KR102192518B1 - 웨이퍼 및 웨이퍼의 제조방법 - Google Patents

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최정우
심종민
견명옥
장병규
고상기
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김정규
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Abstract

구현예는 520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고, 상기 위상차의 평균값, 최대값, 편차가 특정한 값 이하를 갖는 웨이퍼 및 이의 제조방법을 제공한다. 구현예에 따른 웨이퍼는 520 nm 파장의 광으로 측정한 낮은 위상차 값을 가지고, 결정의 왜곡이나 뒤틀림이 거의 없으며, 양호한 결정 품질을 나타내는 이점이 있다.

Description

웨이퍼 및 웨이퍼의 제조방법{WAFER AND MANUFACTURING METHOD OF WAFER}
구현예는 웨이퍼 및 웨이퍼의 제조방법에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는 2.2 eV 내지 3.3 eV의 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체이며, 그 우수한 물리적 화학적 특성으로 반도체 재료로서 연구 개발이 진행되고 있다.
탄화규소 단결정을 제조하는 방법으로, 액상 증착법(Liquid Phase Epitaxy; LPE), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport, PVT) 등이 있다. 그 중 물리적 기상 수송법은 도가니 내에 탄화규소 원료를 장입하고, 도가니 상단에는 탄화규소 단결정으로 이루어진 종자정을 배치한 다음 도가니를 유도가열 방식으로 가열하여 원료를 승화시켜, 종자정 상에 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법이다.
물리적 기상 수송법은 높은 성장률을 가짐으로써 잉곳 형태의 탄화규소를 제작할 수 있어 가장 널리 이용되고 있다. 다만, 도가니 특성, 공정 조건 등에 따라 전류밀도가 변화하고, 도가니 내부 온도 분포 또한 변화하여 탄화규소 잉곳 및 이에 따른 웨이퍼의 일정한 물성 확보에 어려움이 있다.
관련 선행문헌으로, 한국 공개특허공보 제10-2017-0076763호에 개시된 "탄화규소 단결정의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 기판", 한국 공개특허공보 제10-2010-0089103호에 개시된 "탄화규소 단결정 잉곳, 이것으로부터 얻어지는 기판 및 에피택셜 웨이퍼"이 있다.
구현예의 목적은 탄화규소 잉곳 및 웨이퍼 제조과정에서 단열재의 밀도 등 공정을 제어하여, 가시광 조사 시 편광에서 낮은 위상차(리타데이션)를 갖는 탄화규소 잉곳 및 웨이퍼를 제공하는 데 있다.
구현예의 또 다른 목적은 전위밀도 등의 결함 수치가 저하되고 양호한 품질의 탄화규소 잉곳 및 웨이퍼 등을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 웨이퍼는,
520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고,
상기 위상차의 평균값이 38 nm 이하일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 다른 구현예에 따른 웨이퍼는,
520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고,
상기 위상차의 최대값은 60 nm 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 웨이퍼는 일면 및 이의 반대면인 타면을 포함하고,
상기 웨이퍼의 일면의 전체 Ra 평균 조도는 0.3 nm 미만일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 웨이퍼는 XRD 분석에 따른 로킹 커브의 반치전폭(FWHM) 값이 30 arcsec 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 웨이퍼의 직경은 4 인치 이상으로, 4H 구조의 탄화규소를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 웨이퍼는 마이크로 파이프를 갖고, 상기 웨이퍼는 마이크로파이프 밀도가 1.5 /cm2 이하일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 일 구현예에 따른 웨이퍼의 제조방법은,
내부공간을 갖는 반응용기에 원료물질과 탄화규소 종자정을 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
상기 내부공간의 온도, 압력 및 분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화시키고, 상기 종자정으로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계;
상기 반응용기를 냉각시키고 상기 탄화규소 잉곳을 회수하는 냉각단계;
상기 회수된 탄화규소 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계; 및
상기 마련된 웨이퍼의 두께를 평탄화하고 표면을 연마하는 가공단계;를 포함하고,
상기 반응용기는 외면을 둘러싸는 단열재와, 상기 반응용기 또는 상기 내부공간의 온도를 조절하는 가열수단을 포함하고,
상기 단열재의 밀도는 0.14 g/cc 내지 0.28 g/cc이고,
상기 단열재의 열팽창계수는 2.65×10-6 /℃ 내지 3.05×10-6 /℃이고,
상기 가공단계가 진행된 웨이퍼는 520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고, 하기 i) 및 ii) 사항 중 하나 이상을 가질 수 있다.
i) 상기 위상차의 평균값이 38 nm 이하; 및
ii) 상기 위상차의 최대값이 60 nm 이하
일 구현예에 있어서, 상기 성장단계는 상기 원료물질에서 탄화규소 종자정 방향으로 불활성기체의 흐름이 진행되고,
상기 불활성기체의 유량은 70 sccm 이상, 300 sccm 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 가공단계의 표면을 연마하는 과정은 화학적 기계적 연마 단계를 더 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 가공단계가 진행된 웨이퍼는 XRD 분석에 따른 로킹 커브의 반치전폭(FWHM) 값이 30 arcsec 이하일 수 있다.
