KR102234002B1 - 탄화규소 잉곳, 이의 제조방법 및 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 - Google Patents

탄화규소 잉곳, 이의 제조방법 및 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화규소 잉곳 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 탄화규소 잉곳 및 이의 제조방법은 결정 성장의 온도 구배를 정밀하게 제어할 수 있고 보다 우수한 특성의 탄화규소 잉곳을 제공할 수 있다.

Description

탄화규소 잉곳, 이의 제조방법 및 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 {SILICON CARBIDE INGOT, PREPERATION METHOD OF THE SAME AND PREPERATION METHOD OF THE SILICON CARBIDE WAFER}
본 발명은 탄화규소 잉곳, 이의 제조방법 및 탄화규소 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 탄화규소의 성장 재현성 확보에 어려움이 있을 수 있다.
이러한 탄화규소의 제조 방법으로, 한국 공개특허공보 제10-2016-0055102호에 개시된 "탄화규소 단결정 웨이퍼 및 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법", 한국 공개특허공보 제10-2017-0099958호에 개시된 "탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 잉곳" 등이 있다.
본 발명의 목적은 우수한 품질의 탄화규소 잉곳, 이의 제조방법 및 탄화규소 웨이퍼의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳은, 본체부 일단면과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 타단면 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부;를 포함하고,
상기 일단점은 상기 본체부 타단면의 일단에 위치하는 일점이고,
상기 타단점은 상기 본체부 타단면의 말단에 위치하는 일점이고,
상기 일단점과 상기 돌출부의 최고점, 그리고 상기 타단점은 상기 본체부 일단면과 수직한 동일 평면상에 위치하고,
상기 동일 평면과 상기 돌출부의 표면의 교선에 해당하는 호의
곡률반경은 하기 수학식 1로 표시될 수 있다.
[수학식 1]
3D ≤ r ≤ 37D
상기 수학식 1에서, r은 상기 호의 곡률반경이고, 상기 D는 상기 동일 평면과 상기 본체부 일단면의 교선 길이이다.
상기 본체부 일단은 탄화규소 종자정과 연결된 것일 수 있다.
상기 본체부는 상기 본체부 일단면과 수직이고 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 축을 갖는 통 형상이고,
상기 통 형상은 상기 축을 따라 상기 본체부 일단면에서 상기 본체부 타단면 방향으로 상기 본체부 단면의 면적이 동일하거나 증가할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳 표면의 핏(pit) 결함 밀도는 10,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 4H-SiC 결정구조를 갖고, (0001)면에 대한 오프각을 0 내지 10도에서 선택된 각도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면에 대한 오프각을 8도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면에 대한 오프각을 4도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면에 대한 오프각을 0도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도일 수 있다.
상기 본체부 일단면의 직경은 4 인치 이상일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳은, 본체부 일단면과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 타단면 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부;를 포함하고,
상기 본체부 일단면과 수직이고, 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 제1기준선;
상기 제1기준선과 평행하고, 상기 제1기준선으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 가장자리와 접하는 제2기준선;
상기 본체부 일단면과 평행하고, 상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점을 지나는 제3기준선; 및
상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점과 상기 일단면으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 최고점을 지나는 제4기준선을 갖고,
상기 제3기준선과 제4기준선의 사이각은 0.5 도 내지 10 도일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 4H-SiC 결정구조를 갖고, (0001)면에 대한 오프각을 0 내지 10도에서 선택된 각도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳 표면의 핏(pit) 결함 밀도는 10,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 또 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조방법은, 반응용기 내부공간에 탄화규소 원료 및 탄화규소 종자정이 이격되도록 배치하는 준비단계; 및
상기 내부공간의 온도, 압력, 기체 분위기를 조절하여 상기 탄화규소 원료를 승화시키고, 상기 탄화규소 종자정 상에 탄화규소 잉곳을 형성하는 성장단계를 포함하고,
상기 반응용기는 외면을 둘러싸는 단열재와, 상기 단열재 외부에 구비된 가열수단을 포함하고,
상기 단열재의 밀도는 0.14 g/cc 내지 0.28 g/cc이고,
상기 단열재의 두께는 20 mm 내지 300 mm 일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 본체부 일단면과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부;를 포함하고,
상기 일단점은 상기 본체부 타단면의 일단에 위치하는 일점이고,
상기 타단점은 상기 본체부 타단면의 말단에 위치하는 일점이고,
상기 일단점과 상기 돌출부의 최고점, 그리고 상기 타단점은 상기 본체부 일단면과 수직한 동일 평면상에 위치하고,
상기 동일 평면과 상기 돌출부의 표면의 교선에 해당하는 호의 곡률반경은 하기 수학식 1로 표시될 수 있다.
[수학식 1]
3D ≤ r ≤ 37D
상기 수학식 1에서, r은 상기 호의 곡률반경이고, 상기 D는 상기 동일 평면과 상기 본체부 일단면의 교선 길이이다.
상기 탄화규소 잉곳은 본체부 일단면과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부;를 포함하고,
상기 본체부 일단면과 수직이고, 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 제1기준선;
상기 제1기준선과 평행하고, 상기 제1기준선으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 가장자리와 접하는 제2기준선;
상기 본체부 일단면과 평행하고, 상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점을 지나는 제3기준선; 및
상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점과 상기 일단면으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 최고점을 지나는 제4기준선을 갖고,
상기 제3기준선과 제4기준선의 사이각은 0.5 도 내지 10 도일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 또 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은, 상기 탄화규소 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
상기 연삭된 탄화규소 잉곳을 절단하여 탄화규소 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함한다.
본 발명의 탄화규소 잉곳 및 이의 제조방법은 결정 성장의 온도 구배를 정밀하게 제어할 수 있고 보다 우수한 특성의 탄화규소 잉곳을 제공할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳의 정면도.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳의 사시도.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳의 단면과 탄화규소 잉곳 돌출부의 곡률반경을 도시한 개념도.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳의 단면과 제1 내지 제4기준선들을 도시한 개념도.
도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조장치의 단면을 도시한 개념도.
