KR102239736B1 - 탄화규소 잉곳의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄화규소 잉곳 - Google Patents

탄화규소 잉곳의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄화규소 잉곳 Download PDF

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Abstract

탄화규소 잉곳의 제조과정 중, 본격적으로 잉곳을 성장시키는 단계에서, 반응용기 내부에서 외부 방향으로 경사진 각도를 갖는 가이드를 구비하고, 가열수단을 소정 속도로 이동시켜 반응용기 내부의 온도 분포를 잉곳의 성장에 따라 변화시키는 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳 제조용 시스템 및 이에 따라 제조된 탄화규소 잉곳에 관한 것이다.

Description

탄화규소 잉곳의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄화규소 잉곳{MANUFACTURING METHOD FOR SILICON CARBIDE INGOT AND SILICON CARBIDE INGOT MANUFACTURED THEREBY}
구현예는 탄화규소 잉곳의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄화규소 잉곳에 관한 것이다.
탄화규소는 내열성 및 기계적 강도가 우수하고, 물리적, 화학적으로 안정적이므로, 반도체 재료로 주목받고 있다. 최근에, 고전력 소자 등의 기판으로 탄화규소 단결정 기판의 수요가 높아지고 있다.
이러한 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, 도가니의 유도가열 시 온도 구배 조건, 가열수단의 상대 위치, 도가니 상하부 온도차 등에 따라 도가니 내부의 온도 분포가 변화하여, 제조되는 탄화규소 잉곳의 품질에 영향을 줄 수 있다.
이에, 탄화규소 잉곳의 결정 품질을 향상시키고, 잉곳 제조 재현성을 확보하기 위해 성장단계에서 도가니 내부의 온도 분포에 영향을 줄 수 있는 인자에 대해 충분히 고려할 필요가 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 구현예의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
관련 선행기술로, 한국 공개특허공보 제10-2013-0124023호에 개시된 "대구경 단결정 성장장치 및 이를 이용하는 성장방법"이 있다.
구현예의 목적은 탄화규소 잉곳의 제조과정 중, 탄화규소 잉곳의 성장 시 형태를 유도하는 가이드부를 마련하여, 양호한 품질을 나타내도록 하는 탄화규소 잉곳 제조방법 및 탄화규소 잉곳 제조용 시스템을 제공하는 데 있다.
구현예의 다른 목적은 탄화규소 잉곳의 제조과정 중, 본격적으로 잉곳을 성장시키는 단계에서, 가열수단을 소정 속도로 이동시켜 반응용기 내부의 온도 분포를 잉곳의 성장에 따라 변화시키는 탄화규소 잉곳의 제조방법 및 탄화규소 잉곳 제조용 시스템을 제공하는 데 있다.
구현예의 목적은 상기 탄화규소 잉곳의 제조방법 등을 통해, 탄화규소 잉곳의 전면과 후면의 직경비가 특정한 값을 갖도록 하고, 전면과 후면을 잇는 가장자리가 특정한 경사각을 갖도록 하여, 결정 품질을 향상시킨 탄화규소 잉곳의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄화규소 잉곳을 제공하는 데 있다.
구현예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조방법은,
탄화규소 원료와 탄화규소 종자정이 배치된 반응용기 내부공간을 진공 분위기로 조절하는 준비단계;
불활성 기체를 상기 내부공간에 주입하고, 상기 반응용기를 둘러싸는 가열수단을 통해 상기 탄화규소 원료를 상기 종자정 상에 승화시켜 탄화규소 잉곳이 성장되도록 유도하는 진행단계; 그리고
상기 내부공간의 온도를 상온으로 냉각하는 냉각단계;를 포함하고,
상기 내부공간은 상기 탄화규소 종자정의 외주면을 소정 간격을 두고 감싸며 위치하는 가이드부를 포함하고,
상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정에서 탄화규소 원료를 향하는 방향으로 연장되고,
상기 탄화규소 종자정의 일면과 상기 탄화규소 원료를 최단거리로 연결하는 가상의 기준선을 0 °로 볼 때, 상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정의 외측으로 -4 ° 내지 50 °만큼 경사진 가이드경사각을 갖고,
상기 진행단계는 상기 가열수단이 이동되는 과정을 포함하고,
상기 가열수단의 이동은 상기 종자정을 기준으로 하는 상대위치가 0.1 mm/hr 내지 0.48 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가이드경사각은 4 ° 내지 25 °일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응용기는 흑연 도가니이고,
상기 가이드부는 흑연을 포함하고,
상기 가이드부의 밀도는 상기 반응용기의 밀도보다 낮을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄화규소 종자정의 일면과 상기 탄화규소 원료를 최단거리로 연결하는 방향을 기준으로, 상기 탄화규소 종자정 가이드부의 높이는 30 mm 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 진행단계는 전성장과정 및 성장과정을 순차로 포함하고,
상기 전성장과정은, 상기 준비단계의 진공 분위기를 불활성 분위기로 변경하는 제1과정, 상기 가열수단을 이용하여 상기 내부공간의 온도를 승온하는 제2과정, 및 상기 내부공간의 압력을 성장압력에 이르도록 감압하며 상기 내부공간의 온도가 성장온도가 되도록 승온하는 제3과정을 순차로 포함하고,
상기 성장과정은 상기 내부공간을 상기 성장온도와 상기 성장압력으로 유지하며 상기 잉곳이 성장되도록 유도하는 과정이고,
상기 가열수단의 이동은 상기 성장과정에서 수행되고,
온도차는 상기 내부공간의 상부 온도와 상기 내부공간의 하부 온도의 차이이고,
상기 성장과정에서 온도차는 110 ℃ 내지 160 ℃일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은,
상기에 따라 제조된 탄화규소 잉곳을 절단하여 탄화규소 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 탄화규소 웨이퍼는 보우(bow) 절대값이 50 ㎛ 이하일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 잉곳은,
전면 및 이의 반대면인 후면을 포함하는 탄화규소 잉곳으로,
상기 후면은 탄화규소 종자정으로부터 절단된 면이고,
상기 후면에 수직한 방향으로 최대 높이가 15 mm 이상이고,
상기 후면의 직경 Db와 전면의 둘레 직경 Df의 비 Df/Db는 0.95 내지 1.17이고,
상기 후면의 둘레의 일측에서 후면에 수직한 선과, 상기 수직한 선 및 상기 후면의 직경을 포함하는 평면에서 상기 후면의 둘레의 일측으로부터 가까운 상기 전면의 일측을 잇는 가장자리선과의 각도는 -4 ° 내지 50 °일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 잉곳 제조장치는,
내부공간을 갖는 반응용기;
상기 반응용기의 외면에 배치되어 상기 반응용기를 둘러싸는 단열재; 및
상기 반응용기 또는 상기 내부공간의 온도를 조절하는 가열수단;을 포함하여 탄화규소 잉곳을 제조하는 탄화규소 잉곳 제조 장치로하여 탄화규소 잉곳을 제조하는 탄화규소 잉곳 제조장치로,
상기 내부공간의 상부에 탄화규소 종자정이 위치하고,
상기 내부공간의 하부에 원료가 위치하고,
상기 가열수단 및 상기 반응용기 간 상하 방향으로 상대위치를 변화시키는 이동수단을 포함하고,
상기 내부공간은 상기 탄화규소 종자정의 외주면을 소정 간격을 두고 감싸며 위치하는 가이드부를 포함하고,
상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정에서 탄화규소 원료를 향하는 방향으로 연장되고,
상기 탄화규소 종자정의 일면과 상기 탄화규소 원료를 최단거리로 연결하는 가상의 기준선을 0 °로 볼 때, 상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정의 외측으로 -4 ° 내지 50 °만큼 경사진 가이드경사각을 갖고,
상기 종자정으로부터 탄화규소 잉곳을 성장시킬 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳 제조장치를 통해 제조된 탄화규소 잉곳은 전면 및 이의 반대면인 후면을 포함하고,
상기 후면은 탄화규소 종자정으로부터 절단된 면이고,
상기 후면에 수직한 방향으로 최대 높이가 15 mm 이상이고,
상기 후면의 직경 Db와 전면의 둘레 직경 Df의 비 Df/Db는 0.95 내지 1.17이고,
상기 후면의 둘레의 일측에서 후면에 수직한 선과, 상기 수직한 선 및 상기 후면의 직경을 포함하는 평면에서 상기 후면의 둘레의 일측으로부터 가까운 상기 전면의 일측을 잇는 가장자리선과의 각도는 -4 ° 내지 50 °일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 가열수단의 이동 시 온도는 최대 가열영역을 기준으로 2100 ℃ 내지 2500 ℃이고,
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상기 최대 가열영역은 상기 탄화규소 원료와 종자정을 잇는 임의의 선을 기준으로, 상기 가열수단의 중앙으로부터 양단을 향해 소정 길이를 갖는 가열수단의 내부영역이고,
상기 내부공간의 상부에 부 가열영역이 위치하고,
상기 부 가열영역은 상기 탄화규소 원료와 종자정을 잇는 임의의 선을 기준으로, 가열수단의 양단으로부터 중앙을 향해 소정 길이를 갖는 가열수단의 내부영역이고,
상기 부 가열영역의 온도는 상기 최대 가열영역의 온도보다 110 ℃ 내지 160 ℃ 낮은 온도의 영역일 수 있다.
