KR20230154212A - 기판 상에 단결정층을 생성하는 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
기판(20) 상에 에피택셜 단결정층을 생성하기 위한 시스템(100)은, 소스 재료(10) 및 기판(20)을 수용하기 위한 캐비티(5)를 한정하는 내부 용기(30); 내부에 내부 용기(30)를 수용하도록 배치된 절연 용기(50); 내부에 졀연 용기(50) 및 내부 용기(30)를 수용하도록 배치된 외부 용기(60); 및 외부 용기(60) 외부에 배치되고 캐비티(5)를 가열하도록 구성된 가열 수단(70)을 포함하며, 내부 용기(30)는 고체 모놀리식 소스 재료(10) 위의 미리 결정된 거리에 기판(20)을 지지하도록 배치된 복수의 스페이서 엘리먼트(320)를 포함하고, 각 스페이서 엘리먼트(320)는 베이스부(321) 및 상단부(322)를 포함하며, 상단부(322)의 적어도 일부는 기판(20)과 접촉하도록 배치된 정점(323)을 향해 테이퍼링되어 있다. 대응하는 방법이 또한 개시된다.
Description
본 발명은 일반적으로 기판 상의 단결정 또는 단결정층의 성장에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 승화 샌드위치(sublimation sandwich) 방법을 사용한 고품질 단결정층의 승화 성장에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 승화 샌드위치 방법을 사용한 고품질 단결정층의 성장을 위한 새로운 구성에 관한 것이다.
최근, 고전력 레벨 및 고온에서 작동할 수 있는 전자 장치의 에너지 효율 향상에 대한 요구가 증가하고 있다. 규소(Si)는 현재 전력 장치용 반도체로 가장 널리 사용되고 있다. 최근 수십 년 동안, Si 기반 전력 전자 장치의 성능이 크게 향상되었다. 그러나, Si 전력 장치 기술이 성숙해짐에 따라, 이러한 기술을 사용하여 혁신적인 돌파구를 달성하는 것이 점점 더 어려워지고 있다. 매우 높은 열 전도성(약 4.9W/cm), 높은 포화 전자 표류 속도(약 2.7×107cm/s) 및 높은 항복 전계 강도(약 3MV/cm)를 갖춘 탄화규소(silicon carbide, SiC)는 고온, 고전압 및 고전력 응용 분야에 적합한 재료이다.
SiC 단결정 성장에 사용되는 가장 일반적인 기술은 물리적 기상 수송(physical vapor transport, PVT) 기술이다. 이러한 성장 기술에서, 종자 결정과 소스 재료는 모두 소스의 승화 온도까지 가열되는 반응 도가니에 소스와 약간 더 차가운 종자 결정 사이에 열 구배를 생성하는 방식으로 배치된다. 일반적인 성장 온도 범위는 2200℃ 내지 2500℃이다. 결정화 공정은 일반적으로 60~100시간 동안 지속되며, 이 기간 동안 획득되는 SiC 단결정(여기서는 SiC 부울(boule) 또는 SiC 잉곳(ingot)으로 명명됨)의 길이는 15~40mm이다. 성장 후, SiC 부울은 SiC 웨이퍼 배치가 생성될 때까지 주로 슬라이싱, 연마 및 세척 공정을 포함하는 일련의 웨이퍼링 단계로 처리된다. SiC 웨이퍼는 도핑 제어가 잘 가능하고 두께가 수~수십 마이크로미터인 SiC 단결정층이 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 증착될 수 있는 기판으로 사용될 수 있어야 한다.
승화 샌드위치 방법(sublimation sandwich method, SSM)은 물리적 기상 수송(PVT) 성장의 또 다른 변형이다. 소스 재료인 SiC 분말 대신에, 소스는 단결정 또는 다결정 구조의 모놀리식(monolithic) SiC 플레이트이며, 이는 온도 균일성을 제어하는 데 매우 유용하다. 소스와 기판 사이의 거리는 직접 분자 수송(direct molecular transport, DMT)의 경우 일반적으로 1mm로 짧으며, 이는 기상종(vapor species)이 흑연 벽과 반응하지 않는다는 긍정적인 효과를 갖는다. SSM의 일반적인 성장 온도는 약 2000℃로 PVT보다 낮다. 이러한 낮은 온도는 PVT의 경우보다 SiC 단결정 또는 단결정층의 더 높은 결정 품질을 획득하는 데 도움이 될 수 있다. 성장 중에, 성장 압력은 약 150pm/h의 높은 성장 속도를 달성하기 위해 약 1mbar의 진공 조건에서 유지된다. 소스의 두께는 일반적으로 0.5mm이므로, 성장된 SiC층은 거의 동일한 두께를 가지며 이는 일반적으로 길이가 15~50mm인 PVT 성장 부울의 두께보다 얇다. 따라서, SSM을 사용하여 획득되는 샘플은 벌크 성장 관점에서 SiC 미니 부울로 간주되거나 또는 에피택시 관점에서 초후형(super-thick) SiC 에피택셜층으로 간주될 수 있다.