도 6은 핏 결함 밀도가 20,000 /cm2인 탄화규소 잉곳 표면(a) 및 본 명세서의 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 표면(b)의 핏 결함을 촬영한 사진.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 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, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 발명자들은 보다 결함이 적고 고품질의 탄화규소 잉곳을 제조하는 방법을 연구하던 중, 물리적 기상 수송법(PVT)을 적용하여 탄화규소를 성장시키는 것은 온도의 제어가 중요하고, 이러한 온도의 제어는 도가니 본체와 시드 홀더에 대한 제어도 중요하나, 반응챔버 내에 상기 도가니 본체 등과 함께 위치하게 되는 단열재와 관련된 제어도 중요하며, 이를 통해 보다 우수한 품질의 탄화규소를 제조할 수 있다는 점을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳(100)은, 본체부(100) 일단면(111)과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면(112)을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 타단면 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부(120);를 포함하고,
상기 일단점(A1)은 상기 본체부 타단면의 일단에 위치하는 일점이고,
상기 타단점(A2)은 상기 본체부 타단면의 말단에 위치하는 일점이고,
상기 일단점과 상기 돌출부의 최고점(A3), 그리고 상기 타단점은 상기 본체부 일단면과 수직한 동일 평면상에 위치하고,
상기 동일 평면과 상기 돌출부의 표면의 교선에 해당하는 호(C1)의 곡률반경은 하기 수학식 1로 표시될 수 있다.
[수학식 1]
3D ≤ r ≤ 37D
상기 수학식 1에서, r은 상기 호의 곡률반경이고, 상기 D는 상기 동일 평면과 상기 본체부 일단면의 교선 길이이다.
상기 탄화규소 잉곳(100)의 본체부(110) 및 돌출부(120)는 후술할 탄화규소 제조방법을 통해 탄화규소 종자정(130)으로부터 연속적으로 성장된 것이고, 본 명세서에서는 탄화규소 잉곳의 만곡된 표면인 성장종결 부분을 설명하기 위해 본체부 및 돌출부로 구분하였으나, 상기 본체부 및 돌출부는 연속된 동일한 결정임을 양지해야 한다.
상기 본체부(110)의 일단은 탄화규소 종자정(130)과 연속적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 본체부(100)는 상기 본체부 일단면(111)과 수직이고 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 축을 갖는 통 형상일 수 있고, 상기 통 형상은 상기 축을 따라 상기 본체부 일단면(111)에서 상기 본체부 타단면(112) 방향으로 상기 본체부 단면의 면적이 동일하거나 증가할 수 있다.
상기 본체부(100) 일단면(111)은 탄화규소 종자정(130)의 일단면과 동일할 수 있고, 원형일 수 있다.
상기 본체부(100)는 상기 본체부 일단면(111)과 타단면(112)이 평행한 것일 수 있고, 원기둥, 원뿔대, 빗원기둥 및 빗원뿔대로 이루어진 군 중 선택된 1종의 형태일 수 있다.
상기 돌출부(120)는 상기 본체부(110) 타단면(112)에서 연장되어 볼록하게 만곡된 부분에 해당하고, 그 표면에 곡면이 형성되어 있을 수 있다.
상기 돌출부(120)의 곡면은 곡률 편차가 매우 작은, 구의 일부 형태에 근사할 수 있다.
상기 일단점(A1) 및 타단점(A2)을 잇는 직선(미도시)은 상기 최고점(A3)으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 본체부 타단면(112)의 점(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 곡선(C1)은 상기 본체부(110) 타단면(111)의 일단점(A1)에서 상기 돌출부의 표면을 따라 상기 돌출부의 최고점(A3)을 거쳐 상기 본체부 타단면(112)의 타단점(A2)으로 이루어지는 곡선일 수 있고, 상기 일단점, 타단점 및 최고점은 상기 본체부 일단면과 수직한 동일 평면상에 위치할 수 있다.
상기 곡선(C1)은 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 본체부(110)의 일단면(111)과 수직인 상기 탄화규소 잉곳(100)의 최대단면 상에서, 상기 돌출부와 본체부가 인접하는 일 점에서 상기 돌출부의 상부 둘레를 따라 상기 돌출부와 본체부가 인접하는 타 점으로 이루어지는 곡선에 해당하는 것일 수 있다.
상기 곡선(C1)은 상기 본체부(110) 타단면(112)이 원형일 경우, 상기 타단면 내 직경(D′)에 해당하는 직경선의 일단점에서 상기 돌출부(120)의 표면을 따라 상기 돌출부의 최고점(A3)을 거쳐 상기 직경선의 타단점으로 이루어지는 곡선일 수 있다.
상기 돌출부(120)의 최고점(A3)은 상기 본체부(110) 일단면(111)으로부터 수직 거리가 가장 먼 상기 돌출부의 위치일 수 있고, 상기 탄화규소 잉곳(100)의 본체부 최하단으로부터 높이를 측정할 때 최상단에 해당하는 위치일 수 있다.
상기 곡선(C1)의 곡률반경은 3D 내지 37D일 수 있고, 4D 내지 28D일 수 있고, 5D 내지 19D일 수 있으며, 5.4D 내지 9D일 수 있다. 이 때, 상기 D는 기술한 바와 같이 상기 동일 평면과 상기 본체부 일단면의 교선(두 평면이 교차하는 선) 길이일 수 있고, 상기 본체부 일단면이 원형일 경우 상기 본체부 일단면의 직경일 수 있으며, 상기 본체부 일단면과 접하는 탄화규소 종자정(130)의 직경에 해당할 수 있다. 상기 곡률반경을 만족하는 탄화규소 잉곳(100)은, 성장 시 온도구배가 양호하여 성장율의 편차가 크지 않고, 크랙 및 표면 핏(pit) 등이 저감되어 고품질을 나타낼 수 있다.
상기 곡선(C1)의 곡률반경은 도 3에 도시한 바와 같이 상기 탄화규소 잉곳(100)의 정면에서, 상기 돌출부(110) 표면의 곡선을 곡률이 일정한 원호로 간주하고 측정할 수 있다.