일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳 제조용 시스템 등은 탄화규소 잉곳의 성장단계에서 탄화규소 잉곳의 성장 형태를 유도하는 가이드부, 그리고 반응용기와 가열수단의 상대위치를 소정 속도로 조절하여, 제조되는 탄화규소 잉곳의 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따라 제조된 탄화규소 잉곳은 전면과 후면을 잇는 가장자리가 특정한 각도를 가지고, 전면 및 후면의 직경 비율이 특정한 값을 갖도록 하여, 결함 밀도 수치가 낮고, 크랙이나 결정 다형이 거의 나타나지 않는 이점이 있다.
도 1은 구현예에 따른 탄화규소 잉곳 제조용 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도.
도 2는 구현예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조방법에서, 시간 흐름에 따른 온도, 압력 및 불활성기체(Ar) 추이를 나타낸 그래프.
도 3은 다른 구현예에 따른 탄화규소 잉곳 제조용 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도.
도 4는 구현예에 따른 탄화규소 잉곳 제조용 시스템의 반응용기를 개략적으로 나타낸 개념도.
도 5는 다른 구현예에 따른 탄화규소 잉곳 제조용 시스템의 반응용기를 개략적으로 나타낸 개념도.
도 6은 구현예에 따른 탄화규소 잉곳을 개략적으로 나타낸 개념도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하나 이상의 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예들은 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.
본 명세서에서 도면에 도시된 크기 및 각도는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으며, 반드시 도시된 바에 의해 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서 탄화규소 웨이퍼는 방향성을 가진 단결정 층인 소위 에피택셜 층(epitaxial layer)이 형성되기 이전의 탄화규소 웨이퍼(소위 베어 웨이퍼)를 의미한다.
발명자들은 탄화규소 잉곳의 결함, 크랙 등의 발생을 최소화하고, 결정 품질을 향상시킬 수 있는 방안에 대해 고려하던 중, 탄화규소 잉곳의 성장단계에서 반응용기 내부에 탄화규소 잉곳의 형상을 제어하는 가이드부를 구비하되, 가열수단의 상대위치를 소정 속도로 변경시키는 탄화규소 잉곳의 제조방법을 발명하였으며, 구현예를 제시한다.
탄화규소 잉곳의 제조방법
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조방법은,
탄화규소 원료(300)와 종자정(110)이 배치된 반응용기(200) 내부공간을 진공 분위기로 조절하는 준비단계(Sa);
불활성 기체를 상기 내부공간에 주입하고, 상기 반응용기를 둘러싸는 가열수단(600)을 통해 승온하여 상기 탄화규소 원료가 승화되어 상기 종자정 상에 탄화규소 잉곳(100)이 성장되도록 유도하는 진행단계(Sb, S1); 그리고
상기 내부공간의 온도를 상온으로 냉각하는 냉각단계(S2);를 포함하고,
상기 진행단계는 상기 가열수단이 이동되는 과정을 포함하고,
상기 내부공간은 상기 탄화규소 종자정의 외주면을 소정 간격을 두고 감싸며 위치하는 가이드부(120)를 포함하고,
상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정에서 탄화규소 원료를 향하는 방향으로 연장되고,
상기 탄화규소 종자정의 일면과 상기 탄화규소 원료를 최단거리로 연결하는 가상의 기준선을 0 °로 볼 때, 상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정의 외측으로 -4 ° 내지 50 °만큼 경사진 가이드경사각을 갖고,
상기 가열수단의 이동은 상기 종자정을 기준으로 하는 상대위치가 0.1 mm/hr 내지 0.48 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있다.
상기 가열수단(600)과 상기 반응용기(200)는 상하 방향으로 상대위치의 변화가 가능하게 설치될 수 있다. 상기 상대위치는 상기 이동수단을 통해 변화될 수 있고, 가열수단 및 반응용기 중 어느 하나 이상이 이동하여 변화될 수 있다. 상기 반응용기의 위치가 이동하는 것이 아니라, 상기 가열수단이 이동하는 것을 통해 상기 상대위치를 변하게 하는 것이 보다 안정적인 탄화규소 잉곳의 성장에 유리할 수 있다.
도 1, 3, 4 및 5 등에 탄화규소 잉곳 제조용 시스템, 반응용기(200)의 일례를 도시하였다. 이를 참조하여 구현예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조방법을 설명한다.
상기 준비단계(Sa)는 내부공간을 갖는 반응용기(200)에 원료(300)와 탄화규소 종자정(110)을 서로 마주보게 배치하고 진공 분위기로 조절하는 단계이다.
상기 준비단계(Sa)는 상기 내부공간의 압력이 50 torr 이하, 10 torr 이하, 또는 5 torr 이하가 되도록 감압할 수 있고, 1 torr 이상의 압력이 되도록 감압할 수 있다. 이러한 진공 분위기의 준비단계를 거치는 경우, 보다 결함이 감소된 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 탄화규소 종자정(110)은 목적으로 하는 잉곳의 크기에 따라 적절한 크기의 것이 적용될 수 있다. 상기 탄화규소 종자정의 C면((000-1)면)이 상기 원료(300) 방향으로 향하도록 할 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 탄화규소 종자정(110)은 4 인치 이상의 4H 탄화규소를 포함할 수 있고, 6 인치 이상의 4H 탄화규소를 포함할 수 있다.
상기 탄화규소 종자정(110)이 종자정 홀더(미도시)에 부착되는 형태인 경우, 상기 탄화규소 종자정은 후면 상에 배치된 접착층을 더 포함할 수 있다. 상기 탄화규소 종자정이 종자정 홀더에 직접 접착되지 않는 형태인 경우, 상기 탄화규소 종자정은 후면 상에 배치되는 보호층을 더 포함할 수 있다. 이러한 경우 보다 결함이 적은 탄화규소 잉곳의 성장을 유도할 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 탄화규소 원료(300)는 탄소원과 규소원을 갖는 분말 형태의 원료가 적용될 수 있고, 상기 원료는 탄화규소 분말을 포함할 수 있다.
