KR20070026342A - 화학 기상 증착에 의하여 형성된 자립형 실리콘 카바이드물품 및 그 제조방법 - Google Patents

화학 기상 증착에 의하여 형성된 자립형 실리콘 카바이드물품 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

화학 기상 증착을 이용하여 링을 제조하는 향상된 방법이다. 원통상 튜브가 증착기재로서 사용되고 원통상 튜브의 내면상 또는 원통상 맨드릴의 외면상에 증착된 결과물질은 원하는 링의 크기 및 형상으로 슬라이스 되거나 절단된다. 결과물질은 최종 물품에 실질적으로 면 방향으로 배향되는 결정 성장을 가진다. 또한, 본원 발명은 상기 구조체의 면에 실질적으로 평행하고 상호 평행한 그레인 성장 축을 가지며, 상기 그레인들의 상기 그레인 성장 축에 대하여 실질적으로 랜덤한 회전 배향을 가지는 실리콘 카바이드 구조체뿐만 아니라, 질소 도핑된 실리콘 카바이드 물질에 관한 것이다.
화학기상증착, CVD, 실리콘카바이드, SiC, 튜브, 맨드릴, 원통상튜브, 그레인, 결정성장, 메틸트리클로로실레인, 에지링, 급속열처리공정, RTP.

Description

화학 기상 증착에 의하여 형성된 자립형 실리콘 카바이드 물품 및 그 제조방법 {FREE-STANDING SILICON CARBIDE ARTICLES FORMED BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION AND METHODS FOR THEIR MANUFACTURE}
본원 발명은 화학 기상 증착에 의하여 형성된 물품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 기술은 박막과 다양한 제품의 다양한 코팅을 제공하는데 널리 사용되어 왔다. 일반적으로, 상기 공정은 기재의 근처에 기화되었거나 또는 가스상의 화학 전구체(precursor)를 반응시켜 상기 기재 상에 탄화규소(SiC)와 같은 물질을 증착하는 것을 포함한다. 상기 증착반응은 상기 증착물이 원하는 두께가 될 때까지 지속된다.
CVD 기술은 미리 존재하는 물품의 표면상에 비교적 박막의 코팅을 형성하는데 사용될 수 있다; 즉, 상기 물품의 표면은 상기 기재를 형성한다. 그러나, CVD 기술은 증착된 물질로부터 형성되는 물품을 생산하는데도 적용될 수 있다. 즉, 증착이 일어나는 기재는 상기 물품에 초기형상을 제공하는 형틀(form), 맨드릴(mandrel)이다. 충분한 증착이 발생한 다음 제거된 상기 물품은 상기 형 또는 맨드릴에 대응되는 상보적인 표면을 가진다. 여기서는 이러한 물품을 "자립형(free- standing)" 물품이라 한다.
자립형 SiC 물품이 CVD에 의해 제조되는 한가지 방법은 증착 챔버 내부로 실리콘 전구체 가스나 기상을 공급하는 것을 포함하며, 이들은 상기 증착 챔버 내에서 반응하여 실리콘 카바이드를 생성하는 온도까지 가열된다. 상기 전구체 가스 또는 기상은 상기 챔버 내에서의 기재의 표면상 또는 기타 장착된 구조의 표면상에서 반응한다. 상기 실리콘 카바이드는 상기 기재상에서 하나의 셸(shell) 또는 피착(deposition)을 형성한다. 물품이 다르면 요구되는 두께도 달라질 수 있으며, 두께는 100 마이크론 이하에서 1 또는 2 인치 두께까지의 범위로 될 수 있다. 상기 두께는 상기 증착 시간 및/또는 공정 변수를 조절함에 의하여 제어될 수 있다. 바람직한 증착 두께가 되었으면, 상기 맨드릴 또는 기재은 상기 증착 챔버로부터 제거되고 상기 증착된 실리콘 카바이드는 이로부터 분리된다.
SiC 물품을 형성하는 한가지 방법으로서, 메틸트리클로로실레인(methyltrichlorosilane: CH3SiCl3 또는 MTS), 수소(H2) 및 아르곤(Argon: Ar) 가스들이 인젝터(injector)를 통하여 상기 로(furnace)로 주입된다. MTS는 대기온도 또는 실온에서 액체이며, 상기 MTS 액체를 통하여 캐리어 가스를 공급하거나 또는 상기 액체 상의 기상을 포획함으로써 충분한 기상이 상기 반응용기 내로 주입될 수 있다. 상기 로 내부에서 반응하지 않은 가스들은 대기로 배기되기 이전에 진공펌프로 배출되어 필터링되고 가스 스쿠루버(gas scrubber)로 세척된다.
일부 업체들은 얇게 형성된 실리콘 카바이드 링(ring) 또는 물품을 요구한 다. CVD를 통하여 일체의 세라믹 부품들을 제조하는 현재 기술은 CVD 로에서 세라믹 물질의 큰 시트(sheet)를 제조하는 것을 포함한다. SiC는 편평하거나 박스(box) 형의 기재상에 증착되어 비교적 큰 편평한 시트를 형성하며, 이로부터 최종의 세라믹 부품(들)이 가공된다. 상기 가공공정은 상기 큰 시트로부터 대략적인 형상으로 커팅하고 원하는 두께 근처로 연마(grinding)하여 최종형상에 유사하지만 각 면에 약간의 여유 물질두께를 가지는 반가공품을 형성한 다음, 상기 반가공품을 최종형상으로 가공하는 것을 포함한다.
CVD 물질이 플레이트(plate) 등의 큰 편평한 기재상에 증착되는 경우, 상기 물질은 상기 편평한 기재의 평면에 수직인 결정성장 방향을 나타낸다. 상기 물질은 두께나 미세구조에 있어서 균일한 시트를 형성하기 위하여 반드시 고르게 증착될 필요는 없기 때문에, 전체에 걸쳐 균일한 두께로 되는 대신에 일부 영역에서는 더 두껍고 일부 영역에서는 더 얇을 수 있다. 증착된 상태의 시트는 일반적으로 불균일한 두께형상을 가지기 때문에, 대략적인 형상의 링 두께는 이들이 상기 시트로부터 어디서 커팅되었는가에 따라 크게 변화할 수 있다. 또한, 대략적 형상으로 되는 각 링 내부에 큰 두께 변화가 있을 수 있다.
또한, SiC 링을 일반적으로 제조하는 SiC 시트의 큰 크기로 인하여 상기 시트의 영역마다 다른 미세구조가 존재할 수 있다. 예를 들면, 증착된 물질의 한 시트로부터 하나의 링이 제조된 경우, 상기 증착된 시트의 두께에 걸친 물성들의 차이로 인해 상기 가공된 링에서의 약간의 축 구부러짐 또는 만곡을 일으키는 물질 내부의 응력이나 스트레스를 일으킬 수 있다.
상기 큰 플레이트에 걸친 다른 미세구조의 기타 발현으로서 링 등의 최종 가공부품에 걸친 외장(cosmetic appearance)에서의 변화가 있다. 이들 외장에서의 변화는 최종 가공부품들이 기타 진공증착되거나 기상증착된 피복물들, 즉 실리콘과 같이 CVD 증착된 피복물들로 코팅되는 경우 더욱 확대된다.
또한, 두께 변화들로 인하여 CVD 공정시간은 낮은 증착 비율영역이 상기 원하는 부품의 최소두께 요구에까지 이르도록 증가되어야 한다. 그러면, 증착비율영역이 높을수록 상기 시트로부터 커팅되는 단편들으로 하여금 상기 요구되는 두께로의 기본이 되기 위하여 더 많은 가공시간이 필요하게 만든다.
뿐만 아니라 시트와 커팅되는 단편의 형상은 융통성이 한정되므로, 상기 단편들의 설계패턴으로 인한 물질낭비가 발생한다. 또한, 링의 테두리나 중심부와 같이 상기 반가공품을 제조하기 위한 단편들간 및 단편들 내부로부터 커팅되거나 연마되는 단편 패턴에는 과잉의 물질이 존재하며, 이는 다량의 스크랩(scrap) 물질을 초래한다. 예를 들어, 각 링의 둘레를 따라 커팅되고 각 링 사이에서 커팅되는(상기 링의 내경을 형성하기 위하여) 물질은 마치 과자를 한 롤의 과자 반죽으로부터 찍어낸 후에 사용되지 않고 남아 있는 과자 반죽처럼 일반적으로 낭비된다.
또한, CVD로 제조된 플레이트 또는 세라믹 물질 시트들은 가끔 상기 CVD 공정 중에 크랙(crack)의 문제가 있으며, 이는 수율을 크게 감소시킨다. 상기 크랙과 상기 시트로부터의 스크랩 물질, 그리고 상기 반가공품으로부터 연마된 물질은 결합하여 평균 원료로부터의 제품 전환비율을 크게 저하시킨다.
실리콘 카바이드 링을 제조하는데 사용되는 다른 방법은 샤프트(shaft)의 그 루브(groove)에서 간격이 떨어지고 평행인 관계로 되는 각각의 중심을 통하여 디스크와 유사한 맨드릴 기재들을 장착하는 것이다. 상기 디스크와 유사한 맨드릴 기재들의 평면들은 상기 샤프트의 축들에 수직으로 배향된다. 공정 중에 상기 샤프트는 가스가 상기 챔버로 주입됨에 따라 회전됨으로써 링 형상의 세라믹 부품들이 상기 맨드릴 기재들 상에 증착에 의하여 형성된다.
다르지만, 실리콘 카바이드 링을 제조하는데 관련된 방법은 SiC 링에서 원하는 크기와 비슷한 외경 및 내경을 가지는 각각의 편평한 그래파이트(graphite) 링 맨드릴들을 증착 챔버 내부에 현가하는 것이다. 수소 및 아르곤에서의 MTS 가스 혼합물은 상기 챔버 내부로 공급되고 실리콘 카바이드가 상기 맨드릴 상에 피착되어 링을 형성하게 된다. 일단 링이 상기 그래파이트 링 맨드릴로부터 제거되면, 이의 내부 및 외경이 원하는 크기로 가공될 수 있다.