예를 들어, 상기 탄화규소 잉곳(100)을 CCD 및 CMOS 등의 이미지 센서를 통해 상기 돌출부(110)의 디지털 정면 영상을 도시하고, 상기 디지털 정면 영상을 소정 임계 밝기 등의 기준을 통해 이진화하고, 상기 이진화된 돌출부 표면의 곡선 영상으로부터 임의의 세 개 이상의 좌표 샘플을 추출한 다음, 상기 좌표 샘플들을 포함하는 원의 반경을 계산하여, 돌출부의 곡률반경을 근사할 수 있다. 상기 좌표 샘플 추출은 상기 돌출부 표면의 곡선 중, 곡선의 시작영역, 최상단영역, 끝영역을 측정할 수 있다. 상기 과정을 수 회 내지 수십 회 반복하여 계산된 반경 값들의 평균을 도출하여 곡률반경을 측정할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)의 정면에서, 돌출부(110)의 정중앙(센터)의 높이를 하이트게이지로 측정할 수 있고, 상기 탄화규소 잉곳의 외곽(엣지)에서 내부로 5 mm 향한 지점을 측정할 수 있고, 상기 탄화규소 잉곳의 상하좌우를 하이트게이지로 측정할 수 있다. 이렇게 측정한 값을 통해 오토캐드 등으로 상기 탄화규소 잉곳의 정면도를 도시화하고, 탄화규소 잉곳의 돌출부 곡선을 원으로 근사하여 곡률반경을 계산할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 결함이나 다형 혼입이 최소화된 실질적으로 단결정인 4H-SiC 구조일 수 있다.
탄화규소 잉곳의 표면의 형상이 의도와는 달리 오목하게 함몰되어 형성되는 경우, 4H-SiC 결정 이외에 6H-SiC와 같은 다형이 혼입된 것일 수 있고, 이는 탄화규소 잉곳의 품질을 떨어트리는 요인이 될 수 있다. 또한, 탄화규소 잉곳의 표면이 과도하게 만곡되어 돌출되는 경우, 잉곳 자체에 크랙이 발생하거나, 웨이퍼 가공 시 손상될 우려가 있다. 이때, 상기 탄화규소 잉곳이 과도하게 만곡된 형태의 잉곳인지 여부는 기술한 바와 같은 만곡된 부분인 돌출부의 곡률반경을 기준으로 판단한다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 4 인치 이상, 5 인치 이상, 나아가 6 인치 이상의 직경을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은 4 인치 내지 12 인치, 4 인치 내지 10 인치, 4 인치 내지 8 인치의 직경을 가질 수 있다. 상기 탄화규소 잉곳의 제조 시 탄화규소 종자정은 이러한 특성에 따라 적절한 것이 적용될 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 탄화규소 종자정(130)의 C면(000-1) 면에서 성장된 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 통상의 방법으로 탄화규소 웨이퍼로 가공될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄화규소 잉곳을 외경 연삭 장비를 적용하여 잉곳의 외곽 테두리 부분을 다듬고(External Grinding), 소정 오프각과 일정한 두께로 절삭(Slicing)한 후 가장자리 연삭과 표면 연마, 폴리싱 등의 가공이 진행될 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 제조된 웨이퍼는, 상기 탄화규소 잉곳으로부터 (0001)면에 대해 0 내지 10도에서 선택된 어느 한 각도로 오프각을 적용한 웨이퍼를 기준으로, 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도인 것일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -0.3 도 내지 +0.3 도인 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 0 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도인 것일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -0.3 도 내지 +0.3 도인 것일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 4 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도인 것일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -0.3 도 내지 +0.3 도인 것일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 8 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도인 것일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -0.3 도 내지 +0.3 도인 것일 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 오프각에 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(이하, 로킹 각도에서 동일함).
본 명세서에서, 오프각이 X 도라 함은 통상 허용하는 오차범위 내에서 X도로 평가되는 오프각을 갖는다는 것을 의미하며, 예시적으로 (X - 0.05 도) 내지 (X + 0.05 도) 범위의 오프각을 포함한다.
본 명세서에서, 로킹 각도가 “기준각도 대비 -1 내지 +1 도”라 함은 반치전폭 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, 잉곳의 (0001)면에 대해 0 도 내지 8 도의 범위에서 선택된 각도인 오프각을 적용한 웨이퍼들 중, 오프각이 0 도 일 경우, 오메가 각도는 17.8111 도이고, 오프각이 4 도 일 경우, 오메가 각도는 13.811 도, 그리고 오프각이 8 도일 경우, 오메가 각도는 9.8111 도로, 상기 오프각이 0 도 내지 8 도인 웨이퍼들의 오메가 각도는 9.8111 도 내지 17.8111 도 범위이다.
상기 탄화규소 잉곳(100) 표면의 핏(pit) 결함 밀도는 10,000 /cm2 이하일 수 있다.
본 명세서에서, 상기 탄화규소 잉곳의 표면 핏 결함 밀도 측정은, 탄화규소 잉곳 표면에서 패싯을 제외한 중앙부분의 한 곳, 그리고 탄화규소 잉곳 가장자리에서 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 잉곳(100)은 탄화규소 잉곳에서 발생할 수 있는 결함을 줄인 것으로 보다 고품질의 탄화규소 웨이퍼를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳(100)은, 본체부(110) 일단면(111)과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면(112)을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 타단면 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부(120);를 포함하고,
상기 본체부 일단면과 수직이고, 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 제1기준선(L1);
상기 제1기준선과 평행하고, 상기 제1기준선으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 가장자리와 접하는 제2기준선(L2);
상기 본체부 일단면과 평행하고, 상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점을 지나는 제3기준선(L3); 및
상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점과 상기 일단면으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 최고점을 지나는 제4기준선(L4)을 갖고,
상기 제3기준선과 제4기준선의 사이각은 0.5 도 내지 10 도일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)의 본체부(110) 및 돌출부(120)는 후술할 탄화규소 제조방법을 통해 탄화규소 종자정(130)으로부터 연속적으로 성장된 것이고, 본 명세서에서는 탄화규소 잉곳의 만곡된 성장종결 부분을 설명하기 위해 본체부 및 돌출부로 구분하였으나, 상기 본체부 및 돌출부는 연속된 동일한 결정임을 양지해야 한다.