상기 탄화규소 원료(300)는 서로 네킹 처리된 탄화규소 분말 또는 표면을 탄화 처리한 탄화규소 분말을 포함할 수 있다. 이러한 경우 성장과정 등에서 보다 안정적인 탄화규소의 승화를 유도하여 보다 효율적인 탄화규소 성장을 도울 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 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 종자정(110)과 탄화규소 원료(300)가 마주보도록, 탄화규소 종자정을 고정할 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 반응용기(200)는 내부공간에 상기 탄화규소 종자정(110)의 외주면을 소정 간격을 두고 감싸며 위치하는 가이드부(120)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(120)는 상기 탄화규소 종자정(110)에서 탄화규소 원료(300)를 향하는 방향으로 연장될 수 있다. 이때, 상기 탄화규소 종자정(110)의 일면과 상기 탄화규소 원료(300)를 최단거리로 연결하는 가상의 기준선을 0 °로 볼 때, 상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정의 외측으로 -4 ° 내지 50 °만큼 경사진 가이드경사각을 가질 수 있다. 상기 가이드경사각은 40 °이하일 수 있고, 25 °이하일 수 있다. 상기 가이드경사각은 0.1 ° 이상일 수 있고, 4 ° 이상일 수 있다. 상기 가이드부의 가이드경사각이 이러한 범위를 만족하도록 하여, 보다 결함이 적고 결정품질이 우수한 탄화규소 잉곳을 용이하게 제조하도록 한다.
상기 준비단계(Sa)의 가이드부(120)는 표면 또는 이를 구성하는 물질이 비정질 탄소를 포함할 수 있고, 상기 반응용기의 밀도보다 낮은 흑연을 포함할 수 있다. 이에 따라 탄화규소 잉곳 성장 시 원료물질과의 불필요한 반응을 억제할 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 가이드부(120)의 비저항은 10 μΩm 내지 50 μΩm 일 수 있다. 이러한 비저항을 갖는 가이드부(120)를 통해 제조되는 탄화규소 잉곳의 형상을 안정적으로 유도할 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 가이드부(120)는 상하가 개방된 원뿔대의 통 형상이 상기 반응용기(200)의 내부 상면에 돌출되거나 부착된 형태일 수 있고, 상기 반응용기 내주면에서 상기 탄화규소 종자정(110)을 향해 삼각 형상 등으로 돌출되거나 부착된 형태일 수도 있다. 상기 탄화규소 종자정(110)에서 원료물질(300) 방향인 수직 방향으로 탄화규소 잉곳이 성장될 시 탄화규소 잉곳의 가장자리 직경이 점차 증가하도록 유도할 수 있는 형태라면 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 준비단계(Sa)의 가이드부(120)의 상단은 상기 탄화규소 종자정(110)의 외주면과 5 mm 내지 20 mm 간격으로 이격될 수 있다. 상기 가이드부의 상단은 상기 탄화규소 종자정의 외주면과의 거리가 최단거리를 나타내는 위치일 수 있다. 상기 가이드부가 이러한 범위로 탄화규소 종자정과 이격되게 하여, 탄화규소 잉곳 성장과정에서 가이드 상에 불필요한 단결정이 형성될 시, 탄화규소 잉곳에 가해지는 간섭을 최소화할 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 가이드부(120)는 상기 탄화규소 종자정(110)의 일면과 상기 탄화규소 원료(300)를 최단거리로 연결하는 방향을 기준으로, 높이가 30 mm 이상일 수 있고, 50 mm 이하일 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 반응용기(200)는 외면에 배치되어 상기 반응용기를 둘러싸는 단열재(400)를 포함할 수 있고, 이때 상기 단열재는 상기 반응용기와 접하거나 소정 간격을 가질 수 있다. 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 온도 등을 제어할 수 있다.
상기 준비단계(Sa)의 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 준비단계(Sa)의 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 준비단계(Sa)의 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 반응챔버(500)는 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부의 진공도를 조절하는 진공배기장치(700), 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부에 기체를 유입시키는 배관(810) 및 기체 유입을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(800)를 포함할 수 있다. 이들을 통해, 후속 성장단계 및 냉각단계에서 불활성 기체의 유량을 조절할 수 있도록 한다.
상기 진행단계(Sb, S1)는 불활성 기체를 상기 내부공간에 주입하고, 상기 내부공간의 온도, 압력 및 분위기를 조절하여 상기 원료를 승화시키고, 이에 따라 상기 탄화규소 종자정(110)으로부터 탄화규소 잉곳(100)의 성장을 유도한다.
상기 진행단계(Sb, S1)는 상기 내부공간을 실질적으로 불활성 기체 분위기로 변경할 수 있다. 상기 불활성 기체 분위기는, 탄화규소 원료(300)와 종자정(110)의 배치 등의 과정 후 대기 분위기인 반응용기의 내부공간을 감압하여 실질적으로 진공 분위기로 유도한 후, 불활성 기체를 주입하는 방식으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 진행단계(Sb, S1)에서 불활성 기체 분위기라 함은 성장단계에서 내부공간의 분위기가 대기 분위기가 아니라는 것을 의미하고, 불활성 기체 분위기를 기본으로 하나, 탄화규소 잉곳의 도핑 등을 목적으로 미량의 기체를 주입하는 것도 포함한다. 상기 불활성 기체 분위기는 불활성 기체를 적용하며, 예시적으로 아르곤, 헬륨 또는 이들의 혼합기체일 수 있다.
상기 진행단계(Sb, S1)는 상기 가열수단(600)에 의해 상기 반응용기(200) 또는 반응용기의 내부공간을 가열하여 진행될 수 있고, 상기 가열과 동시에 또는 별도로 내부공간을 감압하여 진공도를 조절하고, 불활성 기체를 주입하며 진행될 수 있다.
상기 진행단계(Sb, S1)는 상기 탄화규소 원료(300)의 승화와 상기 탄화규소 종자정(110)의 일면 상에서 탄화규소 잉곳(100)이 성장하도록 유도한다.
상기 가열수단(600)은 상기 반응용기(200)의 주위에 배치되어, 탄화규소 종자정(110)으로부터 원료(300)를 향하는 임의의 선과 실질적으로 평행하게 상하 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있고, 상기 가열수단 및 상기 반응용기 간 상하 방향으로 상대위치를 변화시키는 이동수단을 포함할 수 있다. 이에 따라 반응용기와 가열수단 간 상대적인 위치가 변할 수 있고, 내부공간의 온도 구배를 유도할 수 있다. 특히, 상기 가열수단은 내부공간의 상부(230)와 내부공간의 하부(240)에 온도차를 가할 수 있다.
상기 가열수단(600)은 상기 반응용기(200) 또는 반응용기를 둘러싼 단열재(400)의 외주면을 따라 나선형의 코일로 형성한 유도가열수단이 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 진행단계(Sb, S1)는 전성장과정(Sb) 및 성장과정(S1)을 순차로 포함할 수 있고, 상기 전성장과정은, 상기 준비단계의 고진공 분위기를 불활성 분위기로 변경하는 제1과정(Sb1), 상기 가열수단(600)을 이용하여 상기 내부공간의 온도를 승온하는 제2과정(Sb2), 및 상기 내부공간의 압력을 성장압력에 이르도록 감압하며 상기 내부공간의 온도가 성장온도가 되도록 승온하는 제3과정(Sb3)을 순차로 포함할 수 있다.
상기 성장과정(S1)은 상기 내부공간을 상기 성장온도와 상기 성장압력으로 유지하며 상기 탄화규소 잉곳이 성장되도록 유도하는 과정이다.
상기 제1과정(Sb1)은 아르곤 등의 불활성 기체를 주입하여 진행될 수 있다. 이 때, 상기 내부공간의 압력은 500 torr 내지 800 torr일 수 있다.
