WO2021246542A1 - 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳 및 이의 성장 시스템 - Google Patents

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WO2021246542A1
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silicon carbide
crucible
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ingot
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박종휘
최정우
김정규
구갑렬
고상기
장병규
심종민
견명옥
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B35/002—Crucibles or containers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof

Definitions

  • Embodiments disclosed herein relate to a method of manufacturing a silicon carbide ingot, a silicon carbide ingot, a growth system thereof, and the like.
  • Single crystals such as silicon carbide (SiC), silicon (Si), gallium nitride (GaN), sapphire (Al 2 O 3 ), gallium arsenide (GaAs), aluminum nitride (AlN), etc. Due to its unpredictable characteristics, its demand in the industrial field is increasing.
  • Single crystal silicon carbide (SiC) has a large energy band gap, and has superior maximum break field voltage and thermal conductivity than silicon (Si).
  • the carrier mobility of single-crystal silicon carbide is comparable to that of silicon, and the electron saturation drift rate and withstand pressure are also large. Due to these characteristics, single crystal silicon carbide is expected to be applied to semiconductor devices that require high efficiency, high voltage resistance, and high capacity.
  • Silicon carbide is grown by liquid phase epitaxy (LPE), chemical vapor deposition (CVD), physical vapor transport (PVT), or the like.
  • LPE liquid phase epitaxy
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVT physical vapor transport
  • the physical vapor transport method is the most widely used because it has a high growth rate and can produce ingot-type silicon carbide, and is also called a seed-type sublimation method.
  • the temperature of the seed crystal is set to 10 more than the temperature of the raw material powder while being heated by a heater in a vacuum container (heating furnace) to which argon gas can be introduced. It is disclosed to grow a single crystal ingot on a seed crystal by maintaining it at a low temperature of 100°C. In addition, there are attempts to manufacture a large-diameter single-crystal ingot substantially without defects.
  • Korean Patent Publication No. 10-2012-01393908 Korean Patent Publication No. 10-2017-0041223, and the like.
  • An object of the embodiment is to provide a silicon carbide ingot of excellent quality, a manufacturing method thereof, a silicon carbide ingot manufacturing system, and the like.
  • a method for manufacturing a silicon carbide ingot includes a preparation step of preparing a crucible assembly including a crucible body having an inner space and a crucible cover covering the crucible body; a raw material loading step of charging a raw material into the crucible assembly and disposing a silicon carbide seed at a predetermined distance from the raw material; and a growth step of adjusting the inner space of the crucible assembly to a crystal growth atmosphere to provide a silicon carbide ingot in which the raw material is vapor-deposited to the silicon carbide seed and grown from the silicon carbide seed.
  • the crucible assembly has a weight ratio (Rw) that is 1.5 to 2.7 times the weight of the crucible assembly when the weight of the raw material is 1.
  • the length ratio from the lowest surface where the raw material is located to the surface of the silicon carbide seed is greater than 1 time and 2.5 times or less. have.
  • the crucible assembly may have a weight-length coefficient (Cwl) of 0.6 to 2.2 according to Equation 1 below.
  • Equation 1 Cwl is a weight-length coefficient, Rw is a weight ratio, and Rl is a length ratio.
  • the silicon carbide ingot may have a surface pit of 10k/cm 2 or less.
  • the wafer to which the off-angle of the silicon carbide ingot is applied to 0 degrees may include that the locking angle is -1.0 to +1.0 degrees compared to the reference angle.
  • the silicon carbide ingot may be a large-diameter silicon carbide ingot of 4 inches or more.
  • a method of manufacturing a silicon carbide wafer includes a preparation step of preparing a crucible assembly including a crucible body having an inner space and a crucible cover covering the crucible body; a raw material loading step of charging a raw material into the crucible assembly and disposing a silicon carbide seed at a predetermined distance from the raw material; a growth step of adjusting the inner space of the crucible assembly to a crystal growth atmosphere to provide a silicon carbide ingot in which the raw material is vapor transferred to the silicon carbide seed and deposited and grown from the silicon carbide seed; a slicing step of slicing the silicon carbide ingot to prepare a sliced crystal; and a polishing step of polishing the sliced crystal to form a silicon carbide wafer.
  • the crucible assembly has a weight ratio (Rw) that is 1.5 to 2.7 times the weight of the crucible assembly when the weight of the raw material is 1.
  • the slicing step may be a step of preparing the sliced crystal so that the off-angle is any one angle selected from 0 to 15 degrees.
  • the polishing step may be a step of polishing the silicon carbide wafer to a thickness of 300 to 800 um.
  • the silicon carbide wafer has an off-angle applied to any one of 0 degrees to 15 degrees, and the locking angle may be -1.0 to +1.0 degrees compared to the reference angle.
  • a silicon carbide ingot according to another embodiment has a large diameter of 4 inches or more, contains 4H SiC, and a pit of the surface is 10k/cm 2 or less.
  • the wafer to which the off-angle of the silicon carbide ingot is applied to 0 degrees may include that the locking angle is -1.0 to +1.0 degrees compared to the reference angle.
  • a silicon carbide ingot growth system is a system for growing a silicon carbide ingot including a reaction vessel and a heating means, and in the reaction vessel, a crucible body having an internal space and a crucible covering the crucible body
  • a crucible assembly including a cover is disposed, a raw material is charged in the crucible assembly, and a silicon carbide seed is disposed at a predetermined distance from the raw material, and the heating means induces the inner space to become a crystal growth atmosphere,
  • the raw material is vapor transported to the silicon carbide seed and deposited, and a crystal growth atmosphere is created so that a silicon carbide ingot grown from the silicon carbide seed is prepared, and the crucible assembly before heating, when the weight of the raw material is 1
  • the crucible assembly has a weight ratio (Rw) that is 1.5 to 2.7 times the weight of the crucible assembly.
  • the ratio of the length from the lowest surface where the raw material is located to the surface of the silicon carbide seed is greater than 1 time and less than 2.5 times the length ratio (Rl ) can have
  • the crucible assembly may have a weight-length coefficient (Cwl) of 0.6 to 2.2 according to Equation 1 below.
  • Equation 1 Cwl is a weight-length coefficient, Rw is a weight ratio, and Rl is a length ratio.
  • the silicon carbide ingot may be a 4H SiC silicon carbide ingot having a large diameter of 4 inches or more.
  • the wafer to which the off-angle of the silicon carbide ingot is applied to 0 degrees may include a locking angle of -1.0 to +1.0 degrees.
  • the silicon carbide ingot manufacturing method of the embodiment, the silicon carbide ingot, and its growth system provide a silicon carbide ingot growth system, a silicon carbide ingot, a wafer manufactured therefrom, etc. can do.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional view of a reaction chamber according to an embodiment
  • FIGS. 2 and 3 are conceptual views illustrating a cross-sectional view of a crucible assembly according to an embodiment, respectively.
  • B is located on A means that B is located directly abutting on A or B is located on A while another layer is located in between, and B is located in contact with the surface of A It is not construed as being limited to
  • the surface fit measurement of the silicon carbide ingot is at 3 o'clock, 6 o'clock, and 9 o'clock located at one of the central parts excluding the facet on the ingot surface, and about 10 mm from the silicon carbide ingot edge to the central part.
  • a total of 5 places in the 12 o'clock direction were observed with an optical microscope to measure the pit per unit area (1 cm 2 ) at each location, and then evaluated as the average value.
  • the off-angle X degrees means that the off-angle is evaluated as X degrees from the reference plane within the normally allowable error range, illustratively (X - 0.05 degrees) to (X + 0.05 degrees) Including the off-angle of the range.
  • a (0001) plane may be applied as a reference plane.
  • the locking angle "1 to +1 degree” means -1 to +1 degree compared to the reference angle, even if there is no special mention.
  • the locking angle "-1 to +1 degree relative to the reference angle” means that the FWHM value is within the range of the reference angle (peak angle - 1 degree) to (peak angle + 1 degree).
  • the method for manufacturing the silicon carbide ingot 100 includes a preparation step, a raw material charging step and a growth step.
  • the preparing step is a step of preparing the crucible assembly 200 including the crucible body 210 having an inner space and the crucible cover 220 covering the crucible body.
  • the raw material loading step is a step of loading the raw material 300 into the crucible assembly 200 and disposing the silicon carbide seed 110 on the raw material at a predetermined distance from the raw material.
  • the crucible body 210 may be, for example, a cylindrical shape having an opening with an open top, and having a structure capable of loading a silicon carbide raw material therein may be applied.
  • the crucible body 210 may have a density of 1.72 to 1.92 g/cm 3 .
  • the material of the crucible body 210 may include graphite.
  • the crucible cover 220 may have a density of 1.72 to 1.92 g/cm 3 .
  • the material of the crucible cover 220 may include graphite.
  • the crucible cover 220 may be applied to have a shape that covers all of the openings of the crucible body 210 .
  • the crucible cover 220 may cover a portion of the opening of the crucible body 210 or the crucible cover 220 including a through hole (not shown) may be applied. In this case, it is possible to control the speed of vapor transport in the crystal growth atmosphere to be described later.