상기 본체부(110)의 일단은 탄화규소 종자정(130)과 연속적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 본체부(110)는 상기 본체부 일단면(111)과 수직이고 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 축을 갖는 통 형상이고, 상기 통 형상은 상기 축을 따라 상기 본체부 일단면에서 상기 본체부 타단면(112) 방향으로 상기 본체부 단면의 면적이 동일하거나 증가할 수 있다.
상기 본체부(100) 일단면(111)은 탄화규소 종자정(130)의 일단면과 동일할 수 있고, 원형일 수 있다.
상기 본체부(110)는 본체부 일단면(111)과 타단면(112)이 평행한 것일 수 있고, 원기둥, 원뿔대, 빗원기둥 및 빗원뿔대로 이루어진 군 중 선택된 1종의 형태일 수 있다.
상기 돌출부(120)는 상기 본체부로부터 연장되어 볼록하게 만곡된 부분에 해당하고, 그 표면에 곡면이 형성되어 있을 수 있다.
상기 돌출부(120)의 곡면은 곡률 편차가 매우 작은, 구의 일부 형태에 근사할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)을 기준선들로 구분하는 것은, 또한 하기와 같이 이루어질 수 있다. 상기 탄화규소 잉곳의 정면을 상기 하이트게이지로 측정한 잉곳 측정값과 오토캐드 등을 통해 정면도로 도시화하고, 상기 정면도 상에서 상기 본체부(110)의 일단면(111)과 수직이고 본체부 일단면의 중심을 지나는 제1기준선(L1), 상기 제1기준선과 평행하고, 상기 제1기준선으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부(120)의 가장자리와 접하는 제2기준선(L2), 상기 본체부 일단면과 평행하고, 상기 가장자리와 제2기준선의 접점을 지나는 제3기준선(L3) 및 상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점과 상기 일단면으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 최고점(A3)을 지나는 제4기준선(L4)으로 구분할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)을 상기와 같이 제1 내지 제4기준선으로 구분하고, 제3기준선(L3) 및 제4기준선(L4) 간 90 도 이하의 사이각을 측정하여, 상기 돌출부(120)의 만곡된 정도를 나타낼 수 있다.
상기 제3기준선(L3) 및 제4기준선(L4) 간 사이각은 0.5 도 내지 10 도일 수 있고, 1 도 내지 8 도 일 수 있으며, 2 도 내지 6 도 일 수 있고, 3.2 도 내지 5 도 일 수 있다. 상기 사이각을 만족하는 탄화규소 잉곳(100)은 성장 시 온도구배가 양호하여 성장율의 편차가 크지 않고, 크랙 및 표면 핏(pit) 등이 저감되어 고품질을 나타낼 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 결함이나 다형 혼입이 최소화된 실질적으로 단결정인 4H-SiC 구조일 수 있다.
탄화규소 잉곳의 표면의 형상이 의도와는 달리 오목하게 함몰되어 형성되는 경우, 4H-SiC 결정 이외에 6H-SiC와 같은 다형이 혼입된 것일 수 있고, 이는 탄화규소 잉곳의 품질을 떨어트리는 요인이 될 수 있다. 또한, 탄화규소 잉곳의 표면이 과도하게 만곡되어 돌출되는 경우, 잉곳 자체에 크랙이 발생하거나, 웨이퍼 가공 시 손상될 우려가 있다. 이때, 상기 탄화규소 잉곳이 과도하게 만곡된 형태의 잉곳인지 여부는 기술한 바와 같은 제1 내지 제4기준선으로 구분한 다음 제3 및 제4기준선의 사이각으로 판단한다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 4 인치 이상, 5 인치 이상, 나아가 6 인치 이상의 직경을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은 4 인치 내지 12 인치, 4 인치 내지 10 인치, 4 인치 내지 8 인치의 직경을 가질 수 있다. 상기 탄화규소 잉곳의 제조 시 탄화규소 종자정은 이러한 특성에 따라 적절한 것이 적용될 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 탄화규소 종자정(130)의 C면(000-1) 면에서 성장된 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 통상의 방법으로 탄화규소 웨이퍼로 가공될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄화규소 잉곳을 외경 연삭 장비를 적용하여 잉곳의 외곽 테두리 부분을 다듬고(External Grinding), 소정 오프각과 일정한 두께로 절삭(Slicing)한 후 가장자리 연삭과 표면 연마, 폴리싱 등의 가공이 진행될 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 제조된 웨이퍼는, 상기 탄화규소 잉곳으로부터 (0001)면에 대해 0 내지 10도에서 선택된 어느 한 각도로 오프각을 적용한 웨이퍼를 기준으로, 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도인 것일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.1 도 내지 +0.1 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -0.05 도 내지 +0.05 도인 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 0 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.1 도 내지 +0.1 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.05 도 내지 +0.05 도일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 4 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.1 도 내지 +0.1 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.05 도 내지 +0.05 도일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 8 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.1 도 내지 +0.1 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.05 도 내지 +0.05 도일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
상기 로킹 각도, 오프각이 X 도인 의미, 로킹 각도가 “기준각도 대비 -1 내지 +1 도”인 의미, 오메가 각도 및 그 취급은 앞서 기술한 바와 동일할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100) 표면의 핏(pit) 결함 밀도는 10,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100) 표면의 핏 결함 측정은 앞서 기술한 바와 동일할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 탄화규소 잉곳에서 발생할 수 있는 결함을 줄인 것으로 보다 고품질의 탄화규소 웨이퍼를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳(100) 제조방법은, 반응용기(200) 내부공간에 탄화규소 원료(300) 및 탄화규소 종자정(130)이 이격되도록 배치하는 준비단계; 및
상기 내부공간의 온도, 압력, 기체 분위기를 조절하여 상기 탄화규소 원료를 승화시키고, 상기 탄화규소 종자정 상에 탄화규소 잉곳(100)을 형성하는 성장단계를 포함하고,
상기 반응용기는 외면을 둘러싸는 단열재(400)와, 상기 단열재 외부에 구비된 가열수단(500)을 포함하고,
상기 단열재의 밀도는 0.14 g/cc 내지 0.28 g/cc일 수 있다.