상기 제2과정(Sb2)은 상기 내부공간의 하부(240)가 사전성장 시작온도인 1500 ℃ 내지 1700 ℃의 온도가 되도록 승온되는 과정이다. 상기 제2과정(Sb2)의 승온은 1 ℃/min 내지 10 ℃/min의 속도로 진행될 수 있다.
상기 제3과정(Sb3)은 상기 내부공간의 하부(240)가 성장온도인 2100 ℃ 내지 2500 ℃의 온도가 되도록 승온이 이루어질 수 있고, 1 torr 내지 50 torr의 성장압력까지 감압이 진행될 수 있다. 상기 상기 제3과정(Sb3)의 승온은 1 ℃/min 내지 5 ℃/min의 속도로 진행될 수 있다.
상기 제2과정 및 제3과정의 상기 승온속도 및 압력 범위에서 목적으로 하는 결정 이외의 다형 발생을 방지하고 안정적으로 성장이 되도록 유도할 수 있다.
도 5를 참조하면, 내부공간의 상부(230)는 탄화규소 종자정(110) 또는 잉곳의 표면과 가까운 내부공간의 일 영역이고, 내부공간의 하부(240)는 원료(300)의 표면과 가까운 내부공간의 영역이다. 구체적으로, 상기 내부공간의 상부(230)는 탄화규소 종자정 또는 잉곳의 표면 아래로 약 5 mm 이상 떨어진 위치일 수 있고, 상기 가이드부(120)의 최하단에서 상단으로 10 mm 높이를 갖는 위치일 수 있다. 상기 내부공간의 하부(240)는 원료(300)의 표면에서 위로 약 10 mm 이상 떨어진 위치일 수 있다. 상기 내부공간의 상부 또는 상기 내부공간의 하부가 도가니의 길이 방향으로 보았을 때 같은 위치일 때 각각 측정하는 위치마다 측정된 온도가 다르다면, 중앙부의 온도를 기준으로 한다.
상기 성장과정(S1)에서 상기 반응용기를 기준으로 가열수단의 상대위치가 이동되는 과정이 포함될 수 있다.
상기 성장과정(S1)에서 성장압력을 유지한다는 의미는, 감압된 압력에서 탄화규소 잉곳의 성장을 멈추지 않은 범위에서 필요에 따라 유입가스의 압력을 다소 조절하는 경우까지 포함한다. 또한, 성장압력을 유지한다는 의미는 탄화규소 잉곳의 성장을 유지할 수 있는 한도 내에서 상기 내부공간의 압력이 소정의 범위 내에서 유지된다는 것을 의미한다.
상기 전성장과정(Sb)은 상기 내부공간의 상부(230)와 내부공간의 하부(240)에 소정 온도차를 가할 수 있고, 상기 사전성장 시작온도에서 온도차는 40 ℃ 내지 60 ℃일 수 있고, 50 ℃ 내지 55 ℃일 수 있다. 상기 성장온도에서 온도차는 110 ℃ 내지 160 ℃일 수 있고, 135 ℃ 내지 150 ℃일 수 있다. 이러한 온도차를 가짐으로, 초기 탄화규소 잉곳 형성 시 목적으로 하는 결정 이외의 다형 발생을 최소화하고, 안정적인 잉곳 성장이 가능하도록 할 수 있다.
상기 제3과정(Sb)의 승온속도는 상기 제2과정(Sb2)과 제3과정(Sb3) 전체의 평균승온속도보다 작을 수 있다. 상기 제2과정과 제3과정 전체의 평균승온속도는 제2과정의 승온 시작 시점에서의 온도와 제3과정 종료 시점에서의 온도의 차이를 걸린 시간으로 나눈 값이고, 상기 제3과정의 승온속도는 제3과정의 각 시점에서 승온속도를 의미한다.
상기 가열수단(600)은 최대 가열영역을 가질 수 있고, 상기 최대 가열영역은 상기 가열수단에 의해 가열되는 내부공간의 분위기 중, 온도가 가장 높은 부분을 의미한다. 상기 가열수단이 나선형 코일 형태로 반응용기의 옆면을 감싸는 경우, 상기 가열수단의 중앙에 대응되는 상기 내부공간이 최대 가열영역이 된다. 예시적으로, 상기 탄화규소 원료(300)와 종자정(110)의 중앙을 잇는 수직 방향의 선(수직중앙선)과 상기 가열수단 높이의 중앙으로부터 수평 방향으로 연장된 면(가열수단 중앙면)을 가정할 때, 상기 최대 가열영역은 상기 수직중앙선과 가열수단 수평면의 교점이 위치하는 영역일 수 있다.
상기 제2과정(Sb) 및 제3과정(Sc)은 상기 가열수단의 최대 가열영역이 상기 반응용기의 하부, 원료의 표면(240)이 되도록 위치시켜 진행될 수 있고, 상기 가열수단이 나선형의 코일 형상일 경우, 권취 수 및 두께 등을 변경하여 목적으로 하는 상기 내부공간의 상부와 내부공간의 하부 온도차를 가하도록 할 수 있다.
상기 성장과정(S1)은 상기 제3과정(Sb3)에서 성장온도로 승온 후, 본격적으로 원료를 승화시켜 탄화규소 잉곳을 형성하도록 한다. 이때, 상기 성장온도를 유지하여 탄화규소 잉곳을 형성하도록 할 수 있다. 성장온도를 유지한다는 것의 의미는 반드시 고정된 진행온도에서 진행하여야 한다는 것을 의미하는 것이 아니라, 절대 온도에 다소 변화가 있더라도 실질적으로 탄화규소 잉곳의 성장이 멈출 정도로 온도를 변화하지 않는 범위에서 탄화규소를 성장시킨다는 것을 의미한다.
상기 성장과정(S1)에서 상기 반응용기 대비 가열수단(600)의 상대위치는 종자정(110)을 기준으로 0.1 mm/hr 내지 0.48 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있다. 상기 상대위치는 종자정(110)을 기준으로 0.1 mm/hr 내지 0.4 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있으며, 0.2 mm/hr 내지 0.3 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있다. 상기 속도 범위는 상당히 저속인 것으로, 이러한 속도로 상대위치를 변화시키는 경우, 성장된 탄화규소 잉곳에 목적으로 하는 결정 이외의 다결정 형성이 함입되는 것을 방지할 수 있고, 보다 결함이 적은 탄화규소 잉곳을 성장시킬 수 있다.
상기 성장과정(S1)에서 상기 반응용기(200), 종자정(110) 대비 가열수단(600)의 상대위치의 변경은 상기 성장온도 도달 후 진행될 수 있고, 성장온도 도달 후 1 시간 내지 10 시간 이후에 진행될 수 있다.
상기 성장과정(S1)에서 내부공간의 상부(230)는 상기 반응용기 내에서 최대 가열영역의 온도보다 110 ℃ 내지 160 ℃ 낮은 온도를 갖는 부 가열영역을 가질 수 있다. 상기 부 가열영역의 온도는 상기 최대가열영역의 온도보다 135 ℃ 내지 150 ℃ 낮은 온도일 수 있다.
상기 부 가열영역은 상기 가열수단에 의해 가열되는 내부공간의 분위기 중, 온도가 상대적으로 낮은 부분을 의미한다. 상기 가열수단이 나선형 코일 형태로 반응용기의 옆면을 감싸는 경우, 상기 부 가열영역은 상기 최대 가열영역보다 상부에 위치할 수 있다.
상기 탄화규소 원료(300)와 종자정(110)의 중앙을 잇는 수직 방향의 선(수직중앙선)과 상기 가열수단 높이의 중앙으로부터 수평 방향으로 연장된 면(가열수단 중앙면)을 가정할 때, 상기 부 가열영역은 상기 최대 가열영역과 상기 탄화규소 종자정 또는 잉곳 표면의 사이에 위치하는 영역일 수 있고, 좋게는 상기 부 가열영역의 적어도 일부가 상기 내부공간의 상부에 중첩될 수 있다.