  • the silicon carbide seed may be disposed on the raw material by a method such as directly adhering to the crucible cover.
  • a separate seed holder 230 is not applied, and the crucible cover 220 may be integrally applied with the seed holder.
  • the seed holder 230 may be applied separately from the crucible cover. Specifically, the seed holder 230 is disposed at a predetermined position with a configuration such as a locking groove between the crucible body and the crucible cover or close to the opening of the crucible body to support the silicon carbide seed 110. .
  • the crucible assembly 200 is assembled in such a way that the crucible body 210 and the crucible cover 220 are combined, and if necessary, the seed holder 230 is placed in the crucible body, the crucible cover, or between them. can be assembled.
  • the raw material 300 includes a carbon source and a silicon source.
  • the raw material 300 may include a carbon-silicon source, or may further include a carbon source and/or a silicon source.
  • a carbon source a high carbon resin (ex: phenolic resin), etc. may be applied, and as the silicon source, silicon particles may be applied, but is not limited thereto, and more specifically, silicon carbide particles may be applied as the raw material. .
  • particles having a particle size of 75 ⁇ m or less may be included in an amount of 15 wt% or less, 10 wt% or less, or 5 wt% or less, based on the total raw material.
  • a silicon carbide ingot that can reduce the occurrence of defects in the ingot, is more advantageous for controlling supersaturation, and can provide a wafer with improved crystal properties can be manufactured.
  • the raw material 300 may be a raw material in the form of particles having a particle diameter (D 50 ) of 130 to 400 um, and the raw material in the form of particles may be necked to each other or not necked.
  • D 50 particle diameter
  • the crucible assembly 200 may have a weight ratio (Rw) of 1.5 to 2.7 (times) of the weight of the crucible assembly when the weight of the raw material 300 is 1.
  • the weight of the crucible assembly means the weight of the crucible assembly excluding the raw material, and specifically, regardless of whether a seed holder is applied to the crucible assembly, the weight of the raw material input from the crucible assembly assembled including silicon carbide seeds is a value excluding
  • the weight ratio is less than 1.5, the degree of supersaturation in the crystal growth atmosphere is excessively increased and the crystal quality of the ingot may be rather deteriorated.
  • the weight ratio may be in the range of 1.6 to 2.6, and may be in the range of 1.7 to 2.4. In the case of having such a weight ratio, an ingot having excellent defect characteristics or crystallinity characteristics can be manufactured.
  • the crucible assembly 200 is the length from the lowest surface where the raw material 300 is located to the surface of the silicon carbide seed 110 when the diameter Tw of the inner space of the crucible body 210 is 1 (
  • the length ratio Rl which is a ratio of Th), may be greater than 1 time and less than or equal to 2.5 times.
  • the length ratio (Rl) may be specifically more than 1.1 times and less than 2 times, 1.2 to 1.8 can be a boat
  • the surface of the silicon carbide seed mentioned in relation to the length ratio (Rl) refers to the surface (growth surface) of the silicon carbide seed that faces the raw material and the crystal grows, and the surface of the silicon carbide seed is the raw material In the case of non-parallel arrangement, it means the average value.
  • the crucible assembly may satisfy a condition in which a weight-length coefficient (Cwl) according to Equation 1 below is 0.6 to 2.2.
  • Equation 1 Cwl is a weight-length coefficient, Rw is a weight ratio, and Rl is a length ratio.
  • the weight-length coefficient (Cwl) may be 0.8 to 2.0. More specifically, the weight-length coefficient (Cwl) may be 0.9 to 1.85, and may be 1.0 to 1.80.
  • the growth step is a step of adjusting the inner space of the crucible body 210 to a crystal growth atmosphere, the raw material is vapor transferred to the silicon carbide seed, deposited, and preparing a silicon carbide ingot grown from the silicon carbide seed.
  • the growth step includes a process of adjusting the inner space of the crucible assembly to a crystal growth atmosphere, and specifically, the crucible assembly 200 is wrapped around the crucible assembly 200 with an insulating material 400, and the crucible assembly and a reaction vessel containing the insulating material surrounding the crucible assembly. (not shown) may be prepared and placed in a reaction chamber such as a quartz tube, and then the crucible may be heated by a heating means.
  • the reaction vessel is positioned in the reaction chamber 420 to induce the inner space of the crucible body 210 to a temperature suitable for the crystal growth atmosphere by the heating means 500 .
  • This temperature is one of the important factors in the crystal growth atmosphere, and a more suitable crystal growth atmosphere is formed by controlling conditions such as pressure and gas movement.
  • a heat insulating material 400 may be positioned between the reaction chamber 420 and the reaction vessel to more easily help form and control a crystal growth atmosphere.
  • the heat insulating material 400 may affect the temperature gradient inside the crucible body or inside the reaction vessel in the growth atmosphere.
  • the insulating material may include a graphite insulating material, more specifically, the insulating material may include a rayon-based graphite felt or a pitch-based graphite felt.
  • the insulator 400 may have a density of 0.14 to 0.28 g/cc.
  • the insulating material 400 may have a porosity of 72 to 90%. When such an insulating material is applied, it is possible to suppress the concave shape or excessively convex growth of the ingot, and it is possible to reduce the polymorphic quality deterioration or the occurrence of cracks in the ingot.
  • the crystal growth atmosphere may be progressed through heating of the heating means 500 outside the reaction chamber 420, and air is removed by reducing the pressure simultaneously or separately with the heating, and a reduced pressure atmosphere and/or an inert atmosphere (eg, Ar atmosphere, N 2 atmosphere, or a mixed atmosphere thereof).
  • a reduced pressure atmosphere and/or an inert atmosphere eg, Ar atmosphere, N 2 atmosphere, or a mixed atmosphere thereof.
  • the crystal growth atmosphere induces the growth of silicon carbide crystals by vapor transporting the raw material to the surface of the silicon carbide seed to grow into the ingot 100 .
  • a growth temperature of 2000 to 2500 °C and a growth pressure of 1 to 200 torr can be applied, and when these temperatures and pressures are applied, a silicon carbide ingot can be manufactured more efficiently.
  • the crystal growth atmosphere is a crucible upper and lower surface temperature of 2100 to 2500 °C growth temperature and 1 to 50 torr growth pressure conditions can be applied, more specifically, the crucible upper and lower surface temperature of 2150 to 2450 °C growth temperature and A growth pressure condition of 1 to 40 torr may be applied.
  • the crucible upper and lower surface temperatures may be applied to a growth temperature of 2150 to 2350 °C and a growth pressure of 1 to 30 torr.
  • the silicon carbide seed 110 may be applied differently depending on the characteristics of the ingot to be grown, for example, 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC, 15R-SiC, etc. may be applied, but is not limited thereto.
  • the silicon carbide seed 110 may be applied differently depending on the size of the ingot to be grown, and the ingot may have a diameter of 4 inches or more, and specifically, the ingot is 4 inches or more, 5 inches or more, and further 6 inches It can have more than one caliber. More specifically, the ingot may have a diameter of 4 to 12 inches, 4 to 10 inches, or 4 to 8 inches.
  • the silicon carbide seed 110 is preferably applicable as long as it can grow single crystal 4H-SiC, and an exemplary 4H-SiC seed having a C-plane (0001) surface on which a silicon carbide ingot is grown may be applied.
  • the raw material 300 is vapor-transferred in a crystal growth atmosphere to move toward a silicon carbide seed, and a silicon carbide ingot is grown on the surface of the silicon carbide seed.
  • the silicon carbide ingot 100 contains 4H SiC and may have a convex or flat surface.
  • the silicon carbide ingot 100 is an excessively convex ingot is determined based on the degree of curvature, and the curvature of the silicon carbide ingot manufactured in the embodiment is 15 mm or less.
  • the curvature is evaluated by placing a sample on which the growth of the silicon carbide ingot is completed on a platen and measuring the height of the center and the edge of the ingot with a height gauge based on the rear surface of the ingot (center height - edge height). .
  • a positive value means convexity
  • a value of 0 means flatness
  • a negative value means concave.
  • the silicon carbide ingot 100 may have a convex or flat surface, and may have a curvature of 0 to 15 mm, 0 to 12 mm, and 0 to 10 mm.
  • a silicon carbide ingot having such a degree of warpage can make wafer processing easier and reduce cracking.
  • the silicon carbide ingot 100 may be a substantially single-crystal 4H SiC ingot with minimal defects or polymorph incorporation.
  • the silicon carbide ingot 100 is substantially made of 4H SiC, and may have a convex or flat surface.
  • the silicon carbide ingot 100 can provide a higher quality silicon carbide wafer by reducing defects that may occur in the silicon carbide ingot.
  • the silicon carbide ingot manufactured by the method of the embodiment reduces pits on its surface, and specifically, in an ingot having a diameter of 4 inches or more, a pit included in the surface is 10 k/cm 2 or less.
  • the surface fit measurement of the silicon carbide ingot is at 3 o'clock, 6 o'clock, 9 o'clock located at one of the central portions excluding the facets on the surface of the ingot, and about 10 mm from the silicon carbide ingot edge in the central direction.