이들 다른 공정들로부터 실리콘 카바이드 링을 형성하는데 생기는 한가지 문제점은 원하지않는 영역에서의 형성을 막기 위하여 상기 맨드릴들이 전 형성공정에 걸쳐 회전될 필요가 있다는 점이다. 많은 경우에서 가스는 어느 특정한 맨드릴이나 관심있는 표면에 집중되지 않고 대신에 상기 반응기(reactor)의 모든 표면에 불균일하게 증착되도록 상기 반응기 챔버에 주입된다. 상기 반응가스 흐름에서의 기재의 회전이나 현가는 이러한 증착의 불균일함을 방지하거나 제한하기 위한 것이다.
또한, 특정한 형상의 맨드릴은 제조하기에 복잡하다. 디스크 형상의 맨드릴을 지닌 샤프트를 포함하고 상기 맨드릴이 그루브에 배치된 일 구현예에 있어서, 상기 그루브는 상기 디스크 형상의 맨드릴 기재를 수용하고 지지하기 위하여 특수 가공되어야만 한다. 그래파이트 링 구현예에 있어서, 각 링 지지체 축은 기재의 현가 또는 배치를 조장하는 돌출부, 탭(tab)을 구비하여야하고, 상기 돌출부나 탭 내부 또는 주위에 물질이 종종 증착된다.
또한, 상술한 종래 기술의 방법에 있어서 생성된 링은 상기 링 또는 물품에 대해 방사상으로 배향되는 것이 아니라 상기 링 또는 최종물품에 대해 축 방향으로 배향되는 결정성장을 갖는다. 즉, 상술한 종래방법에서는 미세구조가 최종부품의 면에 수직으로 배향된 긴 방향을 가지는 그레인(grain)을 포함한다. 또한, 물질이 CVD로 증착되면, 그레인의 크기는 상기 성장이 기재로부터 계속되어감에 따라 커진다는 점이 알려져 있다. 사용된 특정 증착 조건 하에서, 작은 그레인에서 큰 그레인으로의 그레인 구조의 전개는 낮은 에너지 결정배향들을 지니는 그레인들이 덜 선호되는 배향들을 지니는 그레인들보다 더 빨리 성장하면서 발생한다. 이러한 그레인 구조의 전개는 일반적으로 물질 두께에 걸친 미세구조에서 구배(gradient)를 만들어내고, 이는 차례로 증착된 물질의 내부 스트레스에 있어 구배를 야기하여, 상기 증착된 물질이 기재로부터 떨어질 때 만곡이나 "구부러짐(bow)"을 초래한다. 물질의 미세구조에서의 이러한 구배 및 스트레스는 가공공정을 복잡하게 하고 심지어 가공이 완료된 후에도 물질에 남아있어 종종 최종부품에서 구부러짐이나 파형(waviness)을 초래한다. 이러한 구부러짐이나 파형은 특히 반도체 웨이퍼와의 접촉용 링과 같이 정확한 관용도와 극히 일정한 편평도를 요구하는 부품들에서 바람직하지 않다. 상기 부품이 클수록 상기 문제는 더 심각해질 수 있다.
실리콘 카바이드 물품의 제조와 관련된 이들 어려움과 비용을 무시하더라도 실리콘 카바이드는 반도체, 광학제조분야, 전자제조분야 및 화학제조분야에서의 다양한 응용에 특히 적합한 물질로 되는 유일한 특성들의 조합을 지닌다. CVD 공정에 의해 제조되는 실리콘 카바이드 물품은 우수한 화학적, 기계적, 열적, 물리적, 광학적 특성을 보이는 것으로 인정되고 있다.
급속 열처리 공정(rapid thermal processing) 챔버와 같은 일부 반도체 공정기기는 고온 공정 동안 Si 웨이퍼를 지지하기 위하여 얇은 SiC-에지 링(SiC-edge ring)의 사용을 요구한다. 이들 링은 웨이퍼의 광학적 고온측정법(pyrometry temperature measurement)에서 불규칙한 것들을 피하기 위하여 비교적 얇음에도 불구하고 빛에 부전도성이어야 하는 것이 중요하다. 일반적으로 CVD SiC 링은 50-100㎛ 두께의 CVD Si 층으로 코팅되어 적절한 불투명성을 가지는 링을 제공한다. 따라서, Si 코팅의 필요를 경감하거나 제거하기 위하여 표준 시트형 CVD SiC로 가능한 것보다 단결정 Si에 더 가까운 광학농도(optical density)를 가지는 것이 CVD SiC 에지 링의 기술에서 요구된다.
이에 따라서, 본원 발명자들은 물품, 즉 상세하게는 링 및 디스크, 더욱 상세하게는 실리콘 카바이드 링 형상 물품을 제조하기 위한 CVD 공정을 향상시키는 방법을 찾아냈다. 이에 의한 물품은 이의 형상에 대하여 유일한 미세구조 배향을 가진다. 또한, 본원 발명은 다른 형상을 가지는 물품을 제조하는데 사용될 수도 있다. 이러한 물품들은 실리콘 및 기타 공정용 웨이퍼를 지지하는 고정체와, 반도체 로에서 웨이퍼를 지지하기 위한 서셉터(susceptor) 링에서 사용될 수 있으며, 웨이퍼 에지 링으로 사용될 수 있다.
본원 발명은 면 방향(planar direction)과 수직 방향(normal direction)을 가지는 화학 기상 증착에 의하여 형성된 구조체에 관한 것으로, 상기 구조체는 상기 수직 방향에서의 크기보다 더 큰 상기 면 방향에서의 크기를 가지며 상기 면 방향으로 실질적으로 배향된 그레인(grain)들을 가진다.
또한, 본원 발명은 화학 기상 증착을 사용하여 링을 제조하는 향상된 방법을 제공한다. 특히, 본원 발명은 다음에 의하여 이러한 구조체들을 제조하는 방법을 제공한다:-
a) 일 표면상에 화학 기상 증착에 의하여 물질을 형성한다.
b) 상기 수직 방향의 크기보다 더 큰 상기 면 방향의 크기를 가지며 상기 면 방향으로 실질적으로 배향된 그레인들을 가지는 적어도 하나 이상의 구조체를 형성하도록하는 방향을 따라 슬라이싱(slicing) 함으로써 상기 물질을 분할한다.
일부 구현예에 있어서, 튜브(원통상(cylindrical)일 수 있는)가 기재로 사용되며, 상기 원통상 튜브의 내면 또는 외면에 증착되어 이로부터 제거되는 결과 물질은 원하는 링 크기와 형상으로 슬라이스되거나 절단될 수 있다. 상기 결과 물질은 면 방향으로 직경을 가지며 수직 방향으로 높이를 가진다. 결정성 그레인은 상기 면 방향으로 배향되며, 일부 구현예에서는 종래 기술의 링에서 보이는 수직(perpendicular) 또는 축 방향 성장 배향(axial growth orientation)과는 반대로, 상기 면 방향으로 방사상(radial)으로 배향된다. 즉, 본원 발명에 의한 물질 내의 주된 결정 성장 방향은 상기 결과 물품의 면 내부로 되며; 링, 후프(hoop) 또는 디스크 형상의 물품의 경우에는 주된 결정 성장 방향과 그레인 배향은 방사상 방향으로 된다.
또한, 본원 발명은 다음에 의한 화학 기상 증착으로 디스크 형상의 링을 제조하는 방법에 관한 것이다:-
(a) 증착 영역에 둥근 단면의 튜브를 제공하고;
(b) 상기 튜브 내로 전구체 가스를 안내하고;
(c) 상기 전구체 가스를 화학적으로 반응시켜 상기 튜브상에 상기 튜브의 형상으로 고형 증착물(solid deposit)을 형성하고;
(d) 상기 고형 증착물을 제거하며;
(e) 상기 고형 증착물을 실질적으로 편평한 링들로 분할한다.
또는, 상기 고형 증착물은 상술한 바와 유사한 다음의 과정들에 따라 상기 증착 영역에 배설된 맨드릴의 외면상에 형성될 수 있다. 또한, 상기 외부 증착이 형성되는 상기 맨드릴도 튜브일 수 있으며, 따라서 상기 고형 증착물은 상기 맨드릴의 내면상 및 외면상 모두에 형성되어 다른 크기를 가지는 2개의 세트를 형성할 수 있다.
이러한 관점에서, 본원 발명은 다음을 포함하는 화학 기상 증착에 의하여 편평한 링을 제조하는 방법에 관한 것이다:-
(a) 실질적으로 둥근 단면을 가지는 맨드릴을 증착 영역 내에 제공하고;
(b) 전구체 가스를 상기 맨드릴의 외면상으로 안내하며;
(c) 상기 전구체 가스를 화학적으로 반응시켜 상기 맨드릴의 상기 외면상에 상기 맨드릴의 대략적인 형상으로 고형 증착물을 형성하며;
(d) 상기 고형 증착물을 제거하며;
(e) 제거 이전 또는 이후에 상기 고형 증착물을 실질적으로 편평한 링들로 분할한다.
본원 발명의 이점은 증가된 공간활용과, 감소된 링 제조단가와, 감소된 제조 중의 폐기물과, 절단 높이에 따라(즉, 증착 시간을 변화시키지 않고) 링의 직경, 단면의 너비 및 두께를 변화시킬 수 있는 링을 제조할 수 있는 능력을 포함한다.
본원 발명은 실리콘 카바이드를 편리하고 상업적으로 중요한 실시예로서 사용하며 하기에서 상술한다. 그러나, 본원 발명에 의한 물품들은 CVD에 의하여 증착될 수 있는 모든 물질을 사용하여 본원 발명의 공정을 실행함으로써 제조될 수 있다. 실례를 드나 제한되지 않는 실시예들은 알루미늄 질화물(aluminium nitride), 알루미늄 산화물(aluminium oxide), 알루미늄 질산화물(aluminium oxy-nitride), 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 질산화물(silicon oxy-nitride), 보론 질화물(boron nitride), 보론 카바이드(boron carbide)와 같은 산화물, 질화물 및 카바이드 세라믹 물질과, 황화 아연(zinc sulfide), 셀렌화 아연(zinc selenide), 실리콘, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(doamond-like carbon)과 같은 기타 물질과, CVD 기술을 사용하여 준비될 수 있는 기타 물질을 포함하나 이에 한정되지 아니한다.