SSM에서, 소스와 종자가 탄소 도가니에 탑재되어 소스와 종자 사이에 작은 갭이 형성된다. Furusho et al.의 "승화 근접 공간 기술에 의한 탄화규소의 결정 성장에서의 탄탈륨의 영향"이라는 논문(Jpn. j. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp. 6737-6740) 및 US 7,918,937 B2에서 밝혀진 바와 같이, 종자는 중간에 스페이서의 지지를 받아 소스 위에 탑재된다. 종래 기술에서, 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 스페이서의 형상은 일반적으로 링 모양이며, 샘플에 따라 내부 컷아웃이 정사각형 형상 또는 원형 형상이다. 이러한 형상의 단점은 샘플 에지가 완전히 덮혀져서 재료 사용 면적이 크게 손실된다는 것이다.
기판 상에 에피택셜층을 생성할 때 직면하게 되는 다른 문제는 성장된 표면의 에피택셜층으로 전파되는 결함 및 연관된 프리즘형 적층 결함의 형성이다. 표면 형태학적 결함은 일반적으로 그들의 물리적 외관에 따라 분류된다. 따라서, 이러한 결함은 현미경으로 관찰된 외관에 기초하여 "혜성", "당근" 및 "삼각형" 결함으로 분류되었다. 당근 결함은 탄화규소 필름 표면에서 대략 당근 형상의 특징이다. 이 특징은 필름의 계단 흐름 방향을 따라 정렬되며 특징적으로 특징이 형성되는 층의 깊이보다 더 길다. 탄화규소 필름에 이러한 결정 결함이 존재하면 결함의 유형, 위치 및 밀도에 따라 필름에서 제조된 전자 장치의 성능이 저하되거나 심지어 완전히 파괴될 수도 있다. 전술한 스페이서의 링 모양의 형상은 또한 기판 에지와 접촉하는 스페이서에 의해 성장이 방해될 수 있기 때문에 특히 업스트림측에서 링 에지에서 유래하는 전술한 결정 결함이 형성될 가능성이 더 높다.
스페이서의 링 모양 형상 사용의 추가적인 단점은 스페이서와 접촉된 에지 영역의 기판 후면이 스페이서와 접촉하지 않은 영역보다 더 높은 승화 속도를 가질 수 있다는 점이다. 기판의 이러한 불균일한 후면 승화는 기판 에지에서 원치 않는 재료 손실을 초래하고 불균일한 방식으로 완성된 기판의 전체 두께를 증가시킨다.
따라서, 전술한 결함과 단점을 극복하기 위해 공지된 시스템 및 방법을 개선할 필요가 있다.
전술한 목적 및 다른 목적을 염두에 두고, 본 개시의 제1 측면에 따라, 기판 상에 에피택셜 단결정층을 생성하기 위한 시스템이 제공되며, 소스 재료 및 기판을 수용하기 위한 캐비티(cavity)를 한정하는 내부 용기; 내부에 내부 용기를 수용하도록 배치된 절연 용기; 내부에 절연 용기 및 내부 용기를 수용하도록 배치된 외부 용기; 및 외부 용기 외부에 배치되고 캐비티를 가열하도록 구성된 가열 수단을 포함하며, 내부 용기는 고체 모놀리식(monolithic) 소스 재료 위의 미리 결정된 거리에 기판을 지지하도록 배치된 복수의 스페이서 엘리먼트를 포함하고, 각 스페이서 엘리먼트는 베이스부 및 상단부를 포함하며, 상단부의 적어도 일부는 기판과 접촉하도록 배치된 정점을 향해 테이퍼링(taper)되어 있다.
