KR20210050835A - 탄화규소 웨이퍼 및 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

구현예에 따른 탄화규소 웨이퍼, 웨이퍼의 제조방법 등은 (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼의 대상영역을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서, 피크 각도의 평균값을 기준으로 평가한 반치폭(full width at half maximum)이 -1.5 내지 1.5 도인 측정점을 95 % 이상 포함하는 결정성이 우수한 잉곳, 웨이퍼, 웨이퍼의 제조방법 등을 제공한다.

Description

탄화규소 웨이퍼 및 탄화규소 웨이퍼의 제조방법{SiC WAFER, PREPERATION METHOD OF SiC WAFER}
구현예는 탄화규소 웨이퍼, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 등에 관한 것이다.
탄화규소(SiC), 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN), 사파이어(Al2O3), 갈륨비소(GaAs), 질화알루미늄(AlN) 등의 단결정(single crystal)은 이의 다결정(polycrystal)으로부터 기대할 수 없는 특성을 나타내므로 산업분야에서의 수요가 증가하고 있다.
단결정 탄화규소(single crystal SiC)는, 에너지 밴드갭(energy band gap)이 크고, 최대 절연파괴전계(break field voltage) 및 열전도율(thermal conductivity)이 실리콘(Si)보다 우수하다. 또한, 단결정 탄화규소의 캐리어 이동도는 실리콘에 비견되며, 전자의 포화 드리프트 속도 및 내압도 크다. 이러한 특성으로 인해, 단결정 탄화규소는 고효율화, 고내압화 및 대용량화가 요구되는 반도체 디바이스로의 적용이 기대된다.
탄화규소는 액상 증착법(Liquid Phase Epitaxy; LPE), 시드형 승화법, 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD) 등으로 성장된다. 그 중에서 시드형 승화법은 높은 성장률을 가짐으로써 잉곳 형태의 탄화규소를 제작할 수 있어 가장 널리 이용되고 있으며, 시드형 승화법은 물리적 증기 운반법(Physical Vapor Transport; PVT)이라고도 한다.
이러한 단결정의 제조 방법으로서, 예컨대 일본 공개특허공보 제2001-114599호에는, 아르곤 가스를 도입할 수 있는 진공용기(가열로) 속에서 히터에 의해 가열하면서 종자정의 온도를 원료 분말의 온도보다도 10 내지 100℃ 낮은 온도로 유지하는 것에 의해, 종자정 상에 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 개시되어 있다. 이 외에도 대구경 단결정 잉곳을 실질적으로 결함 없이 제조하고자 하는 시도들이 있다.
국내등록특허 제 10-1760030 호 국내공개특허 제 10-2016-0055102 호 일본 공개특허공보 제2001-114599호
구현예의 목적은 우수한 품질의 단결정 탄화규소 잉곳으로부터 얻어지는 결정성이 우수한 탄화규소 웨이퍼, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 등을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 탄화규소 웨이퍼는 (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼이고, 상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반경의 70%인 반경을 갖는 영역인 대상영역을 포함하고, 상기 대상영역을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점을 포함하고, 상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 내지 1.5 도 이내인 측정점을 95% 이상 포함한다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.0 내지 1.0 도 이내인 측정점을 96 % 이상 포함할 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -0.5 내지 0.5 도 이내인 측정점을 97% 이상 포함할 수 있다.
상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -0.05 내지 0.05 도 이내인 측정점을 98 % 이상 포함할 수 있다.
상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 미만 또는 1.5 초과인 측정점을 5 % 이하로 포함할 수 있다.
상기 대상영역은 1 cm2 당 1개 이상의 측정점을 포함할 수 있다.
상기 대상영역은 상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반경의 80%에 해당하는 영역일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 다른 구현예에 따른 탄화규소 웨이퍼는 (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼이고, 상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반경의 70%인 반경을 갖는 영역인 대상영역을 포함하고, 상기 대상영역을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점을 포함하고, 상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도의 최소값과 최대값의 차이는 0.5 이내일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 또 다른 구현예에 따른 웨이퍼의 제조방법은, 탄화규소 잉곳을 (0001)면을 기준으로 오프 앵글이 0 내지 15 도에서 선택된 어느 한 각도가 되도록 슬라이싱하여 슬라이싱된 결정을 마련하는 슬라이싱단계; 그리고 상기 슬라이싱된 결정을 연마하여 탄화규소 웨이퍼를 형성하는 연마단계;를 포함하여 웨이퍼를 제조한다.