  • a total of 5 places in the 12 o'clock direction were observed with an optical microscope to measure the pit per unit area (1 cm 2 ) at each location, and then evaluated as the average value.
  • the silicon carbide ingot may be processed into a silicon carbide wafer by a conventional method.
  • the silicon carbide ingot is subjected to external grinding equipment to trim the outer edge of the ingot (External Grinding), and after cutting to a certain thickness (Slicing), edge grinding, surface grinding, polishing, etc. may be processed.
  • the silicon carbide ingot, the wafer to which the off angle is applied to 0 degrees with respect to the (0001) plane obtained from the ingot may include that the locking angle is -1.0 to +1.0 degrees compared to the reference angle, compared to the reference angle - It may include that of 0.5 to +0.5 degrees, may include that of -0.1 to +0.1 degrees relative to the reference angle, and may include that of -0.05 to +0.05 degrees of the reference angle.
  • An ingot having these characteristics has excellent crystalline properties.
  • the locking angle applies a high-resolution X-ray diffraction analysis system (HR-XRD system) to align the wafer [11-20] direction to the X-ray path, and sets the X-ray source optic and X-ray detector optic angles to 2 ⁇ (35 to 36 degrees) and then adjusting the omega ( ⁇ , or theta ⁇ , X-ray detector optic) angle according to the off angle of the wafer to measure the rocking curve, the reference angle, the peak angle, and the two
  • the crystallinity is evaluated by setting the difference values of the full width at half maximum (FWHM) values as the locking angles (hereinafter, the same in the locking angles).
  • FWHM full width at half maximum
  • the off-angle is X degrees means that the off-angle is evaluated as X degrees within a normally acceptable error range, and is exemplarily off-angle in the range of (X - 0.05 degrees) to (X + 0.05 degrees) including angles.
  • the locking angle "-1 to +1 degree relative to the reference angle” means that the FWHM value is within the range of the reference angle (peak angle - 1 degree) to (peak angle + 1 degree).
  • the locking angle is treated as the above locking angle by averaging the results of three or more measurements in each part by dividing the surface of the wafer substantially equally except for the central part and the part within 5 mm from the edge to the central direction do.
  • the omega angle is 17.8111 degrees on the basis of 0 degrees off
  • the omega angle is 13.811 degrees on the basis of 4 degrees off
  • the omega angle is 9.8111 degrees on the basis of 8 degrees off
  • the omega angle is in the range of 9.8111 to 17.8111 degrees.
  • the silicon carbide ingot, the wafer to which the off-angle obtained from the ingot is applied to 4 degrees may include that the locking angle is -1.5 to +1.5 degrees compared to the reference angle, and -1.0 to +1.0 degrees compared to the reference angle It may include, and may include a reference angle of -0.5 to +0.5 degrees, may include a reference angle of -0.1 to +0.1 degrees, and may include a reference angle of -0.05 to +0.05 degrees relative to the reference angle.
  • An ingot having these characteristics has excellent crystalline properties.
  • the silicon carbide ingot, the wafer to which the off angle obtained from the ingot is applied to 8 degrees may include that the locking angle is -1.0 to +1.0 degrees compared to the reference angle, and -0.5 to +0.5 degrees compared to the reference angle may be included, and may include those that are -0.1 to +0.1 degrees relative to the reference angle, and may include those that are -0.05 to +0.05 degrees compared to the reference angle.
  • An ingot having these characteristics has excellent crystalline properties.
  • the silicon carbide ingot may be a large-diameter silicon carbide ingot of 4 inches or more.
  • the ingot may have a diameter of 4 inches or more, 5 inches or more, and further 6 inches or more. More specifically, the ingot may have a diameter of 4 to 12 inches, 4 to 10 inches, or 4 to 8 inches. According to the embodiment disclosed in the present specification, it is possible to manufacture a hydrocarbon ingot having such a relatively large diameter and having excellent crystal quality and low defect characteristics as described above.
  • a method of manufacturing a silicon carbide wafer includes a preparation step; raw material loading step; A silicon carbide ingot prepared including a growth step is manufactured into a silicon carbide wafer through a slicing step; and a polishing step.
  • the slicing step is a step to prepare a sliced crystal by slicing the silicon carbide ingot to have a certain off-angle.
  • the off-angle is based on the (0001) plane in 4H SiC. Specifically, the off-angle may be an angle selected from 0 to 15 degrees, may be an angle selected from 0 to 12 degrees, and may be an angle selected from 0 to 8 degrees.
  • the slicing can be applied as long as it is a slicing method that is usually applied to wafer manufacturing, and for example, cutting using a diamond wire or a wire to which a diamond slurry is applied, cutting using a blade or wheel to which diamond is partially applied, etc. may be applied, but limited to this it is not going to be
  • the thickness of the sliced crystal may be adjusted in consideration of the thickness of the wafer to be manufactured, and may be sliced to an appropriate thickness in consideration of the thickness after being polished in a polishing step to be described later.
  • the polishing step is a step of forming a silicon carbide wafer by polishing the sliced crystal to a thickness of 300 to 800 um.
  • a polishing method generally applied to wafer manufacturing may be applied, for example, after a process such as lapping and/or grinding is performed, a method in which polishing is performed may be applied. have.
  • the silicon carbide wafer manufactured in this way has a large diameter of 4 inches or more, contains 4H SiC, and an off angle of 0 degrees is applied based on the (0001) plane of 4H SiC, and the locking angle is -1.0 to +1.0 compared to the reference angle. may be a thief
  • the silicon carbide wafer is advantageous in that it has a large diameter, substantially single crystal properties, few defects, and excellent crystal properties.
  • a silicon carbide ingot according to another embodiment has a large diameter of 4 inches or more, contains 4H SiC, and a pit on its surface is 10k/cm 2 or less.
  • the wafer to which the off-angle of the silicon carbide ingot is applied to 0 degrees may include that the locking angle is -1.0 to +1.0 degrees compared to the reference angle.
  • the off-angle is based on the (0001) plane of 4H SiC.
  • the silicon carbide ingot having these characteristics has a large area and excellent crystal quality.
  • a system for manufacturing a silicon carbide ingot according to another embodiment is a system for growing a silicon carbide ingot, including a reaction vessel and a reaction chamber 420 .
  • a crucible assembly 200 including a crucible body 210 having an inner space and a crucible cover 220 covering the crucible body is disposed in the reaction vessel, and a raw material is charged in the crucible assembly and a silicon carbide seed is disposed in the crucible assembly. It is arranged to be spaced apart from the raw material.
  • the crucible assembly may be positioned by wrapping it with an insulating material.
  • the reaction vessel In the reaction chamber 420, the reaction vessel is located therein, and the crucible body or its inner space is induced to a temperature suitable for a crystal growth atmosphere by a heating means. In addition to such temperature control, a more suitable crystal growth atmosphere is formed by controlling conditions such as pressure of the internal space and movement of gas.
  • the raw material 300 is vapor transferred and deposited, and a crystal growth atmosphere is created so that the silicon carbide crystals grow on the growth surface of the silicon carbide seed 110 .
  • the weight of the crucible assembly has a weight ratio of 1.5 to 2.7 times the weight of the raw material as 1. A detailed description of such a weight ratio overlaps with the above description, and thus description thereof will be omitted.
  • the crucible body 210, the crucible cover 220, the crucible assembly 200, the silicon carbide seed 110, the seed holder 230, the silicon carbide ingot 100, weight ratio, length ratio, weight- Specific description of the length coefficient, the structure and characteristics of the silicon carbide ingot, silicon carbide wafer, etc. grown here overlaps with the description above, and thus description thereof will be omitted.
  • a silicon carbide ingot was manufactured by applying the crucible assembly of the structure shown in FIG. 2 . Specifically, silicon carbide particles, which are raw materials, were charged into the inner space of the crucible body, and a silicon carbide seed was disposed on the upper part. At this time, the C side (0001) side of the silicon carbide seed (4H SiC single crystal, 6 inches) was fixed in a conventional way to face the lower part of the crucible, and the same was applied to the Examples and Comparative Examples below.
  • the length ratio of the applied crucible assembly and the weight % of the raw material with a diameter of less than 75 um in the silicon carbide particles applied to the crucible are as shown in Table 1 below.
  • the crucible assembly was placed in a reaction chamber equipped with the same insulating material and a heating coil as a heating means.
  • argon gas was slowly injected so that the inner space of the crucible assembly reached atmospheric pressure, and the inside of the crucible assembly was gradually decompressed again.
  • the temperature in the crucible assembly was gradually increased to 2300°C.
  • a SiC single crystal ingot was grown for 100 hours at a temperature of 2300° C. and a pressure of 20 torr (see FIG. 4).
  • the results of the locking angle below are shown by averaging the results of measuring at least three times at each part by dividing the surface into 3 equal parts except for the part within 5 mm from the center and the edge of the wafer.
  • one of the central parts and one of the central parts of the ingot edge are located within 10 mm of the central part.
  • the average value after the fit measurement is presented as the fit value in the table below.