편평하고 수치적으로 안정한 링이 가능한 것 외에도, 본원 발명은 향상된 불투명성을 가지는 도핑된 SiC 링의 제조를 가능하게 함으로써 광 누설(light leakage)을 감소시키거나 최소로 한다. 이들 링은 특히 Si 웨이퍼에 급속 열처리(rapid thermal processing)와 같은 고온 공정을 행하는 반도체 기기에 있어서 지지체 에지 링(support edge ring) 용으로, 또한 고온으로 행해지는 기타 기기용으로 적합하다.
이러한 관점에서, 본원 발명은 다음을 포함하는 실리콘 카바이드 물질에 관한 것이다:-
(a) CVD 증착된 실리콘 카바이드와;
(b) CVD 증착된 실리콘 카바이드 내에서 분산된 약 100 내지 약 5000 ppm의 질소,
이때, 상기 실리콘 카바이드 물질은 CVD 증착된 실리콘 카바이드보다 높은 불투과성을 가진다.
상술한 방법은 상기 물질의 면 방향으로 배향되고 상호 실질적으로 평행한 성장 방향을 지니는 그레인들을 포함하는 실리콘 카바이드 물질들을 제조한다. 또한, 상기 그레인은 그레인 성장 축에 대하여 실질적으로 랜덤(random)한 회전 배향(rotational orientation)을 나타내는 것이 바람직하다. 이는 SiC와 같은 입방정(cubic) 결정구조를 지니는 물질에 대하여 상기 부품의 면이 측정되는 경우에 랜덤한 X선 회절 패턴을 보인다. 본원 발명에 의하여 증착되는 비 입방정(non-cubic) 결정구조 물질들에 대하여는 적어도 일부 그레인들 역시 그레인 성장 축에 대하여 랜덤하게 배향된다고 사료된다. 이러한 결과는 표면 외관에 있어서 편평하고 수치적으로 안정하며 균일한 물질로 되고, 이는 필요한 경우 실리콘 층으로의 코팅에 적합하다.
이러한 관점에서, 본원 발명은 CVD 증착된 실리콘 카바이드 물질을 포함하는 평면 구조체에 관한 것일 수 있으며, 상기 CVD 증착된 실리콘 카바이드 물질은 상호 실질적으로 평행한 성장 축들을 가지고 상기 성장 축에 대하여 실질적으로 랜덤한 회전 배향을 가지는 SiC 그레인들을 더 포함한다. 또한, 본원 발명은 FCC Moissanite-3C 실리콘 카바이드를 포함하는 CVD 증착된 실리콘 카바이드 물질에 관한 것으로서, 상기 FCC Moissanite-3C 실리콘 카바이드는 X선 회절로 측정하면 220 대 111 피크비(peak ratio)가 대략 0.30 내지 1.25의 범위로 되고, 더욱 바람직하기로는 대략 0.33 내지 0.60의 범위로 된다.
도 1은 본원 발명의 실시에 있어 사용하기에 적합한 CVD 기기의 개략도.
도 2는 도 1의 상기 CVD 기기에 사용되는 둥근 단면 튜브의 투시도.
도 3은 상기 튜브를 통한 가스 주입 흐름을 나타내는 구획화된 그래파이트 튜브의 개략 투시도.
도 4는 슬라이싱되는 도 2 및 도 3의 상기 튜브 내부상에 증착에 의하여 형성된 물질의 개략도.
도 5는 종래 기술의 방법에 의하여 형성된 링의 결정 성장을 나타내는 개략도.
도 6은 본원 발명의 방법에 의하여 형성된 링의 결정 성장을 나타내는 개략도.
도 7은 본원 발명의 방법에 의하여 형성된 편평한 링의 결정 성장을 나타내는 개략 평면도.
도 8은 본원 발명의 실시에 있어 사용하기에 적합한 다른 CVD 기기를 나타내는 개략도.
도 9는 MOR 시험용 봉(bar)을 준비하는데 사용되는 SiC 링 반가공품(blank)을 나타내는 개략도.
도 10a 및 도 10b는 본원 발명의 일 구현예에 의하여 제조된 물질의 에칭된 시편의 명시야상((bright field) 광학 현미경 사진.
도 11은 본원 발명의 일 구현예에 의하여 준비된 링을 사용하는 반도체 웨이퍼용 급속 열처리 기기의 개략 구조도.
도 12는 도 11의 상기 급속 열처리 기기의 에지 링을 도시하는 단면도.
도 13은 상기 링의 면에 수직하게 관찰한 종래 기술의 CVD SiC 링의 미세구조에 대한 현미경 사진.
도 14a 및 도 14b는 표준적인 종래 기술의 시트 형상 CVD SiC로부터 제조된 종래 기술의 Si 코팅된 CVD SiC 에지 링의 미세구조를 나타내는 비교 현미경 사진.
도 15는 상기 링의 면에 수직하게 관찰한 본원 발명의 CVD SiC 링의 미세구조에 대한 현미경 사진.
도 16a, 도 16b, 도 16c는 본원 발명의 공정에 의하여 얻은 Si 코팅된 CVD SiC 에지 링의 미세구조를 나타내는 비교 현미경 사진.
SiC 물질의 가장 큰 시장은 반도체 시장으로서, 이는 CVD SiC의 높은 강도 대 중량비, 높은 화학적, 물리적 호환성, 높은 순도를 사용하여 실리콘 및 기타 공정용 웨이퍼를 지지하는 고정체를 만든다. 많은 이들 고정체는 링의 형상으로 되며, 일반적으로 두께가 0.2″미만이고 직경은 14″에까지 이른다. 내경은 반도체 웨이퍼를 지지하는데 적합하게 된다.
하술하는 기술에 따라 제조되는 물품은 주로 링 형상이지만, 상기 물품을 형성하는데 사용되는 기재의 크기 및 형상에 따라 어떠한 형상도 가질 수 있다. 그러나, 용이한 설명을 위하여 하기에서는 편평한 링 형상 물품과, 기재로서 원통상(cylindrical) 튜브를 사용하여 링 형상 물품을 형성하는 방법에 관하여 기재한다.
실리콘 카바이드(SiC)에 대한 화학 기상 증착(CVD) 공정은 일반적으로 감소된 압력, 저항 가열된 그래파이트 로의 내부에서 열적으로 유도된 반응에 기초한다. 본원 발명의 특정 구현예 및 이들 기본 매개변수는 다음과 같다:
Si(CH3)Cl3(g) → SiC(s)＋3HCl(g)
증착온도: 1300 - 1400℃
증착압력: ∼200 torr
촉매: H2
편평한 면을 가지거나 또는 4개 면을 가지는 박스를 사용하여 증착된 물질로 하여금 상기 박스의 면들의 치수에 맞는 시트를 형성하는 대신에, 본원 발명에서는 하나의 둥근 단면의 튜브를 제공하며, 이의 내부 치수는 원하는 링 크기의 외경을 수용한다(만일 삼각형, 장방형, 타원형, 8각형 또는 기타 형상의 물품을 원한다면, 이에 대응하는 단면을 가지는 튜브를 사용할 수도 있다. 하지만, 상기 기재는 뾰족한 모서리 대신에 둥근 모서리와 가장자리를 가져 더욱 균일한 분포를 제공하고 내부 스트레스를 경감하는 것이 바람직하다).
본원 발명의 공정에 사용되는 기기는 원통상 또는 관상(tubular) 맨드릴의 내부에 세라믹 물질을 증착하도록 설계된 화학 기상 증착(CVD) 챔버이다. 도 1은 CVD 시스템의 개략 구조도를 나타내며, 상기 CVD 시스템은 로 챔버(10)와, 상기 로 챔버(10)와 유체소통하는 가스 분배 시스템(12)과, 상기 가스 분배 시스템(12)과 유체소통하는 펌핑 시스템(14)과, 전원(16) 및 폐수 처리 시스템(18)을 포함한다. 상기 가스는 하나 이상의 박스 기재(19)로 펌핑되어 인입되거나 인출된다.
본 구현예에 있어서, 본원 발명은 도 2 및 도 3에 나타내듯이 둥글거나 원형의 단면을 지니는 원통상 튜브(20)를 기재로서 사용한다. 상기 원통상 튜브(20)는 모든 각도에서 장착될 수 있겠지만, 일반적으로 챔버(10) 내의 수직방향으로 장착된다.
사용에 있어, 반응가스가 챔버(10)의 상부에 있는 인젝터(도 1의 30에서 개략적으로 도시)에서 원통상 튜브(20) 내로 주입된다(가스는 대신에 챔버(10)의 바닥으로부터 들어올 수 있거나 또는 부가적으로 챔버(10)의 저부로부터 들어올 수 있다). 상기 가스는 상기 펌핑 시스템(14) 및 폐수 처리 시스템(18)을 연결하는 챔버(10)의 하부(상부로 될 수도 있다)에 배기포트(32에서 개략적으로 도시)에 의해 제거된다.
본 구현예에 있어서, 도 2의 원통상 튜브(20)는 챔버(10) 내에서 비회전 방식으로 부착되는 그래파이트 튜브로 됨이 바람직하다. 원통상 튜브(20)는 회전이 가능하거나 회전을 일으킬 수 있도록 부착될 수 있으나, 회전은 필요하지 않고 일반적으로 사용되지 않는다.
상기 그래파이트 원통상 튜브(20)는 실질적으로 둥근 단면을 가지며, 이에 따라 상기 튜브의 내부에 증착되는 물질은 상응하는 둥근 단면형상으로 형성된다. 원통상 튜브(20)의 상기 원형 직경은 가스의 균일한 분포와 흐름을 가능케 한다. 방출코팅(release coating) 물질이나 기타 물질이 상기 그래파이트 튜브의 내면에 가해져 상기 CVD 증착 SiC 물질의 제거를 용이하게 할 수 있다.
