KR102323184B1 - 적층체, 잉곳의 제조방법 및 웨이퍼의 제조방법 - Google Patents

적층체, 잉곳의 제조방법 및 웨이퍼의 제조방법 Download PDF

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Abstract

구체예로 적층체 및 잉곳의 제조방법을 개시한다. 상기 적층체는 종자정 접착층은 특유의 흑연화 수축률로 잉곳에 가해지는 응력을 최소화하고, 성장된 잉곳이 종자정 홀더로부터 일부만 탈착되도록 하되 완전히 분리되지 않도록 할 수 있다. 또한, 실시예의 적층체를 적용하여 제조된 잉곳과 가공된 웨이퍼가 양호한 휨 값을 나타낼 수 있다.

Description

적층체, 잉곳의 제조방법 및 웨이퍼의 제조방법{LAMINATE, METHOD OF MANUFACTURING A INGOT AND METHOD OF MANUFACTURING A WAFER}
구현예는 적층체, 잉곳의 제조방법, 웨이퍼의 제조방법 등에 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.
한편, 종래 탄화규소 단결정을 성장시키기 위해 종자정과 종자정 홀더 사이에 접착층을 형성하여 사용해왔는데, 탄화규소 단결정 잉곳의 성장 시, 종자정 홀더와 접착층 간 열팽창계수 차이 등으로 인해, 잉곳에 응력이 가해질 수 있고, 웨이퍼 가공 시 휨 값이 증가하거나, 결정질이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 탄화규소의 제조 방법으로, 한국 공개특허공보 제10-2015-0075220호에 개시된 "단결정 탄화 규소의 성장 방법", 한국 등록특허공보 제10-1392639호에 개시된 "탄화 규소 단결정의 제조 방법" 등이 있다.
구현예의 목적은 지지체와 접착층 간 열팽창계수 차이로 인해 발생하는 응력 발생을 최소화하고, 우수한 품질의 잉곳 등을 제조하는 것에 있다.
구현예의 목적은 지지체와 접착층 간 열팽창계수 차이로 인해 발생하는 응력 발생을 최소화하고, 우수한 품질의 잉곳을 제조할 수 있는 종자정 접착층, 이를 적용한 적층체의 제조방법 등을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 종자정 접착층은,
Vr은 아래 식 1로 표시되고, 28 %/mm3 이상의 Vr 값을 가질 수 있다.
[식 1]
Figure 112019107937517-pat00001
상기 식 1에서, Sg(%)는 아래 식 2의 값이고, V1은 탄화전 종자정 접착층의 체적(mm3)이고, V2는 흑연화된 종자정 접착층의 체적(mm3)을 상온에서 측정한 값이고,
[식 2]
Figure 112019107937517-pat00002
상기 식 2에서, A1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적(mm2)이고, A2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적(mm2)을 상온에서 측정한 값이다.
상기 종자정 접착층에서 Sg 값은 8.5 % 이상일 수 있다.
상기 종자정 접착층에서 탄화전 종자정 접착층은 코팅층인 종자정 접착층 또는 필름층인 종자정 접착층이고, 1.69 g/cm2 이상의 무게를 지탱할 수 있다.
상기 흑연화된 종자정 접착은 1.97 g/cm2 이상의 무게를 지탱할 수 있다.
상기 종자정 접착층은 56 % 이상의 Vg 값을 가질 수 있고, Vg는 아래 식 3으로 표시된다.
[식 3]
Figure 112019107937517-pat00003
상기 식 3에서, V1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 체적(mm3)이고, V2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 체적(mm3)을 상온에서 측정한 값이다.
상기 종자정 접착층은 3 um 이상의 두께를 가질 수 있다.
상기 종자정 접착층은 293.15 내지 473.15 K에서 6 이하의 열팽창계수를 갖는 면과 접착될 수 있다.
상기 종자정 접착층은 i) 접착성 수지를 포함하거나 ii) 접착성 수지 및 필러를 포함할 수 있다.
상기 종자정 접착층에서 접착성 수지는 잔탄량이 5 내지 50 중량%일 수 있다.
상기 종자정 접착층에서 흑연화된 종자정 접착층은 상기 탄화전 종자정 접착층이 2000 ℃ 이상의 온도에서 열처리된 것일 수 있다.
상기 종자정 접착층은 상기 탄화전 종자정 접착층이고, 면적이 7.85×103 mm2 이상일 수 있다.
상기 종자정 접착층은 상기 흑연화된 종자정 접착층이고, 면적이 5.50×103 mm2 이상일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 적층체의 제조방법은,
지지체의 일면 또는 종자정의 일면 상에 탄화전 종자정 접착층을 마련하고, 상기 지지체와 상기 종자정 사이에 개재된 상기 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 마련하는 적층단계; 그리고
상기 탄화전 종자정 접착층을 탄화 열처리하여 탄화된 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 마련하는 탄화단계;를 포함하고,
상기 종자정 접착층은 아래 식 1로 표시되는 Vr 값이 28 %/mm3 이상일 수 있다.
[식 1]
Figure 112019107937517-pat00004
상기 식 1에서, Sg(%)는 아래 식 2의 값이고, V1은 탄화전 종자정 접착층의 체적(mm3)이고, V2는 흑연화된 종자정 접착층의 체적(mm3)을 상온에서 측정한 값이고,
[식 2]
Figure 112019107937517-pat00005
상기 식 2에서, A1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적(mm2)이고, A2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적(mm2)을 상온에서 측정한 값이다.
상기 적층체의 제조방법에서 상기 탄화 열처리는 500 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 진행될 수 있다.
상기 적층체의 제조방법에서 상기 탄화단계 이후에 열처리단계를 더 포함할 수 있고, 상기 열처리단계는 상기 적층체를 2000 ℃ 이상의 온도에서 흑연화 열처리를 진행하여 흑연화된 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 제조하는 단계일 수 있다.
상기 적층체의 제조방법에서 열처리단계는 상기 종자정의 일면 상에 잉곳을 성장시키는 과정을 포함할 수 있다.
상기 적층체의 제조방법에서 흑연화된 종자정 접착층은 제1면 또는 제2면을 가질 수 있고, 상기 종자정 접착층은 서로 마주하는 면과 접착된 접합면을 가질 수 있고, 제1접합면은 상기 제1면과 서로 마주보는 면이 접하는 접합면이고, 제2접합면은 상기 제2면이 서로 마주보는 상기 종자정의 일면과 접하는 면이고, 상기 제1접합면의 면적과 제2접합면의 면적의 합은 상기 제1면의 면적과 제2면의 면적의 합의 0.95배 이하일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 웨이퍼의 제조방법은, 상기 상기 종자정의 일면 상에 성장된 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
상기 연삭된 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 적층체는,
제1면과 제2면을 갖는 종자정 접착층; 상기 제1면 상에 위치하는 지지체; 그리고 상기 제2면 하에 위치하는 종자정;을 포함하고,
상기 제1면과 상기 지지체의 일면은 서로 마주보고, 상기 제2면과 상기 종자정의 일면은 서로 접하고,
상기 종자정 접착층은 탄화된 종자정 접착층이고,
상기 탄화된 종자정 접착층은 탄화전 종자정 접착층을 탄화시킨 것이고,
상기 탄화전 종자정 접착층은 코팅층이거나 필름층인 종자정 접착층이고,
상기 탄화된 종자정 접착층은 2000 ℃ 이상의 온도에서 열처리로 흑연화되어 흑연화된 종자정 접착층을 형성하고,
종자정 접착층의 면적변화는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적과 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적의 차이이고,
종자정의 면적변화는 열처리 전과 상기 열처리 후의 상기 종자정의 일면이 갖는 면적변화이고,
지지체의 면적변화는 상기 열처리 전과 상기 열처리 후의 상기 지지체의 일면이 갖는 면적변화이고,
상기 종자정 접착층의 면적변화는 상기 종자정의 면적변화 또는 상기 지지체의 면적변화보다 크고,
상기 흑연화된 종자정 접착층은 상기 제1면의 일부 또는 상기 제2면의 일부가 서로 이웃하는 면과 분리될 수 있다.
상기 적층체는 지지체의 일면이 293.15 내지 473.15 K에서 6 이하의 열팽창계수를 가질 수 있다.
상기 적층체는 종자정의 일면이 293.15 내지 473.15 K에서 4 이하의 열팽창계수를 가질 수 있다.
상기 적층체에서 흑연화된 종자정 접착층은 상기 열처리와 상기 열처리 후 냉각과정에서 그 면적이 감소할 수 있다.
상기 적층체에서 상기 탄화전 종자정 접착층은 1.69 g/cm2 이상의 무게를 지탱할 수 있다.
상기 흑연화된 종자정 접착층은 1.97 g/cm2 이상의 무게를 지탱할 수 있다.
상기 적층체는 상기 종자정의 타면에서 성장한 잉곳을 포함할 수 있다.
상기 적층체의 종자정 접착층은 서로 마주하는 면과 접착된 접합면을 갖고, 제1접합면은 상기 제1면과 서로 마주보는 면이 접하는 접합면이고, 제2접합면은 상기 제2면이 서로 마주보는 상기 종자정의 일면과 접하는 접합면이고, 상기 제1접합면의 면적과 제2접합면의 면적의 합은 상기 제1면의 면적과 제2면의 면적의 합의 0.95배 이하일 수 있다.
상기 적층체의 종자정 접착층은 서로 마주하는 직접 접하는 면과 접착된 접합면을 갖고, 제1접합면은 상기 제1면과 서로 마주보는 면이 접하는 면이고, 제2접합면은 상기 제2면이 상기 종자정의 일면과 접하는 면이고, 상기 제1접합면의 면적은 상기 제1면 면적의 0.3배 이상이고 상기 제2접합면의 면적은 상기 제2면 면적의 0.3배 이상일 수 있다.
상기 적층체의 종자정 접착층은 28 %/mm3 이상의 Vr 값을 가질 수 있고, 상기 Vr은 아래 식 1로 표시될 수 있다.
[식 1]
Figure 112019107937517-pat00006
상기 식 1에서, Sg(%)는 아래 식 2의 값이고, V1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 체적(mm3)이고, V2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 체적(mm3)을 상온에서 측정한 값이고,
[식 2]
Figure 112019107937517-pat00007
상기 식 2에서, A1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적(mm2)이고, A2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적(mm2)을 상온에서 측정한 값이다.
상기 적층체의 종자정은 면적이 7.85×103 mm2 이상일 수 있다.