구현예에 따른 웨이퍼는 낮은 리타데이션 값을 가지고, 결정의 왜곡이나 뒤틀림이 거의 없으며, 양호한 결정 품질을 나타내는 이점이 있다.
구현예에 따른 웨이퍼의 제조방법은 특정 밀도의 단열재를 적용하여, 리타데이션 값이 확보되고 결함밀도 수치가 저하된 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
도 1은 구현예에 따른 웨이퍼의 일례를 나타낸 개념도.
도 2는 구현예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조장치의 일례를 나타낸 개념도.
도 3은 구현예에 따른 탄화규소 잉곳의 일례를 나타낸 개념도.
도 4의 (a), (b), (c)는 각각 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1의 리타데이션 측정 결과를 가시화한 사진(color display는 GREY, auto-scale을 적용했고, (a)는 검정색: 0.0 흰색 20.0의 스케일, (b)는 검정색: 0.0 흰색 30.0의 스케일, (c)는 검정색: 0.0 흰색 40.0의 스케일을 적용한 결과임).
이하, 구현예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
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.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우만이 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 직접 맞닿게 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
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.
이하, 구현예를 보다 상세하게 설명한다.
제조 과정에서 적용되는 원료, 분위기, 조건 등의 다양한 요소는 잉곳과 웨이퍼의 품질에 영향을 미친다. 잉곳과 웨이퍼의 결정 품질, 결함 발생 정도, 잔류응력 등은 웨이퍼로 제조되는 소자의 성능, 특성과 그 제조과정에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 잉곳과 웨이퍼의 결정품질, 잔류응력, 결함 등을 각각 개별적인 요소로 평가하기도 하나, 위상차(리타데이션) 측정이라는 방법으로 기사화되거나 수치화되어 종합적으로 평가될 수 있다.
발명자들은 보다 위상차(리타데이션) 분포 특성이 양호하며 결함이 적고, 결정성이 우수한 탄화규소 잉곳 및 웨이퍼를 제조하는 방법을 연구하였다. 물리적 기상 수송법을 적용한 탄화규소의 성장에서 다양한 요인들 중 도가니의 온도구배, 단열재의 특성 등이 중요하고, 이러한 조건의 제어를 통해 보다 우수한 품질의 탄화규소 잉곳 및 웨이퍼를 제조할 수 있는 점을 확인하여 구현예를 완성하였다.
웨이퍼(10)
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 웨이퍼(10)는, 520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고, 상기 위상차(리타데이션)의 평균값이 38 nm 이하이다.
상기 웨이퍼(10)는 중심파장이 520 nm인 광이 웨이퍼를 두께방향으로 통과하면서 측정되는 위상차(리타데이션) 분포에서, 위상차의 평균값이 38 nm 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼는 일면(11) 및 상기 일면의 반대면인 타면(12)을 포함한다.
상기 두께방향은 상기 일면에서 타면으로 향하는 방향일 수 있다.
상기 웨이퍼의 일면은 주로 규소 원자가 표면에 나타나는 소위 Si 면이고, 상기 일면의 반대면인 타면은 주로 탄소 원자가 표면에 나타나는 소위 C 면이다.
웨이퍼를 절단 가공할 때, 탄화규소 단결정이 갖는 탄소 원자의 층과 규소 원자의 층의 경계면 또는 이와 평행한 방향으로 절단되기 쉽다. 따라서, 탄소 원자가 주로 노출되는 면과 규소 원자가 주로 노출되는 면이 절단면 상에 나타나게 된다.
잉곳으로부터 웨이퍼를 제조하는 과정에서 웨이퍼의 일면 및/또는 타면의 연마(폴리싱)이 진행된다. 위상차 분포 측정에 적용하는 웨이퍼는 양면 연마가 진행된 웨이퍼를 적용한다.
일정한 면적 내의 위상차 분포는 Photonic Lattice 사의 WPA-200, WPA-micro 등의 장치를 통해 시각화 및/또는 수치화되어 측정될 수 있다. 구현예에서는 Photonic Lattice 사의 WPA-200를 적용하여 520 nm 파장의 광으로 측정한 결과를 기준으로 한다.
상기 위상차(리타데이션)는 편광된 가시광을 목적물의 두께방향으로 투과하기 전의 위상과 후의 위상의 차이를 나타내는 값이다. 목적물에 잔류응력, 일그러짐, 결함, 손상 등이 있으면 위상차(리타데이션) 분포에 변화가 발생한다.
설령 복굴절 특성을 갖지 않는 투명한 목적물이라도, 상기 목적물에 일정한 응력, 일그러짐이 가해진 경우에는 복굴절 현상이 관찰될 수 있다. 따라서, 복굴절 특성을 평가하는 것은, 잔류응력, 일그러짐을 정량적으로 평가할 수 있는 편리한 방법 중 하나이다.