증착공정용 기재를 형성하는 원통상 튜브(20)는 도 2 및 도 3에 나타낸다. 튜브(20)는 단일의 장편의 튜브일 수 있고, 또는 도 3에 나타내듯이 일련의 튜브 단편들(24)일 수 있다. 만일 상기 튜브가 SiC CVD 공정에서 일반적으로 사용되는 그래파이트라면, 장편의 튜브는 매우 무거워 작업하기가 어렵다. 따라서, 한가지 방법은 하나의 접합체로 부착될 수 있는 실제로 일련의 튜브들, 즉 4개 또는 5개의 관상 단편들로 되는 튜브를 제공하는 것이다. 형성되는 결과 증착물은 슬라이싱(slicing)되거나 아니면 구획되기 때문에, 상기 튜브 단편들간의 상기 접합체들은 이음매가 없을 필요가 없다. 실제로 상기 접합체는 증착 방지제로서 작용하는 상기 튜브 단편들 간의 굴곡을 제공하는 기구로 될 수 있으므로, 상기 튜브 단편들은 다른 단편들로부터 용이하게 분리될 수 있다. 일부 구현예에 있어서는, 튜브의 모든 길이 또는 상기 단편들이 사용될 수 있는 반면에, 튜브 단편들(24)은 12인치 높이로 되고, 3개 내지 6개의 단편들은 상호 부착됨으로써 대략 40 내지 60 인치 높이로 되는 원통상 실리콘 카바이드 증착물을 생성한다.
튜브(20)는 전체에 걸쳐 동일한 단면수치를 가지거나 또는 상기 단면이 변화될 수 있다. 예를 들어, 만일 증착물이 상기 원통(cylinder)의 다른 영역보다 어떤 영역에서 더 큰 경향이 있다면, 상기 단면의 형상은 이러한 증착물 변화를 수용하기 위하여 변화될 수 있다. 또한, 상기 원통은 만일 다르게 형성되는 디스크를 원한다면 역시 테이퍼(taper)될 수 있다. 또는, 상기 원통은 테라스(terrace) 형 또는 계단(step) 형으로 되어 상기 구획들 간에 분명한 구분을 제공할 수 있다.
공정 중에, 전구체 가스가 세라믹 물질과 같은 CVD 증착 물질의 관상 단일체(tubular monolith)를 제조하기 위하여 상기 원통상 튜브(20)의 내부직경 내부로 공급된다. 설명된 구현예에 있어서는 가스가 인젝터(30)를 통하여 상기 챔버의 상부에서 공급되어 상기 챔버의 저부에서 매니폴드(manifold) 또는 배기포트(32)로 배기된다. 각각의 원통상 튜브(20)는 전용의 독립적인 인젝터 또는 전구체 가스 공급을 위치시켜 이로써 상기 가스가 원통의 일 단부(26)를 통하여 인입되고 다른 단부(28)를 통하여 인출된다. 이에 따라 관심있는 표면과 상기 튜브(20)의 내경(22)에만 주로 증착이 일어나고, 상기 원통상 튜브(20)의 외부와 같은 다른 표면에는 증착이 일어나지 않게 된다. 상기 가스는 상기 튜브의 축을 따르는 통로로 이동된다. 이는 가스조건을 더 잘 제어할 수 있게 됨으로써 더 효율적인 증착공정을 제공한다. 일어날 수 있는 두께에서의 유일한 비대칭은, 비록 더 두꺼운 영역은 가공되 어 적절한 두께로 될 수 있지만, 상기 튜브의 상부로부터 저부로까지의 두께 구배이다.
일부 특정한 구현예에 있어서는 반응가스가 대략 상기 직경의 중심에서 상기 챔버로 인입됨과 함께 상기 가스 공급이 선형적이고 대칭적인 화학 기상 증착 시스템으로 되므로, 상기 가스는 튜브(20)의 내면(22)을 따라 실질적으로 균일하게 증착된다. 상기 반응 생성물은 상기 내면상에 설정된 두께로 증착된다. SiC는 도 6 및 도 7에 나타내듯이 실질적인 방사상 방향으로 상기 튜브의 내면상에 구축된다.
본 공정은 반응 생성물이 특정 위치가 아닌 상기 챔버의 전체로 증착된다는 점에서 종래기술의 공정보다 더욱 효율적이다. 또한, 상기 원통은 회전될 수 있음에도 불구하고, 변함없이 균일한 증착을 얻기 위하여 회전될 필요가 없으며 이는 종래기술의 많은 방법과 대조된다.
가스 유속 및 증착 시간을 변화시킴에 의하여 대략 0.1인치에서 2인치 넘어서까지 광범위한 물질두께가 얻어지지만, 일반적으로 증착 두께는 대략 1인치이다. 복수의 튜브로부터의 가스는 보통 배기 포트(32)를 통하여 상기 챔버로부터 배기된다.
일단 실리콘 카바이드가 상기 관상 맨드릴의 내부에 증착되었다면, 상기 증착물은 적절한 모든 기술에 의하여 제거되며, 상기 기술은 연마 또는 전기 방전 가공(electrical discharge machining)을 포함하고 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따르는 SiC 튜브(202)는 도 4에 나타내듯이 원형 단면을 통하여 절단되어 링 또는 후프(hoop)(204)를 생성한다. 절단은 세라믹 가공기술로써 수행 될 수 있으며, 상기 세라믹 가공기술은 다이아몬드 슬라이싱(diamond slicing), 초음파 절단(ultrasonic cutting), 레이저 절단(laser cutting)을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 전기 전도성이 있는 증착된 물질을 사용하는 경우에는 전기 방전 가공을 사용하여 관상 단편으로부터 링을 슬라이싱(slicing)해낼 수 있다.
다양한 직경의 링은 원하는 내경을 제공하기 위하여 단면 폭과 증착 두께를 변화시킴으로써 생성될 수 있다. 상기 링의 전체 높이는 절단 높이를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
상기 링 또는 후프(202)의 외경은 상기 원통상 튜브(20)의 내경에 대응하며, 상기 링 또는 후프의 내경은 상기 튜브을 통해 공급되어 피착되는 가스량에 따라 달라진다. 상기 증착이 두껍게 될수록, 생성될 수 있는 상기 링의 내경은 더 작아진다. 그리고, 상기 링의 직경은 가공되거나 평탄하게 되고 아니면 원하는 수치로 되기 위한 형상으로 된다.
다른 구현예로서, SiC 튜브는 원통상 맨드릴의 외부면에 CVD에 의하여 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 방출코팅이나 기타 물질이 관상 그래파이트 맨드릴의 외면에 가해져 상기 CVD 증착된 SiC 물질의 제거를 용이하게 할 수 있다. 상기 증착이 원하는 두께에 도달하면, 상기 맨드릴은 제거되고 생성된 환상(annular) SiC 원통은 여기 기술된 바와 같이 구획될 수 있다. 이 방법을 사용하면, 상기 튜브의 내부에 증착함으로써 얻어지는 스트레스 분포특성과 동일하거나 유사한 특성이 얻어질 것으로 사료되며, 즉 상기 스트레스 분포 형태는 방사상 대칭으로 되어 이 물질로부터 절단된 링에 치수 안정성(dimensional stability)을 증 진시킨다.
링을 형성하는데 사용될 수 있는 다른 구현예를 도 8에 나타낸다. 본 구현예에서는 로드(rod: 802)가 원통상 튜브(803) 내부에 배설되고, 화살표(804)로 표시되는 물질이 상기 로드의 외면뿐만 아니라 상기 튜브의 내면에도 모두 증착되도록 된다. 이러한 구조는 다른 크기의 관상 CVD 물질 증착물을 생성하는데 사용될 수 있고, 이에 따라 2개의 다른 크기의 링, 즉 상기 원통의 내경에 대응하는 링 및 상기 로드의 외경에 대응하는 다른 링을 생성하게 된다.
또 다른 구현예는 상기 반응기 내부에 배설된 튜브의 내면 및 외면으로 CVD SiC를 증착함으로써 다른 크기로 되는 링을 형성하는 것으로서, 이 역시 2개의 다른 크기의 튜브를 생성하고 이는 절단되어 다른 크기를 가지는 환상 링들로 될 수 있다. 이들 구현예는 반도체 로 내부에서의 웨이퍼 지지체로서, 또한 다른 크기의 링이 바람직하거나 및/또는 필수적인 응용분야에서 적절한 링을 제조하는데 특히 적합하다. 이러한 기술로서 링을 제조하는 다른 이점은 동일한 증착 공정으로부터 동일한 물질을 포함하는 부합된 링 세트를 형성한다는 점이다. 이는 단일 공정에 의해 제조된 단일 물질만이 적격으로 되고 있기 때문에, 새로운 물질을 값비싼 반도체 공정 기기용으로 할 때 바람직하다.
본원 발명의 원통상 증착물로부터 슬라이스(slice)된 링은 상기 링 주위의 작은 내부 스트레스(internal stress) 또는 면외 스트레스(out-of-plane stress)로 인하여 종래 기술의 방법을 사용하여 제조된 링보다 더 가공하기가 쉽다. 일반적으로, 물질이 CVD를 통하여 증착되면, 물질의 성질에 영향을 미칠 수 있는 공정 변수 에 미묘하나 의도되지 않는 변화가 있으며, 이에 따라 결정성장 구조가 변화하여 상기 물질 내부에 고유의 스트레스를 생성한다. 이들 스트레스는 물질의 한 시트로부터 절단되는 링에서 상기 시트 면에 수직방향으로의 주된 결정성장 방향과 함께 구부러짐(bowing)이나 만곡(bending)을 일으킬 수 있다. 이와는 대조적으로, 본원 발명에서는 원통상 튜브 맨드릴이나 지지체를 사용함으로써 대칭이 제공되며, 이는 상기 링 주위에 실질적으로 대칭인 스트레스 구배를 가져옴으로써 상기 링의 일면에 나타나는 어떠한 고유의 스트레스도 상기 링의 반대 면의 유사한 고유 스트레스에 의하여 상쇄된다(즉, 궁극적으로 상기 링 면에서 스트레스는 없다). 다시 말하면, 상기 고유 스트레스는 유사한 방식으로 내부 또는 외부를 향하여 상기 링 또는 디스크에 실질적으로 대칭되게 영향을 미친다.