상기 준비단계는 도 5에 도시한 바와 같은 반응용기(200) 내 하부에 탄화규소 원료(300)를 배치하고, 상기 반응용기 상부에 탄화규소 종자정(130)을 배치하여, 후속 성장단계에서 하부 탄화규소 원료가 상부 탄화규소 종자정에 승화하여 잉곳이 형성될 수 있도록 준비하는 단계이다.
상기 반응용기(200)는 탄화규소 잉곳 성장반응에 적절한 용기라면 적용될 수 있고, 구체적으로 그라파이트 도가니가 적용될 수 있다.
예를 들어, 상기 반응용기(200)는 내부공간과 개구부를 포함하는 본체(미도시) 및 상기 개구부와 대응되어 상기 내부공간을 밀폐하는 덮개(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 도가니 덮개는 상기 도가니 덮개와 일체로 또는 별도로 종자정 홀더(미도시)를 더 포함할 수 있고, 상기 종자정 홀더 상에 탄화규소 종자정(130)이 위치할 수 있다.
상기 반응용기(200)는 단열재(400)에 의해 둘러싸여 고정될 수 있고, 석영관과 같은 반응챔버(420) 내에 상기 반응용기를 둘러싼 단열재가 위치하도록 할 수 있으며, 상기 단열재 및 반응챔버 외부에 구비된 가열수단(500)에 의해 상기 반응용기(200) 내부공간의 온도를 제어할 수 있다.
탄화규소 잉곳의 성장은 상기 반응용기(200)의 크기와 종류, 원료에 따라 상이할 수 있고, 성장단계에서 상기 반응용기 내부공간의 온도구배 등에 따라서도 탄화규소 잉곳의 품질이 변화할 수 있다. 또한, 상기 반응용기의 단열 정도에 따라서 탄화규소 잉곳의 품질이 달라질 수 있고, 이에 상기 단열재의 특성도 주요 요인 중 하나이다. 즉, 단열재의 적용에 따라, 성장단계에서 상기 반응용기 내부의 온도구배가 달라질 수 있다.
상기 단열재(400)는 그 밀도가 0.14 g/cc 내지 0.28 g/cc일 수 있고, 0.14 g/cc 내지 0.25 g/cc일 수 있으며, 0.14 g/cc 내지 0.19 g/cc일 수 있다. 상기 단열재의 밀도가 0.14 g/cc 미만인 경우, 후속 단계에서 탄화규소 잉곳의 성장 부분이 오목하게 만곡되어 함몰될 수 있고, 6H-SiC 다형이 발생하여 잉곳의 품질이 저하될 수 있다. 상기 단열재의 밀도가 0.28 g/cc 초과인 경우, 탄화규소 잉곳의 성장 부분이 과도하게 만곡되어 돌출될 수 있고, 가장자리의 성장율이 낮아 수율이 감소하거나 잉곳의 크랙 발생이 증가할 우려가 있다. 상기 단열재는 0.14 g/cc 내지 0.24 g/cc 밀도 범위에서 보다 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있고, 0.14 g/cc 내지 0.19 g/cc 밀도 범위에서 결정성장 분위기를 제어하고 보다 우수한 품질의 잉곳을 성장시킬 수 있다.
상기 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 잉곳 크랙 발생을 보다 감소시킬 수 있다.
상기 단열재(400)는 압축강도가 0.2 Mpa 이상일 수 있고, 0.48 Mpa 이상일 수 있으며, 0.8 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 단열재(400)는 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 단열재(400)는 탄소계 펠트를 포함할 수 있고, 구체적으로 그라파이트 펠트를 포함할 수 있으며, 레이온계 그라파이트 펠트 또는 피치계 그라파이트 펠트를 포함할 수 있다.
상기 단열재(400)는 두께가 20 mm 이상일 수 있고, 30 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 단열재(400)는 두께가 300 mm 이하일 수 있고, 200 mm 이하일 수 있으며, 150 mm 이하일 수 있다. 이러한 두께 범위를 만족하는 단열재는 자원 낭비를 최소화하고 단열 효과를 충분하게 얻을 수 있다.
상기 반응용기(200)로 도가니를 적용할 시, 상기 도가니의 두께가 10 mm 이상일 수 있고, 12 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 도가니는 두께가 30 mm 이하일 수 있고, 20 mm 이하일 수 있으며, 15 mm 이하일 수 있다. 이러한 두께 범위를 만족하는 도가니는 발열 효율이 좋아 전력 낭비를 최소화하고 발열 효과를 충분하게 얻을 수 있다.
상기 성장단계는 상기 반응용기(200) 내부공간의 온도, 압력 및 기체 분위기를 조절하여 상기 탄화규소 원료(130)를 승화시키고, 상기 탄화규소 종자정(130) 상에 탄화규소 잉곳이 형성되도록 하는 단계이다.
상기 성장단계는 상기 가열수단(500)에 의해 상기 반응용기(200) 및 반응용기의 내부공간을 가열하여 진행될 수 있고, 상기 가열과 동시에 또는 별도로 감압하고, 불활성 기체를 소정 주입하며 탄화규소 결정의 성장을 유도할 수 있다.
상기 성장단계는 2000 ℃ 내지 2500 ℃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 탄화규소 종자정(130)은 성장시키려는 탄화규소 잉곳의 특성에 따라 달리 적용될 수 있고, 예를 들어 4H-SiC 웨이퍼, 6H-SiC 웨이퍼, 3C-SiC 웨이퍼, 15R-SiC 웨이퍼 등이 적용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄화규소 종자정(130)은 성장시키려는 탄화규소 잉곳의 크기에 따라 달리 적용될 수 있다. 상기 탄화규소 잉곳의 직경은 4 인치 이상일 수 있고, 구체적으로 5인치 이상, 나아가 6인치 이상일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳의 직경은 4 인치 내지 12 인치, 4 인치 내지 10 인치, 4 인치 내지 8 인치일 수 있다. 상기 탄화규소 종자정은 이러한 잉곳의 특성에 따라 적절한 것이 적용될 수 있다.