  • Example 1 1.7 1.3 1.01 15 17.811° ⁇ 0.09° 8.5
  • Example 2 2 1.2 1.39 13 17.811° ⁇ 0.09° 9.2
  • Example 3 2.1 1.1 1.74 10 17.811° ⁇ 0.07° 9.3
  • Example 4 2.2 1.1 1.82 5 17.811° ⁇ 0.10° 8.9
  • Example 5 2.3 1.1 1.90 6 17.811° ⁇ 0.08° 9.9
  • Example 6 2.5 1.9 0.69 10 17.811° ⁇ 0.10 9.4 Comparative Example 1 3 One 3.00 30 17.811° ⁇ 1.7° 12.3 Comparative Example 2 One 3 0.11 35 17.811° ⁇ 1.7° 11.6 Comparative Example 3 1.1 3.1 0.11 13 17.811° ⁇ 1.8° 13.1
  • the weight ratio refers to the weight ratio of the crucible assembly excluding the raw material when the weight of the raw material is 1.
  • the length ratio means the ratio of the length (Th) from the lowest surface where the raw material is located to the surface of the silicon carbide seed when the inner space diameter (Tw) of the crucible body is 1.
  • the weight-length coefficient is the value obtained by dividing the weight ratio by the square of the length ratio.
  • the locking angle value is significantly smaller than the results outside the range such as 1 or 3, indicating that the crystal properties of the manufactured ingot are excellent.
  • the results were excellent when applied at a ratio of more than 1 and not more than 2.5.
  • the locking angle and the fit value were excellent overall.
  • weight% of the raw material with a diameter of less than 75um also affects the crystal quality somewhat, because it can affect the degree of supersaturation in the crystal growth atmosphere along with the weight ratio and length ratio.
  • silicon carbide ingot 110 silicon carbide seed, seed
  • raw material 400 insulation material

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Abstract

본 발명의 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳, 탄화규소 잉곳 제조 시스템 등은, 내부공간을 갖는 도가니 본체 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개를 포함하는 도가니 조립체를 준비하고, 원료와 탄화규소 시드를 배치한 후, 탄화규소 잉곳을 성장시키되, 상기 원료의 무게 1을 기준으로 상기 도가니 조립체의 무게가 1.5 내지 2.7인 중량비율이 되도록 적용하는 등의 방법으로 탄화규소 잉곳을 마련하여, 대면적이면서도 결함이 적은 탄화규소 잉곳을 제공한다.

Description

탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳 및 이의 성장 시스템
본 명세서에서 개시하는 실시예는 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳, 이의 성장 시스템 등에 관한 것이다.
탄화규소(SiC), 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN), 사파이어(Al 2O 3), 갈륨비소(GaAs), 질화알루미늄(AlN) 등의 단결정(single crystal)은 이의 다결정(polycrystal)으로부터 기대할 수 없는 특성을 가져 산업분야에서의 그 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), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport, PVT) 등으로 성장된다. 그 중에서 물리적 기상 수송법은 높은 성장률을 가짐으로써 잉곳 형태의 탄화규소를 제작할 수 있어 가장 널리 이용되고 있으며, 시드형 승화법이라고도 불린다.
이러한 탄화규소의 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.
선행기술로, 국내공개특허 제10-2012-0139398호, 국내공개특허 제10-2017-0041223호 등이 있다.
실시예의 목적은 우수한 품질의 탄화규소 잉곳, 이의 제조방법, 탄화규소 잉곳 제조 시스템 등을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳의 제조방법은, 내부공간을 갖는 도가니 본체 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개를 포함하는 도가니 조립체를 준비하는 준비단계; 상기 도가니 조립체 내에 원료를 장입하고 탄화규소 시드를 상기 원료와 일정한 간격을 두고 배치되도록 하는 원료장입단계; 그리고 상기 도가니 조립체의 내부공간을 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기 이송되어 증착되고 상기 탄화규소 시드로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계;를 포함한다.
상기 도가니 조립체는, 상기 원료의 중량을 1로 보았을 때, 상기 도가니 조립체의 중량이 이의 1.5 내지 2.7 배인 중량비율(Rw)을 갖는다.
상기 도가니 조립체는 상기 내부공간의 지름을 1로 보았을 때, 상기 원료가 위치하는 가장 아래 면에서부터 상기 탄화규소 시드의 표면까지의 길이 비율이 이의 1 배 초과 2.5배 이하인 길이비율(Rl)을 가질 수 있다.
상기 도가니 조립체는 아래 식 1에 따른 중량-길이 계수(Cwl)가 0.6 내지 2.2일 수 있다.
[식 1]
Figure PCTKR2020007157-appb-img-000001
식 1에서, 상기 Cwl은 중량-길이 계수이고, 상기 Rw는 중량비율이며, 상기 Rl은 길이비율이다.
상기 탄화규소 잉곳은 그 표면의 핏(pit)이 10k/cm 2 이하일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳의 오프 앵글을 0도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳은 4인치 이상의 대구경 탄화규소 잉곳일 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은, 내부공간을 갖는 도가니 본체 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개를 포함하는 도가니 조립체를 준비하는 준비단계; 상기 도가니 조립체 내에 원료를 장입하고 탄화규소 시드를 상기 원료와 일정한 간격을 두고 배치되도록 하는 원료장입단계; 상기 도가니 조립체의 내부공간을 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기 이송되어 증착되고 상기 탄화규소 시드로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계; 상기 탄화규소 잉곳을 슬라이싱하여 슬라이싱된 결정을 마련하는 슬라이싱단계; 그리고 상기 슬라이싱된 결정을 연마하여 탄화규소 웨이퍼를 형성하는 연마단계;를 포함한다. 상기 도가니 조립체는, 상기 원료의 중량을 1로 보았을 때 상기 도가니 조립체의 중량이 이의 1.5 내지 2.7 배인 중량비율(Rw)을 갖는다.
상기 슬라이싱단계는 오프 앵글이 0 내지 15 도에서 선택된 어느 한 각도가 되도록 상기 슬라이싱된 결정을 마련하는 단계일 수 있다.
상기 연마단계는 상기 탄화규소 웨이퍼의 두께가 300 내지 800 um가 되도록 연마하는 단계일 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼는 오프 앵글을 0도 내지 15도 중 어느 한 각도로 적용한 것으로, 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도일 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳은 4인치 이상의 대구경을 갖는 것으로, 4H SiC를 함유하고, 그 표면의 핏(pit)이 10k/cm 2 이하이다.
상기 탄화규소 잉곳의 오프 앵글을 0도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준 각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳은 성장 시스템은 반응용기 및 가열수단을 포함하여 탄화규소 잉곳을 성장시키는 시스템으로, 상기 반응용기 내에는, 내부공간을 갖는 도가니 본체 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개를 포함하는 도가니 조립체가 배치되되, 상기 도가니 조립체 내에는 원료가 장입되고 탄화규소 시드를 상기 원료와 일정한 간격을 두고 배치되도록 하며, 상기 가열수단은 상기 내부공간을 결정성장분위기가 되도록 유도하여, 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기 이송되어 증착되고 상기 탄화규소 시드로부터 성장된 탄화규소 잉곳이 마련되도록 결정성장분위기를 조성하는 것이며, 상기 가열 전의 도가니 조립체는, 상기 원료의 중량을 1로 보았을 때 상기 도가니 조립체 중량이 이의 1.5 내지 2.7 배인 중량비율(Rw)을 갖는 것이다.
상기 도가니 조립체는 상기 도가니 본체의 내부공간의 지름을 1로 보았을 때 상기 원료가 위치하는 가장 아래 면에서부터 상기 탄화규소 시드의 표면까지의 길이의 비율이 이의 1 배 초과 2.5배 이하의 길이비율(Rl)을 가질 수 있다.
상기 도가니 조립체는 아래 식 1에 따른 중량-길이 계수(Cwl)가 0.6 내지 2.2일 수 있다.
[식 1]
Figure PCTKR2020007157-appb-img-000002
식 1에서, 상기 Cwl은 중량-길이 계수이고, 상기 Rw는 중량비율이며, 상기 Rl은 길이비율이다.
상기 탄화규소 잉곳은 4인치 이상의 대구경인 4H SiC 탄화규소 잉곳일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳의 오프 앵글을 0도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있다.
실시예의 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳, 이의 성장 시스템 등은 증기 이송되는 가스의 과포화도를 제어하는 등으로 우수한 특성의 탄화규소 잉곳 성장 시스템, 탄화규소 잉곳, 이로부터 제조되는 웨이퍼 등을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반응챔버 등의 모습을 단면으로 설명하는 개념도.
도 2와 도 3은 각각 실시예에 따른 도가니 조립체의 모습을 단면으로 설명하는 개념도.
도 4는 실시예에서 적용한 온도-압력 그래프.
이하, 본 명세서는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 실시예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우만이 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 직접 맞닿게 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B"를 의미한다.
본 명세서에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 특별한 설명이 없는 한 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
본 명세서에서, 도면의 길이 각도 등은 과장되어 표현될 수 있고, 특별한 사정이 없으면 도면의 형태에 따라 실시예가 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 상기 탄화규소 잉곳의 표면 핏 측정은, 잉곳 표면에서 패싯을 제외한 중앙부분의 한 곳, 그리고 탄화규소 잉곳 엣지에서 중앙부 방향으로 약 10 mm 안쪽에 위치하는 3시, 6시, 9시, 그리고 12시 방향의 네 곳, 총 5곳을 광학현미경으로 관찰하여 각 위치에서 단위면적(1 cm 2)당 핏(pit)을 측정한 후 그 평균값으로 평가한다.