상기 적층체의 종자정의 일면은 표면 조도(Ra)가 5 um 이하일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 잉곳의 제조방법은,
내부공간을 갖는 반응용기에 원료물질과 적층체를 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
상기 내부공간의 온도, 압력 및 기체분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화하고 상기 적층체로부터 성장한 잉곳을 마련하는 성장단계; 그리고
상기 반응용기를 냉각하여 상기 잉곳 또는 상기 잉곳이 더 포함된 적층체를 회수하는 냉각단계;를 포함하고,
상기 적층체는 제1면과 제2면을 갖는 종자정 접착층; 상기 제1면 상에 위치하는 지지체; 그리고 상기 제2면 하에 위치하는 종자정;을 포함하고,
상기 제1면과 상기 지지체의 일면은 서로 마주보고,
상기 제2면과 상기 종자정의 일면은 서로 접하고,
상기 준비단계에서 상기 종자정 접착층은 탄화된 종자정 접착층이고,
상기 탄화된 종자정 접착층은 탄화전 종자정 접착층을 탄화시킨 것이고,
상기 탄화전 종자정 접착층은 코팅층이거나 필름층인 종자정 접착층이고,
상기 성장단계에서 상기 종자정 접착층은 흑연화된 종자정 접착층이고,
종자정 접착층의 면적변화는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적과 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적의 차이이고,
종자정의 면적변화는 열처리 전과 상기 열처리 후의 상기 종자정의 일면이 갖는 면적변화이고,
지지체의 면적변화는 상기 열처리 전과 상기 열처리 후의 상기 지지체의 일면이 갖는 면적변화이고,
상기 종자정 접착층의 면적변화는 상기 종자정의 면적변화 또는 상기 지지체의 면적변화보다 크고,
상기 흑연화된 종자정 접착층은 상기 제1면의 일부 또는 상기 제2면의 일부가 서로 이웃하는 면과의 접착이 분리될 수 있다.
상기 잉곳의 제조방법에서 탄화전 종자정 접착층의 면적을 기준으로 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적은 8.5 % 이상 감소된 것일 수 있다.
상기 잉곳의 제조방법에서 상기 종자정 접착층은 서로 마주하는 면과 접착된 접합면을 갖고, 제1접합면은 상기 제1면의 서로 마주보는 면이 접하는 접합면이고,
제2접합면은 상기 제2면이 서로 마주보는 상기 종자정의 일면과 직접 접하는 접합면이고, 상기 냉각단계 이후의 상기 제1접합면의 면적은 상기 제1면 면적의 0.3배 이상이고, 상기 제2접합면의 면적은 상기 제2면 면적의 0.3배 이상일 수 있다.
상기 잉곳의 제조방법에서 상기 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼는 55 μm이하의 휨 값을 가질 수 있다.
상기 잉곳의 제조방법에서 상기 잉곳은 SiC 단결정 잉곳일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 웨이퍼 제조방법은,
내부공간을 갖는 반응용기에 원료물질과 상기 적층체 제조방법에 따라 제조된 적층체를 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
상기 내부공간의 온도, 압력 및 기체분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화하고 상기 적층체로부터 성장한 잉곳을 마련하는 성장단계;
상기 반응용기를 냉각하여 상기 잉곳 또는 상기 잉곳이 포함된 적층체를 회수하는 냉각단계;
상기 회수된 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
상기 연삭된 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 웨이퍼의 제조방법은, 상기 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
상기 연삭된 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함한다.
일 실시예에 따른 적층체는 잉곳에 가해지는 응력을 최소화하고, 성장된 잉곳이 종자정 접착층으로부터 일부만 탈착되도록 하되 완전히 분리되지 않도록 할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 잉곳의 제조방법은 제조된 탄화규소 잉곳과 이를 가공한 웨이퍼가 양호한 휨 값을 나타낼 수 있다. 일 실시예에 따른 웨이퍼의 제조방법은 탄화규소 잉곳으로부터 우수한 품질의 웨이퍼를 제조할 수 있다.
일 실시예에 따른 종자정 접착층은 잉곳에 가해지는 응력을 최소화하고, 성장된 잉곳이 종자정 접착층으로부터 일부만 분리되도록 하되 완전히 분리되지 않도록 할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 종자정 접착층을 적용하여 제조된 탄화규소 잉곳과 이를 가공한 웨이퍼가 양호한 휨 값을 나타낼 수 있다.
도 1은 종래 탄화규소 잉곳 성장 후 반응용기 내부를 개략적으로 나타낸 개념도.
도 2는 일 실시예에 따른 종자정 접착층을 적용하여, 잉곳 성장 후 반응용기 내부의 일례(a) 및 다른 일례(b)를 개략적으로 나타낸 개념도.
도 3은 일 실시예에 따른 종자정 접착층이 적용된 적층체를 개략적으로 나타낸 개념도.
도 4는 일 실시예에 따른 종자정 접착층이 적용된 탄화규소 단결정 성장장치의 일례를 개략적으로 나타낸 개념도.
도 5는 수지 조성물의 (a)도포, (b)접착층 형성, (c)탄화, (d)흑연화를 순차적으로 나타낸 사진.
도 6은 비교예(a) 및 실시예(b)에서 잉곳의 절단위치에 따른 웨이퍼의 휨 값을 나타낸 그래프.
도 7은 비교예(a) 및 실시예(b)에서 웨이퍼의 XRD 매핑 결과를 나타낸 사진.
도 8은 일 실시예에 따른 종자정 접착층(a)의 열처리 후 수축(b)에 따라 종자정 및 지지체와 분리된 형태(c1), (c2)를 개략적으로 나타낸 개념도.
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 잉곳을 제조하는 방법을 연구하던 중, 승화법인 물리적 기상 수송법(PVT)을 적용하여 단결정을 성장시키는 과정에서, 소정 흑연화 수축률을 만족하는 종자정 접착층을 적용하여 우수한 품질의 잉곳을 제조할 수 있다는 점을 확인하였고, 본 발명을 완성하였다.
종자정 접착층
상기의 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 종자정 접착층(100)은,
Vr은 아래 식 1로 표시되고, 28 %/mm3 이상의 Vr 값을 가질 수 있다.
[식 1]
Figure 112019107937517-pat00008
상기 식 1에서, Sg(%)는 아래 식 2의 값이고, V1은 탄화전 종자정 접착층의 체적(mm3)이고, V2는 흑연화된 종자정 접착층의 체적(mm3)을 상온에서 측정한 값이고,
[식 2]
Figure 112019107937517-pat00009
상기 식 2에서, A1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적(mm2)이고, A2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적(mm2)을 상온에서 측정한 값이다.
상기 탄화전 종자정 접착층은 종자정 접착층이 2000 ℃ 이상의 온도에서 흑연화되기 전의 종자정 접착층이다. 상기 종자정 접착층의 조성과 제조방법에 대해서는 후술한다.
상기 탄화전 종자정 접착층은 코팅층인 종자정 접착층 또는 필름층인 종자정 접착층일 수 있다. 코팅층인 종자정 접착층과 필름층인 종자정 접착층에 대해서는 후술한다.
상기 탄화전 종자정 접착층은 접착성 수지가 고분자화(polymerized)된 상태의 반투명한 것이다. 상기 탄화전 종자정 접착층은 무정형의 탄소(amorphous carbon)로 불투명한 탄화 후 종자정 접착층과 구분된다. 상기 접착성 수지에 대해서는 후술한다.
상기 흑연화된 종자정 접착층은 상기 온도에서 흑연화된 종자정 접착층이다. 상기 탄화전 종자정 접착층은 흑연화된 종자정 접착층이 되면서 그 부피가 감소된다.
상기 Sg 값은 탄화전 종자정 접착층(100)의 면적에서 흑연화로 인해 변화된 면적의 백분율이다. 상기 변화는 감소로 나타날 수 있다.
상기 탄화전 종자정 접착층의 면적은 피접착물(지지체, 종자정 등)과 부착되는 접합면에 대한 면적일 수 있다. 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적은 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적에서 흑연화로 인해 수축된 면적을 제외한 종자정 접착층의 면적을 나타낸다.
상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적, 두께 및 체적 측정은 상온에서 이루어질 수 있고, 상기 상온은 20 ℃ 내지 30 ℃일 수 있고, 구체적으로 25 ℃일 수 있다.
상기 Sg 값은 8.5 % 이상일 수 있고, 9 % 이상일 수 있다. 상기 Sg 값은 11 % 이상일 수 있고, 16 % 이상일 수 있다. 상기 Sg 값은 30 % 이하일 수 있다. 상기 Sg 값은 27 % 이하일 수 있고, 21 % 이하일 수 있다.
상기 Sg 값이 30 %를 초과하면 상기 종자정 접착층(100)을 적용하여 성장 및 냉각된 잉곳을 포함하는 종자정이 상기 종자정 접착층으로부터 완전히 분리되어 잉곳이 손상될 우려가 있고, 종자정 또는 지지체로부터 분리된 종자정 접착층의 면적이 과도하여 잉곳의 품질이 저하될 우려가 있다.
상기 Sg 값이 8.5 % 미만이면 성장된 잉곳을 포함하는 종자정과 종자정 접착층 사이 또는 상기 종자정과 지지체 사이의 응력에 의해, 잉곳의 휨(warp) 값이 양호하지 못할 우려가 있다.
상기 Sg 값이 상기 범위를 만족할 시, 2000 ℃이상의 온도로 승화를 통한 잉곳의 성장과 냉각 과정에서 상기 종자정 접착층과 피접착물(지지체, 종자정 등) 간 효과적으로 부분 분리가 이루어질 수 있고, 제조되는 잉곳에 가해지는 응력을 최소화시킬 수 있다. 상기 Sg 값이 16 % 내지 21 %인 경우, 제조되는 잉곳의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 Sg 값의 측정은 하기 실험예 항목에서 기재된 바와 같은 방법이 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 식 1의 Vr 값은 이하에서 설명하는 범위일 때, 상기 종자정 접착층(100)을 적용하여 잉곳을 제조할 때 응력 발생을 보다 감소시키고 고품질의 잉곳이 성장되고 회수되도록 할 수 있다.
상기 Vr 값은 28 % 이상일 수 있고, 28.7 % 이상일 수 있다. 상기 Vr 값은 38.3 % 이상일 수 있고, 52.3 % 이상일 수 있다. 상기 Vr 값은 154.5 % 이하일 수 있다. 상기 Vr 값은 77.8 % 이하일 수 있고, 63.8 % 이하일 수 있다.