상기 웨이퍼는 (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼이고, 상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반경의 70%인 반경을 갖는 영역인 대상영역을 포함하고, 상기 대상영역을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점을 포함한다.
상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 내지 1.5 도 이내인 측정점을 95% 이상 포함할 수 있다.
상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도의 최소값과 최대값의 차이는 0.5 이내일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은, 도가니 본체에 원료를, 그리고 상기 도가니 본체에 탄화규소 시드가 위치하는 도가니 덮개를 배치한 후 밀도가 0.14 내지 0.28 g/cc인 단열재로 상기 도가니 본체를 감싸서 반응용기를 마련하는 준비단계; 및 상기 반응용기를 반응챔버 내에 위치시키고 상기 반응용기 내부를 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기이송되고 증착되어 상기 탄화규소 시드로부터 성장시킨 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계;를 포함하는 탄화규소 잉곳의 제조방법으로 제조된 것일 수 있다.
상기 단열재는 압축강도가 0.2 Mpa 이상인 탄소계 펠트를 포함할 수 있다.
구현예의 탄화규소 웨이퍼, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 등은 결정 성장의 온도 구배를 정밀하게 제어할 수 있고 보다 우수한 특성의 단결정 탄화규소 웨이퍼를 제공할 수 있다.
도 1은 구현예에 따른 실시예 1의 로킹커브그래프(Rocking Curve Graph).
도 2는 구현예에 따른 실시예 2의 로킹커브그래프(Rocking Curve Graph).
도 3은 구현예에 따른 웨이퍼(W)에서 대상영역(T)과 측정점(P)을 설명하는 개념도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
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.
도 3은 구현예에 따른 웨이퍼(W)에서 대상영역(T)과 측정점(P)을 설명하는 개념도이다. 도 3을 참고해 이하에서 구현예를 보다 상세하게 설명한다.
구현예에 따른 탄화규소 웨이퍼(W)는, (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼이고, 상기 웨이퍼의 중심(C)을 기준으로 상기 웨이퍼의 반경(R)의 70%인 반경(R')을 갖는 영역인 대상영역(T)을 포함하고, 상기 대상영역(T)을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점(P)을 포함한다.
상기 웨이퍼의 중심은 웨이퍼의 기하학적인 중심을 의미하며, 위에서 관찰한 웨이퍼의 형태가 실질적으로 원인 경우 원의 중심을 의미한다.
상기 웨이퍼는 중심으로부터 외곽 방향으로 실질적으로 일정한 크기의 반지름(R)을 갖고, 대상영역 역시 중심으로부터 외곽 방향으로 실질적으로 일정한 크기의 반지름(R')을 가지며, 대상영역의 반지름은 웨이퍼의 반지름의 70%일 수 있다.
상기 측정점(P)에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 반치폭(full width at half maximum)이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 내지 1.5 도 이내인 측정점을 95% 이상 포함될 수 있다.
탄화규소 잉곳의 품질은 웨이퍼의 로킹 커브 곡선에서 피크 각도를 기준으로 반치폭의 값의 크기를 평가할 수 있다. 다만, 통상은 웨이퍼의 넓은 면적에서 5점 또는 9점을 측정하여 평균하는 방식이 적용된다. 그러나, 발명자들은 웨이퍼 면적 전체적으로 반치폭을 관리할 필요가 있고, 이를 통해 보다 우수한 품질 관리가 가능하다는 점을 확인하였다.
이에, 발명자들은 구현예에서 i) 웨이퍼의 일면 중 대상영역을 설정하고 일정한 간격으로 구분하여 측정점을 특정한다. ii) 그리고, 각 측정점에서 로킹 커브 곡선의 오메가 각도를 확인하여 오메가 각도의 평균값을 확인한다. 상기 오메가 각도의 확인은 기판의 각도가 틀어졌을 경우 발생할 수 있는 기준 각도의 변화(shift)의 영향을 줄이기 위함이다. 그리고 각 측정점에서의 반치폭을 상기 오메가 각도의 평균값을 기준으로 평가한다. iii) 각 측정점에서의 반치폭이 일정한 각도 이하 또는 초과인 것이 전체 평가대상 측정점을 기준으로 어떤 비율로 포함되는지를 구하는 방법을 적용한다.