본 명세서에서, 오프 앵글이 X 도라 함은 통상 허용하는 오차범위 내에서 기준 면으로부터 X도로 평가되는 오프 앵글을 갖는다는 것을 의미하며, 예시적으로 (X - 0.05 도) 내지 (X + 0.05 도) 범위의 오프 앵글을 포함한다. 4H SiC의 경우 기준 면으로 (0001)면이 적용될 수 있다.
본 명세서에서, 로킹각도가 "1 내지 +1 도”라 함은, 특별한 언급이 없어도 기준각도 대비 -1 내지 +1 도를 의미한다.
본 명세서에서, 로킹 각도가 “기준각도 대비 -1 내지 +1 도”라 함은 FWHM 값이 기준각도인 (피크각도 - 1 도) 내지 (피크각도 + 1 도)의 범위 내에 있다는 것을 의미한다.
이하, 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
발명자들은 보다 대면적이면서 결함이 적은 탄화규소 잉곳을 효율적으로 제조하는 방법을 연구하던 중, 물리적 기상 수송법(PVT)을 적용하여 탄화규소를 성장시킬 때 온도의 제어와 함께 도가니와 원료의 비율, 도가니의 내부 가로 세로의 길이 비율 등을 조절하여 성장분위기에서 과포화도를 조절하는 방법으로 보다 대면적이면서도 결함이 적은 탄화수소 잉곳을 제조할 수 있음을 확인하고 실시예를 완성했다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳(100)의 제조방법은, 준비단계, 원료장입단계 및 성장단계를 포함한다.
상기 준비단계는 내부공간을 갖는 도가니 본체(210) 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개(220)를 포함하는 도가니 조립체(200)를 준비하는 단계이다.
상기 원료장입단계는 상기 도가니 조립체(200) 내에 원료(300)를 장입하고 상기 원료 상에는 탄화규소 시드(110)를 상기 원료와 일정한 간격을 두고 배치되도록 하는 단계이다.
상기 도가니 본체(210)는 예를 들어 윗면이 개방된 개구부를 갖는 원통형으로, 그 내부에 탄화규소 원료를 장입할 수 있는 구조를 갖는 것이 적용될 수 있다.
상기 도가니 본체(210)는 그 밀도가 1.72 내지 1.92 g/cm 3인 것이 적용될 수 있다. 상기 도가니 본체(210)의 재료에는 그라파이트가 포함될 수 있다.
상기 도가니 덮개(220)는 그 밀도가 1.72 내지 1.92 g/cm 3인 것이 적용될 수 있다. 상기 도가니 덮개(220)의 재료에는 그라파이트가 포함될 수 있다.
상기 도가니 덮개(220)는 상기 도가니 본체(210)의 개구부의 전부를 덮는 형태를 갖는 것이 적용될 수 있다. 상기 도가니 덮개(220)는 상기 도가니 본체(210) 개구부의 일부를 덮거나 관통홀(미도시)을 포함하는 상기 도가니 덮개(220)가 적용될 수 있다. 이러한 경우, 이후 설명하는 결정성장분위기에서 증기 이송의 속도를 조절할 수 있다.
상기 탄화규소 시드는, 상기 도가니 덮개에 직접 접착하는 등의 방법으로 상기 원료 상에 배치될 수 있다. 이 경우 별도의 시드홀더(230)가 적용되지 않고, 도가니 덮개(220)가 시드홀더와 일체형으로 적용될 수 있다.
상기 시드홀더(230)는 상기 도가니 덮개와 별도로도 적용될 수 있다. 구체적으로 상기 시드홀더(230)는 상기 도가니 본체와 상기 도가니 덮개 사이에 또는 도가니 본체의 개구부에 가까운 위치에 걸림홈과 같은 구성으로 미리 정해진 위치에 배치되어 탄화규소 시드(110)를 지지할 수 있다.
상기 도가니 조립체(200)는 상기 도가니 본체(210)와 상기 도가니 덮개(220)를 결합하는 방식으로 조립되며, 필요에 따라 시드홀더(230)를 도가니 본체, 도가니 덮개, 또는 그 사이에 위치시킨 후에 조립될 수 있다.
상기 원료(300)는 탄소원과 규소원을 포함한다. 구체적으로 상기 원료(300)는 탄소-규소원을 포함하거나, 여기에 탄소원 및/또는 규소원 더 포함할 수 있다. 상기 탄소원으로는 고탄소 수지(ex: 페놀수지) 등이 적용될 수 있고, 상기 규소원으로는 규소 입자가 적용될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 더 구체적으로, 상기 원료로는 탄화규소 입자가 적용될 수 있다.
상기 원료(300)는 입자의 크기가 75 um이 이하인 것이 전체 원료를 기준으로 15 중량% 이하로 포함될 수 있고, 10 중량% 이하로 포함될 수 있으며, 5 중량% 이하로 포함될 수 있다. 이렇게, 입자 크기가 작은 것의 함량이 비교적 소량인 원료를 적용하는 경우, 잉곳의 결함 발생을 줄이고 과포화도 제어에 보다 유리하며, 보다 결정 특성이 향상된 웨이퍼를 제공할 수 있는 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 원료(300)는 입경(D 50)이 130 내지 400 um인 입자 형태의 원료가 적용될 수 있고, 상기 입자 형태의 원료는 서로 네킹되거나 네킹되지 않은 것일 수 있다. 이러한 입경을 갖는 원료를 적용하는 경우, 보다 우수한 결정 특성을 갖는 웨이퍼를 제공하는 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 원료장입단계에서 상기 도가니 조립체(200)는, 상기 원료(300)의 중량을 1로 보았을 때, 상기 도가니 조립체의 중량이 1.5 내지 2.7 (배)인 중량비율(Rw)을 가질 수 있다. 여기서, 도가니 조립체의 중량은 원료를 제외한 도가니 조립체의 중량을 의미하며, 구체적으로 상기 도가니 조립체에 시드홀더가 적용되는지 여부와 무관하게, 탄화규소 시드까지 포함되어 조립된 도가니 조립체에서 투입한 원료의 무게를 제외한 값이다.
상기 중량비율이 1.5 미만인 경우에는 결정성장분위기에서 과포화도가 지나치게 증가하여 잉곳의 결정 품질이 오히려 떨어질 수 있고, 상기 중량비율이 2.7 초과인 경우에는 과포화도가 낮아져서 잉곳의 결정 품질이 떨어질 수 있다.
상기 중량비율은 1. 6 내지 2.6일 수 있고, 1.7 내지 2.4일 수 있다. 이러한 중량비율을 갖는 경우 결함 특성이나 결정성 특성이 우수한 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 도가니 조립체(200)는 상기 도가니 본체(210)의 내부공간의 지름(Tw)을 1로 보았을 때 상기 원료(300)가 위치하는 가장 아래 면에서부터 탄화규소 시드(110)의 표면까지의 길이(Th)의 비율인 길이비율(Rl)이 1 배 초과 2.5 배 이하일 수 있다. 상기 길이비율(Rl)은 구체적으로 1.1 배 초과 2 배 미만 일 수 있으며, 1.2 내지 1.8 배일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 도가니 조립체를 본 명세서의 탄화규소 잉곳 성장에 적용하는 경우, 결정성장분위기에서 과포화도에 의한 다형 발생 가능성을 현저히 낮추고 보다 우수한 품질의 잉곳을 얻을 수 있다.
상기 길이비율(Rl)과 관련되어 언급되는 탄화규소 시드의 표면은 상기 원료와 마주보며 결정이 성장하는 면인 탄화규소 시드의 표면(성장면)을 의미하며, 상기 탄화규소 시드의 표면이 상기 원료와 평행하지 않게 배치되는 경우에는 그 평균값을 의미한다.
상기 도가니 조립체는 아래 식 1에 따른 중량-길이 계수(Cwl)가 0.6 내지 2.2인 조건을 만족할 수 있다.
[식 1]
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식 1에서, 상기 Cwl은 중량-길이 계수이고, 상기 Rw는 중량비율이며, 상기 Rl은 길이비율이다.
구체적으로, 상기 중량-길이 계수(Cwl)는 0.8 내지 2.0일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 중량-길이 계수(Cwl)는 0.9 내지 1.85일 수 있고, 1.0 내지 1.80일 수 있다.
이러한 중량-길이 계수 값을 갖는 도가니 조립체 또는 이를 적용한 제조방법을 적용하는 경우 로킹각도로 평가되는 결정성과 잉곳 표면의 핏 값이 모두 우수한 탄화규소 잉곳 등을 성장시킬 수 있다.
상기 성장단계는 상기 도가니 본체(210)의 내부공간을 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기 이송되어 증착되고 상기 탄화규소 시드로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 단계이다.