위상차(리타데이션) 분포는, 두께방향으로 편광된 광을 투과시킬 때 발생하는 목적물의 위상 지연 값과 관련된 파라미터이다. 위상 차이가 발생한다는 것은 편광 상태가 변경한다는 것을 의미한다. 또한 위상차는 다양한 원인에 의해서 발생할 수 있다.
복굴절은 위상차에 대체적으로 비례하기 때문에, 위상차는 잔류응력의 정도를 나타내는 파라미터로 활용할 수 있다. 따라서, 면적 전체적으로 위상차 분포가 일정한 범위 내라는 것은, 상기 목적물이 면적 전체적으로 조절된 응력을 갖는다는 것을 의미할 수 있다. 특히, 목적물이 두께 방향으로 실질적으로 동일한 재료로 형성된 것이고, 목적물의 두께가 실질적으로 동일할 경우에는 결과가 더 신뢰성을 갖는다.
다만, 위상차 분포는 잔류응력 외의 다른 요소에 의해 영향을 받을 수 있다. 예시적으로 일그러짐, 전위결함과 같은 결함에 의해서 위상차 분포가 변화할 수 있고, 결정성 물질의 경우 결정성의 정도에도 영향을 받을 수 있다. 또한, 목적물에 발생한 미세한 크랙 등 손상에 의해서도 위상차 분포가 변화할 수 있다.
즉, 웨이퍼의 위상차 분포를 평가하는 것은 잔류응력의 정도, 일그러짐 유무, 결함발생 유무, 결정의 우수성, 손상 발생 여부, 외부 충격에 쉽게 손상이 발생할지 여부 등을 동시에 평가하는 방법이 되는 것으로 생각되며, 구현예에서 제조된 웨이퍼에 요구되는 여러가지 특성이 모두 동시에 우수한 것인지를 확인하는 척도로 활용된다.
상기 웨이퍼(10)는 상기 위상차 평균값이 38 nm 이하일 수 있다. 상기 웨이퍼는 상기 위상차 평균값이 30 nm 이하일 수 있고, 20 nm 이하일 수 있다. 상기 웨이퍼는 상기 위상차 평균값이 15 nm 이하일 수 있다. 상기 웨이퍼는 상기 위상차 평균값이 0.1 nm 이상일 수 있다. 상기 웨이퍼는 위상차 평균값이 5 nm 이상일 수 있다. 이러한 위상차 값을 갖는 웨이퍼는 내부 결정의 일그러짐이나, 결함이 최소화된 상태일 수 있고, 반도체 소자로 적용 시 향상된 특성을 가질 수 있다.
상기 웨이퍼(10)의 상기 위상차의 최대값은 60 nm 이하일 수 있고, 45 nm 이하일 수 있으며, 42.8 nm 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼(10)의 상기 위상차의 최소값은 0.10 nm 미만일 수 있고, 0.08 nm 이하일 수 있으며, 0.02 nm 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 웨이퍼 두께방향의 위상차 표준편차가 30 nm 이하일 수 있고, 20 nm 이하일 수 있고, 12 nm 이하일 수 있다. 상기 위상차 편차는 1 nm 이상일 수 있다.
이러한 위상차 최대값, 최소값 및 표준편차를 갖는 웨이퍼는 내부 격자의 일그러짐이나, 결함 발생이 최소화되고, 그 분포가 보다 일정하게 나타날 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 후술할 탄화규소 잉곳을 절단하여 마련될 수 있다.
상기 웨이퍼(10)의 로킹 각도는 기준각도 대비 -1.5 °내지 1.5 °일 수 있고, -1.0 °내지 1.0 °일 수 있으며, -0.5 °내지 0.5 °일 수 있고, -0.3 ° 내지 0.3 °일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 웨이퍼는 우수한 결정질 특성을 가질 수 있다. 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 36 °)로 설정한 후 웨이퍼의 오프 각에 맞추어 오메가(ω, 또는 쎄타 θ, X-ray detector optic) 각도를 조절하여 로킹 커브(Rocking curve)를 측정하고, 기준각도인 피크각도와 두 개의 반치전폭(FWHM; full width at half maximum) 값의 차이 값을 각각 로킹 각도로 설정하여 결정성을 평가한다.