상기 측정점은 서로 교차하는 10 mm 이내의 일정한 간격을 갖는 다수의 가상의 선으로 분할하고, 각 선이 접하는 점을 각각의 측정점으로 적용한다. 각 측정점 사이에 비교적 일정한 간격을 설정하기 위해 상기 다수의 가상의 선은 직교하는 것으로 예시하나(도 3 참고), 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 측정점은 상기 대상영역 1 cm2 당 1개 이상 포함될 수 있다.
상기 측정점은 상기 대상영역 1 cm2 당 1개 내지 20개로 포함될 수 있다.
상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.0 내지 1.0 도인 측정점을 96 % 이상 포함할 수 있다.
상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -0.5 내지 0.5 도인 측정점을 97 % 이상 포함할 수 있다.
상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -0.05 내지 0.05 도인 측정점을 98 % 이상 포함할 수 있다.
상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 미만 또는 1.5 초과인 측정점을 5 % 이하로 포함할 수 있다.
상기 로킹 커브 곡선에서 반치폭은 고분해능 엑스선 회절 분석 시스템(HR-XRD system)을 적용하여 상기 웨이퍼 [11-20] 방향을 X-ray 경로에 맞추고, X-ray source optic과 X-ray detector optic 각도를 2θ(35 내지 36도)로 설정한 후 웨이퍼의 오프 각도에 맞추어 오메가(ω, 또는 쎄타 θ, X-ray detector optic) 각도를 조절하여 로킹 커브(Rocking curve)를 측정하고, 기준각도인 피크각도와 두 개의 FWHM(full width at half maximum) 값의 차이 값을 각각 반치폭으로 설정하여 결정성을 평가한다.
상기 오프각이 X 도라 함은 통상 허용하는 오차범위 내에서 X도로 평가되는 오프각을 갖는다는 것을 의미하며, 예시적으로 (X - 0.05 도) 내지 (X + 0.05 도) 범위의 오프각을 포함한다.
상기 반치폭이 “기준각도 대비 -1 내지 +1 도”라 함은 상기 반치폭이 기준각도인 피크각도를 기준으로 (피크각도 - 1 도) 내지 (피크각도 + 1 도)의 범위 내에 있다는 것을 의미한다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 탄화규소 잉곳으로부터 얻어진다.
상기 탄화규소 잉곳의 (0001)면(SiC (004)면 또는 (006)면)에 대해 0 내지 8도의 범위에서 선택된 각도인 오프각을 적용한 웨이퍼들 중 어느 하나일 수 있다. 오프각이 0도 일 경우, 오메가 각도는 17.8111도이고, 오프각이 4도일 경우, 오메가 각도는 13.811도, 그리고 오프각이 8도일 경우, 오메가 각도는 9.8111도로일 수 있다. 상기 오프각이 0 내지 8도인 웨이퍼들의 오메가 각도는 9.8111 내지 17.8111 도 범위일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 4H SiC을 함유하는 것으로, 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 결함이나 다형 혼입이 최소화된 실질적으로 단결정인 4H SiC 잉곳일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 실질적으로 4H SiC로 이루어진 것으로, 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳의 표면이 오목한 형태로 형성되는 경우 의도하는 4H-SiC 결정 외에 6H-SiC와 같은 다른 다형이 혼입된 것일 수 있고, 이는 탄화규소 잉곳과 그로부터 얻어지는 탄화규소 웨이퍼의 품질을 떨어드릴 수 있다. 또한 상기 탄화규소 잉곳의 표면이 과도하게 볼록한 형태로 형성되는 경우에는 잉곳 자체에 크랙이 발생하거나, 웨이퍼로 가공할 때 결정이 깨질 가능성이 있다.
이때, 상기 탄화규소 잉곳이 과도하게 볼록한 형태의 잉곳인지 여부는 휘어짐 정도를 기준으로 판단하며, 본 명세서에서 제조되는 탄화규소 잉곳은 휘어짐이 15 mm 이하인 것일 수 있다.