상기 성장단계는 상기 도가니조립체의 내부공간을 결정성장분위기로 조절하는 과정이 포함되며, 구체적으로 단열재(400)로 상기 도가니 조립체(200)를 감싸서 상기 도가니 조립체와 이를 감싸는 상기 단열재를 포함하는 반응용기(미도시)를 마련하고, 이를 석영관 등의 반응챔버에 위치시킨 후 가열수단에 의하여 상기 도가니 등을 가열하는 방식으로 진행될 수 있다.
상기 반응챔버(420) 내에는 상기 반응용기가 위치하여 가열수단(500)에 의해 상기 도가니 본체(210)의 내부공간을 결정성장분위기에 적합한 온도로 유도한다. 이러한 온도는 상기 결정성장분위기에 중요한 요소 중 하나이며, 압력과 가스의 이동 등의 조건을 조절하여 보다 적합한 결정성장분위기를 형성한다. 상기 반응챔버(420)와 상기 반응용기 사이에는 단열재(400)가 위치하여 결정성장분위기의 형성과 제어를 보다 용이하게 도울 수 있다.
상기 단열재(400)는 성장분위기에서 상기 도가니 본체 내부 또는 상기 반응용기 내부의 온도 구배에 영향을 미칠 수 있다. 구체적으로 상기 단열제는 그라파이트 단열재를 포함할 수 있고, 더 구체적으로 상기 단열재는 레이온계 그라파이트 펠트 또는 피치계 그라파이트 펠트를 포함할 수 있다.
상기 단열재(400)는 밀도가 0.14 내지 0.28 g/cc인 것일 수 있다. 상기 단열재(400)는 기공도가 72 내지 90 %인 것일 수 있다. 이러한 단열재를 적용하는 경우 잉곳의 형상이 오목하거나 과도하게 볼록하게 성장하는 것을 억제할 수 있으며, 다형 품질이 떨어지거나 잉곳에 크랙이 발생하는 현상을 감소시킬 수 있다.
상기 결정성장분위기는 상기 반응챔버(420) 외부의 가열수단(500)의 가열을 통해 진행될 수 있으며, 상기 가열과 동시에 또는 별도로 감압하여 공기를 제거하고, 감압분위기 및/또는 불활성 분위기(예시, Ar 분위기, N 2 분위기 또는 이의 혼합 분위기)에서 진행될 수 있다.
상기 결정성장분위기는 원료를 탄화규소 시드의 표면에 증기 이송되도록 하여 탄화규소 결정의 성장을 유도하여 잉곳(100)으로 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 적용하면, 보다 고품질의 탄화규소 잉곳을 제조하는데 보다 유리하다.
상기 탄화규소 시드(110)는 성장시키려는 잉곳의 특성에 따라 달리 적용될 수 있는데, 예시적으로 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC, 15R-SiC 등이 적용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상기 탄화규소 시드(110)는 성장시키려는 잉곳의 크기에 따라 달리 적용될 수 있는데, 상기 잉곳은 4 인치 이상의 직경을 가진 것일 수 있고, 구체적으로, 상기 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 4 내지 8 인치의 직경을 가질 수 있다.
상기 탄화규소 시드(110)는 바람직하게 단결정 4H-SiC를 성장시킬 수 있는 것이라면 적용 가능하고, 예시적으로 탄화규소 잉곳이 성장하는 전면이 C면(0001)인 4H-SiC 시드가 적용될 수 있다.
상기 원료(300)는 결정성장분위기에서 증기 이송되어 탄화규소 시드로 방향으로 이동하며, 상기 탄화규소 시드의 표면에서 탄화규소 잉곳을 성장시킨다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 4H SiC을 함유하는 것으로, 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)의 표면이 오목한 형태로 형성되는 경우 의도하는 4H-SiC 결정 외에 6H-SiC와 같은 다른 다형이 혼입된 것일 수 있고, 이는 탄화규소 잉곳의 품질을 떨어드릴 수 있다. 또한, 상기 탄화규소 잉곳의 표면이 과도하게 볼록한 형태로 형성되는 경우에는 잉곳 자체에 크랙이 발생하거나, 웨이퍼로 가공할 때 결정이 깨질 수 있다.
이때, 상기 탄화규소 잉곳(100)이 과도하게 볼록한 형태의 잉곳인지 여부는 휘어짐 정도를 기준으로 판단하며, 실시예에서 제조되는 탄화규소 잉곳은 휘어짐이 15 mm 이하이다.
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 음의 값은 오목함을 의미한다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳(100)은 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 잉곳(100)은 결함이나 다형 혼입이 최소화된 실질적으로 단결정인 4H SiC 잉곳일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 실질적으로 4H SiC로 이루어진 것으로, 그 표면이 볼록한 형태 또는 평평한 형태의 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 탄화규소 잉곳에서 발생할 수 있는 결함을 줄인 것으로 보다 고품질의 탄화규소 웨이퍼를 제공할 수 있다.
실시예의 방법으로 제조된 상기 탄화규소 잉곳은 그 표면의 핏(pit)을 감소시키며, 구체적으로 4 인치 이상의 직경을 갖는 잉곳에서 그 표면에 포함되는 핏(pit)이 10k/cm 2 이하이다.
실시예에서, 상기 탄화규소 잉곳의 표면 핏 측정은, 잉곳 표면에서 패싯을 제외한 중앙부분의 한 곳, 그리고 탄화규소 잉곳 엣지에서 중앙부 방향으로 약 10 mm 안쪽에 위치하는 3시, 6시, 9시, 그리고 12시 방향의 네 곳, 총 5곳을 광학현미경으로 관찰하여 각 위치에서 단위면적(1 cm 2)당 핏(pit)을 측정한 후 그 평균값으로 평가한다.
상기 탄화규소 잉곳은 통상의 방법으로 탄화규소 웨이퍼로 가공될 수 있다.
예시적으로, 상기 탄화규소 잉곳을 외경 연삭 장비를 적용하여 잉곳의 외곽 테두리 부분을 다듬고(External Grinding), 일정한 두께로 절삭(Slicing)한 후 가장자리 연삭과 표면 연마, 폴리싱 등의 가공이 진행될 있다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은, 상기 잉곳으로부터 얻어지는 (0001)면에대해 오프 앵글을 0도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 내지 + 1.0 도인 것을 포함할 수 있고, 기준각도 대비 -0.5 내지 +0.5 도인 것을 포함할 수 있고, 기준각도 대비 -0.1 내지 +0.1 도인 것을 포함할 수 있으며, 기준각도 대비 -0.05 내지 +0.05 도인 것을 포함할 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
상기 로킹 각도는 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 로킹 각도로 설정하여 결정성을 평가한다(이하, 로킹 각도에서 동일함).
실시예에서, 오프 앵글이 X 도라 함은 통상 허용하는 오차범위 내에서 X도로 평가되는 오프 앵글을 갖는다는 것을 의미하며, 예시적으로 (X - 0.05 도) 내지 (X + 0.05 도) 범위의 오프 앵글을 포함한다.
실시예에서, 로킹 각도가 "기준각도 대비 -1 내지 +1 도"라 함은 FWHM 값이 기준각도인 (피크각도 - 1 도) 내지 (피크각도 + 1 도)의 범위 내에 있다는 것을 의미한다.
또한, 상기 로킹 각도는 웨이퍼의 중앙 부분과 가장자리에서 중앙 방향으로 5mm 이내의 부분을 제외한 표면을 실질적으로 균등하게 3등분하여, 각 부분에서 3번 이상 측정한 결과를 평균하여 위의 로킹 각도로 취급한다.
구체적으로, 0도 오프 기준으로 오메가 각도는 17.8111도이고, 4도 오프 기준으로 오메가 각도는 13.811도, 그리고 8도 오프 기준으로 오메가 각도는 9.8111도로, 상기 오메가 각도는 9.8111 내지 17.8111도 범위이다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은, 상기 잉곳으로부터 얻어지는 오프 앵글을 4 도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준 각도 대비 -1.5 내지 + 1.5 도인 것을 포함할 수 있고, 기준 각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있으며, 기준 각도 대비 -0.5 내지 +0.5 도인 것을 포함할 수 있고, 기준 각도 대비 -0.1 내지 +0.1 도인 것을 포함할 수 있으며, 기준 각도 대비 -0.05 내지 +0.05 도인 것을 포함할 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은, 상기 잉곳으로부터 얻어지는 오프 앵글을 8도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준 각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있고, 기준 각도 대비 -0.5 내지 +0.5 도인 것을 포함할 수 있으며, 기준 각도 대비 -0.1 내지 +0.1 도인 것을 포함할 수 있고, 기준 각도 대비 -0.05 내지 +0.05 도인 것을 포함할 수 있다. 이러한 특징을 갖는 잉곳은 우수한 결정질 특성을 갖는다.