정점 또는 지점을 향해 적어도 부분적으로 테이퍼링된 스페이서 엘리먼트는 기판과의 접촉면을 최소화한다. 이는 기판 상의 이용 가능한 성장면을 증가시킬 뿐만 아니라, 이러한 결함 형성을 야기하는 스페이서와 기판 사이의 접촉 면적이 최소화되기 때문에 성장된 표면에서의 결정 결함의 형성도 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 동일한 이유로, 불균일한 후면 승화도 감소된다.
일 실시예에서, 상단부는 베이스부로부터 정점까지 테이퍼링되어 있다. 스페이서 엘리먼트의 전체 연장을 따라 테이퍼링된 형상으로 인해, 예를 들어, 레이저 절단을 통해 최적의 스페이서 엘리먼트를 달성하도록 제조 공정이 용이해진다. 바람직하게는, 스페이서 엘리먼트는 피라미드, 원뿔, 사면체 및 프리즘으로부터 선택된 형상을 갖는다.
일 실시예에서, 각 스페이서 엘리먼트는 높이를 갖고, 베이스부는 가로 폭을 가지며, 높이와 가로 폭 사이의 비율은 1:3 내지 3:1이다. 바람직하게는, 각 스페이서 엘리먼트의 높이는 약 0.7-1.4mm이고 가로 폭은 2.5mm 이하이다. 선택된 범위는 소스와 기판 사이의 최적의 안정성과 간격을 보장한다.
일 실시예에서, 정점의 표면적과 베이스부의 표면적 사이의 비율은 1:1000 내지 1:5이다. 바람직하게는, 정점의 표면적은 약 100μm2이다.
일 실시예에서, 스페이서 엘리먼트는 기판의 원주 주위에 규칙적으로 분포된다.
일 실시예에서, 스페이서 엘리먼트는 탄탈륨, 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 탄화규소, 흑연 및/또는 레늄으로 제조된다. 선택된 재료는 변형 없이 그리고 기판 상의 에피택셜층의 성장과 반응하거나 영향을 주지 않고 이상적으로 고온을 견딘다.
일 실시예에서, 내부 용기는 100-500mm, 바람직하게는 150-300mm 범위의 내부 직경을 갖는 원통형이고, 기판 및 소스 재료는 디스크(disk) 형상이다. 원통형 형상은 캐비티 내와 소스 및 기판 위의 최적의 온도 분포를 촉진하며 그 범위는 반도체 장치의 표준 웨이퍼 크기에 대응한다.
일 실시예에서, 시스템은 내부 용기 아래에 배치된 고밀도 흑연으로 만들어진 가열체를 더 포함한다. 가열체는 가열 수단과의 결합을 허용하여 향상된 가열 및 캐비티 내 최적의 온도 분포를 제공한다.
일 실시예에서, 소스 재료의 표면적은 기판의 표면적보다 크거나 같다. 소스의 더 크거나 같은 표면적은 기판의 전체 성장 표면의 최적 노출을 보장하고 소스 재료 상에 스페이서 엘리먼트의 배치를 용이하게 한다.
일 실시예에서, 시스템은 내부 용기에 배치된 탄소 게터(carbon getter)를 더 포함한다.
본 개시의 제2 측면에서, 기판 상에 에피택셜 단결정층을 생성하는 방법이 제공되며,
소스 재료 및 기판을 수용하기 위한 캐비티를 한정하는 내부 용기를 제공하고;
캐비티 내에 고체 모놀리식 소스 재료를 배치하며;
복수의 스페이서 엘리먼트를 사용하여 소스 재료 위의 미리 결정된 거리에 기판을 배치하고 ― 각 스페이서 엘리먼트는 베이스부 및 상단부를 포함하고, 상단부의 적어도 일부는 기판과 접촉하도록 배치된 정점을 향해 테이퍼링되어 있음 ―;
절연 용기 내에 내부 용기를 배치하며;
외부 용기 내에 절연 용기 및 내부 용기를 배치하고;
캐비티를 가열하기 위해 외부 용기 외부에 가열 수단을 제공하며;
캐비티를 미리 결정된 낮은 압력으로 비우고;
캐비티 내로 불활성 가스를 도입하며;
가열 수단에 의해 캐비티의 온도를 미리 결정된 성장 온도로 상승시키고;
기판 상의 에피택셜 단결정 탄화규소층의 미리 결정된 두께가 달성될 때까지 캐비티에서 미리 결정된 성장 온도를 유지하며; 및
기판을 냉각시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 스페이서 엘리먼트는 기판의 원주 주위에 규칙적으로 분포된다.