본 명세서에서, 오프 각이 X °라 함은 통상 허용하는 오차범위 내에서 X °로 평가되는 오프 각을 갖는다는 것을 의미하며, 예시적으로 (X ° - 0.05 °) 내지 (X ° + 0.05 °) 범위의 오프각을 포함한다. 또한, 로킹 각도가 “기준각도 대비 -1 ° 내지 1 °”라 함은 반치전폭 값이 기준각도인 피크각도를 기준으로 (피크각도 - 1 °) 내지 (피크각도 + 1 °)의 범위 내에 있다는 것을 의미한다. 더욱이, 상기 로킹 각도는 웨이퍼의 중앙 부분과 가장자리에서 중앙 방향으로 5 mm 이내의 부분을 제외한 표면을 실질적으로 균등하게 3등분하여, 각 부분에서 3 번 이상 측정한 결과를 평균하여 위의 로킹 각도로 취급한다. 구체적으로, 탄화규소 잉곳의 (0001)면에 대해 0 ° 내지 10 °의 범위에서 선택된 각도인 오프각을 적용한 웨이퍼들 중, 오프각이 0 ° 일 경우, 오메가 각도는 17.8111 °이고, 오프각이 4 ° 일 경우, 오메가 각도는 13.811 °, 그리고 오프각이 8 °일 경우, 오메가 각도는 9.8111 ° 이다.
상기 웨이퍼(10)는 XRD 분석에 따른 로킹 커브의 반치전폭(FWHM)이 30 arcsec 이하일 수 있고, 27.4 이하일 수 있다. 상기 웨이퍼의 XRD 분석에 따른 로킹 커브의 반치전폭은 3.5 arcsec 이상일 수 있다. 웨이퍼의 결정에 결함이 존재하면 회절하는 X선의 강도는 가우시안 분포를 보이게 되는데 이를 로킹 커브라고 한다. 상기 로킹 커브의 반치전폭은 arcsec의 단위를 가지게 되고, 반치전폭 값이 큰 경우 결정결함이 많이 존재하는 것으로 이해할 수 있다. 상기 반치전폭 범위를 갖는 웨이퍼는 우수한 결정성을 나타내고 이를 통해 제조되는 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 마이크로파이프(MP, Micropipe) 밀도가 1.5 /cm2 이하일 수 있고, 1 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 관통 칼날전위(TED, Threading Edge Dislocation) 밀도가 10,000 /cm2 이하일 수 있고, 8,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 기저면 전위(BPD, Basal Plane Dislocation) 밀도가 5,000 /cm2 이하일 수 있고, 3,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼(10)의 두께는 150 ㎛ 내지 900 ㎛일 수 있고, 200 ㎛ 내지 600 ㎛일 수 있으나, 반도체 소자에 적용될 수 있는 적절한 두께라면 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 웨이퍼(10)는 탄화규소 웨이퍼일 수 있고, 실질적으로 단결정인 4H 탄화규소를 포함하는 웨이퍼일 수 있다.
상기 웨이퍼(10)의 직경은 4 인치 이상일 수 있고, 5 인치 이상일 수 있으며, 6 인치 이상일 수 있다. 상기 웨이퍼의 직경은 12 인치 이하일 수 있고, 10 인치 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼의 일면(11)의 전체 Ra 평균 조도는 0.3 nm 미만일 수 있고, 0.2 nm 이하일 수 있다. 상기 일면의 전체 Ra 평균 조도는 0.01 nm 이상일 수 있다. 이러한 조도 범위를 갖는 웨이퍼는 후속 공정을 통해 소자 제조 시 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 후술하는 웨이퍼의 제조방법을 통해 제조될 수 있다.
웨이퍼의 제조방법
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 웨이퍼의 제조방법은,
내부공간을 갖는 반응용기(200)에 원료물질(300)과 탄화규소 종자정을 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
상기 내부공간의 온도, 압력 및 분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화시키고, 상기 종자정으로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계;
상기 반응용기를 냉각시키고 상기 탄화규소 잉곳을 회수하는 냉각단계;
상기 회수된 탄화규소 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계; 및
상기 마련된 웨이퍼의 두께를 평탄화하고 표면을 연마하는 가공단계;를 포함하고,
상기 반응용기는 외면을 둘러싸는 단열재와, 상기 반응용기 또는 상기 내부공간의 온도를 조절하는 가열수단을 포함하고,
상기 단열재의 밀도는 0.14 g/cc 내지 0.28 g/cc이다.
상기 준비단계는 내부공간을 갖는 반응용기(200)에 원료물질(300)과 탄화규소 종자정을 서로 마주보게 배치하는 단계이다.
상기 준비단계의 탄화규소 종자정은 목적으로 하는 웨이퍼에 따라 적절한 크기의 것이 적용될 수 있고, 상기 탄화규소 종자정의 C면((000-1)면)이 상기 원료물질(300) 방향으로 향하도록 할 수 있다.
상기 준비단계의 원료물질(300)은 탄소원과 규소원을 갖는 분말 형태가 적용될 수 있고, 상기 분말이 서로 네킹 처리한 원료 또는 표면을 탄화 처리한 탄화규소 분말 등이 적용될 수 있다.
상기 준비단계의 반응용기(200)는 탄화규소 잉곳 성장반응에 적절한 용기라면 적용될 수 있고, 구체적으로 흑연 도가니가 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 반응용기는 내부공간과 개구부를 포함하는 본체(210) 및 상기 개구부와 대응되어 상기 내부공간을 밀폐하는 덮개(220)를 포함할 수 있다. 상기 도가니 덮개는 상기 도가니 덮개와 일체로 또는 별도로 종자정 홀더를 더 포함할 수 있고, 상기 종자정 홀더를 통해 탄화규소 종자정과 원료가 마주보도록, 탄화규소 종자정을 고정할 수 있다.