편평한 표면에 증착된 SiC에 있어서, 저면(44) 상의 스트레스 구배는 상기 링이 제조된 방법에 기인하여 상면(46) 상의 스트레스 구배와 달라진다. 스트레스 구배에서의 이러한 차이는 상기 물질이 구부러지거나 만곡되도록 하여 편평한 링을 제조하지 못하게 할 수 있다.
이와는 반대로 원통상 튜브 내에 증착된 SiC에서는, 도 6 및 도 7에 나타내는 바와 같이 스트레스 구배가 외면(48)과 내면(50) 내부 간에 나타나며, 이로써 모든 스트레스 구배가 상기 링을 대칭적으로 "압착(squeeze)"한다. 따라서, 본원 발명에 따른 원통상 증착물로부터 절단된 링은 특정 절단부를 가로지르는 증착 변수의 불균일함으로 인하여 상기 링 주위에 실질적으로 균일한 특성을 가지게 된다 (그러나, 상기 원통의 다른 위치에서 절단된 슬라이스의 특성은 상기 원통의 특정 길이방향의 다른 증착 변수로 인하여 약간 달라질 수 있다).
만일 원통상 튜브(20)가 일련의 단편들로 구비된다면, 상기 증착물은 상기 단편들을 해체함으로써 분리될 수 있다. 비록 이에 따른 증착물이 파단면(fracture) 또는 크랙(crack)이 발생한다 하더라도, 상기 물질의 미세결정구조로 인하여 상기 크랙 영역은 일반적으로 상기 물질의 직경에 가로질러 발생하므로, 상기 크랙 영역은 많은 양의 물질 낭비를 초래하지는 않는다. 이러한 링 부분은 절단 또는 슬라이싱되어 가공된다.
종래 기술의 증착공정(상기 링이 편평한 시트 상에 형성되거나 또는 링 형상의 맨드릴 상에 형성되든지 간에) 동안, 상기 결정구조의 성장은 도 5에 나타내듯이 상기 링의 높이(40) 방향으로 된다. 이는 상기 증착이 편평한 그래파이트 시트 상에 형성되거나, 또는 샤프트 상에 장착된 일련의 원형 맨드릴 상에 형성되거나, 또는 상기 챔버에 현가된 그래파이트 링 상에 형성되든지 마찬가지이다.
그러나, 본원 발명에 의하면, 링은 도 6 및 도 7에 나타내듯이 상기 링의 길이(42) 방향 또는 직경 방향으로 결정구조의 성장 방향을 나타낸다. 즉, 상기 결정성장은 원통상 튜브(20)의 내부에 형성되며 실질적으로 방사상으로 내부를 향하여 신장된다. 이에 따라 형성된 원통상 증착물이 상기 튜브로부터 분리될 때, 이는 긴 축과 원주를 가지게 된다. 상기 결정 그레인의 성장은 상기 방사상 원주둘레와 상기 긴 축의 수직으로 된다. 일단 상기 원통상 증착물이 개개의 링으로 슬라이스 또는 절단되면, 상기 그레인은 최종 물품의 면 내부에서 배향된다. 이는 종래 방법으로 제조된 링에서 관찰된 결정 성장과는 반대이다.
이는 도 12 내지 도 16을 참조하여 더 명확하게 확인할 수 있으며, 상기 도면들은 본원 발명의 공정과 종래 기술의 공정에 의하여 준비된 CVD SiC로부터 에지 링을 가공하고 이로부터 관찰된 미세구조 차이를 도시한다. 도 12는 에지 링이 무엇이고 어떻게 사용되는지를 나타낸다. 도 12는 도 11에 나타내는 급속 열처리 시스템의 여러 요소의 단면 개략 구조도이며, 여기서 실리콘 웨이퍼(52)는 그 외경에서 수직 지지체 실린더(56)의 일 단부의 상부에 수직 장착된 에지 링(54)에 의해 지지된다. 에지 링(54)은 실리콘 층(58)에 의하여 임의로 코팅될 수 있는 CVD SiC 링을 포함할 수 있다. 에지 링(54)은 도 12에 나타내듯이 상기 웨이퍼를 지지하는 리세스(recess)를 지니도록 가공된다. 링(54)은 설계기준의 상세에 따라 여러 구조적 특징(미도시)과 결합될 수 있다.
도 13은 종래 기술의 CVD SiC 링에서 상기 링 면에 수직으로 관찰한 미세구조의 광학 현미경 사진이다. 상기 링은 실시예 1의 종래 기술 공정에 의하여 제조된 CVD SiC의 한 시트로부터 준비되었다. 상기 시편은 상기 SiC 물질 내부의 그레인 구조를 나타내기 위하여 에칭되었다. 상기 SiC 그레인의 배향은 상기 링 면 내부에서 랜덤(random)하다.
도 14a 및 도 14b는 도 12의 수평면 상의 평단면에 대응하는 것으로, CVD 실리콘으로 양면이 코팅된 종래 기술 CVD SiC 에지 링의 금속조직 단면에서 얻은 50배 확대된 광학 현미경 사진이다. 상기 시편은 에칭되지 않았으나, 상기 이미지는 상기 CVD SiC 물질 내부의 그레인 구조를 강조하기 위하여 편광으로 촬영되었다. 상기 CVD SiC 물질은 실시예 1의 공정으로 제조되었다. 화살표는 상기 링의 면에 평행한 방향을 가리키며 상기 링의 외경으로부터 내경을 향하여 가리킨다. 상기 SiC 그레인의 긴 축의 수직 배향이 분명하게 관찰될 수 있으며, 이는 상기 SiC 그레인의 성장 방향이 상기 링 면에 수직이라는 것을 나타낸다.
도 15는 본원 발명의 CVD SiC 링에서 상기 링 면에 수직으로 관찰한 미세구조의 광학 현미경 사진이다. 상기 링은 본원 발명의 실시예 2의 공정으로 준비된 CVD SiC 튜브로부터 슬라이스 되었다. 상기 시편은 상기 SiC 물질 내부의 그레인 구조를 나타내기 위하여 에칭되었다. 상기 화살표는 상기 링 면에 평행한 방향을 나타내며, 상기 링의 외경으로부터 내경을 향하여 가리킨다. 이러한 현미경 사진은 분명하게 상기 SiC 그레인이 상기 링 면에 평행하게 배향된다는 것을 나타낸다. 또한, 상기 그레인이 상기 링의 반경을 따라 배향된다는 것이 관찰된다. 이러한 그레인 구조는 도 13에 나타내는 종래 기술의 CVD SiC 링의 미세구조와 선명하게 대조적이다.
도 16a 내지 도 16d는 도 12의 수평면 상의 평단면에 대응하는 것으로, CVD 실리콘으로 양면이 코팅된 본원 발명의 CVD SiC 에지 링의 금속조직 단면에서 얻은 50배 확대된 광학 현미경 사진이다. 도 16a 내지 도 16c의 상기 시편들은 에칭되지 않았으나, 상기 이미지는 상기 CVD SiC 물질 내부의 그레인 구조를 강조하기 위하여 편광으로 촬영되었다. 도 16d의 시편은 CVD Si 코팅의 미세구조를 나타내기 위하여 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid) 및 질산의 희석 혼합액으로 에칭하였다. 상기 CVD SiC 물질은 실시예 2의 공정으로 제조되었다. 화살표는 상기 링 면에 평행한 방향을 나타내며, 상기 링의 외경으로부터 내경을 향하여 가리킨다. 상기 SiC 그레인의 긴 축의 수평 배향을 주목하며, 이는 상기 SiC 그레인의 성장 방향이 상기 링 면에 평행하다는 것을 분명히 나타낸다. 이러한 그레인 구조는 도 14에 나타내는 종래 기술의 SiC 링의 미세구조와 선명하게 대조적이다. 도 16d는 CVD 실리콘 코팅 내부의 그레인 성장 방향이 상기 링 면에 수직이며 또한 상기 SiC 그레인의 방향에도 수직인 것을 분명히 나타낸다.
실시예 2에 의하여 얻은 다양한 링 샘플들에 대하여 그레인 크기 및 그레인 종횡비가 측정되었다. 10㎛보다 큰 크기를 가지는 그레인만이 측정되었다. 이들 그레인은 대략 2 내지 10 범위, 더욱 일반적으로는 3 내지 6 범위의 종횡비를 나타내었다. 도 15에서의 현미경 사진은 상기 그레인들이 상기 링 면에서 높게 배향되지만, 그 밖에는 랜덤하게 배향되는 것을 나타낸다. 즉, 상기 그레인들은 그 긴 축이 실질적으로 상기 링 면에 평행하도록 정렬된다. 그러나, 상기 그레인들 자체는 그레인 성장의 방향에 대하여 실질적으로 랜덤한 회전배향(rotational orientation)을 나타낸다. 어떠한 이론과도 관련짓는 것은 아니지만, 그레인 성장 축의 방사상 면 배향과, 상기 그레인 성장 축에 대하여 실질적으로 랜덤한 그레인 배향의 이러한 조합이 상술한 대칭적인 스트레스 분포의 이점을 제공하는 것이며, 또한 상기 링의 표면특성에 있어서 변화를 피할 수 있게 한다고 생각된다.
본원 발명의 방법에 대한 일 구현예에 있어서, 상기 링이 슬라이스 되는 자립형 실리콘 카바이드 튜브는 메틸트리클로로실레인(methyltrichlorosilane: MTS) 및 수소의 혼합물과 같은 실리콘 카바이드 전구체 가스들과, 일반적으로 1300℃와 1400℃ 사이의 온도로 가열되는 증착 챔버 내로의 아르곤이나 헬륨과 같은 임의의 불활성 가스와 임의의 도펀트(dopant) 가스의 혼합물로부터 증착된다. 증착 압력은 대략 100 내지 300 Torr까지로 유지된다. 수소의 MTS에 대한 상대적 분압 유속비(relative partial pressure flow ratio)는 대략 5 내지 10의 범위로 유지된다.