상기 가열수단(600)은 상기 가열수단 및 상기 반응용기(200) 간 상하 방향으로 상대위치를 변화시키는 이동수단을 통해, 상기 반응용기를 기준으로 상하로 이동 가능하다. 즉, 상기 반응용기에 배치된 종자정(110)으로부터 탄화규소 원료(300)를 향하는 임의의 선을 기준으로, 실질적으로 나란한 방향으로 이동 가능하다.
상기 성장과정(S1)의 가열수단(600)은 상기 속도로 상기 반응용기를 기준으로 하강하며 이동될 수 있다.
상기 성장과정(S1)의 성장온도는 최대 가열영역을 기준으로 2100 ℃ 내지 2500 ℃일 수 있고, 2200 ℃ 내지 2400 ℃일 수 있다. 또한, 상기 성장과정의 온도는 상기 내부공간의 상부(230)를 기준으로 1900 ℃ 내지 2300 ℃일 수 있고, 2100 ℃ 내지 2250 ℃일 수 있다.
상기 성장과정(S1) 동안 상기 가열수단의 총 이동거리가 10 mm 이상일 수 있고, 15 mm 이상일 수 있다. 상기 총 이동거리는 45 mm 이하일 수 있고, 30 mm 이하일 수 있다.
상기 성장과정(S1)은 5 시간 내지 200 시간 동안 진행될 수 있고, 75 시간 내지 100 시간 동안 진행될 수 있다.
상기 전성장과정(Sb) 및/또는 성장과정(S1)은 상기 반응용기(200)가 상하방향을 축으로 회전하며 진행될 수 있고, 탄화규소 잉곳 성장에 보다 유리한 온도구배가 형성되도록 유도할 수 있다.
상기 진행단계(Sb, S1)는 상기 반응용기(200) 외부에 소정 유량의 불활성 기체를 가할 수 있다. 상기 불활성 기체는 상기 반응용기(200)의 내부공간에서 기체의 흐름이 형성될 수 있고, 상기 원료(300)에서 상기 탄화규소 종자정(110) 방향으로 기체의 흐름이 유도될 수 있다. 이에 따라 상기 반응용기 및 내부공간의 안정적인 온도구배가 형성될 수 있도록 한다.
상기 냉각단계(S2)는 상기 진행단계를 통해 성장된 탄화규소 잉곳을 소정 냉각속도 및 불활성 기체 유량 조건에서 냉각하는 단계이다.
상기 냉각단계(S2)는 1 ℃/min 내지 10 ℃/min의 속도로 냉각이 진행될 수 있고, 1 ℃/min 내지 5 ℃/min의 속도로 냉각이 진행될 수 있다.
상기 냉각단계(S2)는 상기 반응용기(200)의 내부공간의 압력 조절이 동시에 진행될 수 있고, 상기 냉각단계와 별도로 압력 조절이 진행될 수 있다. 상기 압력은 상기 내부공간의 압력이 최대 800 torr가 되도록 조절될 수 있다.
상기 냉각단계(S2)는 상기 진행단계와 마찬가지로 상기 반응용기(200) 내부에 소정 유량의 불활성 기체를 가할 수 있다. 상기 불활성 기체는 상기 반응용기의 내부공간에서 그 흐름이 이루어질 수 있고, 상기 탄화규소 원료(300)에서 상기 탄화규소 종자정(110) 방향으로 그 흐름이 형성될 수 있다.
상기 냉각단계(S2)는 상기 반응용기(200)의 내부공간의 압력이 대기압 이상이 되도록 가압하고, 상기 내부공간의 온도가 상부(230)를 기준으로 1500 ℃ 내지 1700 ℃가 되도록 냉각시키는 1차냉각과정, 상기 1차냉각단계 이후 상기 내부공간의 온도를 상온으로 냉각시키는 2차냉각과정을 포함할 수 있다.
상기 냉각단계(S2)의 회수는 상기 종자정(100)과 접한 탄화규소 잉곳의 후면을 절단하여 이루어질 수 있다. 이렇게 절단된 탄화규소 잉곳은 성장된 말단의 중심과 가장자리 간 양호한 높이 차를 나타내고, 저감된 결함 밀도를 가질 수 있으며, 구체적인 탄화규소 잉곳의 형태 및 결함 밀도는 후술한다.
탄화규소 웨이퍼의 제조방법
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은,
상기에 따라 제조된 탄화규소 잉곳을 절단하여 탄화규소 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함할 수 있다.
상기 절단단계 이전 상기 탄화규소 잉곳의 가장자리를 연마하여 직경이 일정한 원통형의 형상이 되도록 가공할 수 있다.
상기 절단단계는 상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면 또는 성장이 시작된 면과 소정 오프 각을 가지고 일정한 두께 간격으로 절단될 수 있다. 상기 오프 각은 0 °내지 10 °일 수 있다.
상기 절단단계는 상기 탄화규소 웨이퍼의 두께가 150 ㎛ 내지 900 ㎛이 되도록 할 수 있고, 200 ㎛ 내지 600 ㎛이 되도록 할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계를 거쳐 마련된 탄화규소 웨이퍼의 두께를 평탄화하고 표면을 연마하는 가공단계를 포함할 수 있다.
상기 가공단계는 탄화규소 웨이퍼의 양 면에 휠 연삭 등이 적용될 수 있고, 이때 휠 연삭에 사용되는 연마재는 다이아몬드 연마재가 적용될 수 있다. 상기 가공단계의 두께를 평탄화하는 과정을 통해 상기 절단 단계에서 웨이퍼에 가해진 손상과 스트레스를 감소시키고, 두께를 평탄하게 하도록 한다.
상기 가공단계의 표면을 연마하는 과정은 습식 또는 건식 식각 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가공단계는 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 화학적 기계적 연마는 정반 상에 놓인 연마패드에 연마입자 슬러리를 가하면서, 탄화규소 웨이퍼를 소정 압력으로 연마패드에 접촉시키되, 연마패드 및 탄화규소 웨이퍼를 회전시키며 진행될 수 있다.
상기 제조방법을 통해 제조된 탄화규소 웨이퍼는 결함 밀도가 적고 휨 특성, 보우(bow) 절대값이 50 ㎛ 이하인 우수한 이점을 가진다.
탄화규소 잉곳 제조용 시스템
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 잉곳 제조용 시스템은,
내부공간을 갖는 반응용기(200);
상기 반응용기의 외면에 배치되어 상기 반응용기를 둘러싸는 단열재(400); 및
상기 반응용기 또는 상기 내부공간의 온도를 조절하는 가열수단(600);을 포함하고,
상기 내부공간의 상부에 탄화규소 종자정(110)이 위치하고,
상기 내부공간의 하부에 원료(300)가 위치하고,
상기 가열수단 및 상기 반응용기 간 상하 방향으로 상대위치를 변화시키는 이동수단을 포함하고,
상기 내부공간은 상기 탄화규소 종자정의 외측에 구비되는 가이드부(120)를 포함하고,
상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정에서 탄화규소 원료를 향하는 수직방향으로 연장되되, 상기 수직방향을 기준으로 내주면이 외측으로 50 °이하로 경사지고,
상기 종자정으로부터 탄화규소 잉곳을 성장시키고,
상기 가열수단의 이동은 상기 종자정을 기준으로 하는 상대위치가 0.1 mm/hr 내지 0.48 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있다.