상기 탄화규소 잉곳은 4인치 이상의 대구경 탄화규소 잉곳일 수 있다. 구체적으로 상기 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 4 내지 8 인치의 직경을 가질 수 있다. 본 명세서에서 개시하는 실시예에 의하면 이렇게 비교적 큰 직경을 가지면서 위에서 설명한 것과 같이 우수한 결정품질과 저결함 특징을 갖는 탄화수소 잉곳을 제조할 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 탄화규소 웨이퍼의 제조방법은 준비단계; 원료장입단계; 성장단계를 포함하여 마련된 탄화규소 잉곳을 슬라이싱단계;와 연마단계;를 거쳐 탄화규소 웨이퍼로 제조한다. 상기 준비단계, 상기 원료장입단계, 상기 성장단계, 원료, 도가니 본체, 도가니 덮개, 도가니 조립체, 탄화규소 시드 등 각각의 구성과 각 단계에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 상세한 기재를 생략한다.
상기 슬라이싱단계는 탄화규소 잉곳을 일정한 오프 앵글을 갖도록 슬라이싱하여 슬라이싱된 결정을 마련하는 단계이다. 상기 오프 앵글은 4H SiC에서 (0001)면을 기준으로 한다. 상기 오프 앵글은 구체적으로 0 내지 15 도에서 선택된 각도일 수 있고, 0 내지 12 도에서 선택된 각도일 수 있으며, 0 내지 8도에서 선택된 각도일 수 있다.
상기 슬라이싱은 통상 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 웨이퍼의 두께를 고려하여 조절될 수 있고, 이후 설명하는 연마단계에서 연마된 후의 두께를 고려하여 적절한 두께로 슬라이싱될 수 있다.
상기 연마단계는 상기 슬라이싱된 결정을 그 두께가 300 내지 800 um가 되도록 연마하여 탄화규소 웨이퍼를 형성하는 단계이다.
상기 연마단계는 통상 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.
이렇게 제조되는 탄화규소 웨이퍼는 4인치 이상의 대구경을 갖는 것으로, 4H SiC를 함유하고, 4H SiC의 (0001)면을 기준으로 오프 앵글을 0도로 적용한 것으로 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것일 수 있다. 상기 탄화규소 웨이퍼는 대구경이면서 실질적으로 단결정 특성을 갖고 결함이 적으며 우수한 결정 특성을 갖는다는 장점이 있다.
또 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳은 4인치 이상의 대구경을 갖는 것으로, 4H SiC를 함유하고, 그 표면의 핏(pit)이 10k/cm 2 이하인 것이다.
상기 탄화규소 잉곳의 오프 앵글을 0도로 적용한 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준 각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인 것을 포함할 수 있다. 상기 오프 앵글은 4H SiC의 (0001)면을 기준으로 한다. 이러한 특징을 갖는 탄화규소 잉곳은 대면적이면서도 그 결정 품질이 우수하다.
또 다른 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조 시스템은, 반응용기 및 반응챔버(420)를 포함하여 탄화규소 잉곳을 성장시키는 시스템이다.
상기 반응용기에는, 내부공간을 갖는 도가니 본체(210) 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개(220)가 포함되는 도가니 조립체(200)가 배치되며, 상기 도가니 조립체 내에는 원료가 장입되고 탄화규소 시드를 상기 원료와 일정한 간격을 두고 배치되도록 한다.
상기 반응용기에는, 위에서 설명한 바와 같이. 상기 도가니 조립체를 단열재로 감싸서 위치시킬 수 있다.
상기 반응챔버(420)는 그 내부에 상기 반응용기가 위치하는 것으로, 가열수단에 의하여 상기 도가니 본체 또는 그 내부공간을 결정성장분위기에 적합한 온도로 유도한다. 이러한 온도 조절과 함께 상기 내부공간의 압력, 가스의 이동 등의 조건을 조절하여 보다 적합한 결정성장분위기를 형성한다.
상기 도가니 본체(210)의 내부공간에서 상기 원료(300)가 증기 이송되어 증착되고, 상기 탄화규소 시드(110)의 성장면에서 탄화규소 결정이 성장하도록 결정성장분위기를 조성하는 것이다.
상기 시스템에서, 상기 도가니 조립체의 무게는 상기 원료의 무게를 1로 보았을 때 1.5 내지 2.7배의 중량비율을 갖는다. 이러한 중량비율에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다. 또한, 상기 도가니 본체(210)와 상기 도가니 덮개(220), 도가니 조립체(200), 탄화규소 시드(110), 시드홀더(230), 탄화규소 잉곳(100), 중량비율, 길이비율, 중량-길이 계수, 여기서 성장되는 탄화규소 잉곳, 탄화규서 웨이퍼 등에 대한 구조와 특징 따위의 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로, 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 명세서가 개시하는 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
탄화규소 잉곳의 성장
도 2에 제시한 구조의 도가니 조립체를 적용하여 탄화규소 잉곳을 제조하였다. 구체적으로, 도가니 본체 내부공간에 원료인 탄화규소 입자를 장입하고, 그 상부에 탄화규소 시드를 배치하였다. 이 때, 탄화규소 시드(4H SiC 단결정, 6인치)의 C면(0001) 면이 도가니 하부를 향하도록 통상의 방법으로 고정하였으며, 아래 실시예 및 비교예에 동일하게 적용하였다. 적용한 도가니 조립체의 길이비율과 도가니에 대해 원료를 적용하는 탄화규소 입자에서 직경이 75 um 미만인 원료의 중량%(탄화규소 입자 전체를 100%로 함)는 아래 표 1에 제시된 것과 같다.
상기 도가니 조립체는 동일한 단열재를 장착하고 가열수단인 가열코일이 구비된 반응챔버 내에 위치시켰다.
도가니 조립체 내부공간을 진공 상태로 만든 뒤, 아르곤 가스를 서서히 주입하여 상기 도가니 조립체 내부공간이 대기압에 도달하도록 하고, 다시 상기 도가니 조립체 내부를 서서히 감압시켰다. 이와 함께, 도가니 조립체 내의 온도를 2300℃까지 서서히 승온시켰다. 2300℃의 온도와 20 torr의 압력 조건 하에서 100시간 동안 SiC 단결정 잉곳을 성장시켰다(도 4 참고).
탄화규소 잉곳의 물성 평가
(1) 로킹 각도 평가:
고분해능 엑스선 회절 분석 시스템(HR-XRD system, Rigaku社 SmartLab High Resolution X-ray Diffraction System)을 적용하여 상기 잉곳으로부터 4H SiC (0001)면을 기준으로 오프 앵글 0도가 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 오프 각도에 맞추어 오메가(ω, 또는 쎄타 θ, X-ray detector optic) 각도를 조절하여 측정하였다. 구체적으로, 0도 오프 기준으로 오메가 각도는 17.8111도이었다. X-ray power는 9kW로, 그리고 X-ray target은 Cu를 적용했으며, Goniometer resolution는 0.0001 도인 것이 적용되었다. Max Intensity에서의 각도를 기준으로 FWHM을 측정하여 각각 로킹 각도(Rocking angle)로 평가했고, 그 결과를 표 1에 나타냈다.
아래 로킹 각도 결과는 웨이퍼의 중앙부와 가장자리에서 5 mm 이내 부분을 제외한 표면을 3등분하여, 각 부분에서 최소한 3번 이상을 측정한 결과를 평균하여 나타냈다.
(2) Pit 값 평가:
잉곳 표면에서 패싯을 제외한 중앙부 중 정중앙인 한곳과, 잉곳 엣지에서 중앙부로 10mm 안쪽에 위치하되, 각각 3 시, 6 시, 9 시, 그리고 12 시 방향의 네 곳으로, 총 5곳을 광학현미경으로 핏 측정 후 평균 값을 아래 표의 핏 값으로 제시했다.
중량비율* 길이비율* 중량-길이 계수* 직경이 75um 미만인 원료의 wt% 로킹 각도* Pit 값(k/㎠)
실시예 1 1.7 1.3 1.01 15 17.811° ±0.09° 8.5
실시예 2 2 1.2 1.39 13 17.811° ±0.09° 9.2
실시예 3 2.1 1.1 1.74 10 17.811° ±0.07° 9.3
실시예 4 2.2 1.1 1.82 5 17.811° ±0.10° 8.9
실시예 5 2.3 1.1 1.90 6 17.811° ±0.08° 9.9
실시예 6 2.5 1.9 0.69 10 17.811° ±0.10 9.4
비교예 1 3 1 3.00 30 17.811° ± 1.7° 12.3
비교예 2 1 3 0.11 35 17.811° ± 1.7° 11.6
비교예 3 1.1 3.1 0.11 13 17.811° ± 1.8 ° 13.1
* 중량비율은 원료의 중량을 1로 보았을 때, 상기 원료를 제외한 도가니 조립체의 중량 비율을 의미한다.
* 길이비율은 도가니 본체의 내부공간 지름(Tw)을 1로 보았을 때 원료가 위치하는 가장 아래 면에서부터 탄화규소 시드의 표면까지의 길이(Th)의 비율을 의미한다.
* 중량-길이 계수는 중량비율을 길이비율의 제곱으로 나눈 값이다.
* Wafer Off angle을 0도로 적용한 샘플에서 측정한 결과이다.
상기 표 1을 참조하면, 상기 중량비율이 1.5 내지 2.7인 경우가 1이나 3과 같이 상기 범위를 벗어난 결과들과 비교하여 로킹 각도 값이 현저하게 작게 나타나 제조된 잉곳 등의 결정특성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 길이비율의 경우도 1 초과 2.5 이하의 비율로 적용된 것이 그 결과가 우수하게 나타났다.