반응가스들은 상부나 저부에 대칭적으로 위치된 단일 인젝터 또는 인젝터 어레이(array)를 통하여 관상 맨드릴 내부로 공급된다. 이러한 조건 하에서, 실리콘 카바이드는 대략 1 내지 3㎛/분의 증착율로 상기 관상 맨드릴(들)의 내부에 증착되며, 상기 증착 공정은 SiC 물질의 원하는 두께가 달성될 때까지 지속된다. 일반적인 증착 시간은 50 내지 300 시간 내에서 변화된다.
증착을 완료하면, 상기 맨드릴 및 증착물은 상기 반응 챔버로부터 제거되며, 먼저 상기 증착된 물질로부터 상기 맨드릴을 분리하거나 또는 분리하지 않고 상기 실리콘 카바이드 링은 상기 튜브로부터 슬라이스 된다. 그리고, 상기 링의 외경 및 내경과 두께는 설계규격에 맞도록 다이아몬드 연마 방법을 사용하여 가공된다.
본원 발명의 제품의 유일한 특성, 즉 낮은 면내 잔존 스트레스(in-plane residual stress), 최고의 편평도(flatness), 우수한 가공성의 제어 등은 매우 얇은(예를 들어, 0.5인치 미만) 후프 형상의 링 및 벌크 "감소(drop-off)" 유무에 관계없는 더 복잡한 링의 제조를 가능하게 한다.
또한, 본원 발명에 의한 공정은 극히 불투명한 웨이퍼 지지체 링을 제공하기에 적합할 수 있다. 도 11에 나타내듯이, 웨이퍼 지지체 링은 상기 웨이퍼가 위로부터 비교적 높은 온도까지 가열되나 고도로 제어되는 급속 열처리 반응기 내부에서 Si 웨이퍼를 지지한다. 온도를 효과적으로 제어하기 위하여 정확한 고온 측정이 매우 중요하다. 상기 Si 웨이퍼는 텅스텐 할로겐 램프(60)에 위하여 위로부터 조사되며 수냉식 하우징(water cooled housing: 62) 내의 광 파이프(light pipe) 내부에 배설된다. 광은 쿼츠 윈도우(quartz window: 64)를 통과하여 상기 Si 웨이퍼로 조사된다. 표준 CVD SiC 링은 상기 Si 웨이퍼에 비하여 다른 광학적 특성을 가지므로, 광섬유 프로브(fiber optic probe: 66) 및 반사 플레이트(reflecting plate: 68)에 의하여 상기 웨이퍼 하부로부터 측정되는 고온 측정은 원통상 지지체(56)에 의하여 지지되는 에지 링(54)을 통한 누설 광에 의하여 개악된다. 따라서, 상기 Si 웨이퍼와 유사한 불투명성을 가지는 지지체 링의 제조가 요구된다. 이는 비교적 두꺼운(75-100 마이크론) Si층을 지니는 상기 SiC 링을 코팅함으로써 달성된다.
그러나, 상기 링의 불투명성을 증가시키는 다른 해결책은 상기 CVD SiC를 적절한 도펀트로 도핑하는 것이다. 이러한 도펀트의 하나는 질소로서 그 양은 대략 100 내지 5000 ppm 범위이다. 상기 질소 가스는 상술하였듯이 상기 링의 증착 동안 상기 가스 혼합물에 단지 첨가하기만 하면 된다. 이러한 공정은 대략 10,000 내지 10,000,000 배의 인자로 상기 링의 불투명성을 증가시킴으로써 광학적 전송특성에 있어서 비교적 Si에 더 가까운 SiC 물질을 생성하고 광의 누설을 감소시켜 Si층으로의 코팅필요성을 감소시킨다. 다른 적합한 도펀트로는 붕소가 있다.
실시예
본원 발명의 공정을 이용하여 Si 웨이퍼 공정을 위한 200mm 및 300mm 직경의 SiC 에지 링이 제조되었고 특성이 측정되었다. 링은 일반적인 전기 저항율이 대략 100 내지 10,000 ohm-cm인 전기적으로 비전도성인 CVD 증착 SiC 물질과, 전기 저항 율이 0.01 ohm-cm 미만인 전기적으로 전도성인 SiC 모두에서 제조되었다.
하기 실시예들에서 곡강도(modulus of rupture: MOR) 시험으로 알려져 있는 꺾임강도(flexural strength) 측정이 ASTM C-1161에 따른 4-지점 굽힘시험(4-points bend test)을 사용하여 상기 증착된 SiC 물질에 대해 행해졌다. 상기 MOR 시험 시편(봉(bar))은 증착된 원통들에서 슬라이스된 링으로부터 절단되었다. 상기 MOR 봉 시편은 다음의 치수를 가졌다: 길이는 45mm, 너비는 4±0.13mm, 두께는 3±0.13mm, 에지 챔퍼(edge chamfer)는 45°±5°의 각도로 0.12±0.03mm이다. 상기 MOR 봉의 큰 평면이 320 그릿 휠(grit wheel)로 마감된 반면에, 챔퍼는 600 그릿 휠로 연마되어 가공되었다. 상기 SiC 링 반가공품(9b)로부터 절단된 MOR 봉(9a)의 대략적 설계는 도 9에 나타낸다. 상기 MOR 봉의 44mm×4mm 면이 상기 링의 면으로부터 획득되었다.
전기 저항률 측정은 1mm 간격으로 떨어진 4 지점의 선형 어레이로 구성되는 Jandel Company hand held 4-point probe로 행하였다. 상기 저항률은 무한대의 물질 두께를 가정하여 계산되었다. 각 시편 링의 각 4 측정 지점마다 3개의 데이터 세트를 얻었다.
실시예 1( 비교예 )
SiC 링은 다음과 같이 제조되었다. 대략 15인치×15인치×50인치 크기의 그래파이트 박스가 치밀한 CVD SiC와 유사한 열팽창을 가지는 4장의 등방압적으로 압축된 미립자 그래파이트 플레이트들로 조립, 형성되어 CVD 반응기 내로 장착되었다.
증착 가스인 수소 및 MTS가 상기 박스 조립체의 상부에 위치된 인젝터를 통하여 수소 대 MTS 비율이 약 8, 압력이 200Torr로 주입되었다. SiC의 화학 기상 증착이 약 1350℃에서 수행되었다. 전체 증착 시간은 SiC 물질의 일반적인 증착율인 시간당 0.002로서 대략 200시간이었다.
증착 후, 상기 반응 챔버는 개방되어 상기 시트 SiC 증착물이 제거되었다. 상기 시트 SiC 증착물 각각은 약 0.2인치의 두께를 지니는 링 반가공품으로 절단되었다. 그리고, 이들 슬라이스는 최종 링 설계규격으로 연마되었다.
이러한 기술에 의하여 증착된 SiC 물질은 다음과 같은 일반 값을 지닌다: 밀도 3.21g·㎝-3, 빅커 강도(Vickers hardness) ＞2700kg·㎜-2, 열전도도 250Wm-1K-1, 전기 저항율 100-10,000ohm-cm, 굽힘강도 45 내지 70 ksi(310 내지 480 Mpa).
실시예 2
반도체 공정용 300mm Si 웨이퍼를 취급하기 위한 SiC 에지 링이 다음과 같이 제조되었다. 공칭(nominal) 내경 340mm를 지니는 그래파이트 튜브가 치밀한 CVD SiC와 유사한 열팽창을 가지는 등방압적으로 압축된 미립자 그래파이트 플레이트들로 제조되었다. 4개의 관상 단편 각각은 길이가 약 13인치로 CVD 반응기 내에서 조립되었다. 임의의 증착 방지 스페이서가 증착 후 각 관상 단편의 제거를 용이하게 하기 위하여 각 단편 간에 위치되었다.
전구체 가스 MTS가 관상 맨드릴 조립체의 상부에서 대칭적으로 위치된 단일의 인젝터를 통하여 분당 9.1리터의 유속으로 주입되었다. 수소는 동일한 인젝터로 분당 76리터의 유속으로 공급되었다. 수소 대 MTS의 비율은 8.4였다. 상기 CVD 반응기 압력은 200Torr였고 증착온도는 1350℃였다. 전체 증착 시간은 174시간이었고 SiC 물질의 평균 증착율은 시간당 0.005인치였다.
증착 후, 상기 반응 챔버는 개방되어 상기 관상 맨드릴, 스페이서 기기 및 관상 SiC 증착물이 제거되었다. 상기 시트 SiC 증착물 각각은 다이아몬드 연마제 슬리팅 휠(diamond abrasive slitting wheel)을 사용하여 약 0.2인치의 두께를 지니는 링 슬라이스로 절단되었다. 그리고, 이들 슬라이스는 최종 에지 링 설계규격으로 연마되었다.
이러한 기술에 의하여 증착된 SiC 물질은 밀도가 3.21g·㎝-3, 빅커 강도(Vickers hardness)가 ＞2700kg·㎜-2, 열전도도가 240 내지 270Wm-1K-1, 전기 저항율이 390 내지 450 ohm-cm이었다. 이들 측정값은 편평한 그래파이트 시트로 증착되었다는 것만 제외하고 유사한 조건으로 증착된 플레이트 형상의 SiC 물질로부터 얻은 Jandel 프루브 저항율 측정값과 동일한 범위였다.
이 공정에 의하여 얻은 링의 굽힘 강도는 40 내지 65 ksi(275 내지 450 MPa) 범위 내에서 상기 링이 상기 관상 증착물의 어디에서 슬라이스 되었는가에 따라 변화하였다. 도 10은 굽힘 강도가 62ksi를 나타낸 링으로부터 얻은 에칭된 시료의 명시야상 광학 현미경(bright field optical micrograph) 사진을 나타낸다. 도 10a의 아래부분은 상기 링 슬라이스의 외경이며, 이는 상기 르래파이트 맨드릴 기재에 가까운 증착물 부분이다. 도 10b의 윗부분은 상기 기재로부터 13.2mm 떨어진 지점 (즉, 상기 SiC 증착물은 13.2mm 두께이다)에서 촬영한 증착 물질 부분을 나타낸다. 도 6에 도시하듯이 그레인의 배향성과 같이 상기 기재로부터의 거리가 증가할수록, 상기 SiC 증착물 내부의 그레인 크기의 증가가 분명하게 관찰된다.