상기 휘어짐은, 탄화규소 잉곳의 성장이 완료된 샘플을 정반 위에 놓고 잉곳 후면을 기준으로 잉곳의 중심과 가장자리의 높이를 높이 게이지(Height Gauge)로 측정하여 (중심 높이 - 가장자리높이)의 값으로 평가한다. 휘어짐의 수치가 양의 값이면 볼록함을 의미하고 0의 값은 평평함, 그리고 음의값은 오목함을 의미한다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것으로 휘어짐이 0 내지 15 mm인 것일 수 있고, 0 내지 12 mm일 수 있으며, 0 내지 10 mm인 것일 수 있다. 이러한 휘어짐 정도를 갖는 탄화규소 잉곳은 웨이퍼 가공이 보다 용이하고 깨짐 발생을 감소시킬 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 탄화규소 잉곳에서 발생할 수 있는 결함을 줄인 것으로 보다 고품질의 탄화규소 웨이퍼를 제공할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 실질적으로 단결정인 4H SiC으로 이루어진 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 4인치 이상, 5인치 이상, 나아가 6인치 이상의 구경을 가질 수 있다. 더 구체적으로 상기 잉곳은 4 내지 12 인치, 4 내지 10 인치, 또는 6 내지 8 인치의 직경을 가질 수 있다. 상기 탄화규소 시드는 이러한 잉곳의 특성에 따라 적절한 것이 적용될 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 탄화규소 시드의 C면(0001) 면 상에서 성장한 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것으로 휘어짐이 15 mm 이하인 것일 수 있고, 12 mm 이하인 것일 수 있으며, 상기 휘어짐이 0 내지 10 mm 인 것일 수 있다. 이러한 휘어짐 정도를 갖는 탄화규소 잉곳은 웨이퍼 가공이 보다 용이하고 깨짐 발생을 감소시킨 것일 수 있다.
상기 대상영역은 상기 탄화규소 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 탄화규소 웨이퍼의 반지름의 80%에 해당하는 영역일 수 있다.
상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도의 최소값과 최대값의 차이는 0.5 도 이내일 수 있다.
상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도의 최소값과 최대값의 차이는 0.35 도 이내일 수 있다.
상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도의 최소값과 최대값의 차이는 0.25 도 이내일 수 있다.
상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도는 13.7 내지 14.2 도의 범위에 포함될 수 있다.
상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도는 13.75 내지 14.10 도의 범위에 포함될 수 있다.
상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도는 13.8 내지 14.05 도의 범위에 포함될 수 있다.
이러한 특징을 갖는 탄화규소 웨이퍼는 보다 우수한 결정 특성을 가질 수 있다.
구현예에 따른 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은, 슬라이싱단계 그리고 연마단계를 포함한다.
상기 슬라이싱단계는 탄화규소 잉곳을 일정한 오프각을 갖도록 슬라이싱하여 슬라이싱된 결정을 마련하는 단계이다.
상기 오프각은 4H SiC에서 (0001)면을 기준으로 한다. 상기 오프각은 구체적으로 0 내지 15 도에서 선택된 어느 한 각도일 수 있고, 0 내지 12 도에서 선택된 어느 한 각도일 수 있으며, 0 내지 8도에서 선택된 어느 한 각도일 수 있다.
상기 슬라이싱은 통상 탄화규소 웨이퍼 제조에 적용되는 슬라이싱 방법이라면 적용할 수 있고, 예시적으로 다이아몬드 와이어나 다이아몬드 슬러리를 적용한 와이어를 이용한 절삭, 다이아몬드가 일부 적용된 블레이드나 휠을 이용하는 절삭 등이 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 슬라이싱된 결정의 두께는 제조하고자 하는 탄화규소 웨이퍼의 두께를 고려하여 조절될 수 있고, 이후 설명하는 연마단계에서 연마된 후의 두께를 고려하여 적절한 두께로 슬라이싱될 수 있다.
상기 연마단계는 상기 슬라이싱된 결정을 연마하여 그 두께가 300 내지 800 um에서 선택된 어느 한 두께로 감소된 웨이퍼를 형성하는 단계이다.
상기 연마단계는 통상 탄화규소 웨이퍼 제조에 적용되는 연마 방법이 적용될 수 있고, 예시적으로 랩핑(Lapping) 및/또는 그라인딩(Grinding) 등의 공정이 진행된 후, 폴리싱(polishing) 등이 진행되는 방식이 적용될 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼이고, 상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반지름의 70% 또는 그 이상의 반지름을 갖는 영역인 대상영역을 포함하고, 상기 대상영역을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점을 포함한다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 내지 1.5 도 이내인 측정점을 95% 이상 포함할 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도의 최소값과 최대값의 차이는 0.5 도 이내일 수 있다.
상기 반치폭, 피크가 갖는 오케가 각도 등 탄화규소 잉곳이나 탄화규소 웨이퍼에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
상기 탄화규소 잉곳은 탄화규소 잉곳의 제조방법으로 제조된 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳의 제조방법은, 준비단계와 성장단계를 포함하여 탄화규소 잉곳을 제조한다.