상기 Vr 값이 154.5 %를 초과하면 상기 종자정 접착층(100)을 적용하여 성장된 잉곳의 결함밀도가 높아질 수 있고, 제조되는 잉곳이 상기 종자정 접착층으로부터 완전히 분리되어 잉곳 자체가 손상될 가능성이 있다.
상기 Vr 값이 28 % 미만이면 상기 종자정 접착층을 적용하여 성장된 잉곳이 종자정 접착층과 접착된 피접착물(지지체, 종자정 등)과 열팽창계수 차에 의한 응력을 받기 쉬워져 제조되는 잉곳의 품질이 양호하지 못할 우려가 있다.
상기 Vr 값이 상기 범위를 만족할 시, 제조되는 잉곳에 가해지는 응력, 이로 인해 발생되는 결함을 최소화할 수 있고, 잉곳의 제조 과정에서 종자정 접착층으로부터 종자정을 효과적으로 부분 분리할 수 있다.
상기 Vr 값이 53.7 % 내지 64.1 %인 경우, 제조되는 잉곳의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 Vr 값의 측정은 하기 실험예 항목에 기재된 바와 같은 방법이 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 종자정 접착층(100)이 탄화전 종자정 접착층인 경우, 코팅층인 종자정 접착층일 수 있고, 필름층인 종자정 접착층일 수 있다. 상기 코팅층인 종자정 접착층은 액상의 접착성 수지 조성물이 도포된 형태의 종자정 접착층일 수 있고, 상기 필름층인 종자정 접착층은 상기 접착성 수지 조성물이 도포된 후 경화된 형태의 종자정 접착층일 수 있다.
상기 탄화전 종자정 접착층(100)은 1.69 g/cm2 이상의 무게를 지탱할 수 있다. 상기 탄화전 종자정 접착층(100)은 10.7 g/cm2 이상의 무게를 지탱할 수 있고, 15.4 g/cm2의 무게를 지탱할 수 있다. 상기 범위의 무게를 지탱하도록 하여, 잉곳의 성장 전 반응용기 내부 상단에 종자정 및 지지체 사이에 개재된 상기 종자정 접착층(100)을 포함하는 적층체를 안정적으로 배치할 수 있다.
상기 코팅층인 종자정 접착층(100)은 접착성 수지를 포함할 수 있고, 접착성 수지와 필러를 포함할 수 있다. 상기 코팅층인 종자정 접착층(100)은 용매를 더 포함할 수 있다.
상기 코팅층인 종자정 접착층은 소정 고형분을 갖는 접착성 수지를 포함하는 액상의 접착성 수지 조성물을 도포하고 건조한 것일 수 있다.
상기 고형분은 상기 접착성 수지 조성물 전체를 기준으로 16 중량% 내지 27 중량%일 수 있고, 18 중량% 내지 25 중량%일 수 있다. 상기 고형분은 상기 접착성 수지 조성물 전체를 기준으로 18 중량% 내지 22 중량%일 수 있다.
상기 고형분 함량을 만족하는 접착성 수지 조성물을 통해, 상기 종자정 부착층을 피접착물 상에 용이하게 형성하면서 상기 Sg 값 및 Vr 값을 만족하는 종자정 접착층을 마련할 수 있다.
상기 용매는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 에탄올, 메탄올, 아세톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 선택된 1종을 포함할 수 있으나, 상기 접착성 수지 조성물과 상기 종자정 접착층 제조에 적용 가능한 것이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 위에 예시된 것에 한정되는 것은 아니다.
상기 필름층인 종자정 접착층(100)은 접착성 수지를 포함할 수 있고, 접착성 수지와 필러를 포함할 수 있다.
상기 필름층인 종자정 접착층(100)은 상기 액상의 접착성 수지 조성물을 도포하고 경화 열처리하여 마련할 수 있다.
원료물질의 승화를 포함하는 잉곳의 성장이 진행되는 성장온도 분위기에서, 상기 잉곳의 성장과 함께 상기 접착성 수지의 흑연화가 진행될 수 있다. 상기 접착성 수지는 잉곳의 성장온도에서 종자정 및 지지체와 접착을 적어도 일부분 유지할 수 있는 것이 사용될 수 있다.
상기 접착성 수지의 잔탄량은 5 중량% 내지 50 중량%일 수 있고, 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있다. 상기 잔탄량 범위를 갖는 접착성 수지를 사용한 종자정 접착층은 잉곳 성장단계에서 효과적으로 흑연화될 수 있고, 잉곳이 성장한 후 회수하는 단계에서 종자정 접착층이 부분 분리되도록 도울 수 있다.
상기 접착성 수지는 구체적으로 폴리아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 페놀 수지, 에폭시계 수지, 폴리염화비닐 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 선택된 1종을 포함할 수 있다.
상기 필러는 흑연, 코크스, 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 선택된 1종일 수 있다. 상기 필러는 상기 종자정 접착층(100)의 흑연화 시 수축되는 정도를 제어할 수 있다.
상기 필러의 평균 입경(D50)은 1 μm 이하일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경(D50)은 200 nm 내지 600 nm일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경(D50)은 250 nm 내지 550 nm일 수 있으며, 280 nm 내지 520 nm일 수 있다.
상기 필러가 이러한 입자 크기를 갖는 경우, 상기 종자정 접착층(100)의 접착 특성일 동등 수준 이상으로 유지하면서 잉곳에 가해지는 응력의 영향을 최소화하면서 온도에 따른 종자정 접착층의 부피, 면적 변화 특성을 보다 용이하게 제어할 수 있다.
상기 필러의 첨가량은 상기 접착성 수지를 함유하는 용액 전체를 기준으로 0.5 중량% 이상일 수 있고, 1 중량% 이상일 수 있다. 상기 필러의 첨가량은 상기 접착성 수지를 함유하는 용액 전체를 기준으로 10 중량% 이하일 수 있고, 6 중량% 이하일 수 있다. 상기 필러의 첨가량 범위에서 상기 종자정 접착층(100)의 접착 특성과 면적 변화 특성을 보다 용이하게 제어할 수 있다.
상기 필러가 첨가될 시, 상기 접착성 수지는 폴리아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 페놀 수지 및 크레졸 노볼락(cresol novolac)형 수지로 이루어진 군 중 선택된 1종일 수 있다. 또한, 상기 필러가 첨가될 시, 상기 접착성 수지는 폴리아크릴산 수지 또는 폴리아크릴로니트릴 수지일 수 있다.
이 때, 상기 수지를 종자정 접착층(100)에 적용하여 잉곳 성장 및 냉각 시, 피접착물인 종자정(110)과 지지체(120)가 흑연화된 종자정 접착층과 최적의 접합면적을 유지하되 일부가 분리되도록 하여, 잉곳에 가해지는 응력을 효율적으로 감소시키고 보다 고품질의 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 종자정 접착층(100)은 피접착물(지지체, 종자정 등)과 서로 마주하는 면이 접착되는 접합면을 포함할 수 있고, 상기 접합면은 상기 종자정 접착층(100)의 일면인 제1면 및 타면인 제2면을 포함한다.
구체적으로, 지지체(120)가 상기 종자정 접착층 상에 위치할 수 있고, 상기 지지체의 일면이 상기 종자정 접착층의 제1면과 마주볼 수 있으며, 서로 접합될 수 있다. 종자정(110)은 상기 종자정 접착층 하에 위치할 수 있고, 상기 종자정의 일면이 상기 종자정 접착층의 제2면과 마주보며 접할 수 있다.
상기 종자정 접착층(100)과 피접착물(지지체, 종자정 등)은 접착된다.
상기 피접착물의 열팽창계수(×10-6/℃)는 293.15 K 내지 473.15 K에서 6 이하일 수 있다. 상기 피접착물의 열팽창계수(×10-6/℃)는 293.15 K 내지 473.15 K에서 5 이하일 수 있고, 4.5 이하일 수 있다. 상기 피접착물의 열팽창계수(×10-6/℃)는 293.15 K 내지 473.15 K에서 1 이상일 수 있고, 2 이상일 수 있고, 3 이상일 수 있다. 상기 피접착물의 열팽창계수(×10-6/℃)는 293.15 K 내지 473.15 K에서 3.7 내지 4.2일 수 있다.
상기 열팽창계수 범위를 만족하는 피접착물(종자정, 지지체 등)에, 상기 종자정 접착층을 적용하면, 잉곳의 성장을 위한 승온과 냉각 과정에서 보다 적절하게 종자정 접착층과 피접착물의 부분 분리를 유도할 수 있다.
상기 종자정 접착층(100)과 접착되는 피접착물의 일면은 표면 조도(Ra)가 5 μm 이하일 수 있고, 0.01 nm 이상일 수 있다.
상기 종자정(110)은 성장시키려는 잉곳의 특성에 따라 달리 적용될 수 있다.
상기 잉곳이 탄화규소 잉곳인 경우, 탄화규소 종자정이 적용될 수 있다. 예를 들어 4H-SiC 웨이퍼, 6H-SiC 웨이퍼, 3C-SiC 웨이퍼, 15R-SiC 웨이퍼 등이 적용될 수 있으며, 2000 ℃이상의 온도에서 승화법을 통해 잉곳이 성장될 수 있는 것이라면 적용 가능하다.
상기 종자정(110)은 성장시키려는 잉곳의 크기에 따라 달리 적용될 수 있다. 상기 잉곳의 직경은 4 인치 이상일 수 있고, 5인치 이상일 수 있고, 6인치 이상일 수 있다. 상기 잉곳의 직경은 4 인치 내지 12 인치, 4 인치 내지 10 인치, 6 인치 내지 8 인치일 수 있다. 상기 종자정은 이러한 잉곳의 특성에 따라 적절한 것이 적용될 수 있다.
상기 종자정(110)은 4H-SiC 단결정을 성장시킬 수 있는 것으로 적용할 수 있고, 예를 들어 잉곳이 성장하는 전면이 C면(000-1)인 4H-SiC 결정의 종자정이 적용될 수 있다.
상기 지지체(120)는 상기 종자정(110)을 종자정 접착층(100)과 함께 잉곳의 성장을 위한 반응용기 내부공간 상부에 배치할 목적으로 적용될 수 있다.
상기 지지체(120)은 흑연 재질일 수 있고, 잉곳 성장에 사용되는 반응용기의 도가니 재질과 동일할 수 있다. 또한, 상기 지지체(120)는 상기 반응용기의 덮개와 일체로 또는 별도로 형성될 수 있다.