SiC 그레인 성장 배향이 링 면에 평행한 본원 발명의 링이 링 면에 수직인 그레인 성장 배향을 가지는 SiC 물질로 제조된 링과 동일한 굽힘 강도를 가진다는 점은 놀라운 일이다. 본원 발명 물질의 굽힘 강도 시험에 있어서 상기 SiC 물질은 상기 그레인 성장 방향과 평행한 방향으로 만곡되었기 때문에, 즉 목재에 유추하면, 상기 물질이 "상기 그레인의 방향에 따라서" 만곡되었기 때문에, 이렇게 우수한 결과는 예상할 수 없었던 것이다. 따라서, 본원 발명은 우수한 물질 강도를 유지하면서도, 세라믹 링의 제조에 관련된 종래 기술의 문제점들을 극복하는 것이다.
실시예 3
반도체 공정용 200mm Si 웨이퍼를 취급하기 위한 SiC 에지 링이 다음의 예외를 두고 실시예 1의 공정에 따라 제조되었다: 그래파이트 튜브는 공칭 내경이 240mm, 각각의 관상 그래파이트 단편 길이가 약 9인치, 수소 대 MTS 유속비가 7.4였다. 평균 증착율은 시간당 0.0051인치였다. 얻은 링의 굽힘 강도는 57 내지 68 ksi(390 내지 465 MPa) 범위 내에서 변화하였으며, 역시 우수한 물질 강도를 보였다.
실시예 4
반도체 공정용 200mm Si 웨이퍼를 취급하기 위한 SiC 에지 링이 다음의 예외를 두고 예 2의 공정에 따라 제조되었다: 각 관상 그래파이트 단편의 길이는 약 8.5인치, 수소 대 MTS 유속비는 8.4였고, 질소 도핑 가스가 전기적으로 전도성인 SiC 증착물을 생성하기 위하여 첨가되었다. 상기 평균 증착율은 시간당 0.0065인치였다. 얻은 링의 전기 저항율은 0.004 내지 0.007 ohm-cm였다. 비교를 위하여, 유사한 조건하에 편평한 그래파이트 시트에 증착된 플레이트 형상의 증착된 SiC 물질은 일반적으로 저항율이 0.002 내지 0.008 ohm-cm를 나타낸다. 따라서, 실시예 4에서의 증착으로부터 얻은 전기 저항율 측정값은 유사한 조건하에 증착된 플레이트 형상의 SiC 물질로부터 얻은 측정값과 유사하다.
상기 실시예들로부터의 대표적인 링들은 CVD 실리콘 코팅물로 코팅되어 빛에 대한 불투명도가 감소되었고 웨이퍼 공정 동안 Si 웨이퍼에의 접촉을 위하여 높은 순도의 Si 표면을 제공하였다. 일반적으로 이러한 증착은 1000℃ 내지 1200℃의 CVD 온도를 사용하고 실리콘 원으로서 메틸트리클로로실레인과, 희석된 반응 촉매 가스로서 수소를 사용하며 대기압 또는 대기압 부근에서 수행된다. 증발(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 이온 도금(ion plating), 이온 빔 증착(ion beam deposition), 플라즈마 증착(plasma deposition)을 포함하며 이에 한정되지는 않는 기타 진공 증착 방법 및 기상 증착 방법이 본원 발명의 제품에 코팅물을 증착하는데 사용될 수 있다. 본원 발명 물질의 미세구조의 배향과 균일한 성질 때문에, 본원 발명의 제품에 가해지는 코팅물은 종래 기술의 CVD 제품에 가해지는 코팅물에 비하여 외장이 향상된다. 즉, 본원 발명의 CVD Si 코팅된 SiC 링은 하술하겠지만 외장에 있어서 변화를 보이지 않는다.
표준 "시트" SiC 물질(실시예 1과 유사한 조건을 사용) 및 본원 발명의 공 정(실시예 2)으로부터 제조된 SiC 링의 미세구조와, 증착된 Si 코팅물의 구조와 외관에 대한 이들 물질의 미세구조의 영향이 평가되었다. 상기 물질들은 광학 현미경 및 X선 회절(X-ray diffraction: XRD)에 위하여 측정되었다. X선 회절은 X선 빔을 상기 링 시편들의 큰 편평한 평면상에 조사하여 수행되었다.
Si 코팅 구조체의 측정은 100 내지 200 배 확대로 평면시(plane-view) 광학 현미경 검사로 수행되었다. XRD 조직분석은 Philips X'Pert MPD 회절기로 행하였으며 45kV 및 40mA에서 작동되는 Cu 방사선을 사용하는 광 병렬 빔(parallel beam optic)으로 설정되었다. 시험은 SiC 및 Si로부터의 주 회절 피크를 포착하기 위하여 25도 내지 90도의 범위에서 행하였다.
각 시편의 XRD 분석을 위하여 Si 최상층이 먼저 스캔되어 상기 Si층의 조직을 얻었다. 그리고, 상기 Si 코팅은 1.5시간 동안 질산 내 5% 플루오르화 수소산 용액에 시편을 담가 완전히 제거하였다. 그리고, 상기 하부 SiC 링 기재의 제2 스캔이 얻어졌다. 이러한 방식으로 XRD 데이터가 상기 부분의 동일한 위치로부터 상기 Si 코팅물 및 상기 SiC 기재에서 얻어졌다.
여러 Si 코팅 CVD SiC 링들이 상기 Si 코팅물의 제조방법 및 외장에 기초한 분석을 위하여 선택되었다. 상기 시편들 및 분석결과를 표 1에 나타내며, 여기서 시편 링 80C2-01은 본원 발명의 실시예 2의 공정으로 제조된 링으로부터 얻은 것이고, 샘플 45CN113 및 67CN463은 실시예 1과 유사한 공정에 의하여 시트 형상의 CVD SiC로 제조된 것이다. 시편 80C2-01의 모든 영역에 있어서 외장에 변화가 없었으며, 따라서 시편 80C2-01-4는 전체 링 중에서 대표적이다. 그러나, 시편 45CN113-1 및 45CN113-2는 동일한 링의 다른 외장을 지닌 다른 영역들에서 절단되었다. 시편 45CN113-2는 균일한 외관을 보인 링의 영역에서 얻은 것이며, 시편 45CN113-1은 불균일한 외관을 보인 영역에서 얻은 것이다. 마찬가지로, 시편 67CN463-4 및 67CN463-5는 동일한 링의 다른 외장을 지닌 영역들에서 절단되었다. 이 경우, 시편 67CN463-4는 약간 불균일한 것처럼 보였으며, 67CN463-5는 매우 불균일하였다. 하기의 기술은 상기 실리콘 코팅물에서 외장의 균일함과 이들 시편들의 하부 SiC 물질의 X선 회절 측정으로 얻은 220/111 피크비의 관계를 설명한다.
표 1
시편번호 공정 SiC 200/111 SiC 220/111 SiC 311/111 Si 코팅 외관
PDF 데이터베이스 0.20 0.35 0.25 N/A
80C201-4 실시예 2 0.17 0.39 0.23 반사광에 균일한 회색 외관
45CN113-2 실시예 1과 유사 0.10 0.82 0.27 반사광에 균일한 회색 외관
45CN113-1 실시예 1과 유사 0 17.6 0.4 반사광에 강하게 변화하는 외관
67CN463-4 실시예 1과 유사 0.84 1.26 0.25 반사광에 약간 변화하는 외관
67CN463-5 실시예 1과 유사 0.2 27.2 0.4 반사광에 강하게 변화하는 외관
상기 XRD 구성은 표 1의 시편 상의 모든 Si 코팅물에 대해 실질적으로 동일하였다. 상기 파우더 회절 패턴 데이터베이스와 비교한 결과, 모든 코팅물은 입방정상(cubic phase)의 실리콘이었다. 비록 다른 Si 피크 일부가 1% 미만의 수준으로 겨우 보였으나, 각 스펙트럼은 매우 강한 220 우선 배향을 보였다.
또한, 표 1은 동일한 시편들로부터의 XRD 조직결과를 나타낸다. 상기 파우더 회절 패턴 데이터베이스와 비교한 결과, 모든 시편들의 SiC 구조는 면 중심의 입방정상 Moissanite-3C SiC(face-centered cubic phase Moissanite-3C SiC) 구조였다. 상기 파우더 회절 패턴 데이터베이스에 의하면, 약 1:3의 SiC 220 및 SiC 111 비율은 랜덤하게 배향된 Moissanite-3C 구조의 SiC 물질을 나타낸다. 본원 발명의 시편 80C201-4는 실질적으로 상기 파우더 회절 데이터베이스 패턴과 동일한 완전히 랜덤한 XRD 조직을 가지는 반면에, 기타 시편들은 약간 우선되는 220 배향 또는 크게 우선되는 220 배향을 나타냈다. 시편 45CN-113-2는 거의 약간 220 배향된 성분을 가져 거의 랜덤하였으나, 시편 45CN113-1 조직은 강하게 220으로 배향되었다. 시편67CN463-4는 주목할만하게 랜덤한 성분을 지니는 우선된 220 배향을 나타내었지만, 시편 67CN463-5는 매우 강하게 220으로 배향되었다.
X선 회절측정으로 얻은 SiC 물질의 220/111 피크비와 상기 SiC 코팅물의 외장 간에는 명백한 관계가 있다. 시편 80C2-01-4의 낮은 220/111 비는 상기 링에 걸쳐 일정하여 매우 균일한 Si 코팅 외관을 초래한다. 반대로, 종래 기술의 링인 시편 45CN133 및 67CN463은 상기 Si 코팅물의 불균일한 외관을 나타낸다.
상기 실리콘 코팅된 표면을 관찰한 결과, 상기 SiC 물질 내의 우선된 220 XRD 조직은 상기 CVD Si 코팅물 내부에 있어 큰 그레인의 성장으로 된다는 것이 나타났다. 이에 대한 이유는 아직 모르나, 220 Si 및 220 SiC 간의 밀접한 격자 부합에 기인하는 것일 수 있다. 상기 SiC 링의 다른 위치상에서 220 배향 정도의 변화는 상기 증착된 CVD Si 코팅물의 결정 크기에서의 변화를 야기하고, 결국 반사광에서의 불균일한 외관을 초래한다. 본원 발명의 공정으로 제조된 상기 SiC 링은 매우 균일한 외관의 CVD Si 코팅물을 초래하는 랜덤하게 배향된 조직을 나타낸다.