상기 준비단계의 반응용기(200)는 단열재(400)에 의해 둘러싸여 고정될 수 있고, 석영관과 같은 반응챔버(500) 내에서 상기 반응용기를 둘러싼 단열재가 위치하도록 할 수 있으며, 상기 단열재 및 반응챔버 외부에 구비된 가열수단(600)에 의해 상기 반응용기(200)의 내부공간 온도를 제어할 수 있다.
상기 준비단계의 단열재(400)는 1000 ℃에서 열팽창계수가 2.65×10-6 /℃ 내지 3.05×10-6 /℃일 수 있고, 2.7×10-6 /℃ 내지 3×10-6 /℃일 수 있으며, 2.75×10-6 /℃ 내지 2.9×10-6 /℃일 수 있다. 상기 열팽창계수는 단열재의 일 방향인 제1방향, 상기 제1방향과 수직한 제2방향, 상기 제1방향 및 제2방향과 수직한 제3방향의 열팽창계수의 평균일 수 있다. 이러한 열팽창계수를 갖는 단열재를 적용함으로써, 제조되는 잉곳에 균일한 온도구배를 형성하도록 하여 적절한 잔류응력 분포를 갖도록 하고, 웨이퍼에서 가시광으로 측정한 두께방향 위상차 분포가 양호한 값을 갖도록 한다.
상기 열팽창계수는 단위온도에 따른 길이 변화량을 측정하여 확인할 수 있다. 구체적으로, 피측정물인 단열재를 크기 5×5×5 mm3으로 측정용 샘플을 마련한 다음 TA Instrument 사의 TMA Q400으로 단위 온도에 대한 길이의 변화량을 측정하여 확인할 수 있고, 상기 열팽창계수는 1000 ℃에서의 값일 수 있다.
상기 준비단계의 단열재(400)는 기공도가 72 % 내지 95 %일 수 있고, 75 % 내지 93 %일 수 있으며, 80 % 내지 91 %일 수 있다. 상기 기공도를 만족하는 단열재를 적용하는 경우 성장되는 탄화규소 잉곳의 크랙 발생을 보다 감소시킬 수 있다.
상기 준비단계의 단열재(400)는 압축강도가 0.2 Mpa 이상일 수 있고, 0.48 Mpa 이상일 수 있으며, 0.8 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 단열재는 압축강도가 3 MPa 이하일 수 있고, 2.5 MPa 이하일 수 있다. 상기 단열재가 이러한 압축강도를 갖는 경우 열적/기계적 안정성이 우수하고, 애쉬(ash)가 발생할 확률이 떨어져 보다 우수한 품질의 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 준비단계의 단열재(400)는 탄소계 펠트를 포함할 수 있고, 구체적으로 흑연 펠트를 포함할 수 있으며, 레이온계 흑연 펠트 또는 피치계 흑연 펠트를 포함할 수 있다.
상기 준비단계의 단열재(400)는 그 밀도가 0.14 g/cc 이상일 수 있고, 0.16 g/cc 이상일 수 있으며, 0.17 g/cc 이상일 수 있다. 상기 단열재는 그 밀도가 0.28 g/cc 이하일 수 있고, 0.24 g/cc이하일 수 있고, 0.20 g/cc 이하일 수 있다. 상기 밀도 범위를 갖는 단열재를 통해, 제조되는 잉곳의 휨 및 뒤틀림 발생을 억제할 수 있고, 잉곳으로부터 제조되는 웨이퍼의 양호한 위상차(리타데이션) 값을 나타낼 수 있도록 한다.
상기 준비단계의 반응챔버(500)는 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부의 진공도를 조절하는 진공배기장치(700), 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부에 기체를 유입시키는 배관(810) 및 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(800)를 포함할 수 있다. 이들을 통해, 후속 성장단계 및 냉각단계에서 불활성 기체의 유량을 조절할 수 있도록 한다.
상기 성장단계는 상기 내부공간의 온도, 압력 및 기체 분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화시키고 상기 종자정으로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 단계이다.
상기 성장단계는 상기 가열수단(600)에 의해 상기 반응용기(200) 및 반응용기의 내부공간을 가열하여 진행될 수 있고, 가열과 동시에 또는 별도로 내부공간을 감압하여 진공도를 조절하고, 불활성 기체를 주입하며 탄화규소 결정의 성장을 유도할 수 있다.