상기 흑연화된 종자정 접착층(100)은 상기 종자정 접착층을 질소 또는 아르곤 기체 등의 불활성 분위기, 10 torr 내지 50 torr의 압력에서 5 ℃/min 내지 10 ℃/min의 승온 속도, 2000 ℃ 내지 2600 ℃의 온도로 1 시간 내지 100 시간 동안 열처리하여 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 흑연화된 종자정 접착층(100)은 30 torr의 아르곤 분위기에서 10 ℃/min의 승온 속도, 2600 ℃의 온도로 10 시간 동안 열처리하여 마련될 수 있다.
상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적, 체적 등은 25 ℃의 온도에서 측정된 것을 기준으로 한다.
통상, 잉곳의 성장 및/또는 종자정 접착층의 흑연화는 고온에서의 열처리 과정으로 진행되므로, 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적, 체적 등은 냉각 과정을 거친 후에 측정된다. 상기 냉각 과정은 흑연화된 종자정 접착층을 5 ℃/min 내지 10 ℃/min의 냉각 속도가 적용될 수 있다. 또한, 상기 냉각은 5 내지 750 torr의 아르곤 또는 질소 분위기 조건에서 진행될 수 있다.
상기 흑연화된 종자정 접착층(100)은 1.97 g/cm2 이상의 무게를 지탱할 수 있고, 12.5 g/cm2 이상의 무게를 지탱할 수 있다. 상기 흑연화된 종자정 접착층은 51.3 g/cm2 이하의 무게를 지탱할 수 있고, 35.9 g/cm2 이하의 무게를 지탱할 수 있다. 상기 범위의 무게를 지탱하도록 하여, 잉곳의 성장 및 냉각 후 흑연화된 종자정 접착층이 피접착물과 일부분 분리되더라도 잉곳을 완전히 떨어지지 않도록 할 수 있다.
상기 종자정 접착층(100)은 하기 식 3으로 표시되는 Vg 값이 56 % 이상일 수 있고, 71 % 이하일 수 있다.
[식 3]
Figure 112019107937517-pat00010
상기 식 3에서, V1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 체적(mm3)이고, V2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 체적(mm3)을 상온에서 측정한 값이다.
상기 식 3의 V1 및 V2는 상기 식 1의 값과 같을 수 있고, 상기 식 3의 흑연화 조건, 체적 측정 조건 또한 앞서 기술한 설명과 같다.
상기 종자정 접착층(100)이 상기 Sg 및 Vr 값 범위와, Vg 값 범위를 만족할 시 잉곳 성장 및 냉각 단계에서 피접착물과 충분한 접착력은 유지하면서 목적으로 하는 부분적인 분리를 용이하게 유도할 수 있고, 응력에 의한 결함이 보다 감소된 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 종자정 접착층(100)의 두께는 3 μm 이상일 수 있다. 상기 종자정 접착층(100)의 두께는 5 μm 이상일 수 있고, 10 μm 이상일 수 있다. 상기 두께는 100 μm 이하일 수 있다. 상기 두께는 80 μm 이하일 수 있고, 70 μm이하일 수 있다. 상기 두께 범위에서 전체적으로 일정한 두께의 종자정 접착층을 안정적으로 형성할 수 있고, 종자정(110) 및 지지체(120) 등의 피접착물을 보다 안정적으로 접착시킬 수 있다.
상기 탄화전 종자정 접착층(100, 코팅층 또는 필름층 형태)은 면적이 7.85×103 mm2 이상일 수 있고, 17.6×103 mm2 이상일 수 있다. 상기 탄화전 종자정 접착층은 면적이 70.6×104 mm2 이하일 수 있고, 40.9×104 mm2 이하일 수 있다. 상기 면적 범위와, 상기 두께 범위에서, 접착이 안정적으로 진행될 수 있고, 잉곳 성장 및 냉각 시 상기 종자정 접착층의 피접착물과 부분 분리가 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 흑연화된 종자정 접착층(100)의 면적은, 5.50×103 mm2 이상일 수 있고, 12.3×103 mm2 이상일 수 있고, 49.4×103 mm2 이하일 수 있고, 28.6×103 mm2 이하일 수 있다. 이러한 면적 범위를 가질 때, 상기 흑연화된 종자정 접착층은 피접착물과 보다 용이하게 부분 분리될 수 있다.
상기 종자정 접착층은 승온과 냉각 과정에서 그 부피가 변화하며, 이 때, 상기 종자정 접착층과 상기 피접착물의 계면에서 서로 반대 방향의 장력이 일시적으로 작용하게 되고, 이는 종자정 접착층이 상기 피접착물을 접착하는 접착력을 일시적으로 약화시켜 상기 종자정 접착층의 부분 분리가 나타나는 것으로 생각된다. 이 때, 상기 종자정의 타면에 잉곳이 위치하여 그 무게가 증가된 경우 상기 일부 분리가 더 유리하게 진행될 수 있다.
상기 종자정 접착층의 부분 분리는 승온과 냉각 과정에서 발생하는 열팽창률(또는 열수축률)의 차이에 의해 발생하는 응력을 실질적으로 제거할 수 있으며, 응력에 의해 잉곳에 발생하는 결함을 현저히 감소시킬 수 있다.
이러한 종자정 접착층의 부피 변화 특성은, 적어도 2 가지 이유인 것으로 생각된다. 그 하나는 탄화전 종자정 접착층에 포함된 접착성 수지 등이 탄화와 흑연화 과정을 거치면서 체적이 감소하기 때문으로 생각된다. 그리고, 다른 하나는 흑연화된 종자정 접착층이 냉각되는 과정에서 열수축되며 체적이 감소하기 때문으로 생각된다.
이러한 상기 종자정 접착층의 특징은 상기 피접착물과 적절한 범위의 열팽창 (또는 열수축) 특성을 가질 때 더욱 우수한 효과를 갖는다.
다만, 2000 ℃ 이상의 온도에서 열팽창률(또는 열팽창계수)을 측정하는 것이 실질적으로 어려워, 위에서는 측정 가능한 온도 범위에서의 피접착물(지지체, 종자정 등)의 열팽창계수를 제시한다.
도 1 및 2를 참조하면, 종래 접착층(10)이 적용되어 성장된 탄화규소 잉곳(도 1)과, 일 실시예에 따른 종자정 접착층(100)이 적용된 잉곳(130)(도 2 (a) 및 (b))을 확인할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 탄화규소 잉곳 성장과정에서 지지체(120)와 종자정(110) 간 열팽창계수 차이로, 탄화규소 잉곳의 성장과정인 승온 냉각 과정에서 탄화규소 잉곳에 응력이 가해질 수 있다.
도 2 (a) 및 (b)에서는, 상기 종자정 접착층(100)의 수축에 따라, 지지체(120) 및 종자정(110)간에 일부 분리가 일어나는 형상을 나타내었다. 이에 따라, 상기 지지체의 상부에 위치하는 반응용기 덮개(140)의 휨을 억제하고, 상기 지지체와의 열팽창계수 차이에 의해 잉곳에 가해지는 응력을 최소화할 수 있다.
잉곳의 성장과정에서, 상기 종자정, 종자정 접착층 및 지지체의 외주면을 둘러싸는 다결정(131)이 형성될 수 있고, 이후 상기 종자정 접착층이 수축되면서 상기 다결정의 일부가 파단될 수 있다.
잉곳의 성장 및 냉각으로 인해 도 8에 도시한 바와 같이 상기 흑연화된 종자정 접착층(100)이 수축되고(도 8 (b), 검은색 화살표는 접착층의 수축을 표시함), 피접착물과 상기 종자정 접착층 간 일부 분리가 발생할 수 있다(도 8 (c1), (c2)).
흑연화된 종자정 접착층과 피접착물 간 분리되지 않고 남아있는 접착된 면적이 흑연화된 종자정 접착층의 면적 대비 95% 이하일 경우(즉, 분리된 면적이 5 % 초과인 경우), 목적으로 하는 일부 분리가 일어났다고 간주할 수 있다.
상기 분리되지 않고 남아있는 접착된 면적은 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적 대비 90 % 이하일 수 있고, 77 % 이하일 수 있다. 상기 분리되지 않고 남아있는 접착된 면적은 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적 대비 30 % 이상일 수 있고, 45 % 이상일 수 있다. 상기 흑연화된 종자정 접착층이 상기 분리되지 않고 남아있는 접착된 면적 범위를 갖는 경우, 잉곳 성장 및 냉각 시 상기 종자정 접착층과 피접착물의 일부 분리가 효과적으로 이루어질 수 있고, 분리되지 않은 접착면인 종자정 접착층에 의해 상기 종자정과 상기 종자정의 타면 상에 위치하는 잉곳이 완전히 떨어지지 않도록 지탱할 수 있다.
적층체의 제조방법
다른 일 실시예에 따른 적층체의 제조방법은,
지지체(120)의 일면 또는 종자정(110)의 일면 상에 탄화전 종자정 접착층(100)을 마련하고, 상기 지지체와 상기 종자정 사이에 개재된 상기 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 마련하는 적층단계; 그리고
상기 탄화전 종자정 접착층을 탄화 열처리하여 탄화된 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 마련하는 탄화단계;를 포함한다.
상기 탄화단계 이후에 열처리단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열처리단계는 상기 적층체를 2000 ℃ 이상의 온도에서 흑연화 열처리를 진행하여 흑연화된 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 제조하는 단계이다.
상기 종자정 접착층은 아래 식 1로 표시되는 Vr 값이 28 %/mm3 이상일 수 있다.
[식 1]
Figure 112019107937517-pat00011
상기 식 1에서, Sg(%)는 아래 식 2의 값이고, V1은 탄화전 종자정 접착층의 체적(mm3)이고, V2는 흑연화된 종자정 접착층의 체적(mm3)을 상온에서 측정한 값이고,
[식 2]
Figure 112019107937517-pat00012
상기 식 2에서, A1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적(mm2)이고, A2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적(mm2)을 상온에서 측정한 값이다.
상기 종자정 접착층은 제1면과 제2면을 포함한다.
상기 탄화전 종자정 접착층은 코팅층인 종자정 접착층 또는 필름층인 종자정 접착층을 포함한다.
상기 탄화된 종자정 접착층은 상기 코팅층인 종자정 접착층 또는 필름층인 종자정 접착층이 탄화 열처리된 것일 수 있다.
상기 적층단계는 지지체(120)의 일면 또는 종자정(110)의 일면 상에 탄화전 종자정 접착층을 마련하고, 상기 지지체와 상기 종자정 사이에 개재된 상기 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 마련하는 단계이다.