상기 반응용기(200)는 도 3을 참조하면, 내부공간과 개구부를 포함하는 본체(210) 및 상기 개구부와 대응되어 상기 내부공간을 밀폐하는 덮개(220)를 포함할 수 있고, 기타 사항은 위에서 기술한 바와 같다.
상기 가이드부(120)의 구체적인 사항은 위에서 기술한 바와 같다.
상기 단열재(400)의 재료, 물성 등은 위에서 기술한 바와 같다.
상기 탄화규소 잉곳 제조용 시스템은 상기 단열재(400)로 둘러싸인 반응용기(200)를 내부에 위치시킨 반응챔버(500)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 가열수단(600)은 상기 반응챔버 외부에 구비되어 상기 반응용기의 내부공간의 온도를 제어할 수 있다.
상기 반응챔버(500)는 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부의 진공도를 조절하는 진공배기장치(700), 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부에 기체를 유입시키는 배관(810) 및 기체 유입을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(800)를 포함할 수 있다. 이들을 통해, 성장단계 및 냉각단계에서 불활성 기체의 유량을 조절할 수 있도록 한다.
상기 가열수단(600)은 도 1 및 5를 참조하면, 상기 반응용기(200) 대비 상기 가열수단의 상대위치는 0.1 mm/hr 내지 0.48 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있고, 0.1 mm/hr 내지 0.4 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있으며, 0.2 mm/hr 내지 0.3 mm/hr의 속도로 멀어질 수 있다. 상기 이동속도를 만족하도록 하여, 잉곳이 성장하여 표면의 위치가 변화하더라도 안정적인 온도차, 온도구배를 가할 수 있도록 하고, 목적으로 하는 결정 이외의 다결정 형성을 방지하도록 한다.
상기 가열수단(600)의 이동은 상기 내부공간의 온도, 압력, 및 분위기를 조절하여 상기 원료를 승화시키고 상기 종자정으로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 진행단계에서 진행될 수 있고, 예시적으로 진행단계의 전성장과정인 제2과정, 제3과정과 성장과정에서 진행될 수 있으며, 이러한 단계 및 과정은 위에서 기술한 바와 같다.
상기 가열수단(600) 및 상기 반응용기(200) 간 상하 방향으로 상대위치를 변화시키는 이동수단을 포함하여, 상기 성장단계에서 상기 속도로 도 1 및 5에 도시한 바와 같이 하강하며 이동될 수 있다.
상기 가열수단(600)은 최대 가열영역이 내부공간의 하부에 위치하도록 할 수 있다. 최대 가열영역은 가열수단의 중앙에 대응되는 위치의 상기 내부공간의 영역이다. 상기 가열수단이 나선형의 코일 형상인 경우, 상기 탄화규소 원료와 종자정(110)을 잇는 임의의 선을 기준으로, 상기 가열수단의 중앙으로부터 양단을 향해 소정 길이를 갖는 가열수단의 내부영역이 최대 가열영역일 수 있다. 상기 최대 가열영역의 온도는 2100 ℃ 내지 2500 ℃일 수 있고, 2200 ℃ 내지 2400 ℃일 수 있다.
상기 가열수단(600)은 상기 성장단계에서 상기 내부공간의 상부(230)가 상기 최대 가열영역의 온도보다 110 ℃ 내지 160 ℃ 낮은 온도 또는 135 ℃ 내지 150 ℃ 낮도록 이동될 수 있다. 상기 가열수단이 나선형 코일 형태일 경우, 상기 내부공간의 상부는 상기 최대 가열영역인 중심보다 상부에 위치할 수 있다. 상기 내부공간 상부의 온도는 1900 ℃ 내지 2300 ℃일 수 있고, 2100 ℃ 내지 2250 ℃일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳 제조용 시스템은 위에서 기술한 준비단계(Sa), 진행단계(Sb, S1) 및 냉각단계(S2) 등이 순차적으로 이루어질 수 있다.
탄화규소 웨이퍼 제조용 시스템
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 웨이퍼 제조용 시스템은,
상기의 탄화규소 잉곳 제조용 시스템과, 제조된 탄화규소 잉곳을 절단하여 탄화규소 웨이퍼를 마련하는 절단수단을 포함할 수 있다.
상기 절단수단은 탄화규소 잉곳을 일정한 두께를 갖는 탄화규소 웨이퍼 형태로 절단할 수 있는 것이 적용될 수 있고, 예시적으로 다이아몬드 입자를 포함하는 와이어 쏘(wire saw)가 적용될 수 있다.
상기 절단수단은 상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면과 소정 오프 각을 갖도록 절단이 진행될 수 있고, 상기 오프 각은 0 ° 내지 10 °일 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼 제조용 시스템은 또한 절단된 탄화규소 웨이퍼의 두께를 평탄화하고 표면을 연마하는 연삭장치, 탄화규소 웨이퍼 표면을 건식 또는 습식 식각하는 식각장치, 화학적 기계적 연마장치 등을 더 포함할 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼 제조용 시스템을 통해 제조된 탄화규소 웨이퍼는 결함 밀도가 적고 휨 특성, 보우(bow) 절대값이 50 ㎛ 이하인 우수한 이점을 가진다.
탄화규소 잉곳(100)
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 잉곳(100)은,
전면(102) 및 이의 반대면인 후면(101)을 포함하는 탄화규소 잉곳으로,
상기 후면은 탄화규소 종자정(110)으로부터 절단된 면이고,
상기 후면에 수직한 방향으로 최대 높이가 15 mm 이상이고,
상기 후면의 직경 Db와 전면의 둘레 직경 Df의 비 Df/Db는 0.95 내지 1.17이고,
상기 후면의 둘레의 일측에서 후면에 수직한 선과, 상기 수직한 선 및 상기 후면의 직경을 포함하는 평면에서 상기 후면의 둘레의 일측으로부터 가까운 상기 전면의 일측을 잇는 가장자리선과의 각도는 -4 ° 내지 50 °일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 탄화규소 잉곳(100)은 상기 탄화규소 잉곳의 제조방법을 통해 제조된 것으로, 제조과정 중 구비된 가이드부(120), 가열수단(의 이동속도 조절, 온도차 등을 통해 특정 형상을 갖도록 제어된 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)의 후면(101)은 실질적으로 상기 탄화규소 종자정과 유사한 단면을 가질 수 있고, 그 단면이 원형일 수 있으며, 직경 Db를 가질 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳의 전면(102)은 돌출된 볼록한 면일 수 있고, 평면일 수 있으며, 가장자리의 둘레와 이 둘레의 직경 Df를 가질 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳 전면(102)의 직경 Df는 178 mm 이하일 수 있고, 170 mm 이하일 수 있으며, 158 mm 이하일 수 있다. 이러한 Df 값을 갖는 탄화규소 잉곳은 우수한 결정 품질을 가질 수 있다. 상기 Df 값의 범위는 탄화규소 종자정(110)의 직경이 150 mm인 것을 기준으로 할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 상기 후면(101)의 직경 Db와 상기 전면(102)의 둘레의 직경 Df의 비 Df/Db가 0.95 내지 1.17일 수 있고, 1 내지 1.1일 수 있다. 또한, 이때 탄화규소 잉곳(100)은 상기 후면(101)에 수직한 방향으로 최대 높이가 15 mm 이상일 수 있고, 18 mm 이상일 수 있으며, 21.6 mm 이상일 수 있다. 이러한 직경 비와 높이를 갖는 탄화규소 잉곳은 성장과정에서 내부 응력 발생이 최소화된 것일 수 있고, 양호한 결정 품질을 나타낼 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 후면(101)의 둘레의 일측에서 후면에 수직한 선과, 상기 수직한 선 및 상기 후면의 직경을 포함하는 평면에서 상기 후면의 둘레의 일측으로부터 가까운 상기 전면(102)의 일측을 잇는 가장자리선과의 각도는 -4 ° 내지 50 °일 수 있고, -1 ° 내지 40 °일 수 있으며, 0.1 ° 내지 30 °일 수 있다. 이러한 범위를 벗어나는 탄화규소 잉곳은 내부에 크랙이나 결함 등이 발생할 가능성이 높고, 웨이퍼 가공 시 부하가 발생될 가능성이 높으며, 사용 가능한 유효면적이 줄어들고 수율이 저하될 우려가 있다.