상기 중량-길이 계수 값이 0.6 내지 2.2인 실시예들에서 전체적으로 로킹각도와 핏 값이 우수하게 나타났다.
직경이 75um 미만인 원료의 중량%도 다소 결정 품질에 영향을 미치는 것으로 보이는데, 이는 중량비율, 길이비율과 함께 결정성장분위기에서 과포화도에 영향을 미칠 수 있기 때문이라 생각된다.
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.
[부호의 설명]
100: 탄화규소 잉곳 110: 탄화규소 시드, 시드
200: 도가니 조립체 210: 도가니 본체
220: 도가니 덮개 230: 시드홀더
300: 원료, 원료물질 400: 단열재
420: 반응챔버, 석영관 500: 가열수단

Claims (10)

  1. 내부공간을 갖는 도가니 본체 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개를 포함하는 도가니 조립체를 준비하는 준비단계;
    상기 도가니 조립체 내에 원료를 장입하고 탄화규소 시드를 상기 원료와 일정한 간격을 두고 배치되도록 하는 원료장입단계; 그리고
    상기 도가니 조립체의 내부공간을 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기 이송되어 증착되고 상기 탄화규소 시드로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계;를 포함하고,
    상기 도가니 조립체는, 상기 원료의 중량을 1로 보았을 때, 상기 도가니 조립체의 중량이 1.5 내지 2.7 배인 중량비율(Rw)을 갖는, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도가니 조립체는
    상기 내부공간의 지름을 1로 보았을 때, 상기 원료가 위치하는 가장 아래 면에서부터 상기 탄화규소 시드의 표면까지의 길이 비율이 1 배 초과 2.5배 이하인 길이비율(Rl)을 갖는 것인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도가니 조립체는
    아래 식 1에 따른 중량-길이 계수(Cwl)가 0.6 내지 2.2인, 탄화규소 잉곳의 제조방법:
    [식 1]
    Figure PCTKR2020007157-appb-img-000004
    식 1에서, 상기 Cwl은 중량-길이 계수이고, 상기 Rw는 중량비율이며, 상기 Rl은 길이비율이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳은 그 표면의 핏(pit)이 10k/cm 2 이하인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소 잉곳은 4인치 이상의 대구경 탄화규소 잉곳인, 탄화규소 잉곳의 제조방법.
  6. 내부공간을 갖는 도가니 본체 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개를 포함하는 도가니 조립체를 준비하는 준비단계;
    상기 도가니 조립체 내에 원료를 장입하고 탄화규소 시드를 상기 원료와 일정한 간격을 두고 배치되도록 하는 원료장입단계;
    상기 도가니 조립체의 내부공간을 결정성장분위기로 조절하여 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기 이송되어 증착되고 상기 탄화규소 시드로부터 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계;
    상기 탄화규소 잉곳을 슬라이싱하여 슬라이싱된 결정을 마련하는 슬라이싱단계; 그리고
    상기 슬라이싱된 결정을 연마하여 탄화규소 웨이퍼를 형성하는 연마단계;를 포함하고,
    상기 도가니 조립체는, 상기 원료의 중량을 1로 보았을 때 상기 도가니 조립체의 중량이 1.5 내지 2.7 배인 중량비율(Rw)을 갖는 것인, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬라이싱단계는 오프 앵글이 0 내지 15 도에서 선택된 어느 한 각도가 되도록 상기 슬라이싱된 결정을 마련하는 단계이고,
    상기 탄화규소 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.0 내지 +1.0 도인, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연마단계는 상기 탄화규소 웨이퍼의 두께가 300 내지 800 um가 되도록 연마하는 단계인, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법.
  9. 반응용기 및 가열수단을 포함하여 탄화규소 잉곳을 성장시키는 시스템으로,
    상기 반응용기 내에는, 내부공간을 갖는 도가니 본체 및 상기 도가니 본체를 덮는 도가니 덮개를 포함하는 도가니 조립체가 배치되되, 상기 도가니 조립체 내에는 원료가 장입되고 탄화규소 시드를 상기 원료와 일정한 간격을 두고 배치되도록 하며,
    상기 가열수단은 상기 내부공간을 결정성장분위기가 되도록 유도하여, 상기 원료가 상기 탄화규소 시드에 증기 이송되어 증착되고 상기 탄화규소 시드로부터 성장된 탄화규소 잉곳이 마련되도록 결정성장분위기를 조성하는 것이며,
    상기 가열 전의 도가니 조립체는, 상기 원료의 중량을 1로 보았을 때 상기 도가니 조립체 중량이 1.5 내지 2.7 배인 중량비율(Rw)을 갖는 것인, 탄화규소 잉곳 성장 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 도가니 조립체는
    상기 도가니 본체의 내부공간의 지름을 1로 보았을 때 상기 원료가 위치하는 가장 아래 면에서부터 상기 탄화규소 시드의 표면까지의 길이의 비율이 1 배 초과 2.5배 이하의 길이비율(Rl)을 갖고,
    아래 식 1에 따른 중량-길이 계수(Cwl)가 0.6 내지 2.2인, 탄화규소 잉곳 성장 시스템:
    [식 1]
    Figure PCTKR2020007157-appb-img-000005
    식 1에서, 상기 Cwl은 중량-길이 계수이고, 상기 Rw는 중량비율이며, 상기 Rl은 길이비율이다.
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JP2022574341A JP2023529341A (ja) 2020-06-02 2020-06-02 炭化珪素インゴットの製造方法、炭化珪素インゴット及びその成長システム
US17/928,391 US20230203708A1 (en) 2020-06-02 2020-06-02 Silicon carbide ingot manufacturing method, silicon carbide ingots, and growth system therefor

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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001114599A (ja) 1999-10-15 2001-04-24 Denso Corp 単結晶製造方法及び単結晶製造装置
JP4178989B2 (ja) * 2003-02-18 2008-11-12 住友金属鉱山株式会社 Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体ウェーハの製造方法
KR20120024767A (ko) * 2009-09-24 2012-03-14 스미토모덴키고교가부시키가이샤 탄화규소 잉곳, 탄화규소 기판, 이들의 제조 방법, 도가니, 및 반도체 기판
KR20120139398A (ko) 2011-06-17 2012-12-27 동의대학교 산학협력단 4Ｈ-ＳｉＣ단결정 성장방법 및 성장장치
JP2013082629A (ja) * 2010-06-07 2013-05-09 Sicrystal Ag ファセットのないＳｉＣバルク単結晶の製造方法、ＳｉＣバルク単結晶及び単結晶ＳｉＣ基板
JP5650869B1 (ja) * 2013-03-21 2015-01-07 株式会社アライドマテリアル サファイア単結晶育成用坩堝およびサファイア単結晶育成方法
KR20170041223A (ko) 2014-07-29 2017-04-14 다우 코닝 코포레이션 승화에 의한 대직경 탄화규소 결정을 제조하는 방법 및 관련 반도체 sic 웨이퍼
KR102187449B1 (ko) * 2019-05-28 2020-12-11 에스케이씨 주식회사 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳 및 이의 성장 시스템

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6514338B2 (en) * 1999-12-27 2003-02-04 Showa Denko Kabushiki Kaisha Method and apparatus for producing silicon carbide single crystal
JP5931825B2 (ja) * 2013-09-20 2016-06-08 新日鉄住金マテリアルズ株式会社 炭化珪素単結晶インゴットの製造方法
KR102104751B1 (ko) * 2019-06-17 2020-04-24 에스케이씨 주식회사 탄화규소 잉곳 및 이의 제조방법

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001114599A (ja) 1999-10-15 2001-04-24 Denso Corp 単結晶製造方法及び単結晶製造装置
JP4178989B2 (ja) * 2003-02-18 2008-11-12 住友金属鉱山株式会社 Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体ウェーハの製造方法
KR20120024767A (ko) * 2009-09-24 2012-03-14 스미토모덴키고교가부시키가이샤 탄화규소 잉곳, 탄화규소 기판, 이들의 제조 방법, 도가니, 및 반도체 기판
JP2013082629A (ja) * 2010-06-07 2013-05-09 Sicrystal Ag ファセットのないＳｉＣバルク単結晶の製造方法、ＳｉＣバルク単結晶及び単結晶ＳｉＣ基板
KR20120139398A (ko) 2011-06-17 2012-12-27 동의대학교 산학협력단 4Ｈ-ＳｉＣ단결정 성장방법 및 성장장치
JP5650869B1 (ja) * 2013-03-21 2015-01-07 株式会社アライドマテリアル サファイア単結晶育成用坩堝およびサファイア単結晶育成方法
KR20170041223A (ko) 2014-07-29 2017-04-14 다우 코닝 코포레이션 승화에 의한 대직경 탄화규소 결정을 제조하는 방법 및 관련 반도체 sic 웨이퍼
KR102187449B1 (ko) * 2019-05-28 2020-12-11 에스케이씨 주식회사 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 잉곳 및 이의 성장 시스템

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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