상기 준비단계는 도가니 본체 내에 원료를, 그리고 상기 도가니 본체 상에는 탄화규소 시드가 위치하는 도가니 덮개를 배치한 후 그 밀도가 0.14 내지 0.28 g/cc인 단열재로 상기 도가니 본체를 감싸서 반응용기를 마련하는 단계이다.
상기 반응용기는, 잉곳 성장을 위한 반응에 적용되는 용기라면 적용될 수 있고, 구체적으로 그라파이트 도가니가 적용될 수 있다.
예시적으로, 상기 반응용기는 그 내부에 원료물질을 수용하는 내부 공간과 개구부를 갖는 도가니 본체와 상기 도가니 본체의 개구부를 덮는 도가니 덮개를 포함할 수 있다.
상기 도가니 덮개는 상기 도가니 덮개와 일체로 또는 별도로 시드홀더를 더 포함할 수 있으며, 상기 시드홀더에는 탄화규소 시드가 위치한다.
또한, 상기 반응용기는 단열재에 의하여 감싸여 고정되고, 석영관과 같은 반응챔버 내에 상기 반응용기를 감싼 단열재가 위치하도록 세팅된 후, 상기 반응챔버를 감싸는 가열수단에 의하여 상기 반응용기 내의 온도를 제어할 수 있다.
탄화규소 잉곳의 성장은 상기 도가니 본체, 상기 도가니 덮개 등의 크기와 종류, 장입되는 원료에 따라서 달라질 수 있고, 성장분위기에서 상기 도가니 본체 내부의 온도 구배 등에 따라서도 잉곳의 품질이 달라질 수 있기 때문에, 상기 반응용기의 단열 정도에 의해서도 잉곳의 품질이 달라질 수 있고, 상기 단열재의 적용도 중요한 역할을 한다. 이는 단열재의 적용에 따라 성장분의기에서 상기 도가니 본체 내부 또는 상기 반응용기 내부의 온도 구배가 달라질 수 있기 때문이라 생각된다.
구현예는 상기 단열재로 그 밀도가 0.14 내지 0.28 g/cc인 것을 적용할 수 있다. 구현예는 상기 단열재로 그 밀도가 0.14에서 0.24g/cc인 것을 적용할 수 있다. 구현예는 상기 단열재로 그 밀도가 0.14에서 0.19g/cc인 것을 적용할 수 있다.
상기 단열재의 밀도가 0.14 g/cc 미만인 것을 적용하는 경우에는 성장한 잉곳의 형상이 오목하게 성장될 수 있고, 6H-SiC 다형이 발생하여 잉곳의 품질이 떨어질 수 있다.
상기 단열재의 밀도가 0.28 g/cc 초과인 것을 적용하는 경우에는 성장한 잉곳이 과도하게 볼록하게 성장될 수 있으며, 가장자리의 성장율이 낮아져 수율이 감소하거나 잉곳의 크랙 발생이 증가할 수 있다.
상기 단열재는 그 밀도가 0.14에서 0.24g/cc인 것을 적용하는 경우 보다 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있으며, 0.14에서 0.19g/cc인 것을 적용하는 것이 잉곳 성장과정에서 결정성장분위기를 제어하고 보다 우수한 품질의 잉곳을 성장시키는 것에 더욱 좋다.
상기 단열재는 기공도가 72 내지 95 %인 것일 수 있다. 상기 단열재는 기공도가 75 내지 93 %일 수 있다. 상기 단열재는 기공도가 80 내지 91 %일 수 있다. 이러한 기공도를 갖는 단열재를 적용하는 경우 잉곳 크랙 발생 빈도를 보다 감소시킬 수 있다.
상기 단열재는 압축강도가 0.2 Mpa 이상인 것일 수 있다. 상기 단열재는 압축강도가 0.48 Mpa 이상인 것일 수 있다. 상기 단열재는 압축강도가 0.8 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 단열재는 압축강도가 3 MPa 이하인 것일 수 있고, 2.5 MPa 이하일 수 있다. 상기 단열재가 이러한 압축강도를 갖는 경우 열적/기계적 안정성이 우수하고, 재(ash)가 발생할 확률이 떨어져 보다 우수한 품질의 SiC 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 단열재는 탄소계 펠트를 포함할 수 있고, 구체적으로 그라파이트 펠트를 포함할 수 있으며, 레이온계 그라파이트 펠트 또는 피치계 그라파이트 펠트를 포함할 수 있다.