또한, 상기 각도는 상기 후면(101)과 직교하고 상기 후면의 직경을 포함하는 평면의 관점에서, 상기 후면에 수직한 방향을 0 °로 본 기준으로 상기 후면의 둘레의 일측으로부터 이와 가장 인접한 전면의 일측으로 이어지는 가장자리의 경사진 각도일 수 있다. 그리고 상기 각도는 상기 후면에 수직한 방향을 0 °로 본 기준으로 상기 탄화규소 잉곳의 외주면이 경사진 정도를 나타낼 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 상기 후면(101)을 기준으로 반대면인 전면(102)의 중심 높이와 가장자리의 높이의 차가 0.01 mm 내지 3 mm 일 수 있고, 0.01 mm 내지 2.9 mm일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 마이크로파이프(Micropipe) 밀도가 1 /cm2 이하일 수 있고, 0.8 /cm2 이하일 수 있고, 0.59 /cm2 이하일 수 있으며, 0.1 /cm2 이상일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 기저면 전위(Basal Plane Dislocation) 밀도가 1300 /cm2 이하일 수 있고, 1100 /cm2 이하일 수 있으며, 980 /cm2 이하일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 에치 피트(Etch Pit) 밀도가 12000 /cm2 이하일 수 있고, 10000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 마이크로파이프, 기저면 전위 및 에치 피트는 상기 탄화규소 잉곳(100)을 절단하여 웨이퍼를 마련한 후, 웨이퍼를 500 ℃, 5 분 조건으로 용융 수산화칼륨(KOH)에 침지하여 에칭시킨 다음, 그 표면의 단위면적당 결함을 광학현미경 등을 통해 측정하여 밀도를 계산할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 상기 결함밀도 범위를 만족하여, 결함이 적은 웨이퍼를 제공할 수 있도록 하고, 이를 소자에 적용할 시 전기적 특성 또는 광학적 특성이 우수한 소자를 제조할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)을 절단하여 마련된 탄화규소 웨이퍼는 보우(bow) 절대값이 50 ㎛ 이하일 수 있고, 48 ㎛ 이하일 수 있으며, 43 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 보우 절대값은 5 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 보우 측정은 하기 실험예에 기재된 바와 같은 방법으로 이루어질 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 - 탄화규소 잉곳의 제조>
도 3에 탄화규소 잉곳 제조용 시스템, 장치의 일례를 도시한 바와 같이, 반응용기(200)의 내부공간 하부(240)에 원료(300)인 탄화규소 분말을 장입하고, 내부공간 상부(230)에 탄화규소 종자정을 배치하였다. 이 때, 탄화규소 종자정은 직경 6 인치의 4H 탄화규소 결정으로 이루어진 것을 적용하였고, C면((000-1)면)이 내부공간 하부의 탄화규소 원료를 향하도록 통상의 방법으로 고정하였다. 또한, 상기 탄화규소 종자정의 외측에 가이드부(120)를 구비하였고, 이때 가이드부는 상기 탄화규소 종자정에서 탄화규소 원료를 향하는 수직방향으로 연장되되, 상기 수직방향을 기준으로 내주면이 외측으로 50 °로 경사지도록 하였다.
반응용기(200)를 밀폐하고, 그 외부를 단열재(400)로 둘러싼 뒤, 외부에 가열수단(600)인 가열 코일이 구비된 석영관(500) 내에 반응용기를 배치하였다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 반응용기(200) 내부공간을 감압하여 진공 분위기로 조절하고, 아르곤 기체를 주입하여 상기 내부공간이 760 torr에 도달하도록 하였으며, 상기 내부공간의 온도를 하부를 기준으로 1600 ℃까지 10 ℃/min의 속도로 승온시켰다. 그 다음, 전성장 과정으로 감압과 동시에 3 ℃/min의 속도로 승온시켰고, 내부공간의 하부의 온도가 상기 가열수단의 최대 가열영역의 온도인 2350 ℃이 되도록 하였다. 이후, 동일 조건을 유지하며 탄화규소 잉곳을 표 1의 가열수단 이동속도, 시간, 이동거리 조건으로 성장시켰다.
성장 이후, 상기 내부공간의 온도를 5 ℃/min의 속도로 25 ℃까지 냉각시켰고, 동시에 내부공간의 압력이 760 torr가 되도록 아르곤 기체를 주입하였다. 그 다음, 형성된 탄화규소 잉곳을 종자정으로부터 절단하여 분리하였다.
<비교예 - 가열수단 이동속도 변경>
상기 실시예에서, 가열수단의 이동속도, 시간, 이동거리를 표 1의 조건으로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일하게 진행하였다.
<실험예 - 제조된 탄화규소 잉곳의 성장각도, 전후면 직경 및 탄화규소 웨이퍼의 보우값 측정>
각각의 실시예 및 비교예에서 제조된 탄화규소 잉곳을 도 6과 같이 성장 방향과 수직하게 정면을 바라보는 관점에서, 성장 말단인 전면(102)의 최대 높이를 하이트게이지로 측정하였고, 후면(101)의 가장자리에서 후면과 수직한 선과, 후면과 전면을 잇는 가장자리선과의 사이각을 측정하였으며, 전면(102) 둘레의 직경을 측정하여 표 1에 나타내었다.
또한, 상기 각각의 실시예 및 비교예에서 제조된 탄화규소 잉곳을 (0001)면과 4 °의 오프 각을 갖도록 절단하여 360 ㎛의 웨이퍼를 마련하고, 다이아몬드 휠 등으로 연삭한 웨이를 준비하였다. 이 웨이퍼의 보우(bow) 값을 Corning Tropel사의 Flatmaster 200XRA 기기를 통해 측정하여 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2
가열수단이동속도
(mm/hr)		 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0 0.05
가열수단이동시간
(hr)		 90 100 100 80 100 0 50
가열수단이동거리
(mm)		 9 10 10 8 2 0 2.5
제조된잉곳 높이
(mm)		 15 15.5 15.5 14 18 12 11
가장자리 경사각도(°) 8 10 5 30 -1 60 61
Db(mm) 150 150.5 150 150 154 150 150
Df(mm) 155 158 152 170 150 184 180
Df/Db 1.03 1.04 1.01 1.13 0.97 1.22 1.14
제조된 웨이퍼 보우(㎛) 42 48 45 -33 -43 212 128
Df/Db: 탄화규소 잉곳 전면 둘레 직경(Df)과 후면 직경(Db)와의 비
표 1을 참조하면, 가열수단의 이동속도가 0.1 mm/hr 내지 0.48 mm/hr인 실시예들의 경우, 잉곳의 후면(종자정면) 기준 반대면인 전면의 중심 높이가 14 mm 이상이고, 가장자리 경사각도가 -4 °내지 50 °를 나타내었고, 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼의 보우 값의 절대값도 50 ㎛ 이하로 양호한 것을 확인하였다.
가열수단이 이동하지 않거나, 0.1 mm/hr 미만인 비교예들에서는, 상기 중심 높이가 14 mm 미만을 나타내었고, 가장자리 경사각도가 50 ° 초과였으며, 탄화규소 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼의 보우 값도 양호하지 못한 수치를 나타내었다.