상기 탄화규소 종자정(130)은 4H-SiC 단결정을 성장시킬 수 있는 것으로 적용할 수 있고, 예를 들어 탄화규소 잉곳이 성장하는 전면이 C면(000-1)인 4H-SiC 결정의 종자정이 적용될 수 있다.
상기 탄화규소 원료(300)는 탄소원과 규소원을 갖는 분말 형태가 적용될 수 있고, 상기 분말이 서로 연결되도록 네킹 처리한 원료 또는 표면을 탄화 처리한 탄화규소 분말 등이 적용될 수 있다.
상기 성장단계에서 형성되는 탄화규소 잉곳(100)은 4H-SiC 결정으로 이루어질 수 있고, 상기 탄화규소 원료(300)와 대향하는 성장부분의 표면이 만곡되어 돌출된 형태 또는 평평한 형태일 수 있다.
상기 제조방법으로 제조된 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.
탄화규소 잉곳의 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.
상기 제조방법으로 제조된 탄화규소 잉곳(100)이 과도하게 볼록한 형태의 잉곳인지 여부는 기술한 바와 같은 만곡된 부분인 돌출부의 곡률반경을 기준으로 판단할 수 있고, 기술한 바와 같은 제1 내지 제4기준선으로 구분한 다음 제3 및 제4기준선의 사이각으로 판단할 수 있다.
상기 제조방법으로 제조된 탄화규소 잉곳(100)은 탄화규소 잉곳에서 발생할 수 있는 결함을 최소화한 것으로 보다 고품질의 탄화규소 웨이퍼를 제공할 수 있다.
상기 제조방법으로 제조된 탄화규소 잉곳(100)은 기술한 바와 같은 방법으로 웨이퍼로 가공될 수 있다.
상기 제조방법으로 제조된 탄화규소 잉곳으로부터 (0001)면에 대해 0 내지 10도에서 선택된 어느 한 각도로 오프각을 적용한 웨이퍼를 기준으로, 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도인 것일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.1 도 내지 +0.1 도인 것일 수 있고, 기준각도 대비 -0.05 도 내지 +0.05 도인 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 제조방법으로 제조된 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 0 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.1 도 내지 +0.1 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.05 도 내지 +0.05 도일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
구체적으로, 상기 제조방법으로 제조된 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 4 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.1 도 내지 +0.1 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.05 도 내지 +0.05 도일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
구체적으로, 상기 제조방법으로 제조된 탄화규소 잉곳(100)으로부터 (0001)면에 대해 오프각이 8 도인 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.5 도 내지 +0.5 도일 수 있으며, 기준각도 대비 -0.1 도 내지 +0.1 도일 수 있고, 기준각도 대비 -0.05 도 내지 +0.05 도일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
상기 로킹 각도, 오프각이 X 도인 의미, 로킹 각도가 “기준각도 대비 -1 내지 +1 도”인 의미, 오메가 각도 및 그 취급은 앞서 기술한 바와 동일할 수 있다.
상기 제조방법으로 제조된 탄화규소 잉곳(100) 표면의 핏(pit) 결함 밀도는 10,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100) 표면의 핏 결함 측정은 앞서 기술한 바와 동일할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은
상기 탄화규소 잉곳(100)의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
상기 연삭된 탄화규소 잉곳을 절단하여 탄화규소 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함한다.
상기 연삭단계는 상기 탄화규소 잉곳(100)의 가장자리에서 내부 방향으로, 그 단면 면적의 5 % 이상이 연삭될 수 있다.
상기 연삭단계는 상기 탄화규소 잉곳(100)의 본체부 일단면(111)에서 본체부 타단면(112) 방향, 중심축 방향으로 균일한 단면을 갖도록 연삭할 수 있다.
상기 절단단계는 상기 탄화규소의 일단면(111) 또는 (0001)면과 소정 오프 각을 갖도록 절단될 수 있다.
상기 절단단계의 오프 각은 0 도 내지 10 도일 수 있다.
상기 절단단계는 상기 웨이퍼의 두께가 300 μm 내지 600 μm가 되도록 진행될 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계 이후 마련된 웨이퍼의 두께를 평탄화하는 평탄화단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계 이후 마련된 웨이퍼의 가장자리를 연삭하는 연삭단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계 이후 마련된 웨이퍼의 표면을 에칭하고 연마하는 표면처리단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 평탄화단계, 연삭단계 및 표면처리단계는 통상의 방법에 따라 적절한 순서로 이루어질 수 있고, 평탄화단계-연삭단계-표면처리단계 순으로 이루어질 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼의 제조방법으로 마련된 웨이퍼의 특징은 기술한 바와 동일하다.
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.
탄화규소 잉곳의 성장
도 5에 탄화규소 잉곳 제조장치의 일례를 도시한 바와 같이, 반응용기(200) 내부공간에 하부에 탄화규소 원료(300)를 장입하고, 그 상부에 탄화규소 종자정(130)을 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 표 1에 제시된 특징을 갖는 단열재(400)로 둘러싼 뒤, 가열수단(500)인 가열 코일이 구비된 반응챔버(420) 내에 반응용기를 배치하였다. 상기 단열재로는 모간 사의 Rigid Felt를 적용했으며, 그 두께는 30 mm 내지 100 mm이었다.
상기 반응용기(200) 내부공간을 감압하여 진공 분위기로 조절하고, 아르곤 가스를 주입하여 상기 내부공간이 대기압에 도달하도록 한 다음, 다시 내부공간을 감압시켰다. 동시에, 내부공간의 온도를 2300 ℃까지 승온시켰다.
2300 ℃의 온도와 20 torr의 압력 조건 하에서 100 시간 동안 탄화규소 원료와 대향하는 탄화규소 종자정 면에 탄화규소 잉곳을 성장시켰다.