이제 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명된다:
도 1 및 도 2는 종래 기술로부터 공지된 스페이서 구성의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 기판 상에 에피택셜 단결정층을 생성하기 위한 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따라 소스 재료 및 기판이 배치된 내부 용기의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 스페이서 엘리먼트의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 스페이서 엘리먼트의 배치의 개략도를 도시한다.
도 7은 성장 공정 중 온도 대 시간의 도면을 도시한다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 방법의 단계를 예시하는 흐름도를 도시한다.
도 9는 본 개시에 따라 생산되는 성장된 SiC 샘플의 외관을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시에 따라 제조된 직경 150mm, 두께 1.5mm의 4H-SiC 단결정 에피택셜층에 대한 라만 분광법과 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분광법을 사용한 결정 품질 평가를 도시한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술로부터 공지된 스페이서 구성의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 기판 상에 에피택셜 단결정층을 생성하기 위한 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따라 소스 재료 및 기판이 배치된 내부 용기의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 스페이서 엘리먼트의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 스페이서 엘리먼트의 배치의 개략도를 도시한다.
도 7은 성장 공정 중 온도 대 시간의 도면을 도시한다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 방법의 단계를 예시하는 흐름도를 도시한다.
도 9는 본 개시에 따라 생산되는 성장된 SiC 샘플의 외관을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시에 따라 제조된 직경 150mm, 두께 1.5mm의 4H-SiC 단결정 에피택셜층에 대한 라만 분광법과 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분광법을 사용한 결정 품질 평가를 도시한다.
다음에서는, 본 개시에 따라 기판 상에 에피택셜 단결정층을 생성하기 위한 시스템의 상세한 설명이 제시된다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 여러 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 대응하는 엘리먼트를 나타낸다. 이들 도면은 단지 예시를 위한 것이며 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 한 목적은 종자 표면에서 스페이서의 점유 면적을 최소화하면서 거의 전체 종자에서 성장을 실현할 수 있는 SSM의 새로운 유형의 스페이서를 제공하는 것이다. 스페이서는 피라미드형, 원통형 또는 원추형 형상과 작은 크기(베이스에서 <2.5mm이고, 높이 0.7-1.4mm임)의 탄탈륨으로 제조된다. 실제로, 이러한 스페이서 중 세 개가 소스 표면에 탑재되고 종자가 스페이서 상에 탑재된다.
도 3은 단결정 또는 단결정 SiC층의 성장을 가능하게 하는, 전술한 다결정 SiC 플레이트를 소스 재료(10)로 사용하여 승화 에피택시를 용이하게 하도록 설계된 시스템(100)의 개략도이다. 소스 재료(10)와 기판(20)은 내부 용기(30)의 캐비티(cavity)에 페이스다운(face-down) 구성으로, 즉 소스 재료(10)의 상부에 배치된 기판(20)과 함께 배치된다. 내부 용기(30)는 절연 용기(50) 내에 배치되며, 이어서 절연 용기(50)는 외부 용기(60) 내에 배치된다. 내부 용기(30)는 절연 용기(50)의 바닥부의 상단에 있는 용기 지지대(미도시) 상에서 지지될 수 있다. 가열체(40)는 선택적으로 내부 용기(30) 아래에 배치될 수 있다. 외부 용기(60) 외부에는 상기 내부 용기(30)의 캐비티를 가열하는데 사용될 수 있는 가열 수단(70)이 있다.
일 실시예에 따르면, 가열 수단(70)은 무선 주파수 가열용 유도 코일을 포함한다. 상기 외부 용기(60)는 본 예에서 석영 튜브이고, 상기 절연 용기(50) 및 상기 내부 용기(30)는 원통형이며 각각 절연 흑연 폼(foam) 및 고밀도 흑연으로 제조된다. 가열 수단(70)은 용기를 가열하여 이에 의해 소스 재료(10)를 승화시키는 데 사용된다. 가열 수단(70)은 내부 용기(30) 내부의 온도 및 열 구배를 조절하기 위해 수직 방향으로 이동 가능하다. 소스 재료(10)와 기판(20) 사이의 온도 구배는 또한 당업계에서 공지된 바와 같이 상부(31) 및 하부(32)(도 4 참조)의 두께와 같은 내부 용기(30)의 특성을 변경함으로써 변경될 수 있다. 추가적으로, 내부 용기(미도시)를 비우기 위한, 즉 약 10-4 및 10-6mbar 사이의 압력을 제공하기 위한 펌프가 있다.