상기 적층체는 상기 종자정 접착층, 상기 종자정 접착층의 제1면 상에 위치하는 상기 지지체, 그리고 상기 종자정 접착층의 제2면 하에 위치하는 상기 종자정을 포함할 수 있다.
상기 적층단계의 종자정(110) 및 지지체(120)는 각각 상기 종자정 접착층의 설명에서 피접착물로 기술한 종자정 및 지지체와 같다.
상기 적층단계의 종자정 접착층(100)은 탄화전 종자정 접착층으로, 코팅층 형태 및 필름층 형태일 수 있고, 상기 종자정 접착층의 설명에서 기술한 바와 같다.
상기 적층단계의 종자정 접착층(100)이 코팅층인 종자정 접착층인 경우, 상기 코팅층인 종자정 접착층은 상기 접착성 수지와 상기 용매가 혼합되어, 소정 중량%의 고형분을 갖는 액상일 수 있다.
상기 적층단계의 종자정 접착층(100)이 코팅층인 종자정 접착층인 경우, 상기 액상의 종자정 접착층에서 용매가 일부 제거되어 건조된 코팅층일 수 있다.
상기 접착성 수지가 폴리아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지 및 크레졸 노볼락(cresol novolac)형 수지일 경우, 용매와 혼합되어 고형분이 16 중량% 내지 27 중량%일 수 있다. 상기 고형분은 18 중량% 내지 25 중량%일 수 있으며, 18 중량% 내지 22 중량%일 수 있다.
상기 고형분을 갖는 접착성 수지 조성물을 통해, 안정적인 작업성을 가지면서 상기 Sg 및 상기 Vr 값을 만족하는 종자정 접착층(100)을 제조할 수 있다.
상기 적층단계의 종자정 접착층(100, 탄화전 종자정 접착층)이 코팅층 형태일 경우, 상기 코팅층 형태의 종자정 접착층은 상기 지지체(120) 또는 종자정(110)의 일면 상에 접착층 수지 조성물을 도포하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 도포는 통상적인 액상 물질을 도포하는 방법이 적용될 수 있고, 스핀 코팅을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도포에서 도포 두께는 3 μm 이상일 수 있고, 5 μm 이상일 수 있고, 10 μm 이상일 수 있다. 상기 도포 두께는 100 μm 이하일 수 있고, 80 μm 이하일 수 있고, 70 μm이하일 수 있다. 상기 도포 두께 범위에서 종자정(110) 및 지지체(120) 등의 피접착물을 안정적으로 접착시킬 수 있고, 후속 단계에서 종자정과 지지체가 일부분만 적절하게 분리되도록 유도할 수 있다.
상기 적층단계의 종자정 접착층(100, 탄화전 종자정 접착층)이 필름층 형태일 경우, 상기 필름층인 종자정 접착층은 상기 코팅층인 종자정 접착층을 경화 열처리하여 마련될 수 있다.
상기 경화 열처리 온도는 100 ℃ 내지 450 ℃일 수 있고, 120 ℃ 내지 420 ℃일 수 있으며, 150 ℃ 내지 420 ℃일 수 있다. 상기 열처리 시간은 1 시간 내지 10 시간일 수 있다.
상기 열처리 온도가 100 ℃ 미만이라면, 제조된 필름층 형태의 종자정 접착층의 가교 정도가 충분하지 않을 수 있다. 상기 열처리 온도가 450 ℃ 초과라면, 이후 과정에서 상기 필름층 형태의 종자정 접착층이 부피 변화 정도가 감소될 가능성이 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 지지체(120) 상에 상기 종자정 접착층(100)을 형성할 수 있고, 상기 종자정 접착층 상에 종자정(110)을 위치시켜 적층체를 마련할 수도 있다.
상기 지지체(120)는 종자정 홀더일 수 있고 상기 반응용기 덮개(140)일 수 있다.
상기 지지체(120)는 반응용기 덮개(140)와 별도로 형성될 수도 일체로 형성될 수도 있다.
종래의 방법에서는, 종자정과 지지체 사이에 개재된 접착층을 포함하는 적층체를 제조할 시 가압하는 단계가 적용되기도 하나, 일 실시예에 따른 적층체 제조방법은 가압하는 과정을 생략할 수 있다.
상기 탄화단계는 상기 탄화전 종자정 접착층(100)을 탄화 열처리하여, 탄화된 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 마련하는 단계이다.
상기 탄화단계의 탄화 열처리 온도는 500 ℃ 이상일 수 있고, 600 ℃ 이상일 수 있다. 상기 탄화 열처리 온도는 900 ℃ 이하일 수 있고, 800 ℃ 이하일 수 있다. 상기 탄화 열처리 온도 범위에서, 상기 종자정 접착층(100)의 탄화가 용이하게 이루어질 수 있고, 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.
상기 탄화단계는 아르곤 또는 질소 등의 불활성 기체 분위기에서 진행될 수 있고, 1 torr 내지 750 torr의 압력에서 1 시간 내지 10 시간 동안 진행될 수 있다.
상기 탄화단계가 진행된 적층체를 냉각하는 냉각단계를 더 포함할 수 있고, 20 ℃ 내지 30 ℃의 상온으로 냉각될 수 있다.
상기 탄화단계 이후에 열처리단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열처리단계는 상기 적층체를 2000 ℃ 이상의 온도에서 흑연화 열처리를 진행하여 흑연화된 종자정 접착층을 포함하는 적층체를 제조하는 단계이다.
상기 열처리단계의 온도는 2000 ℃ 이상일 수 있고, 2200 ℃ 이상일 수 있고, 2300 ℃ 이상일 수 있다. 상기 온도는 2600 ℃ 이하일 수 있고, 2500 ℃ 이하일 수 있다. 상기 온도 범위에서 상기 종자정 접착층의 흑연화가 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 열처리단계는 1 torr 내지 200 torr 압력의 불활성 분위기, 1 ℃/min 내지 10 ℃/min의 승온 속도 조건에서 1 시간 내지 100 시간 동안 진행될 수 있다. 상기 열처리단계는 10 torr 내지 50 torr, 5 ℃/min 내지 10 ℃/min의 승온 속도 조건에서 5 시간 내지 48 시간 동안 진행될 수 있다. 상기 온도, 압력 및 승온 속도 범위에서 보다 효율적으로 상기 종자정 접착층(100)의 흑연화 처리를 진행할 수 있다.
상기 열처리단계로 흑연화된 종자정 접착층(100)은 제1면 및 제2면을 가질 수 있고, 피접착체와 접착된 접합면을 가질 수 있다. 상기 제1면은 상기 흑연화된 종자정 접착층의 일면이고, 상기 제2면은 상기 흑연화된 종자정 접착층의 타면이다.
상기 열처리단계로 흑연화된 종자정 접착층은 서로 마주하는 면과 접착된 접합면을 가질 수 있다. 상기 접합면은 제1접합면과 상기 제2접합면을 포함할 수 있다.
상기 제1접합면은 상기 제1면과 사로 마주보는 면과 접하는 접합면이다. 상기 제1접합면은 상기 제1면과 상기 지지체의 일면이 직접 접하는 접합면일 수 있다.
상기 제2접합면은 상기 제2면이 서로 마주보는 상기 종자정의 일면과 직접 접하는 면이다.
상기 제1접합면의 면적과 제2접합면의 면적의 합이 상기 제1면의 면적과 제2면의 면적의 합보다 소정 배수 이하일 경우, 일부 분리가 이루어졌다고 간주할 수 있다.
상기 제1접합면의 면적과 제2접합면의 면적의 합이 상기 제1면의 면적과 제2면의 면적의 합의 0.95배 이하일 수 있고, 0.90 배 이하일 수 있다. 상기 제1접합면의 면적과 제2접합면의 면적의 합이 상기 제1면의 면적과 제2면의 면적의 합의 0.77배 이하일 수 있다.
상기 제1접합면의 면적과 제2접합면의 면적의 합이 상기 제1면의 면적과 제2면 면적의 합의 0.30배 이상일 수 있고, 0.45배 이상일 수 있다.
상기 제1접합면의 면적과 제2접합면 면적의 합이 위의 범위를 가지면, 상기 종자정 접착층을 적용하여 잉곳을 성장시킬 때, 잉곳의 성장과 냉각 과정에서 열팽창률(열수축률)에 따라 발생할 수 있는 잉곳과 지지체 사이의 응력을 최소화할 수 있고, 보다 우수한 품질의 잉곳을 제공할 수 있다.
상기 열처리단계 이후, 도 8에 도시한 바와 같이 종자정 접착층(100)의 흑연화에 따른 수축에 따라(도 8 (b)), 지지체(120) 및 종자정 접착층 사이 및 종자정(110) 및 종자정 접착층 사이에 일부 분리(도 8 (c1), (c2))가 일어날 수 있다. 이에, 상기 지지체와 종자정의 열팽창계수 차이에 의해 종자정 및 잉곳에 가해지는 응력을 최소화할 수 있다.
상기 열처리단계는 상기 종자정의 일면 상에 잉곳을 성장시키는 성장단계와 동시에 진행될 수 있다. 또는, 상기 열처리단계는 상기 종자정 접착층의 흑연화와 상기 잉곳의 성장이 순차로 진행될 수 있다.
상기 성장단계는 반응용기 내부공간 하부에 원료(300), 상부에 상기 적층체를 배치하고, 상기 적층체의 종자정 타면이 상기 원료(300)를 마주보도록 배치할 수 있다.
도 4에 잉곳 제조장치의 일례를 개략적으로 나타내었다. 도 4를 참조하면, 상기 반응용기는 단열재(400)에 의해 둘러싸여 고정될 수 있고, 석영관과 같은 반응챔버(420) 내에 상기 반응용기를 둘러싼 단열재가 위치하도록 할 수 있다. 상기 단열재 및 반응챔버 외부에 구비된 가열수단(500)에 의해 상기 반응용기 내부공간의 온도를 제어할 수 있다.
상기 반응용기는 탄화규소 잉곳(130) 성장에 적절한 것이라면 적용될 수 있고, 구체적으로 그라파이트 도가니가 적용될 수 있다.
상기 반응용기는 내부공간과 개구부를 포함하는 본체 및 상기 개구부와 대응되어 상기 내부공간을 밀폐하는 덮개를 포함할 수 있다. 상기 덮개는 상기 반응용기 내부공간으로 마주보는 면에 상기 적층체가 배치되도록 할 수 있고, 상기 덮개 상에 상기 적층체의 지지체(120) 일면이 접할 수 있다.