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 101: 후면
102: 전면 110: 종자정
120: 가이드부
200: 반응용기 210: 본체
220: 덮개 230: 내부공간의 상부
240: 내부공간의 하부 300: 원료
400: 단열재 500: 반응챔버, 석영관
600: 가열수단 700: 진공배기장치
800: 매스 플로우 컨트롤러 810: 배관

Claims (10)

  1. 탄화규소 원료와 탄화규소 종자정이 배치된 반응용기 내부공간을 진공 분위기로 조절하는 준비단계;
    불활성 기체를 상기 내부공간에 주입하고, 상기 반응용기를 둘러싸는 가열수단을 통해 상기 탄화규소 원료를 상기 종자정 상에 승화시켜 탄화규소 잉곳이 성장되도록 유도하는 진행단계; 그리고
    상기 내부공간의 온도를 상온으로 냉각하고 상기 종자정과 접한 상기 탄화규소 잉곳의 후면을 절단하여 상기 탄화규소 잉곳을 회수하는 냉각단계;를 포함하여 상기 탄화규소 잉곳을 제조하고,
    상기 내부공간은 상기 탄화규소 종자정의 외주면을 소정 간격을 두고 감싸며 위치하는 가이드부를 포함하고,
    상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정에서 탄화규소 원료를 향하는 방향으로 연장되고,
    상기 탄화규소 종자정의 일면과 상기 탄화규소 원료를 최단거리로 연결하는 가상의 기준선을 0 °로 볼 때, 상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정의 외측으로 -4 ° 내지 50 °만큼 경사진 가이드경사각을 갖고,
    상기 진행단계는 상기 가열수단이 이동되는 과정을 포함하고,
    상기 가열수단의 이동은 상기 종자정을 기준으로 하는 상대위치가 0.1 mm/hr 내지 0.48 mm/hr의 속도로 멀어지고,
    상기 탄화규소 잉곳은 전면 및 상기 후면을 포함하고,
    상기 후면에 수직한 방향으로 최대 높이가 15 mm 이상이고,
    상기 후면의 직경 Db와 전면의 둘레 직경 Df의 비 Df/Db는 0.95 내지 1.17이고,
    상기 후면의 둘레의 일측에서 후면에 수직한 선과, 상기 수직한 선 및 상기 후면의 직경을 포함하는 평면에서 상기 후면의 둘레의 일측으로부터 가까운 상기 전면의 일측을 잇는 가장자리선과의 각도는 -4 ° 내지 50 °인,
    탄화규소 잉곳의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드경사각은 4 ° 내지 25 °인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응용기는 흑연 도가니이고,
    상기 가이드부는 흑연을 포함하고,
    상기 가이드부의 밀도는 상기 반응용기의 밀도보다 낮은, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소 종자정의 일면과 상기 탄화규소 원료를 최단거리로 연결하는 방향을 기준으로, 상기 탄화규소 종자정 가이드부의 높이는 30 mm 이상인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진행단계는 전성장과정 및 성장과정을 순차로 포함하고,
    상기 전성장과정은, 상기 준비단계의 진공 분위기를 불활성 분위기로 변경하는 제1과정, 상기 가열수단을 이용하여 상기 내부공간의 온도를 승온하는 제2과정, 및 상기 내부공간의 압력을 성장압력에 이르도록 감압하며 상기 내부공간의 온도가 성장온도가 되도록 승온하는 제3과정을 순차로 포함하고,
    상기 성장과정은 상기 내부공간을 상기 성장온도와 상기 성장압력으로 유지하며 상기 잉곳이 성장되도록 유도하는 과정이고,
    상기 가열수단의 이동은 상기 성장과정에서 수행되고,
    온도차는 상기 내부공간의 상부 온도와 상기 내부공간의 하부 온도의 차이이고,
    상기 성장과정에서 온도차는 110 ℃ 내지 160 ℃인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  6. 제1항에 따라 제조된 탄화규소 잉곳을 절단하여 탄화규소 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함하는, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄화규소 웨이퍼는 보우(bow) 절대값이 50 ㎛ 이하인, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법.
  8. 전면 및 이의 반대면인 후면을 포함하는 탄화규소 잉곳으로,
    상기 후면은 탄화규소 종자정으로부터 절단된 면이고,
    상기 후면에 수직한 방향으로 최대 높이가 15 mm 이상이고,
    상기 후면의 직경 Db와 전면의 둘레 직경 Df의 비 Df/Db는 0.95 내지 1.17이고,
    상기 후면의 둘레의 일측에서 후면에 수직한 선과, 상기 수직한 선 및 상기 후면의 직경을 포함하는 평면에서 상기 후면의 둘레의 일측으로부터 가까운 상기 전면의 일측을 잇는 가장자리선과의 각도는 -4 ° 내지 50 °인, 탄화규소 잉곳.
  9. 내부공간을 갖는 반응용기;
    상기 반응용기의 외면에 배치되어 상기 반응용기를 둘러싸는 단열재; 및
    상기 반응용기 또는 상기 내부공간의 온도를 조절하는 가열수단;을 포함하여 탄화규소 잉곳을 제조하는 탄화규소 잉곳 제조장치로,
    상기 내부공간의 상부에 탄화규소 종자정이 위치하고,
    상기 내부공간의 하부에 원료가 위치하고,
    상기 가열수단 및 상기 반응용기 간 상하 방향으로 상대위치를 변화시키는 이동수단을 포함하고,
    상기 내부공간은 상기 탄화규소 종자정의 외주면을 소정 간격을 두고 감싸며 위치하는 가이드부를 포함하고,
    상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정에서 탄화규소 원료를 향하는 방향으로 연장되고,
    상기 탄화규소 종자정의 일면과 상기 탄화규소 원료를 최단거리로 연결하는 가상의 기준선을 0 °로 볼 때, 상기 가이드부는 상기 탄화규소 종자정의 외측으로 -4 ° 내지 50 °만큼 경사진 가이드경사각을 갖고,
    상기 종자정으로부터 탄화규소 잉곳을 성장시키고,
    상기 탄화규소 잉곳 제조장치를 통해 제조된 탄화규소 잉곳은 전면 및 이의 반대면인 후면을 포함하고,
    상기 후면은 탄화규소 종자정으로부터 절단된 면이고,
    상기 후면에 수직한 방향으로 최대 높이가 15 mm 이상이고,
    상기 후면의 직경 Db와 전면의 둘레 직경 Df의 비 Df/Db는 0.95 내지 1.17이고,
    상기 후면의 둘레의 일측에서 후면에 수직한 선과, 상기 수직한 선 및 상기 후면의 직경을 포함하는 평면에서 상기 후면의 둘레의 일측으로부터 가까운 상기 전면의 일측을 잇는 가장자리선과의 각도는 -4 ° 내지 50 °인,
    탄화규소 잉곳 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가열수단의 이동 시 온도는 최대 가열영역을 기준으로 2100 ℃ 내지 2500 ℃이고,
    상기 최대 가열영역은 상기 탄화규소 원료와 종자정을 잇는 임의의 선을 기준으로, 상기 가열수단의 중앙으로부터 양단을 향해 소정 길이를 갖는 가열수단의 내부영역이고,
    상기 내부공간의 상부에 부 가열영역이 위치하고,
    상기 부 가열영역은 상기 탄화규소 원료와 종자정을 잇는 임의의 선을 기준으로, 가열수단의 양단으로부터 중앙을 향해 소정 길이를 갖는 가열수단의 내부영역이고,
    상기 부 가열영역의 온도는 상기 최대 가열영역의 온도보다 110 ℃ 내지 160 ℃ 낮은 온도의 영역인, 탄화규소 잉곳 제조장치.
KR1020200110065A 2020-08-31 2020-08-31 탄화규소 잉곳의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄화규소 잉곳 KR102239736B1 (ko)

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