도 4는 내부 용기(30)의 캐비티(5) 내의 컴포넌트(10, 20, 300, 310, 320)의 바람직한 배치의 개략도이다. 기판(20)은 스페이서 엘리먼트(320)에 의해 지지되고 소스 지지대(310)에 의해 지지되는 소스 재료(10) 위에 배치된다. 소스 재료(10)의 직경은 기판(20)의 직경과 같거나 커야 한다. 예를 들어, 기판(20)의 직경이 150mm라면, 소스 재료(10)는 적어도 150mm이어야 하고, 바람직하게는 직경이 160mm이다. 소스 재료(10)와 가까이 탄소 게터(carbon getter)가 내부 용기(30)의 내부 바닥에 탑재된다. 스페이서 엘리먼트(320), 소스 지지대(310) 및 탄소 게터(300)는 녹는점이 2200℃보다 높으며 탄탈륨, 니오븀, 텅스텐과 같은 소스 재료로부터 증발된 탄소종(carbon species)으로 탄화물층을 형성하는 능력을 갖는 재료로 만들어질 수 있다.
기판 지지대는 바람직하게는 각각 동일한 형상을 갖는 3개의 스페이서 엘리먼트(320)를 포함한다. 그러나, 스페이서 엘리먼트(320)의 다른 형상 또는 개수를 갖는 기판 지지대가 또한 고려된다. 이제 도 5를 참조하면, 본 개시에 따른 스페이서 엘리먼트(320)의 실시예가 도시되어 있다. 스페이서 엘리먼트(320)는 베이스 부분(321)과 베이스 부분(321)으로부터 상향으로 연장되는 상단부(322)를 포함한다. 기판 표면과의 접촉 면적을 최소화하기 위해, 스페이서 엘리먼트(320)의 상단부(322)의 적어도 일부는 팁(tip) 또는 정점(323)을 향해 테이퍼링된다. 바람직하게는, 스페이서 엘리먼트(320)는 베이스부(321)로부터 정점(323)까지 테이퍼링되어 제조 공정을 단순화한다. 스페이서 엘리먼트(320)의 바람직한 형상은 피라미드, 원뿔(도 5에 도시됨), 사면체 또는 프리즘이다. 프리즘의 경우, 정점은 베이스부 반대편에 위치된 가장 높은 에지로서 이해된다. 베이스부(321)의 가로폭 또는 직경(D)은 2.5mm가 바람직하고, 스페이서의 높이(H)는 1mm가 바람직하며, 높이(H)와 가로폭(D)의 비율은 1:2이다. 그러나, H:D 비율은 3:1 내지 1:3 범위일 수 있다.
스페이서 엘리먼트(320)의 정점(323)과 기판(20) 사이의 접촉면을 최소화하기 위해, 스페이서 엘리먼트는 레이저 절단에 의해 제조된다. 이러한 공정을 통해, 정점(323)의 표면적은 약 10μm x 10μm, 즉 약 100μm2이 달성되었다. 바람직하게는, 정점(323)의 표면적과 베이스부(321)의 표면적 사이의 비율은 1:1000과 1:5 사이이다.
도 6은 소스 재료(10)의 상단에 3개의 스페이서 엘리먼트(320)를 배치한 예를 도시한다. 기판(20)을 안정적으로 지지하기 위해, 3개의 스페이서 엘리먼트(320)는 소스 재료(10)와 기판(20)의 둘레를 따라 규칙적으로 분포되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 정삼각형 구성을 형성하는 방식으로 배치된다.
소스 재료(10)는 소스 재료(10)와 내부 용기(30)의 바닥 사이에 갭을 형성하기 위해 소스 지지대(310)에 의해 들어올려진다. 이것은 소스 재료(10)와 내부 용기(30)의 바닥 사이의 불균일한 접촉을 방지함으로써 소스 재료(10)의 온도 균일성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다. 당업자는 소스 지지대(310)가 특별한 형상에 제한되지 않고, 예를 들어 도 5에 도시된 것과 동일할 수 있다는 것을 알아야 한다. 소스 지지대(310)의 요구사항은 소스 재료(10)와의 접촉 면적 크기에 대한 특별한 요구사항 없이 부피가 가능한 한 작아야 한다는 점에 유의해야 한다. 이에 비해, 스페이서 엘리먼트(320)는 바람직하게는 최소 부피뿐만 아니라 기판(20)과의 접촉 면적을 최소화하기 위한 목적으로 정점(323)에서 날카로운 단부도 갖는다.