상기 열처리단계의 성장단계는 상기 가열수단(500)에 의해 반응용기 및 반응용기의 내부공간을 가열하여 진행될 수 있고, 상기 가열과 동시에 또는 별도로 내부공간을 감압하고, 불활성 기체를 소정 주입하며 잉곳 성장을 유도할 수 있다.
상기 열처리단계의 성장단계의 온도, 압력, 분위기 및 승온속도는 상기 열처리단계에서 기술한 바와 같을 수 있다.
상기 열처리단계의 성장단계를 통해 제조되는 잉곳(130)은 잉곳을 적층체로부터 분리하는 절단과정이 간소화될 수 있다. 분리된 잉곳은 외경 연삭 장비를 적용하여 잉곳의 외곽 테두리 부분을 다듬고(external grinding), 일정한 두께로 절삭(slicing)한 후 가장자리 연삭과 표면 연마, 폴리싱 등의 가공을 통해 웨이퍼로 가공될 수 있다.
상기 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼는 55 μm이하의 휨 값(warp)을 가질 수 있고, 상기 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼들의 평균 30 μm 이하의 휨 값을 가질 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 물성은 갖는 웨이퍼를 제조할 수 있다. 상기 휨 값(warp)의 측정은 하기 실험예에 기재된 바와 같은 방법이 적용될 수 있다.
상기 적층체 제조방법은 상기 열처리단계로 제조된 적층체를 냉각하는 냉각단계를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각단계는 24 시간 내지 48 시간 동안 1 ℃/min 내지 10 ℃/min의 냉각 속도로 진행될 수 있다. 상기 냉각단계는 상기 내부공간의 압력을 700 torr 내지 800 torr로 상승시킨 상태로 진행될 수 있다.
상기 적층체 제조방법의 식 2의 Sg 값 및 상기 식 1의 Vr 값은 상기 종자정 접착층(100)의 설명에서 기술한 바와 같고, 이의 측정과정은 하기 실험예 항목에서 기재된 바와 같으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 적층체 제조방법을 통해 제조된 적층체는 특유의 상기 Vr 값 및 Sg 값을 가지는 종자정 접착층(100)을 통해, 종자정 접착층의 수축으로 인한 피접착물 간 부분 분리가 발생하고, 상기 적층체 제조방법의 열처리단계에서 잉곳의 성장단계를 포함할 시 품질이 우수한 잉곳을 제조할 수 있다.
적층체
다른 일 실시예에 따른 적층체는,
제1면과 제2면을 갖는 종자정 접착층(100); 일면이 상기 제1면 상에 위치하는 지지체(120); 그리고 상기 제2면 하에 위치하며 종자정(110);을 포함한다.
상기 제1면과 상기 지지체의 일면은 서로 마주볼 수 있다.
상기 제2면과 상기 종자정(110)의 일면은 서로 접할 수 있다.
상기 탄화된 종자정 접착층은 탄화전 종자정 접착층을 탄화시킨 것이다.
상기 탄화전 종자정 접착층은 코팅층이거나 필름층인 종자정 접착층일 수 있다.
상기 탄화된 종자정 접착층은 2000 ℃ 이상의 온도에서 열처리로 흑연화되어 흑연화된 종자정 접착층을 형성한다.
종자정 접착층의 면적변화는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적과 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적의 차이이다.
상기 종자정(110)의 면적변화는 상기 열처리 전과 후의 상기 종자정의 일면이 갖는 면적변화이다.
상기 지지체(120)의 면적변화는 상기 열처리 전과 후의 상기 지지체의 일면이 갖는 면적변화이다.
상기 종자정 접착층(100)의 면적변화는 상기 종자정의 면적변화 또는 상기 지지체의 면적변화보다 클 수 있다.
상기 흑연화된 종자정 접착층(100)은 상기 제1면의 일부 또는 상기 제2면의 일부가 서로 이웃하는 면과 분리된다.
2000 ℃ 이상에서 열처리한 후 상온에서 측정한 상기 종자정 접착층(100)의 면적을 상기 열처리 전의 상기 종자정 접착층의 면적과 비교한 면적 변화가, 상기 지지체(120)의 면적 변화 또는 상기 종자정(110)의 면적 변화보다 클 수 있다.
2000 ℃ 이상에서 열처리한 후의 상기 종자정 접착층(100)은 상기 제1면의 일부 또는 상기 제2면의 일부가 서로 이웃하는 면과 직접 접착되지 않고 분리된다.
구체적으로, 2000 ℃ 이상에서 열처리 전의 상기 종자정 접착층(100)은 탄화전 종자정 접착층일 수 있고, 상기 열처리 후의 상기 종자정 접착층은 흑연화된 종자정 접착층이다.
상기 종자정 접착층(100)의 면적변화는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적과 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적의 차이이다.
상기 종자정 접착층(100)의 면적변화는 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적에서 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적을 감한 값일 수 있다.
상기 탄화전 종자정 접착층(100)은 코팅층인 종자정 접착층 또는 필름층인 종자정 접착층일 수 있다.
상기 종자정 접착층(100)은 2000 ℃ 이상에서 열처리 후 상온으로 냉각되며 흑연화되고 면적이 감소할 수 있다.
상기 종자정(110) 및 상기 지지체(120) 및 이들이 갖는 특징에 대한 구체적인 설명은 각각 상기 종자정 접착층과 이의 제조방법의 설명에서 피접착물로 기술한 종자정 및 지지체에 대한 설명과 같다.
상기 지지체(120)의 상기 제1면과 접하는 면은 293.15 내지 473.15 K에서 6 이하의 열팽창계수를 가질 수 있고, 상기 지지체 또는 상기 제1면과 접하는 면의 열팽창계수에 관련된 설명은 앞서 기술한 피접착체에 대한 설명과 같다.
상기 종자정(110)의 상기 제2면과 직접 접하는 면은 293.15 내지 473.15 K에서 4 이하의 열팽창계수를 가질 수 있다. 상기 종자정 또는 상기 제1면과 접하는 면의 열팽창계수에 관련된 더 자세한 설명은 앞서 기술한 피접착체에 대한 설명과 같다.
상기 적층체는 상기 종자정(110)의 타면에서 성장한 잉곳(130)을 포함할 수 있다.
상기 종자정 접착층(100)은 탄화전 종자정 접착층일 수 있다.
상기 탄화전 종자정 접착층(100)에 대한 설명, 상기 탄화전 종자정 접착층이 지탱하는 무게에 대한 설명 등의 구체적인 설명은 앞서 기술한 설명과 같다.
상기 탄화된 종자정 접착층(100)은 상기 탄화전 종자정 접착층을 탄화 열처리한 것으로, 실질적으로 그 표면에 기포가 형성되지 않은 것일 수 있다.
상기 종자정 접착층(100)은 상기 흑연화 열처리 후의 것으로, 상기 흑연화된 종자정 접착층일 수 있다.
상기 흑연화와 상기 흑연화된 종자정 접착층(100)에 대한 구체적인 설명은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 흑연화된 종자정 접착층(100)은 상기 열처리와 상기 열처리 후 냉각과정에서 그 면적이 감소할 수 있다는 점은 기술한 바와 같다.
상기 종자정 접착층(100)은 서로 마주하는 직접 접하는 면과 접착된 접합면을 가질 수 있다. 제1접합면은 상기 제1면과 상기 지지체(120)의 일면과 직접 접하는 면이고, 제2접합면은 상기 제2면이 상기 종자정(110)의 일면과 직접 접하는 면이다. 상기 제1접합면과 제2접합면의 합은 상기 제1면과 제2면의 합의 0.95배 이하라는 등의 특징은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 종자정 접착층(100)은 위에서 설명한 Vr 값, Sg 값, 그리고 Vg 값의 특징을 가질 수 있고, 그 구체적인 설명은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 종자정 접착층(100)은 3 um 이상의 두께를 가질 수 있고, 종자정 접착층의 두께 등에 대한 설명은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 종자정(110)의 면적, 지지체(120)의 면적, 종자정 접착층(100)의 면적 등에 대한 구체적인 설명은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 종자정(110)의 조도, 상기 지지체(120)의 조도 등에 대한 구체적인 설명은 앞서 기술한 바와 같다.
잉곳의 제조방법
다른 일 실시예에 따른 잉곳의 제조방법은,
내부공간을 갖는 반응용기에 원료물질과 적층체를 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
상기 내부공간의 온도, 압력 및 기체분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화하고 상기 적층체로부터 성장한 잉곳을 마련하는 성장단계; 그리고
상기 반응용기를 냉각하여 상기 잉곳 또는 상기 잉곳이 포함된 적층체를 회수하는 냉각단계;를 포함한다.
상기 잉곳이 탄화규소 잉곳인 경우, 상기 원료물질은 탄소, 규소, 탄화규소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 잉곳은 원료물질에 도펀트를 더 포함할 수 있다. 상기 도펀트는 도펀트로 적용가능한 물질이라면 제한없이 적용 가능하다.
상기 적층체의 구성과 각 구성의 특징에 대한 구체적인 설명은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 준비단계에서 적층체의 마련은 앞서 기술한 적층체 제조방법의 적층단계 또는 상기 적층단계, 탄화단계와 같은 방법으로 이루어질 수 있다.
상기 성장단계에서 상기 내부공간의 온도, 압력 및 기체분위기에 대한 설명은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 냉각단계에서 상기 잉곳이 더 포함된 적층체 등에 대한 설명, 냉각속도에 대한 설명 등은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 적층체의 탄화전 종자정 접착층의 면적을 기준으로 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적은 8.5 % 이상 감소된 것일 수 있다. 이렇게 면적이 감소하는 경우, 상기 종자정 접착층은 잉곳 또는 잉곳을 포함하는 종자정과 일부 분리되어 열팽창과 열수축 과정에서 발생할 수 있는 응력의 영향을 최소화할 수 있고, 보다 우수한 물성을 갖는 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 잉곳에 대한 구체적인 설명은 앞서 기술한 바와 같다.
상기 잉곳은 탄화규소 잉곳일 수 있다.
상기 잉곳은 탄화규소 단결정 잉곳일 수 있다.
상기 종자정 접착층, 상기 적층체 등을 적용하여 보다 고품질의 탄화규소 잉곳을 제공할 수 있다.
웨이퍼 및 웨이퍼의 제조방법
다른 일 실시예에 따른 웨이퍼의 제조방법은, 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고 상기 연삭된 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함한다.
상기 잉곳은 위에서 설명한 잉곳의 제조방법에 따라 제조한 잉곳일 수 있다. 따라서 위와 중복되는 잉곳 또는 잉곳의 제조방법에 대한 설명은 그 기재를 생략한다.
