c는 비대칭 굴곡면의 희생기재를 사용한 경우이다.
앞선 실시예들과는 달리, 가운데에 두꺼운 저속성장층(210)이 매우 두껍게 위치함을 확인할 수 있다. 이는 후막 내부를 포함한 전체 특성이 매우 중요한 제품에 대해서, 두꺼운 저속성장층(210)의 비율과 위치를 통해서 품질을 높이면서도, 고속성장층(300)을 함께 배치하여 후막 제조 시간을 줄일 수 있는 제조방법이다.
다만, 저속성장층이 두꺼워질수록 제조시간이 길어지는 단점이 있으므로 요구되는 제품의 사양에 맞추어 저속성장층의 두께를 적절하게 조절하는 것이 좋다.
최하단과 최상단에 저속성장층(200)이 위치하는 점은 첫번째 실시예와 동일하며, 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 후속공정에 따라서 변경이 가능한 것도 첫번째 실시예와 동일하다.
또한, 희생기재의 표면 굴곡이 반영되어 표면 구조가 입체적인 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있는 것도 첫번째 실시예와 동일하다.
특히 도 1c, 도 2c, 도 3c, 도 4c과 같이 비대칭 굴곡면의 3차원 희생기재의 양면에서는 반응가스의 흐름속도 및 분포가 다를수 있으므로 희생기재를 기준으로 앙면으로 형성되는 각각의 탄화규소 성형체의 두께가 차이가 생길수 있지만 다결정 탄화규소 성형체는 대칭 및 다층구조를 가진다.
본 발명의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 적용분야의 특성에 의해서 한쪽면의 표면 품질만 중요한 경우라면, 고속성장층과 저속성장층을 교대로 배치하는 과정에서 한쪽 표면은 저속성장층이 위치하고 다른쪽 표면은 고속성장층이 위치하도록 구성할 수도 있다. 나아가 고속성장층과 저속성장층의 두께를 기준으로 조절하지 않고, 고속성장 공정과 저속성장 공정의 시간을 동일하게 조절하는 방법도 가능하다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 희생기재
200: 저속성장층
210: 두꺼운 저속성장층
300: 고속성장층
310: 두꺼운 고속성장층

Claims (7)

  1. 희생기재를 준비하는 준비 단계;
    상기 희생기재의 표면에 10mm 이상의 두께를 가지는 다층의 다결정 탄화규소 성형체를 화학기상증착법으로 성장시키는 증착 단계; 및
    상기 희생기재를 제거하는 성형체 형성 단계를 포함하며,
    상기 증착 단계가, 10~30㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 저속성장 조건으로 수행되는 저속성장 공정과 40~100㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 고속성장 조건으로 수행되는 고속성장 공정을 구분하여 수행하며, 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정은 각 1회 이상씩 교대로 수행되고, 저속성장 조건에서 고속성장 조건으로 공정 조건을 변경하거나 고속성장 조건에서 저속성장 조건으로 공정 조건을 변경하며 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정을 연속으로 수행하고,
    성장속도의 차이에 의해서 탄화규소 내부에 잔류하는 응력이 다른 복수의 층이 교대로 적층되어 내부응력이 분산 분포되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 희생기재가 평면 또는 대칭 굴곡면 또는 비대칭 굴곡면을 가지며,
    상기 증착 단계는 상기 희생기재의 양면에 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    형성된 다층구조의 성형체의 적층방향의 중심을 기준으로 다층 구조의 배치 순서가 대칭이 되도록 저속성장 공정과 고속성장 공정의 순서가 조절되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 증착 단계에서 형성된 다층 구조의 첫번째 층과 마지막 층 중에 적어도 하나는, 상기 저속성장 공정에서 형성된 저속성장층 또는 상기 고속성장 공정에서 형성된 고속성장층인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 저속성장 공정에서 형성된 저속성장층과 상기 고속성장 공정에서 형성된 고속성장층이 다층 구조가 되도록 수행되며,
    다층 구조의 가운데에 위치하는 저속성장층 또는 고속성장층이 다른 층에 비하여 두껍도록 공정 조건을 조절하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 저속성장 공정에서 형성된 저속성장층과 상기 고속성장 공정에서 형성된 고속성장층의 두께가 서로 동일하도록, 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정의 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 저속성장 공정에서 형성된 저속성장층과 상기 고속성장 공정에서 형성된 고속성장층의 두께가 서로 다르도록, 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정의 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 제조방법.
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