상기 성장단계는 2000 ℃ 내지 2600 ℃의 온도와 1 torr 내지 200 torr의 압력 조건에서 진행될 수 있고, 상기 온도 및 압력 범위에서 보다 효율적으로 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 성장단계는 구체적으로 상기 반응용기(200) 상, 하부 표면의 온도가 2100 ℃ 내지 2500 ℃, 상기 반응용기 내부공간의 압력이 1 torr 내지 50 torr인 조건에서 진행될 수 있고, 더 자세하게는 상, 하부 표면의 온도가 2150 ℃ 내지 2450 ℃, 상기 반응용기 내부공간의 압력이 1 torr 내지 40 torr인 조건에서 진행될 수 있으며, 더 구체적으로 상, 하부 표면의 온도가 2150 ℃ 내지 2350 ℃, 상기 반응용기 내부공간의 압력이 1 torr 내지 30 torr인 조건에서 진행될 수 있다.
상기 온도 및 압력 조건을 상기 성장단계에 적용하는 경우 보다 고품질의 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 성장단계는 1 ℃/min 내지 10 ℃/min의 승온 속도, 5 ℃/min 내지 10 ℃/min의 승온 속도로 상기 온도 범위까지 승온이 진행될 수 있다.
상기 성장단계는 상기 반응용기(200) 외부에 소정 유량의 불활성기체를 가할 수 있다. 상기 불활성기체는 상기 반응용기(200)의 내부공간에서 그 흐름이 이루어질 수 있고, 상기 원료물질(300)에서 상기 탄화규소 종자정 방향으로 그 흐름이 이루어질 수 있다. 이에 따라 상기 반응용기 및 내부공간의 안정적인 온도구배가 형성될 수 있도록 한다.
상기 성장단계의 상기 불활성기체의 유량은 70 sccm 이상일 수 있고, 330 sccm 이하일 수 있다. 이러한 유량 범위에서 제조되는 잉곳의 결함 발생을 최소화하고, 반응용기 및 내부공간의 온도 구배를 효과적으로 형성하여 목적으로 하는 리타데이션 값을 나타낼 수 있도록 한다.
상기 성장단계의 상기 불활성기체는 구체적으로 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합기체일 수 있다.
상기 냉각단계는 상기 성장된 탄화규소 잉곳을 소정 냉각속도 및 불활성기체 유량 조건에서 냉각하는 단계이다.
상기 냉각단계는 1 ℃/min 내지 10 ℃/min의 속도로 냉각이 진행될 수 있고, 1 ℃/min 내지 5 ℃/min의 속도로 냉각이 진행될 수 있다.
상기 냉각단계는 상기 반응용기(200)의 내부공간의 압력 조절이 동시에 이루어질 수 있고, 상기 냉각단계와 별도로 압력 조절이 이루어질 수 있다. 상기 압력 조절은 상기 내부공간의 압력이 최대 760 torr가 되도록 이루어질 수 있다.
상기 냉각단계의 불활성기체의 유량은 1 sccm 이상일 수 있고, 300 sccm 이하일 수 있다. 이러한 유량 범위에서 제조되는 잉곳에 크랙 발생을 방지하고 품질 저하를 최소화할 수 있다.
상기 냉각단계는 상기 성장단계와 마찬가지로 상기 반응용기(200) 외부에 소정 유량의 불활성기체를 가할 수 있다. 상기 불활성기체는 상기 반응용기의 내부공간에서 그 흐름이 이루어질 수 있고, 상기 원료물질(300)에서 상기 탄화규소 종자정 방향으로 그 흐름이 이루어질 수 있다.
상기 절단단계는 상기 냉각단계 이후 회수된 탄화규소 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 단계이다.
상기 절단단계는 상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면 또는 성장이 시작된 면과 소정 오프 각을 이루도록 절단될 수 있다. 상기 절단단계의 오프 각은 0 °내지 10 °일 수 있다.
상기 절단단계는 상기 웨이퍼의 두께가 150 ㎛ 내지 900 ㎛이 되도록 할 수 있고, 200 ㎛ 내지 600 ㎛ 이 되도록 할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 가공단계는 상기 절단단계를 거쳐 마련된 웨이퍼의 두께를 평탄화하고 표면을 연마하는 단계이다. 상기 두께를 평탄화화는 과정은 휠 연삭(wheel grinding)이 웨이퍼 양 측면에 순차적으로 적용되어 이루어질 수 있다. 상기 휠 연삭에 사용되는 연마재는 다이아몬드 연마재일 수 있다.
상기 가공단계의 두께를 평탄화하는 과정을 통해 상기 절단 단계에서 웨이퍼에 가해진 손상, 스트레스를 감소시키고, 웨이퍼를 평탄하게 만든다.
상기 가공단계의 표면을 연마하는 과정은 또한 습식 에칭 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가공단계의 표면을 연마하는 과정은 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP)가 더 이루어질 수 있다.
상기 화학적 기계적 연마 공정은 회전하는 정반 상에 연마입자 슬러리를 가하면서, 회전하는 연마헤드에 고정된 웨이퍼를 소정 압력으로 접촉시켜 이루어질 수 있다.
상기 가공단계 이후 통상의 RCA 화학 세정 용액을 통한 세정단계가 더 이루어질 수 있다.