상기 잉곳은 적층체의 제조방법에 따라 제조된 적층체에 포함된 잉곳일 수 있다. 상기 잉곳과 상기 잉곳을 포함하는 적층체에 대한 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
상기 웨이퍼의 제조방법은 상기 잉곳(130)의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고 상기 연삭된 잉곳의 일단면 또는 (0001)면과 소정 오프 각을 갖도록 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함한다.
상기 연삭단계는 상기 잉곳(130)의 가장자리에서 내부 방향으로, 그 단면 면적의 5 % 이상이 연삭될 수 있다.
상기 연삭단계는 상기 종자정과 상기 잉곳(130)이 접하는, 상기 탄화규소 잉곳의 저면에서 성장종결 부분의 표면인 타면 방향, 중심축 방향으로 균일한 단면을 갖도록 연삭할 수 있다.
상기 절단단계는 상기 탄화규소의 일단면 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 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계 이후 마련된 웨이퍼의 두께를 평탄화하는 평탄화단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계 이후 마련된 웨이퍼의 가장자리를 연삭하는 연삭단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 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 웨이퍼의 제조방법은 탄화규소 웨이퍼의 제조방법일 수 있다.
상기 잉곳은 탄화규소 잉곳일 수 있고, 실질적으로 단결정인 탄화규소 잉곳일 수 있다.
상기 웨이퍼는 탄화규소 웨이퍼일 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 후술하는 특징을 갖는다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 (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.
(0001)면에 대해 오프각이 0 도인 탄화규소 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.
(0001)면에 대해 오프각이 4 도인 탄화규소 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.
(0001)면에 대해 오프각이 8 도인 탄화규소 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.
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.
종자정 접착층 및 흑연화된 종자정 접착층의 제조
접착성 수지: 폴리아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 페놀 수지, 하기 화학식 1과 같은 트리메틸실릴 에테르기 함유 크레졸 노볼락 수지를 구비하였다.
[화학식 1]
Figure 112019107937517-pat00013
(상기 화학식 1에서, n은 1 내지 1000의 정수이다.)
필러: 평균입도(D50)가 400 nm인 인상흑연 분말을 구비하였다.
용매: 디메틸포름아미드 및 에탄올을 구비하였다.
액상 접착성 조성물 제조: 각각의 접착성 수지를 표 1의 비율, 고형분 함량을 갖도록 혼합하여 접착성 수지 조성물을 제조하였다. 페놀수지의 경우 액상 페놀수지가 적용되었다.
종자정 접착층 제조: 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 액상 조성물을 지지체(120) 상에 또는 종자정(110) 상에 표 1의 두께 및 면적으로 스핀 코팅하여 도포하고, 머플로에서 표 1의 온도로 열처리하였다. 지지체(120)는 표면 조도(Ra)가 0.1~5 um인 것을 적용하였고, 종자정(110)은 표면조도(Ra)가 0.01~5 nm인 것을 적용하였다.
흑연화된 종자정 접착층 제조: 상기 제조된 종자정 접착층을 표 1의 조건에 해당하는 온도로 유도가열로에서 흑연화 처리하였다.
탄화규소 잉곳의 성장
도 4에 탄화규소 잉곳 제조장치의 일례를 도시한 바와 같이, 반응용기 내부공간에 하부에 탄화규소 원료(300)를 장입하였다. 상기 종자정 접착층(100)의 제조에 적용된 액상 조성물을 지지체(120) 및 6 인치의 4H 탄화규소 종자정(110) 사이에 10 um두께로 개재되도록 하고, 상기 액상 조성물을 머플로에서 250 ℃의 온도로 필름화시킨 적층체를 구비하였다. 이를 600 ℃의 온도로 열처리하여 상기 종자정 접착층이 탄화된 적층체를 마련하였다.
상기 마련된 적층체를 반응용기 내부공간 상부에 배치하였다. 이 때, 적층체의 탄화규소 종자정은 C면((000-1)면)이 내부공간 하부의 탄화규소 원료를 향하도록 하였다.
반응용기를 밀폐하고, 그 외부를 단열재(400)로 둘러싼 뒤, 가열수단(500)인 가열 코일이 구비된 반응챔버(420) 내에 반응용기를 배치하였다.
상기 반응용기 내부공간을 감압하여 진공 분위기로 조절하고, 아르곤 가스를 주입하여 상기 내부공간이 대기압에 도달하도록 한 다음, 다시 내부공간을 감압시켰다. 동시에, 내부공간의 온도를 5~10 ℃/min의 승온 속도로 2200~2600 ℃의 온도까지 승온시켰다.
5 torr의 압력 조건 하에서 100 시간 동안 탄화규소 원료와 대향하는 탄화규소 종자정 면에 탄화규소 잉곳을 성장시켰다. 그 다음, 5~760 torr의 아르곤 기체 분위기, 25 ℃의 온도가 되도록, 10 ℃/min의 냉각 속도로 냉각 처리하였다.
종자정 접착층 및 적층체의 측정, 평가방법
1) Sg: 표 1의 조건에서 종자정 접착층의 본래 면적 A1을 측정하고, 상기 탄화규소 잉곳 제조조건이 적용되어 흑연화 열처리 후 상온 냉각된 면적 A2을 측정하며, 이를 상기 식 2에 적용하여 계산하였다.
2) 두께변화: 표 1의 조건에서 종자정 접착층의 두께를 측정하고, 상기 탄화규소 잉곳 제조조건이 적용되어 흑연화 열처리 후 상온 냉각된 두께를 측정하여 두께변화를 계산하였다. 상기 두께 측정은 다이얼게이지를 통해 측정하였다.
3) Vr: 상기 1)의 면적 값과 2)의 두께를 통해 종자정 접착층의 본래 체적 V1 및 상기 탄화규소 잉곳 제조조건이 적용되어 흑연화 열처리 후 상온 냉각된 체적 V2를 계산하였고, 상기 식 1에 적용하여 계산하였다.
4) Vg: 상기 3)의 V1 및 V2 값을 상기 식 3에 적용하여 계산하였다.
5) 흑연화 후 접합면적: 상기 탄화규소 잉곳 제조조건이 적용되어 흑연화 열처리 후 냉각된 종자정 접착층과, 피접착물(지지체, 종자정) 간 떨어진 갭의 정도를 0.02 mm 갭게이지를 통해 측정하였다.
탄화규소 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼의 물성 평가
1) 휨 값(warp) 평가: MTI Instruments, Inc의 AutoScan 200으로, 잉곳의 부위(종자정 면을 No.0이라 보았을 때의 거리) 별로 절삭하여 4 도의 오프각이 적용된 웨이퍼의 휨 값을 측정하였다.
2) 웨이퍼 표면 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 4 도 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 로킹커브(rocking curve)의 반치전폭(FWHM)을 측정하여 각각 arcsec으로 평가했고, 웨이퍼 표면에서 10 mm 간격으로 167 point를 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타냈다.
구분 접착성 수지 필러 첨가량
(중량%)		 고형분
(중량%)		 종자정 접착층 흑연화된 접착층 종자정 홀더
열팽창계수
(10-6/℃)
(293~473K)
열처리 온도
(℃)		 두께
(μm)		 단면적
(mm2)		 열처리 온도
(℃)		 두께
(μm)		 단면적
(mm2)
실시예 1 PAA X 18 250 55 10000 2600 22 7380 4
실시예 2 PAA X 18 420 75 10000 2600 30 7516 4.1
실시예 3 PAA X 18 250 50 10000 2600 21 7280 4
실시예 4 PAA X 18 250 25 10000 2600 11 7430 3.9
실시예 5 PAN X 22 150 50 10000 2600 22 7530 3.8
실시예 6 PAN X 22 150 55 10000 2600 23 7612 3.8
실시예 7 Phenol X - 150 50 10000 2600 25 8803 3.9
실시예 8 Phenol X - 150 50 10000 2600 24 8879 3.9
실시예 9 TMSCN X 25 150 52 10000 2400 20 9046 4
실시예 10 PAA 2 18 250 55 10000 2500 28 8242 4.1
실시예 11 PAA 2 18 250 54 10000 2500 28 8358 4.1
실시예 12 PAN 2 22 150 55 10000 2500 27 7922 4.1
실시예 13 PAN 2 22 150 55 10000 2500 28 7892 4.1
실시예 14 Phenol 2 - 150 55 10000 2500 26 9088 4.1
비교예 1 Phenol 2 - 150 55 10000 2500 27 9158 4.1
비교예 2 TMSCN 2 25 150 55 10000 2500 25 9248 4.1
비교예 3 TMSCN 2 25 150 55 10000 2500 24 9288 4.1
(PAA: 폴리아크릴산, PAN:폴리아크릴로니트릴, TMSCN: 트리메틸실릴 에테르기 포함 크레졸 노볼락, 필러 첨가량은 접착성 수지를 포함하는 액상 조성물 전체를 100 중량%로 본 값임)
구분 접착성 수지 필러 첨가량
(중량%)		 고형분
(중량%)		 Sg
(%)		 Vr
(%)		 Vg
(%)		 일부 분리 제조된 웨이퍼 평균
휨 값
(μm)
실시예 1 PAA X 18 26.20 67.6 70.5 O -
실시예 2 PAA X 18 24.84 47.4 69.9 O -
실시예 3 PAA X 18 27.20 78.4 69.4 O -
실시예 4 PAA X 18 25.70 152.7 67.3 O -
실시예 5 PAN X 22 24.70 73.9 66.9 O -
실시예 6 PAN X 22 23.88 63.7 68.2 O -
실시예 7 Phenol X - 11.97 42.8 56.0 O -
실시예 8 Phenol X - 11.21 39.1 57.4 O -
실시예 9 TMSCN X 25 9.54 28.1 65.2 O -
실시예 10 PAA 2 18 17.58 55.1 58.0 O 30
실시예 11 PAA 2 18 16.42 53.7 56.7 O 35
실시예 12 PAN 2 22 20.78 61.8 61.1 O -
실시예 13 PAN 2 22 21.08 64.1 59.8 O -
실시예 14 Phenol 2 - 9.12 29.1 57.0 O -
비교예 1 Phenol 2 - 8.42 27.8 55.0 X -
비교예 2 TMSCN 2 25 7.52 23.6 58.0 X 100
비교예 3 TMSCN 2 25 7.12 21.8 59.5 X 98
(일부 분리: 열처리(성장단계) 이후 흑연화된 종자정 접착층과 피접착물 간 접합면이 흑연화된 종자정 접착층의 단면적 대비 95% 이하, 웨이퍼 평균 휨 값(μm): 30 이하 좋음, 31~59 보통, 60이상 나쁨, "-" 표시는 측정하지 않음을 의미함.)