또한, 발명자는 본원 발명의 SiC 링으로 향상되는 외장은 상기 링 물질의 상 기 SiC 그레인에 비교할 때 상기 Si 코팅물에 있어 상기 그레인의 거의 수직인 배향에 기인하는 것일 수 있다고 생각한다. 이는 상기 Si 코팅물의 그레인 구조가 상기 SiC 링 물질의 그레인 구조와 동일한 방향으로 배향되는 종래 기술 공정과 뚜렷이 대조된다.
본원 발명의 상기 SiC 링이 종래 기술의 CVD SiC 링과 비교하여 향상된 광학적 불투명성을 가진다는 점도 관찰되었다. 이러한 불투명성의 향상도 종래 기술의 CVD SiC 물질의 우선된 220 배향과 비교할 때 역시 상기 링 면에서 결정구조의 랜덤한 배향에 관련되는 것일 수 있다고 사료된다.
앞서 정리한 우수한 물질 특성에 덧붙여, 본원 발명의 물질 제조방법에 관련되어 예상하지 못한 부가적인 이점들이 발견되었다. 더 나은 스트레스 분포와 우수한 특성뿐만 아니라, 본원 발명의 방법은 하나의 CVD 로 내부에 복수의 원통상 증착 챔버가 적어도 하나의 원통상 튜브를 구비한 적어도 하나의 통상적인 네모지게 구획된 박스면(square-sectioned box site)이나 편평한 맨드릴을 대체하게 함으로써 제조용량을 크게 증가시킨다. 또한, 시간과 비용 절감이 본원 발명의 공정을 사용함으로써 실현된다.
먼저, 플레이트 형상의 CVD SiC 물질로부터의 링의 제조와 비교할 때, 본원 발명의 제품 제조시간은 크게 작게 걸린다. 일반적인 제조, 즉 상기 증착물로부터 절단 또는 슬라이싱하여 최종 수치로 연마하는 공정은 약 35%만큼 감소한다.
또한, 상기 링들은 관상 증착물로부터 슬라이스되어 편평하기 때문에, 본원 발명의 제품을 사용하면 한번에 0.002인치의 상세한 링 편평도로 연마될 수 있다. 대조적으로, 플레이트 형상의 증착된 SiC 물질은 최종의 편평한 부품을 얻기 위하여 가공되어 없애야 하는 특징적인 구부러짐을 가진다. 다른 면에 대한 연마의 복수 공정들이 플레이트 형상의 SiC에는 요구되며, 최초 연마는 수천분의 1인치로 되어야하는 편평도 상세의 범위 밖에 있다.
또한, 본원 발명의 공정이 플레이트 형상의 물질과 비교할 때 매우 균일하고 연마에 있어 일관된 결과를 제공하는 물질을 생산한다는 점은 놀라운 것이다. 상기 플레이트 형상의 SiC 물질은 종종 두께와 링 크기의 균일성이 불일치하며 원하는 제품상세에 맞는 최종 부품을 생산하기 위하여 중대한 기계작동 판단과 조정을 요구한다. 또한, 상기 플레이트 형상의 물질의 불균일한 가공으로 인하여 원하지 않는 스트레스가 유도될 수 있다. 축 방향의 균일한 미세구조와 본원 발명의 그레인 배향으로 인하여 최종 헝상으로 물질을 연마하는 것이 더욱더 일관된다.
상술한 특정 실시예들은 CVD 실리콘 카바이드 물질을 위한 것이지만, CVD에 의하여 증착될 수 있는 기타 물질에서도 유사한 결과를 예상할 수 있으며, 상기 기타 물질은 알루미늄 산화물(aluminium oxide), 알루미늄 질화물(aluminium nitride), 알루미늄 질산화물(aluminium oxy-nitride), 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 질산화물(silicon oxy-nitride), 보론 질화물(boron nitride), 보론 카바이드(boron carbide)와 같은 기타 산화물, 질화물 및 카바이드 세라믹 물질과, 황화 아연(zinc sulfide), 셀렌화 아연(zinc selenide), 실리콘, 다이아몬드와 같은 기타 물질을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

Claims (30)

  1. 면 방향 및 수직 방향을 가지는 화학 기상 증착에 의하여 형성되는 구조체에 있어서,
    상기 구조체는 상기 수직 방향에서의 크기보다 더 큰 상기 면 방향에서의 크기를 가지며 상기 면 방향으로 실질적으로 배향된 그레인들을 가지는 것을 특징으로 하는 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조체는 원주를 가지는 편평한 링으로 되고, 상기 그레인들은 상기 링의 상기 원주 둘레로 실질적으로 방사상의 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구조체는 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 내경 및 외경을 포함하는 링으로 되고, 상기 내경 및 외경 간의 거리는 대략 25mm(1인치)로 되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내경은 직경이 대략 100nm 내지 600nm의 범위되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 대략 5mm(0.2인치) 내지 356mm(14인치) 범위의 축 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 구조체.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 만곡된 외면을 가지는 편평한 링으로 되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 편평한 링으로 되며, 상기 링은 그 원주 둘레에 실질적으로 대칭인 스트레스들을 가지는 원주를 가지는 것을 특징으로 하는 구조체.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 CVD 증착된 실리콘 카바이드를 포함하며, 상기 CVD 증착된 실리콘 카바이드는 그 불투명도보다 10,000배 이상 큰 불투명도를 제공하기에 충분한 양으로 상기 실리콘 카바이드 내에 분산된 불투과화 도펀트(opacifying dopant)를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 도펀트는 100ppm 내지 약 5000ppm 범위의 질소로 되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 FCC Moissanite-3C 실리콘 카바이드를 포함하는 CVD 증착된 실리콘 카바이드 물질을 포함하며, 상기 FCC Moissanite-3C 실리콘 카바이드는 X선 회절로 측정하여 220면 대 111면의 피크비가 대략 0.30 내지 1.25의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 피크비는 대략 0.33 내지 0.60의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 CVD 증착된 실리콘 카바이드 물질을 포함하며, 상기 CVD 증착된 실리콘 카바이드 물질은 성장축들이 실질적으로 상호 평행하고 그 그레인 성장 축에 대하여 실질적으로 랜덤한 회전 배향을 가지는 그레인들을 포함하는 것을 특 징으로 하는 구조체.
  14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 실리콘 카바이드를 포함하고 이의 적어도 일 표면상에 증착되는 실리콘 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체.
  15. 전항들 중의 어느 한 항에 의한 구조체의 제조방법에 있어서,
    a) 일 표면상에 화학 기상 증착에 의하여 물질을 형성하는 단계와;
    b) 상기 수직 방향의 크기보다 더 큰 상기 면 방향의 크기를 가지며 상기 면 방향으로 실질적으로 배향된 그레인들을 가지는 적어도 하나 이상의 구조체를 형성하도록 하는 방향을 따라 슬라이싱 함으로써 상기 물질을 분할하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구조체가 편평한 링을 포함하는 상기 구조체의 제조방법은
    (a) 증착 영역에 둥근 단면의 튜브를 제공하고;
    (b) 상기 튜브 내로 전구체 가스를 안내하고;
    (c) 상기 전구체 가스를 화학적으로 반응시켜 상기 튜브의 내부에 상기 튜브의 형상으로 고형 증착물을 형성하고;
    (d) 상기 고형 증착물을 제거하며;
    (e) 상기 제거 이전 또는 이후에 상기 고형 증착물을 실질적으로 편평한 링들로 분할하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 구조체의 제조방법은 상기 튜브의 외면상으로 전구체 가스를 안내하고, 이 전구체 가스를 화학적으로 반응시켜 상기 튜브의 외부에 고형 증착물을 형성하고, 이 고형 증착물을 제거하며, 이 고형 증착물을 제거 이전 또는 이후에 실질적으로 편평한 링으로 분할하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 구조체가 편평한 링을 포함하는 상기 구조체의 제조방법은
    (a) 실질적으로 둥근 단면을 가지는 맨드릴을 증착 영역 내에 제공하고;
    (b) 전구체 가스를 상기 맨드릴의 외면상으로 안내하며;
    (c) 상기 전구체 가스를 화학적으로 반응시켜 상기 맨드릴의 상기 외면상에 상기 맨드릴의 대략적인 형상으로 고형 증착물을 형성하며;
    (d) 상기 고형 증착물을 제거하며;
    (e) 제거 이전 또는 이후에 상기 고형 증착물을 실질적으로 편평한 링들로 분할하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  19. 제15항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전구체 가스는 메틸트리클로로실레인(methyltrichlorosilane)을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  20. 제15항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브는 그래파이트 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  21. 제15항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착물은 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  22. 제15항 내지 제21항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브는 복수의 단편들로 제공되는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  23. 제15항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분할은 상기 증착물을 대략 5mm(0.2인치) 내지 356mm(14인치) 범위의 축 두께를 가지는 편평한 링들로 슬라이싱하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  24. 제15항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체의 제조방법은 (f) 상기 실질적으로 편평한 링들을 원하는 치수로 가공하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  25. 제15항 내지 제24항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 링은 면 방향 및 수직 방향을 가지고 상기 수직 방향에서의 크기보다 상기 면 방향에서의 크기가 더 크며, 화학 기상 증착에 의하여 증착되는 상기 링의 그레인들은 상기 면 방향으로 실질적으로 배향되는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  26. 제15항 내지 제26항 중의 어느 한 항에 잇어서,
    상기 링은 원주를 가지고, 상기 그레인들은 상기 링의 상기 원주 둘레로 실질적으로 방사상의 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  27. 제15항 내지 제26항 중의 어느 한 항에 있어서,
    복수의 튜브가 CVD 로 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  28. 제15항 내지 제28항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체의 제조방법은 실리콘의 코팅물을 상기 링의 적어도 하나의 표면에 가하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 구조체의 제조방법은 상기 실리콘 코팅물을 가하기 이전에 상기 링을 가공하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 실리콘 코팅물은 화학 기상 증착을 사용하여 가해지는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조방법.
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