탄화규소 잉곳(100)
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 잉곳(100)은,
서로 마주보는 일면(110)과 타면(120)을 포함하고,
상부로 정의되는 상기 일면은 평탄면 또는 볼록면이고,
웨이퍼는 상기 일면 이하의 부분에서 마련되고,
상기 웨이퍼는 520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고, 상기 위상차(리타데이션)의 평균값이 35 nm 이하일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 반응용기 내부의 원료가 승화되어 탄화규소 종자정 상에 재결정되며 성장된 것이다.
도 3을 참조하면, 성장종결 후 상기 탄화규소 잉곳 표면 중 상기 원료를 향하는 면이 일면(110)일 수 있고, 상기 일면은 만곡된 볼록면 또는 평탄면을 가질 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 본체부(121)와 상기 본체부로부터 연장되어 볼록면(110)을 갖는 볼록부(111)를 포함할 수 있다. 상기 탄화규소 잉곳의 볼록면을 상부로 볼 때, 볼록면 이하의 부분은 상기 본체부에 해당할 수 있다.
즉, 상기 탄화규소 잉곳의 일면(110)을 상부로 볼 때, 탄화규소 잉곳의 성장이 시작된 면인 저면을 타면(120)으로 볼 수 있고, 상기 타면을 하부로 볼 수 있으며, 상기 일면 이하의 부분을 소정 두께로 절단하여 웨이퍼를 마련할 수 있다. 이때, 상기 절단 시 상기 타면 또는 상기 탄화규소 잉곳의 (0001) 면과 소정 오프 각을 이루도록 할 수 있다.
또한, 상기 웨이퍼를 마련하는 과정은, 상기 탄화규소 잉곳(100)의 외경을 연삭 장비를 이용하여 외경으로부터 내부로 향하는 방향을 다듬고, 상기 탄화규소 잉곳의 타면(120) 또는 (0001)면에 대한 소정 오프 각과 일정한 두께로 절단한 후, 가장자리 연삭과 표면 연마, 폴리싱 등의 가공이 진행될 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 탄화규소 종자정의 C면((000-1)면)에서 성장된 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 제조 시 성장단계 및 냉각단계에서 특정 열전도도를 만족하는 도가니를 통해 제조될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1 - 웨이퍼의 제조>
도 2에 탄화규소 잉곳 제조장치의 일례를 도시한 바와 같이, 반응용기(200) 내부공간 하부에 원료인 탄화규소 분말을 장입하고, 그 상부에 탄화규소 종자정을 배치하였다. 이 때, 탄화규소 종자정은 6 인치의 4H-SiC 결정으로 이루어진 것을 적용하였고, C면((000-1)면)이 내부공간 하부의 탄화규소 원료를 향하도록 통상의 방법으로 고정하였으며, 하기 실시예 및 비교예에 동일하게 적용하였다.
반응용기(200)를 밀폐하고, 그 외부를 0.15 g/cc의 밀도 및 2.80×10-6 /℃ 의 열팽창계수를 갖는 단열재(400)로 둘러싼 뒤, 외부에 가열수단(600)인 가열 코일이 구비된 석영관(500) 내에 반응용기를 배치하였다. 상기 반응용기 내부공간을 감압하여 진공 분위기로 조절하고, 아르곤 가스를 주입하여 상기 내부공간이 760 torr에 도달하도록 한 다음, 다시 내부공간을 감압시켰다. 동시에, 내부공간의 온도를 5 ℃/min의 승온 속도로 2300 ℃까지 승온시켰고, 상기 석영관과 연통된 배관(810), 진공배기장치(700)를 통해 석영관 내부의 아르곤 가스 유량을 조절하였다. 2300 ℃의 온도와 20 torr의 압력 조건 하에서 100 시간 동안 탄화규소 원료와 대향하는 탄화규소 종자정 면에 탄화규소 잉곳을 성장시켰다.
성장 이후, 상기 내부공간의 온도를 5 ℃/min의 속도로 25 ℃까지 냉각시켰고, 동시에 내부공간의 압력이 760 torr가 되도록 하였다.
상기 냉각된 탄화규소 잉곳의 (0001)면과 4 °의 오프 각을 갖도록 절단하였으며, 360 ㎛의 두께를 갖는 웨이퍼 샘플을 마련하였고, 이 웨이퍼의 가장자리를 최대외경 대비 5 % 연삭하였으며, 이후 통상의 화학적 기계적 연마와 RCA 세정을 실시하였다.
<실시예 2 - 웨이퍼의 제조>
상기 실시예 1에서, 단열재 밀도를 0.16 g/cc, 열팽창계수를 2.75×10-6 /℃ 로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 웨이퍼를 제조하였다.
<실시예 3 - 웨이퍼의 제조>
상기 실시예 1에서, 단열재 밀도를 0.17 g/cc, 열팽창계수를 2.9×10-6 /℃로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 웨이퍼를 제조하였다.