상기 단열재는 20 mm 이상의 두께로 적용될 수 있고, 30 mm 이상의 두께로 적용될 수 있다. 또한, 상기 단열재는 150 mm 이하의 두께로 적용될 수 있고 120 mm 이하의 두께로 적용될 수 있으며 80 mm이하의 두께로 적용될 수 있다. 이러한 두께 범위로 상기 단열재를 적용하는 경우 단열재의 불필요한 낭비 없이 단열 효과를 충분하게 얻을 수 있다.
상기 성장단계는 상기 반응용기를 반응챔버 내에 위치시키고 상기 반응용기 내부를 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드를 향하도록 증기 이송시키고, 상기 탄화규소 시드로부터 성장시킨 탄화규소 잉곳을 마련하는 단계이다.
상기 결정성장분위기는 상기 반응챔버 외부의 가열수단에 의하여 도가니 또는 도가니 내부공간을 가열하여 진행될 수 있으며, 상기 가열과 동시에 또는 별도로 감압하여 공기를 제거하고, 감압분위기 또는 불활성 분위기(예시, Ar 분위기, N2 분위기 또는 이의 혼합 분위기)에서 탄화규소 결정의 성장을 유도할 수 있다.
상기 결정성장분위기는 고온 분위기에서 원료물질들의 승화와 재결정을 유도하여 잉곳을 성장시킨다. 상기 결정성장분위기는 2000 내지 2500 ℃의 성장온도와 1 내지 200 torr의 성장압력 조건이 적용될 수 있고, 이러한 온도와 압력을 적용하는 경우 보다 효율적으로 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 결정성장분위기는 도가니 상하부 표면 온도가 2100 내지 2500 ℃의 성장온도와 1 내지 50 torr의 성장압력 조건이 적용될 수 있으며, 더 자세하게는 도가니 상하부 표면 온도가 2150 내지 2450 ℃의 성장온도와 1 내지 40 torr의 성장압력 조건이 적용될 수 있다. 더 구체적으로 도가니 상하부 표면 온도가 2150 내지 2350 ℃의 성장온도와 1 내지 30 torr의 성장압력 조건이 적용될 수 있다.
위에서 설명한 결정성장분위기를 탄화규소 잉곳의 성장에 적용하는 경우 보다 고품질의 탄화규소 잉곳을 제조하는데 보다 유리하다.
상기 탄화규소 시드는 성장시키려는 잉곳의 특성에 따라 달리 적용될 수 있는데, 예시적으로 4H-SiC 웨이퍼, 6H-SiC 웨이퍼, 3C-SiC 웨이퍼, 15R-SiC 웨이퍼 등이 적용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상기 탄화규소 시드는 성장시키려는 잉곳의 크기에 따라 달리 적용될 수 있다.
상기 원료는 탄소원과 규소원을 갖는 분말 형태가 적용될 수 있으며, 상기 분말이 서로 연결되도록 네킹처리한 원료 또는 표면을 탄화처리한 탄화규소 분말 등이 적용될 수 있다.
상기 원료는 결정성장분위기에서 승화하여 탄화규소 시드로 이동하며, 상기 시드에서 재결정되어 탄화규소 잉곳을 형성한다.
상기 탄화규소 잉곳으로부터 (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용하여 얻어진 탄화규소 웨이퍼는 위에서 설명한 특징을 갖는다. 상기 탄화규소 웨이퍼에 대한 더 구체적인 설명은 위에서 설명한 것과 중복되므로 그 기재를 생략한다. 상기 탄화규소 잉곳, 탄화규소 웨이퍼 등은 면적 전체적으로 우수한 결정성을 가져서 그 활용도가 뛰어나다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 구현예를 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 구현예에 대한 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 명세서가 개시하는 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 및 비교예의 샘플 제작>
SiC 입자가 포함된 분말을 그라파이트 도가니 본체 내부에 장입했다. 상기 분말의 상부에 탄화규소 종자정 및 종자정 홀더를 배치하였다. 이 때, 탄화규소 종자정(4H SiC 단결정, 6인치)의 C면 (0001)이 도가니 하부를 향하도록 통상의 방법으로 고정하였으며, 아래 실시예와 비교예에 모두 동일하게 적용하였다.
상기 종자정 및 종자정 홀더가 설치된 도가니 본체를 도가니 뚜껑으로 덮고, 단열재로 에워싼 뒤, 가열수단인 가열 코일이 구비된 반응챔버 내에 넣었다.