탄화규소 잉곳의 물성 평가
1) 곡률반경 평가: 탄화규소 잉곳(100)의 정면에서, 돌출부(110)의 최대높이를 하이트게이지로 측정하였고, 상기 탄화규소 잉곳의 외곽(엣지)에서 내부로 5 mm 향한 지점을 측정하였고, 상기 탄화규소 잉곳의 상, 하, 좌, 우를 하이트게이지로 측정하였다. 그리고 상기 돌출부와 본체부가 접하는 가장자리의 일 점(A1), 상기 돌출부의 최고점(A3), 상기 돌출부와 본체부가 접하는 가장자리의 타 점(A2)이 포함되되, 상기 탄화규소 잉곳의 일단면(111)과 수직인 정면도를 오토캐드를 통해 도시화하고, 상기 정면도에서 탄화규소 잉곳의 돌출부 곡선을, 상기 세 점(A1, A2, A3)을 포함하는 원호로 근사하여 곡률반경을 계산하였다. 또한, 상기 정면도에서 본체부 하단 폭에 해당하는, 상기 원호를 포함하는 평면과 상기 잉곳 일단면의 교선 길이 D를 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타냈다.
2) 제3 및 제4기준선의 사이각 평가: 상기 1)에서 도시화된 정면도 상에서 상기 본체부(110)의 일단면(111)과 수직이고 본체부 일단면의 중심을 지나는 제1기준선(L1), 상기 제1기준선과 평행하고, 상기 제1기준선으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부(120)의 가장자리와 접하는 제2기준선(L2), 상기 본체부 일단면과 평행하고, 상기 가장자리와 제2기준선의 접점을 지나는 제3기준선(L3) 및 상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점과 상기 일단면으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 최고점(A3)을 지나는 제4기준선(L4)으로 구분하였다. 그리고 상기 제3기준선과 제4기준선의 사이각(90 도 미만)을 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타냈다.
3) 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 2에 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 오프각에 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 2에 나타냈다.
하기 결과는 웨이퍼의 중앙부와 가장자리에서 5 mm 이내 부분을 제외한 표면을 3등분하여, 각 부분에서 최소한 3번 이상을 측정한 결과를 평균하여 나타냈다.
4) 다형혼입 여부: 성장시킨 잉곳의 다형혼입 여부는 자외선 유도 발광 이미지 분석 방법으로 평가하였다. 다형혼입이 있는 경우는 fail, 다형혼입이 관찰되지 않은 경우는 pass로 평가하여 표 1에 나타냈다.
5) 잉곳 표면 핏 결함: 잉곳 표면에서 패싯을 제외한 중앙부 중 정중앙인 한곳과, 잉곳 가장자리에서 중앙부로 10mm 안쪽에 위치하되, 각각 3 시, 6 시, 9 시, 그리고 12 시 방향의 네 곳으로, 총 5 곳을 광학현미경으로 핏 측정 후 평균 값을 하기 표 1의 핏 값으로 제시했다.
Felt 밀도 [g/cc] 잉곳 일단면 교선D(mm) 곡률반경(mm) 사이각(°) 잉곳 표면 핏 결함 밀도(/cm2) 다형혼입
실시예 1 0.16 150 1230 3.5 4,000 Pass
실시예 2 0.16 150 1345 3.2 5,000 Pass
실시예 3 0.17 150 1077 4 5,000 Pass
실시예 4 0.17 125 763 4.8 8,000 Pass
실시예 5 0.17 100 540 5 10,000 Pass
실시예 6 0.25 150 586 4.9 9,600 Pass
비교예 1 0.13 100 253 11 15,000 Fail
비교예 2 0.29 100 236 11.3 24,000 Fail
오프각(Wafer Off angle) XRD [11-20]
피크각도
(angle at Max Intensity)		 로킹 앵글
(Rocking angle)		 피크각도
(angle at Max Intensity)		 로킹 앵글
(Rocking angle)		 피크각도
(angle at Max Intensity)		 로킹 앵글
(Rocking angle)
실시예 1 0° 17.811° ±0.05° - - - -
실시예 2 0° 17.811° ±0.05° - -
실시예 3 4° - - 13.811° ±0.06° - -
실시예 4 4° - - 13.811° ±0.11° - -
실시예 5 8° - - - - 9.811° ±0.15°
실시예 6 4° 13.811° ±0.1°
비교예 1 0° 17.811° ±1.8° - - - -
비교예 2 0° 17.811° ±1.7° - - - -
상기 표 1과 표 2를 참고하면, 본 명세서에서 개시하는 실시예에 따른 샘플들이 비교예 대비 전체적으로 물성이 우수하며, 특히 로킹 각도의 면에서 월등하게 우수한 결과를 보여주었다.
적용하는 단열재 펠트의 밀도에 따라 제조된 동일한 조건에서 성장시킨 탄화규소 잉곳의 곡률 정도, 사이각 및 잉곳 표면 핏 결함 밀도에 비교적 큰 차이를 보였으며, 이는 성장단계의 제어가 펠트의 밀도와 연관된다는 것을 보여주는 결과라 생각된다.
0 내지 8도 사이에서 선택된 잉곳 (0001)면을 기준으로 하는 오프각을 적용한 웨이퍼의 결정 품질에서도 차이를 보이며, 특히 로킹 앵글에서 큰 차이를 보여주었음을 알 수 있다.
도 6 (a)는 핏 결함 밀도가 20,000 /cm2인 잉곳 표면을 촬영한 사진이고, 도 6 (b)는 실시예 6의 잉곳 표면을 촬영한 사진이며, 결함 밀도가 확연하게 감소한 것을 알 수 있다.
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.