전술한 바와 같이, 기판(20)은 스페이서 엘리먼트(320) 상의 소스 재료(10) 위에 배치되어야 한다. 이를 달성하기 위해, 소스 재료(10)는 주변 에지를 따라 기판(20)을 지지하기 위해 소스 재료(10) 상에 스페이서 엘리먼트(320)를 배치할 수 있을 만큼 충분히 견고한 고체 모놀리식 플레이트이다. 일 실시예에서, 소스 재료(10)는 SSM을 통해 기판(20) 상에 에피택셜 단결정 SiC층을 생성하기 위한 모놀리식 SiC 플레이트이다. 그러나, 다른 소스 재료는 또한 예를 들어 질화알루미늄(AIN)과 같은, 생성될 원하는 에피택셜층에 따라 본 개시의 시스템(100) 및 방법과 함께 사용될 수 있다.
이제 전술한 시스템 설계를 참조하여 방법이 설명될 것이지만, 당업자는 이러한 설계가 단지 예시일 뿐이며 원하는 성장 조건이 달성되는 한 다른 설계도 사용될 수 있다는 것을 알고 있다. 도 7은 에피택셜 승화 동안 기판에서의 온도 변화를 개략적으로 도시한다. 성장 공정은 예열 단계(401)를 포함하며, 여기서 시스템은 예를 들어 위의 설명에 따라 설정되고, 내부 용기는 기존의 펌핑 수단을 사용하여 비워진다. 일반적으로, 10-4mbar보다 낮은 기본 진공 레벨이 바람직하다. 그 후, 아르곤과 같은 불활성 가스가 반응기 챔버 내로 도입되고 챔버 압력은 약 2mbar로 유지된다. 그 다음, 전체 성장 시스템은 무선 주파수(radiofrequency, RF) 코일 형태의 가열 수단에 의해 성장 온도까지 가열된다.
발명자들은 온도 증가가 바람직하게는 10-50℃/min, 더 바람직하게는 약 20-30℃/min이라는 것을 발견하였다. 이러한 온도 증가는 소스의 우수한 초기 승화 및 핵 생성을 제공한다. 온도는 1900-2000℃ 범위의 원하는 성장 온도(413), 일반적으로 약 1950℃에 도달할 때까지 가열 단계(402) 동안 상승된다. 적절한 성장 온도(413), 즉 원하는 성장 속도를 촉진하는 성장 온도에 도달되는 경우, 온도 증가가 빠르게 감소된다. 당업자는 어느 온도에서 원하는 성장 속도가 획득되는지 알고 있다. 원하는 두께의 에피택셜층이 달성될 때까지 온도가 이러한 레벨(413)로 유지된다. 가열 단계 이후의 기간은 성장 단계(403)로 지칭되며, 이러한 단계 동안 온도는 바람직하게는 실질적으로 일정하게 유지된다.
바람직하게 두꺼운 단결정층이 생성되는 경우(414), 가열이 꺼지고 기판이 냉각되도록 허용되며, 이는 냉각 단계(404)로 지칭된다. 예열 및 냉각 단계는 생성 시간을 감소시키기 위해 최적화될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 성장된 단결정층의 두께는 5μm보다 크고, 더 바람직하게는 100μm보다 두꺼우며, 가장 바람직하게는 500μm보다 두껍다. 성장된 결정의 최대 두께는 소스 재료(10)의 두께에 의해 결정된다.
이제 전술한 시스템 설계를 참조하여 방법이 설명될 것이지만, 당업자는 이러한 설계가 단지 예시일 뿐이며 원하는 성장 조건이 달성되는 한 다른 설계도 사용될 수 있다는 것을 알고 있다.