이 때, 단열재로는 0.17 g/cc 밀도, 기공도 83%, 압축강도 0.36 MPa인 그라파이트 펠트를 적용하여 실시예의 샘플을 제작했고, 0.13 g/cc의 밀도, 기공도 85%, 0.19 MPa의 압축강도를 갖는 그라파이트 펠트를 적용하여 비교예의 샘플을 제작했다.
도가니 내부를 진공 상태로 만든 뒤, 아르곤 가스를 서서히 주입하여 상기 도가니 내부가 대기압에 도달하도록 하고, 다시 상기 도가니 내부를 서서히 감압 시켰다. 이와 함께, 도가니 내부의 온도를 2300 ℃까지 서서히 승온 시켰다.
2300 ℃의 온도와 20 torr의 압력 조건 하에서 100시간 동안 탄화규소 종자정으로부터 SiC 잉곳을 성장시켰다.
성장된 SiC 잉곳은 (0001)면을 기준으로 4도 오프 기준으로 오메가 각도는 13.811도가 적용된 웨이퍼를 준비하고 이하 측정을 진행했다.
<실시예 및 비교예의 물성 평가>
고분해능 엑스선 회절 분석 시스템(HR-XRD system, Rigaku社 SmartLab High Resolution X-ray Diffraction System)을 적용하여, 상기 실시예와 비교예의 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 오프 각도에 맞추어 오메가(ω, 또는 쎄타 θ, X-ray detector optic) 각도를 조절하여 측정하였다. 구체적으로 4도 오프 기준으로 오메가 각도는 13.811도를 적용했다.
X-ray power는 9kW로, 그리고 X-ray target은 Cu를 적용했으며, Goniometer resolution는 0.0001 도인 것이 적용되었다. 샘플 전면에 대한 로킹 커브 FWHM을 측정하기 위하여, X축, Y축 방향으로 각각 10mm 간격으로 full mapping을 진행했다. 즉, 6인치 웨이퍼에서 154point를 측정했다. 그 결과를 도 1(실시예)과 도 2(비교예)에 각각 나타냈다.
<실시예 및 비교예의 물성 평가 결과>
도 1은 구현예에 따른 실시예 1의 로킹커브그래프(Rocking Curve Graph)이고, 도 2는 구현예에 따른 실시예 2의 로킹커브그래프(Rocking Curve Graph)이고, 도 3은 구현예에 따른 웨이퍼(W)에서 대상영역(T)과 측정점(P)을 설명하는 개념도이다.
이를 참고해 아래 실시예 1과 실시예 2의 물성 평가 결과를 설명한다.
실시예 1은, SiC (004)면 -4°off 각도 기준으로, 13.811°도를 적용한 웨이퍼에서 측정했다. 실시예 1의 Rocking Curve FWHM은 웨이퍼의 중심(C)에서 반지름의 90%에 해당하는 영역을 대상영역(T)으로 설정하여 가로 세로 10 mm 간격으로 가상의 선(도 3에서 점선)을 설정하고 그 교점들을 측정점(P)으로 하여 총 154 개 측정점에서 측정되었다(도 1의 결과 참고).
대상영역 이내의 측정점 피크에서의 오메가각도의 평균값을 기준으로 각 피크에서 평가한 반치폭(Rocking Curve FWHM)이 -0.05 내지 0.05 도 이내인 것이 98 %, -0.5 이상 -0.05 미만, 또는 0.05 초과 0.5 이하인 것이 1.5 %, 그리고 -1.0 이상 -0.5 미만, 또는 0.5 초과 1.0 이하인 것이 0.5 %으로 확인되었다. -1.0 미만 또는 1.0 초과의 것은 측정되지 않았다.
피크에서의 오메가 각도인 피크각도는 실시예 1의 경우 모두 13.8 도 내지 14.0도 내에 위치하여 0.2 도의 범위 내에 분포한다는 점을 확인했다(도 1의 검정 점선 참고).
실시예 2는, SiC (004)면 -4°off 각도 기준으로, 13.811°도를 적용한 웨이퍼에서 측정했다. 실시에 2의 Rocking Curve FWHM은 실시예 1과 마찬가지로 웨이퍼의 중심(C)에서 반지름의 90%에 해당하는 영역을 대상영역(T)으로 설정하여 가로 세로 10 mm 간격으로 가상의 선(도 3에서 점선)을 설정하고 그 교점들을 측정점(P)으로 하여 총 154 개 측정점에서 측정되었다(도 2의 결과 참고).