100: 탄화규소 잉곳 110: 본체부
111: 본체부 일단면 112: 본체부 타단면
120: 돌출부 130: 탄화규소 종자정
200: 반응용기 300: 탄화규소 원료
400: 단열재 420: 반응챔버
500: 가열수단

Claims (16)

  1. 본체부 일단면과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 타단면 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부;를 포함하고,
    상기 본체부 타단면은 일단점 그리고 타단점을 포함하고,
    상기 일단점은 상기 본체부 타단면의 일단에 위치하는 일점이고,
    상기 타단점은 상기 본체부 타단면의 말단에 위치하는 일점이고,
    상기 일단점과 상기 돌출부의 최고점, 그리고 상기 타단점은 상기 본체부 일단면과 수직한 동일 평면상에 위치하고,
    상기 동일 평면과 상기 돌출부의 표면의 교선에 해당하는 호의 곡률반경은 하기 수학식 1로 표시되는, 탄화규소 잉곳;
    [수학식 1]
    3D ≤ r ≤ 37D
    상기 수학식 1에서, r은 상기 호의 곡률반경이고, 상기 D는 상기 동일 평면과 상기 본체부 일단면의 교선 길이이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체부 일단은 탄화규소 종자정과 연결된 것인, 탄화규소 잉곳.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는 상기 본체부 일단면과 수직이고 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 축을 갖는 통 형상이고,
    상기 통 형상은 상기 축을 따라 상기 본체부 일단면에서 상기 본체부 타단면 방향으로 상기 본체부 단면의 면적이 동일하거나 증가하는, 탄화규소 잉곳.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳 표면의 핏(pit) 결함 밀도는 10,000 /cm2 이하인, 탄화규소 잉곳.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳은 4H-SiC 결정구조를 갖고, (0001)면에 대한 오프각을 0 내지 10도에서 선택된 각도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인, 탄화규소 잉곳.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면에 대한 오프각을 8도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인, 탄화규소 잉곳.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면에 대한 오프각을 4도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인, 탄화규소 잉곳.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면에 대한 오프각을 0도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 도 내지 +1.0 도인, 탄화규소 잉곳.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 본체부 일단면의 직경은 4 인치 이상인, 탄화규소 잉곳.
  10. 본체부 일단면과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 타단면 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부;를 포함하고,
    상기 본체부 일단면과 수직이고, 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 제1기준선;
    상기 제1기준선과 평행하고, 상기 제1기준선으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 가장자리와 접하는 제2기준선;
    상기 본체부 일단면과 평행하고, 상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점을 지나는 제3기준선; 및
    상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점과 상기 일단면으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 최고점을 지나는 제4기준선을 갖고,
    상기 제3기준선과 제4기준선의 사이각은 0.5 도 내지 10 도인, 탄화규소 잉곳.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳은 4H-SiC 결정구조를 갖고, (0001)면에 대한 오프각을 0 내지 10도에서 선택된 각도로 적용한 상기 탄화규소 잉곳의 웨이퍼가 갖는 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 도 내지 +1.5 도인, 탄화규소 잉곳.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳 표면의 핏(pit) 결함 밀도는 10,000 /cm2 이하인, 탄화규소 잉곳.
  13. 반응용기 내부공간에 탄화규소 원료 및 탄화규소 종자정이 이격되도록 배치하는 준비단계; 및
    상기 내부공간의 온도, 압력, 기체 분위기를 조절하여 상기 탄화규소 원료를 승화시키고, 상기 탄화규소 종자정 상에 탄화규소 잉곳을 형성하는 성장단계를 포함하고,
    상기 반응용기는 외면을 둘러싸는 단열재와, 상기 단열재 외부에 구비된 가열수단을 포함하고,
    상기 단열재의 밀도는 14 g/cc 내지 28 g/cc이고,
    상기 단열재의 두께는 20 mm 내지 300 mm이고,
    상기 탄화규소 잉곳은 본체부 일단면과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면을 포함하는 본체부; 및
    상기 본체부 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부;를 포함하고,
    상기 일단점은 상기 본체부 타단면의 일단에 위치하는 일점이고,
    상기 타단점은 상기 본체부 타단면의 말단에 위치하는 일점이고,
    상기 일단점과 상기 돌출부의 최고점, 그리고 상기 타단점은 상기 본체부 일단면과 수직한 동일 평면상에 위치하고,
    상기 동일 평면과 상기 돌출부의 표면의 교선에 해당하는 호의 곡률반경은 하기 수학식 1로 표시되는,
    탄화규소 잉곳의 제조방법;
    [수학식 1]
    3D ≤ r ≤ 37D
    상기 수학식 1에서, r은 상기 호의 곡률반경이고, 상기 D는 상기 동일 평면과 상기 본체부 일단면의 교선 길이이다.
  14. 삭제
  15. 반응용기 내부공간에 탄화규소 원료 및 탄화규소 종자정이 이격되도록 배치하는 준비단계; 및
    상기 내부공간의 온도, 압력, 기체 분위기를 조절하여 상기 탄화규소 원료를 승화시키고, 상기 탄화규소 종자정 상에 탄화규소 잉곳을 형성하는 성장단계를 포함하고,
    상기 반응용기는 외면을 둘러싸는 단열재와, 상기 단열재 외부에 구비된 가열수단을 포함하고,
    상기 단열재의 밀도는 0.14 g/cc 내지 0.28 g/cc이고,
    상기 단열재의 두께는 20 mm 내지 300 mm 이고,
    상기 탄화규소 잉곳은 본체부 일단면과 상기 본체부 일단면과 마주보는 본체부 타단면을 포함하는 본체부; 및 상기 본체부 상에 위치하며 상기 본체부 타단면을 기준으로 만곡된 표면을 갖는 돌출부;를 포함하고,
    상기 본체부 일단면과 수직이고, 상기 본체부 일단면의 중심을 지나는 제1기준선;
    상기 제1기준선과 평행하고, 상기 제1기준선으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 가장자리와 접하는 제2기준선;
    상기 본체부 일단면과 평행하고, 상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점을 지나는 제3기준선; 및
    상기 가장자리와 상기 제2기준선의 접점과 상기 일단면으로부터 수직거리가 가장 먼 상기 돌출부의 최고점을 지나는 제4기준선을 갖고,
    상기 제3기준선과 제4기준선의 사이각은 0.5 도 내지 10 도인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  16. 제1항에 따른 탄화규소 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
    상기 연삭된 탄화규소 잉곳을 절단하여 탄화규소 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함하는, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법.
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