<비교예 1 - 웨이퍼의 제조>
상기 실시예 1에서, 단열재 밀도를 0.13 g/cc, 열팽창계수를 2.6×10-6 /℃로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 웨이퍼를 제조하였다.
<비교예 2 - 웨이퍼의 제조>
상기 실시예 1에서, 단열재 밀도를 0.29 g/cc, 열팽창계수를 3.1×10-6 /℃로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 웨이퍼를 제조하였다.
<실험예 - 웨이퍼의 리타데이션, 반치전폭 측정>
상기 마련된 웨이퍼 샘플을 WPA-200(Photonic Lattice 사) 장비를 통해, 파장이 520 nm인 광으로 측정한 웨이퍼 두께방향의 위상차(리타데이션) 평균값, 최소값 및 최대값을 측정하였고, 그 결과를 표 1 및 일부 결과를 도 4에 나타내었다. 그리고, XRD 분석장치(SmartLab X-ray Diffractometer, Rigaku사)를 통해 웨이퍼 샘플의 로킹 커브의 반치전폭을 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
단열재 밀도(g/cc) 열팽창계수
(×10-6)/℃
(@1000℃)		 위상차 평균(nm) 위상차 최소값(nm) 위상차 최대값(nm) 반치전폭 평균(arcsec)
실시예 1 0.15 2.80 20 0.01 25.06 -
실시예 2 0.16 2.75 19 0.08 42.74 27.4
실시예 3 0.17 2.9 15 0.02 42.72 26.7
비교예 1 0.13 2.6 40 0.12 69.27 65.3
비교예 2 0.29 3.1 41 0.10 80.66 -
표 1을 참조하면, 웨이퍼 제조에서 단열재의 밀도가 0.14 g/cc 내지 0.28 g/cc 범위 내에 있고, 열팽창계수가 2.65×10-6 /℃ 내지 3.05×10-6 /℃ 범위 내에 있는 실시예들은 35 nm 이하의 위상차 값과, 30 arcsec 이하의 X선 로킹 커브 반치전폭을 가져, 단열재의 밀도 및 열팽창계수가 이러한 범위를 벗어나는 비교예 대비 잔류응력 분포가 양호하고, 결정의 일그러짐 발생, 결함 등이 적은 우수한 결정 품질을 나타내는 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고,
    상기 위상차의 평균값이 38 nm 이하이고,
    마이크로 파이프를 갖고,
    상기 마이크로파이프의 밀도가 1.5 /cm2 이하인, 웨이퍼.
  2. 520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고,
    상기 위상차의 최대값은 60 nm 이하이고,
    마이크로 파이프를 갖고,
    상기 마이크로파이프의 밀도가 1.5 /cm2 이하인, 웨이퍼.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 일면 및 이의 반대면인 타면을 포함하고,
    상기 웨이퍼의 일면의 전체 Ra 평균 조도는 0.3 nm 미만인, 웨이퍼.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    XRD 분석에 따른 로킹 커브의 반치전폭(FWHM) 값이 30 arcsec 이하인, 웨이퍼.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    직경은 4 인치 이상으로, 4H 구조의 탄화규소를 포함하는, 웨이퍼.
  6. 삭제
  7. 내부공간을 갖는 반응용기에 원료물질과 탄화규소 종자정을 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
    상기 내부공간의 온도, 압력 및 분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화시키고, 상기 종자정으로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계;
    상기 반응용기를 냉각시키고 상기 탄화규소 잉곳을 회수하는 냉각단계;
    상기 회수된 탄화규소 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계; 및
    상기 마련된 웨이퍼의 두께를 평탄화하고 표면을 연마하는 가공단계;를 포함하고,
    상기 반응용기는 외면을 둘러싸는 단열재와, 상기 반응용기 또는 상기 내부공간의 온도를 조절하는 가열수단을 포함하고,
    상기 단열재의 밀도는 0.14 g/cc 내지 0.28 g/cc이고,
    상기 단열재의 열팽창계수는 2.65×10-6 /℃ 내지 3.05×10-6 /℃이고,
    상기 가공단계가 진행된 웨이퍼는 520 nm 파장의 광으로 측정한 위상차 분포를 갖고, 하기 i) 및 ii) 사항 중 하나 이상을 갖는, 웨이퍼의 제조방법:
    i) 상기 위상차의 평균값이 38 nm 이하; 및
    ii) 상기 위상차의 최대값이 60 nm 이하.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 성장단계는 상기 원료물질에서 탄화규소 종자정 방향으로 불활성기체의 흐름이 진행되고,
    상기 불활성기체의 유량은 70 sccm 이상, 300 sccm 이하인, 웨이퍼의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가공단계의 표면을 연마하는 과정은 화학적 기계적 연마 단계를 더 포함하는, 웨이퍼의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 가공단계가 진행된 웨이퍼는 XRD 분석에 따른 로킹 커브의 반치전폭(FWHM) 값이 30 arcsec 이하인, 웨이퍼의 제조방법.
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