대상영역 이내의 측정점 피크에서의 오메가각도의 평균값을 기준으로 각 피크에서 평가한 피크각도 대비 반치폭(Rocking Curve FWHM)이 -0.05 내지 0.05 도 이내인 것이 97 %, -0.5 이상 -0.05 미만, 또는 0.05 초과 0.5 이하인 것이 2.5 %, 그리고 -1.0 이상 -0.5 미만, 또는 0.5 초과 1.0 이하인 것이 0.5 %으로 확인되었다. -1.0 미만 또는 1.0 초과인 것은 0 %으로 확인되었다.
피크에서의 오메가 각도인 피크각도는 실시예 2의 경우 모두 13.0 도 내지 14.4도 내에 위치하여 1.4 도의 비교적 넓은 범위 내에 분포한다는 점을 확인했다(도 2의 검정 점선 참고).
상기 실시예 1과 실시예 2는 우수한 결정성을 가지며, 실시예 2와 비교하여 실시예 2의 결정성이 더 우수하다는 점을 확인했다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

  1. (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼이고,
    상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반지름의 70%인 반지름을 갖는 영역인 대상영역을 포함하고,
    상기 대상영역을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점을 포함하고,
    상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 내지 1.5 도 이내인 측정점을 95% 이상 포함하는, 탄화규소 웨이퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.0 내지 1.0 도 이내인 측정점을 96 % 이상 포함하는, 탄화규소 웨이퍼.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -0.5 내지 0.5 도 이내인 측정점을 97% 이상 포함하는, 탄화규소 웨이퍼.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -0.05 내지 0.05 도 이내인 측정점을 98 % 이상 포함하는, 탄화규소 웨이퍼.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 대상영역은 상기 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 미만 또는 1.5 초과인 측정점을 5 % 이하로 포함하는, 탄화규소 웨이퍼.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 대상영역은 1 cm2 당 1개 이상의 측정점을 포함하는, 탄화규소 웨이퍼.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 대상영역은 상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반지름의 80%에 해당하는 영역인, 탄화규소 웨이퍼.
  8. (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼이고,
    상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반지름의 70%인 반지름을 갖는 영역인 대상영역을 포함하고,
    상기 대상영역을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점을 포함하고,
    상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도의 최소값과 최대값의 차이는 0.5 도 이내인, 탄화규소 웨이퍼.
  9. 탄화규소 잉곳을 (0001)면을 기준으로 오프 앵글이 0 내지 15 도에서 선택된 어느 한 각도가 되도록 슬라이싱하여 슬라이싱된 결정을 마련하는 슬라이싱단계; 그리고
    상기 슬라이싱된 결정을 연마하여 탄화규소 웨이퍼를 형성하는 연마단계;를 포함하고,
    (0001)면을 기준으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도의 오프 앵글을 적용한 웨이퍼이고,
    상기 웨이퍼의 중심을 기준으로 상기 웨이퍼의 반지름의 70%인 반지름을 갖는 영역인 대상영역을 포함하고,
    상기 대상영역을 10 mm 이하의 일정한 간격으로 구분한 복수의 측정점을 포함하고,
    상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 반치폭이 상기 대상영역의 측정점들의 피크가 갖는 오메가 각도의 평균값을 기준으로 -1.5 내지 1.5 도 이내인 측정점을 95% 이상 포함하거나
    상기 측정점에서 측정한 로킹 커브 곡선에서 피크가 갖는 오메가 각도의 최소값과 최대값의 차이는 0.5 도 이내인, 웨이퍼의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 탄화규소 잉곳은
    도가니 본체에 원료를, 그리고 상기 도가니 본체에 탄화규소 시드가 위치하는 도가니 덮개를 배치한 후 밀도가 0.14 내지 0.28 g/cc인 단열재로 상기 도가니 본체를 감싸서 반응용기를 마련하는 준비단계; 및
    상기 반응용기를 반응챔버 내에 위치시키고 상기 반응용기 내부를 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기이송되고 증착되어 상기 탄화규소 시드로부터 성장시킨 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계;
    를 포함하는 탄화규소 잉곳의 제조방법으로 제조되는, 웨이퍼의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단열재는 압축강도가 0.2 Mpa 이상인 탄소계 펠트를 포함하는, 웨이퍼의 제조방법.
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