표 1 및 표 2을 참조하면, 아크릴계 수지, 필러가 첨가된 아크릴계 수지와, 필러가 미 첨가된 페놀 수지 및 크레졸 노볼락 수지를 적용한 샘플은 Sg 값이 9.12 % 내지 27.2 %, Vr 값이 28.1 % 내지 152.7 %을 나타내었다. 필러가 액상 조성물 전체를 100 중량%로 보았을 때 2 중량% 첨가된 페놀 수지 및 크레졸 노볼락 수지를 적용한 샘플은 Sg 값이 8.42 % 이하, Vr 값이 27.8 % 이하인 것을 나타내었다.
필러가 첨가된 18 내지 22 중량%의 고형분을 갖는 아크릴계 수지를 사용한 샘플의 경우, Sg 값이 16.42 % 내지 21.08 %, Vr 값이 53.7 % 내지 64.1 %를 나타내었고, 해당 조건을 통해 마련된 잉곳으로 제조된 웨이퍼의 평균 휨 값이 양호하였다.
또한, Sg 값이 8.42 % 이하이고, Vr 값이 27.8 %이하인 종자정 접착층을 적용한 경우, 잉곳(종자정)이 피접착물(종자정, 지지체)로부터 일부 분리되지 않았으나, 실시예들은 흑연화된 종자정 접착층과 피접착물 간 접합면적이 흑연화 열처리 전 접합면적 대비 95 % 이하를 나타내어 일부 분리됨을 확인할 수 있었다.
도 6은 제조된 잉곳에서 웨이퍼 절단 시 종자정으로부터 상대 거리(Wafer No.)에 따른 웨이퍼의 휨 값을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 비교예 3(a)의 조건을 통해 성장된 잉곳으로 제조된 웨이퍼는 평균 휨 값(warp)이 98 μm 이상이고, 종자정 인근의 잉곳 부위(Wafer No.2)에서 제조된 웨이퍼의 휨 값은 140 μm 이상이었다. 실시예 10(b)의 조건을 통해 성장된 잉곳으로 제조된 웨이퍼는 종자정 인근의 잉곳 부위(Wafer No.2)에서 제조된 웨이퍼의 휨 값이 45 μm 이하, 평균 휨 값이 30 μm 이하인 것을 나타내었다.
도 7은 비교예 3(a) 및 실시예 10(b)에서 웨이퍼의 XRD 매핑 결과를 나타낸 사진이다. 도 7의 x축 및 y축의 사각형 간격은 각각 10 mm이다. 도 7을 참조하면, 비교예 3(a)의 조건으로 제조된 잉곳에서 종자정 면으로부터 5 mm 거리의 부분이 절삭된 웨이퍼(Wafer No.8)는 최대 153.7 arcsec, 최소 42.9 arcsec, 평균 63.5 arcsec 값을 나타내었고, curvature가 14.3 m이었다. 실시예 10(b)의 조건으로 제조된 잉곳에서 종자정 면으로부터 5 mm 거리의 부분이 절삭된 웨이퍼(Wafer No.8)는 최대 106.9 arcsec, 최소 19.7 arcsec, 평균 27.1 arcsec 값을 나타내었고, curvature가 -19.1 m로, 실시예 10으로부터 제조된 웨이퍼는 품질이 양호함을 알 수 있었다.
즉, 특정 Vr 값을 만족하는 종자정 접착층이 적용되어 제조된 잉곳 및 웨이퍼는 품질이 우수한 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.
10: 종래 종자정 접착층
100: 종자정 접착층 110: 종자정
120: 지지체 130: 잉곳, 탄화규소 잉곳
131: 다결정, 탄화규소 다결정 140: 덮개
300: 원료, 탄화규소 원료 400: 단열재
420: 반응챔버 500: 가열수단

Claims (18)

  1. 제1면과 제2면을 갖는 종자정 접착층; 상기 제1면 상에 위치하는 지지체; 그리고 상기 제2면 하에 위치하는 종자정;을 포함하고,
    상기 제1면과 상기 지지체의 일면은 서로 마주보고,
    상기 제2면과 상기 종자정의 일면은 서로 접하고,
    상기 종자정 접착층은 탄화된 종자정 접착층이고,
    상기 탄화된 종자정 접착층은 탄화전 종자정 접착층을 탄화시킨 것이고,
    상기 탄화전 종자정 접착층은 코팅층이거나 필름층인 종자정 접착층이고,
    상기 탄화된 종자정 접착층은 2000 ℃ 이상의 온도에서 열처리로 흑연화되어 흑연화된 종자정 접착층을 형성하고,
    종자정 접착층의 면적변화는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적과 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적의 차이이고,
    종자정의 면적변화는 상기 열처리 전과 상기 열처리 후의 상기 종자정의 일면이 갖는 면적변화이고,
    지지체의 면적변화는 상기 열처리 전과 상기 열처리 후의 상기 지지체의 일면이 갖는 면적변화이고,
    상기 종자정 접착층의 면적변화는 상기 종자정의 면적변화 또는 상기 지지체의 면적보다 크고,
    상기 흑연화된 종자정 접착층은 상기 제1면의 일부 또는 상기 제2면의 일부와 서로 이웃하는 면의 접착이 분리되는 것이고,
    상기 흑연화된 종자정 접착층은 12.5 g/cm2 이상의 무게를 지탱하고,
    상기 종자정 접착층은 서로 마주하는 직접 접하는 면과 접착된 접합면을 갖고,
    제1접합면은 상기 제1면과 서로 마주보는 면이 접하는 면이고,
    제2접합면은 상기 제2면이 상기 종자정의 일면과 접하는 면이고,
    상기 제1접합면의 면적은 상기 제1면 면적의 0.3배 이상이고,
    상기 제2접합면의 면적은 상기 제2면 면적의 0.3배 이상인,
    적층체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체의 일면은 293.15 내지 473.15 K에서 6 이하의 열팽창계수를 갖는, 적층체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 종자정의 일면은 293.15 내지 473.15 K에서 4 이하의 열팽창계수를 갖는, 적층체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흑연화된 종자정 접착층은 상기 열처리와 상기 열처리 후 냉각과정에서 그 면적이 감소하는, 적층체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄화전 종자정 접착층은 1.69 g/cm2 이상의 무게를 지탱하는, 적층체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 종자정의 타면에서 성장한 잉곳을 포함하는, 적층체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 종자정 접착층은 서로 마주하는 면과 접착된 접합면을 갖고,
    제1접합면은 상기 제1면과 서로 마주보는 면이 접하는 접합면이고,
    제2접합면은 상기 제2면이 서로 마주보는 상기 종자정의 일면과 접하는 접합면이고,
    상기 제1접합면의 면적과 제2접합면의 면적의 합은 상기 제1면의 면적과 제2면의 면적의 합의 0.95배 이하인, 적층체.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    Vr는 아래 식 1로 표시되고,
    상기 종자정 접착층은 28 %/mm3 이상의 Vr 값을 갖는, 적층체;
    [식 1]
    Figure 112019107937517-pat00014

    상기 식 1에서, Sg(%)는 아래 식 2의 값이고, V1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 체적(mm3)이고, V2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 체적(mm3)을 상온에서 측정한 값이고,
    [식 2]
    Figure 112019107937517-pat00015

    상기 식 2에서, A1은 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적(mm2)이고, A2는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적(mm2)을 상온에서 측정한 값이다.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 종자정은 면적이 7.85×103 mm2 이상인, 적층체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 종자정의 일면은 표면 조도(Ra)가 5 nm 이하인, 적층체.
  13. 내부공간을 갖는 반응용기에 원료물질과 적층체를 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
    상기 내부공간의 온도, 압력 및 기체분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화하고 상기 적층체로부터 성장한 잉곳을 마련하는 성장단계; 그리고
    상기 반응용기를 냉각하여 상기 잉곳 또는 상기 잉곳이 더 포함된 적층체를 회수하는 냉각단계;
    를 포함하고,
    상기 적층체는 제1면과 제2면을 갖는 종자정 접착층; 상기 제1면 상에 위치하는 지지체; 그리고 상기 제2면 하에 위치하는 종자정;을 포함하고,
    상기 제1면과 상기 지지체의 일면은 서로 마주보고,
    상기 제2면과 상기 종자정의 일면은 서로 접하고,
    상기 준비단계에서 상기 종자정 접착층은 탄화된 종자정 접착층이고,
    상기 탄화된 종자정 접착층은 탄화전 종자정 접착층을 탄화시킨 것이고,
    상기 탄화전 종자정 접착층은 코팅층이거나 필름층인 종자정 접착층이고,
    상기 성장단계에서 상기 종자정 접착층은 흑연화된 종자정 접착층이고,
    종자정 접착층의 면적변화는 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적과 상기 탄화전 종자정 접착층의 면적의 차이이고,
    종자정의 면적변화는 열처리 전과 상기 열처리 후의 상기 종자정의 일면이 갖는 면적변화이고,
    지지체의 면적변화는 상기 열처리 전과 상기 열처리 후의 상기 지지체의 일면이 갖는 면적변화이고,
    상기 종자정 접착층의 면적변화는 상기 종자정의 면적변화 또는 상기 지지체의 면적보다 크고,
    상기 흑연화된 종자정 접착층은 상기 제1면의 일부 또는 상기 제2면의 일부와 서로 이웃하는 면의 접착이 분리되는 것이고,
    상기 종자정 접착층은 서로 마주하는 면과 접착된 접합면을 갖고,
    제1접합면은 상기 제1면의 서로 마주보는 면이 접하는 접합면이고,
    제2접합면은 상기 제2면이 서로 마주보는 상기 종자정의 일면과 직접 접하는 접합면이고,
    상기 냉각단계 이후의 상기 제1접합면의 면적은 상기 제1면 면적의 0.3배 이상이고, 상기 제2접합면의 면적은 상기 제2면 면적의 0.3배 이상인,
    잉곳의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 탄화전 종자정 접착층의 면적을 기준으로 상기 흑연화된 종자정 접착층의 면적은 8.5 % 이상 감소된 것인, 잉곳의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제13항에 있어서,
    상기 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼는 55 μm이하의 휨 값을 갖는, 잉곳의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 잉곳은 SiC 단결정 잉곳인, 잉곳의 제조방법.
  18. 제13항에 따라 제조된 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
    상기 연삭된 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함하는, 웨이퍼의 제조방법.
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