도 8은 본 방법의 공정 흐름을 도시한다. 제1 단계 S100에서, 소스 재료(10) 및 기판(20)은 내부 용기(30)의 캐비티(5)에 제공된다. 선택적으로, 단계 S102에서, 탄소 게터(300)는 캐비티 내에 배치된다. 이어서, 스페이서 엘리먼트(320)는 소스 재료(10) 및 기판(20) 사이에 배치된다. 성장 공정은 예열 단계 S106를 포함하며 여기서 시스템(100)은 종래의 펌핑 수단을 사용하여 비워진다. 일반적으로 10-4mbar 미만의 베이스 진공 레벨이 바람직하며, 바람직하게는 10-4mbar 내지 10-6mbar이다. 그 후, 불활성 가스, 바람직하게는 아르곤(Ar)이 캐비티(5)에 삽입되어 950mbar 미만, 바람직하게는 600mbar의 압력을 획득한다(S108). 그런 다음, 시스템이 가열된다(SI10). 발명자들은 최적의 온도 증가가 바람직하게는 10-50℃/분 범위이며, 더 바람직하게는 약 20-30℃/분이라는 것을 발견하였다. 이러한 온도 증가는 소스의 우수한 초기 승화 및 핵 생성을 제공한다. 온도는 1900~2000℃ 범위의 원하는 성장 온도, 일반적으로 약 1950℃에 도달할 때까지 상승된다. 적절한 성장 온도, 즉 원하는 성장 속도를 촉진하는 성장 온도에 도달하는 경우, 압력은 성장 압력까지 천천히 감소된다. 당업자는 어느 온도에서 원하는 성장 속도가 획득되는지 알고 있다. 원하는 두께의 에피택셜층이 달성될 때까지 온도는 이러한 성장 온도로 유지된다. 가열 단계 이후의 기간은 성장 단계 S104로 지칭되며, 이러한 단계 동안 온도는 바람직하게는 실질적으로 일정하게 유지된다. 일 실시예에서, 성장 단계 S104에서 획득되는 에피택셜층의 두께는 1500μm이다.
바람직하게, 두꺼운 단결정층이 생성되는 경우, 가열이 꺼지고 기판이 냉각되도록 허용되며, 이는 냉각 단계 S114로 지칭된다. 에열 및 냉각 단계는 생성 시간을 감소시키기 위해 최적화될 수 있다.
도 9는 본 개시에 따른 방법을 사용하여 성장된 SiC 샘플의 외관 이미지를 도시한다. 1.5mm 두께의 4H-SiC 단결정층이 150mm 기판 표면에 성장되었다. 샘플 표면 상에서, 스페이서 엘리먼트(320)와 관련된 3개의 마크(덴트(dent))(350)만이 발견될 수 있다. 크기는 약 3mm로 스페이서의 베이스(D)의 베이스(2.5mm)보다 약간 크다. 마크(350) 주변의 다른 형태학적 결함은 트리거되지 않는다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 방법에 따라 제조된 직경 150mm, 두께 1.5mm의 4H-SiC 단결정 에피택셜층에 대한 라만 분광법과 X선 회절(XRD) 분광법을 사용한 결정 품질 평가를 도시한다. 도 10a는 FTA(Folded Transversal Acoustic), FLA(Folded Longitudinal Acoustic), FTO(Folded Transversal Optical), 및 4H-SiC의 FLO(Folded Longitudinal Optical) 피크에 대응하는 204cm-1, 610cm-1, 776cm-1 및 968cm-1의 파수(wavenumber)를 갖는 라만 피크를 도시한다. 도 10b는 이러한 샘플에 대한 (0008) 평면의 XRD 요동 곡선(rocking curve)을 도시한다. 반치폭(full width at half maximum, FWHM) 값은 약 18 arc초로, 이는 4H-SiC 단결정의 고품질을 지시한다.
본 개시는 논의된 실시예와 관련하여 상세하게 설명되었지만, 본 개시의 발명 사상에서 벗어나지 않고 첨부된 청구범위의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 또한, 본 방법은 당업자에 의해 쉽게 실현되는 바와 같이 동일한 캐비티에서 하나 이상의 층을 생성하는 데 사용될 수 있다.
위에서 설명된 모든 대안적인 실시예 또는 실시예의 일부는 조합이 모순되지 않는 한 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고 자유롭게 조합될 수 있다.
Claims (15)
- 기판(20) 상에 에피택셜 단결정층을 생성하기 위한 시스템(100)으로서,
소스 재료(10) 및 상기 기판(20)을 수용하기 위한 캐비티(cavity)(5)를 한정하는 내부 용기(30);
내부에 상기 내부 용기(30)를 수용하도록 배치된 절연 용기(50);
내부에 상기 절연 용기(50) 및 상기 내부 용기(30)를 수용하도록 배치된 외부 용기(60); 및
상기 외부 용기(60) 외부에 배치되고 상기 캐비티(5)를 가열하도록 구성된 가열 수단(70)
을 포함하며,
상기 내부 용기(30)는 고체 모놀리식(monolithic) 소스 재료(10) 위의 미리 결정된 거리에 상기 기판(20)을 지지하도록 배치된 복수의 스페이서 엘리먼트(320)를 포함하고, 각 스페이서 엘리먼트(320)는 베이스부(321) 및 상단부(322)를 포함하며, 상기 상단부(322)의 적어도 일부는 상기 기판(20)과 접촉하도록 배치된 정점(323)을 향해 테이퍼링(taper)되어 있는,
시스템(100). - 제1항에 있어서,
상기 상단부(322)는 상기 베이스부(321)로부터 상기 정점(323)까지 테이퍼링되어 있는, 시스템(100). - 제2항에 있어서,
상기 스페이서 엘리먼트(320)는 피라미드, 원뿔, 사면체 및 프리즘으로부터 선택된 형상을 갖는, 시스템(100). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
각 스페이서 엘리먼트(320)는 높이(H)를 갖고, 상기 베이스부는 가로 폭(D)을 가지며, 상기 높이(H)와 상기 가로 폭(D) 사이의 비율은 1:3 내지 3:1인, 시스템(100). - 제4항에 있어서,
각 스페이서 엘리먼트(320)의 높이(H)는 약 0.7~1.4mm이고, 상기 가로 폭(D)은 2.5mm보다 작거나 같은, 시스템(100). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정점(323)의 표면적과 상기 베이스부(321)의 표면적 사이의 비율은 1:1000 내지 1:5인, 시스템(100). - 제6항에 있어서,
상기 정점(323)의 표면적은 약 100μm2인, 시스템(100). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스페이서 엘리먼트(320)는 상기 기판(20)의 원주 주위에 규칙적으로 분포되는, 시스템(100). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스페이서 엘리먼트(320)는 탄탈륨, 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 탄화규소, 흑연 및/또는 레늄으로 제조되는, 시스템(100). - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 용기(30)는 100-500mm, 바람직하게는 150-300mm 범위의 내부 직경을 갖는 원통형이고, 상기 기판(20)과 상기 소스 재료(10)는 디스크(disk) 형상인, 시스템(100). - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 용기(30)의 아래에 배치된 고밀도 흑연으로 만들어진 가열체(40)
를 더 포함하는, 시스템(100). - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소스 재료(10)의 표면적은 상기 기판(20)의 표면적보다 크거나 같은, 시스템(100). - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 용기(30) 내에 배치된 탄소 게터(carbon getter)(300)를 더 포함하는, 시스템(100). - 기판(20) 상에 에피택셜 단결정층을 생성하는 방법으로서,
- 소스 재료(10) 및 상기 기판(20)을 수용하기 위한 캐비티(5)를 한정하는 내부 용기(30)를 제공하고(S100);
- 상기 캐비티(5) 내에 고체 모놀리식 소스 재료(10)를 배치하고;
- 복수의 스페이서 엘리먼트(320)를 사용하여 상기 소스 재료(10) 위의 미리 결정된 거리에 상기 기판(20)을 배치하고(S104) ― 각 스페이서 엘리먼트(320)는 베이스부(321) 및 상단부(322)를 포함하고, 상기 상단부(322)의 적어도 일부는 상기 기판(20)과 접촉하도록 배치된 정점(323)을 향해 테이퍼링되어 있음 ―;
- 절연 용기(50) 내에 상기 내부 용기(30)를 배치하고;
- 외부 용기(60) 내에 상기 절연 용기(50) 및 상기 내부 용기(30)를 배치하고;
- 상기 캐비티(50)를 가열하기 위해 상기 외부 용기(60) 외부에 가열 수단(70)을 제공하고;
- 상기 캐비티(5)를 미리 결정된 낮은 압력으로 비우고(S106);
- 상기 캐비티(5) 내로 불활성 가스를 도입하고(S108);
- 상기 가열 수단(70)에 의해 상기 캐비티(5)의 온도를 미리 결정된 성장 온도로 상승시키고(S110);
- 상기 기판(20) 상의 에피택셜 단결정 탄화규소층의 미리 결정된 두께가 달성될 때까지 상기 캐비티(5)에서 상기 미리 결정된 성장 온도를 유지하며(S112); 그리고
- 상기 기판(20)을 냉각시키는 것(S114)
을 포함하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 스페이서 엘리먼트(320)는 상기 기판(20)의 원주 주위에 규칙적으로 분포되는, 방법.
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