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KR102195325B1 - 탄화규소 잉곳, 웨이퍼 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄화규소 잉곳, 웨이퍼 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR102195325B1
KR102195325B1 KR1020200072846A KR20200072846A KR102195325B1 KR 102195325 B1 KR102195325 B1 KR 102195325B1 KR 1020200072846 A KR1020200072846 A KR 1020200072846A KR 20200072846 A KR20200072846 A KR 20200072846A KR 102195325 B1 KR102195325 B1 KR 102195325B1
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wafer
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silicon carbide
gpa
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박종휘
심종민
구갑렬
김정규
최정우
이연식
고상기
장병규
양은수
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에스케이씨 주식회사
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Abstract

구현예는 탄화규소 잉곳, 웨이퍼 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N에서 각각 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 450 GPa 이하일 수 있다.

Description

탄화규소 잉곳, 웨이퍼 및 이의 제조방법{SILICON CARBIDE INGOT, WAFER AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
구현예는 우수한 물성을 갖는 탄화규소 잉곳, 웨이퍼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는 2.2 eV 내지 3.3 eV의 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체이며, 그 우수한 물리적 화학적 특성으로 반도체 재료로서 연구 개발이 진행되고 있다.
탄화규소 단결정을 제조하는 방법으로, 액상 증착법(Liquid Phase Epitaxy; LPE), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport, PVT) 등이 있다. 그 중 물리적 기상 수송법은 도가니 내에 탄화규소 원료를 장입하고, 도가니 상단에는 탄화규소 단결정으로 이루어진 종자정을 배치한 다음 도가니를 유도가열 방식으로 가열하여 원료를 승화시켜, 종자정 상에 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법이다.
물리적 기상 수송법은 높은 성장률을 가짐으로써 잉곳 형태의 탄화규소를 제작할 수 있어 가장 널리 이용되고 있다. 다만, 도가니 특성, 공정 조건 등에 따라 전류밀도가 변화하고, 도가니 내부 온도 분포 또한 변화하여 탄화규소 잉곳의 일정한 물성 확보에 어려움이 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 구현예의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
관련 선행문헌으로, 한국 공개특허공보 제10-2017-0076763호에 개시된 "탄화규소 단결정의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 기판", 한국 공개특허공보 제10-2010-0089103호에 개시된 "탄화규소 단결정 잉곳, 이것으로부터 얻어지는 기판 및 에피택셜 웨이퍼"이 있다.
구현예의 목적은 여러 가지 스트레스에 의한 변형 및 파손 가능성을 감소시키고, 탄성 및 크리프 특성이 확보된 탄화규소 잉곳, 웨이퍼 등을 제공하는 데 있다.
구현예의 또 다른 목적은 전위밀도 등의 결함 수치가 저하되고 양호한 품질의 탄화규소 잉곳, 웨이퍼 등을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 웨이퍼는,
25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N에서 각각 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 450 GPa 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 상기 완화탄성률은 1510 GPa 내지 1800 GPa일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 상기 완화탄성률은 1800 GPa 내지 1960 GPa일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중에서 측정한 상기 완화탄성률은 1510 GPa 내지 1960 GPa일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 51.3 kN/m 내지 70.0 kN/m일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.624 μm2/N 내지 0.627 μm2/N일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼는 직경이 4 인치 이상이고, 4H 탄화규소로 이루어질 수 있다.
삭제
상기의 목적을 달성하기 위하여, 다른 일 실시예에 따른 웨이퍼는,
25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.508 μm2/N 내지 0.643 μm2/N일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 웨이퍼 제조방법은,
내부공간을 갖는 반응용기에 원료물질과 탄화규소 종자정을 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
상기 내부공간의 온도, 압력 및 분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화시키고 상기 종자정 상에 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계; 및
상기 반응용기를 냉각시켜 상기 탄화규소 잉곳을 회수하는 냉각단계;를 포함하여 탄화규소 잉곳을 제조하고,
상기 탄화규소 잉곳으로부터 웨이퍼를 제조하고,
상기 탄화규소 잉곳은,
서로 마주보는 일면과 타면을 포함하고,
상부로 정의되는 상기 일면은 평탄면 또는 볼록면이고,
웨이퍼는 상기 일면 이하의 부분에서 마련되고,
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도, 1 N과 18 N의 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 450 GPa 이하일 수 있고,
상기 반응용기는 단열재에 의해 둘러싸여 고정되고,
상기 단열재의 기공도는 72 내지 95%이고,
상기 단열재의 압축강도는 0.2 내지 3 Mpa일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응용기의 열전도도는 120 W/mK 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각단계에서 흐름은 상기 원료물질에서 상기 탄화규소 종자정의 방향으로의 흐름을 갖고,
상기 성장단계는 330 sccm 이하의 유량으로 불활성기체를 상기 반응용기의 외부에 가하고,
상기 냉각단계는 300 sccm 이하의 유량으로 불활성기체를 상기 반응용기의 외부에 가할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각단계 이후에,
삭제
상기 탄화규소 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
상기 연삭된 탄화규소 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 웨이퍼는 외부의 물리적인 요인에 의해 과도한 변형이나 파손이 이루어지는 것을 최소화할 수 있고, 우수한 물성의 웨이퍼를 제공할 수 있다. 또한, 웨이퍼 내에 잔류하는 응력이 보다 감소된 웨이퍼를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조방법은 공정 조건을 제어하는 등의 방법으로, 탄성 및 크리프 특성이 확보되고 결함밀도 수치가 저하된 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조장치의 일례를 나타낸 개념도.
도 2는 일 실시예에 따라 제조된 잉곳의 형상을 단면으로 나타낸 개념도.
도 3은 실시예 1에서 0.1 N/min의 하중속도에 따른 하중 1 N 내지 18 N(가로축)에서 완화 탄성률(Mpa, 세로축)의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 실시예 1에서 0.1 N/min의 하중속도에 따른 하중 1 N 내지 18 N(가로축)의 크리프 컴플라이언스(um2/N, 세로축)의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1에서 0.1 N/min의 하중속도에 따른 하중 1 N 내지 18 N(가로축)에서 강성(N/m, 세로축)의 변화를 나타낸 그래프.
이하, 구현예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예는 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 "차이"는 큰 값에서 작은 값을 뺀 것을 의미하며, 양수로 표시한다.
이하, 구현예를 보다 상세하게 설명한다.
잉곳과 이로부터 제조되는 웨이퍼는 이송, 가공 및 처리 등의 과정에서, 변형, 불량, 파손 등이 발생하기도 한다. 또한, 후속 소자 제조 공정에서 에피택셜 층의 품질이 저하될 수 있다.
발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 탄성 특성 및 크리프 특성에 주목했다. 보다 탄성 및 크리프 특성이 향상된 탄화규소 잉곳과 웨이퍼를 제조하면, 외부 응력 등에 의해 발생하는 것으로 판단되는 기술한 변형, 불량, 파손 등의 발생을 감소시킬 수 있다는 점을 확인하여 구현예를 제시한다.
또한, 발명자들은 물리적 기상 수송법을 적용하여 탄화규소를 성장시키는 것은 다양한 요인들 중 불활성 기체의 유량 제어, 도가니의 온도구배 등이 중요하고, 이러한 조건의 제어를 통해 목적으로 하는 구현예의 특성을 갖는 우수한 품질의 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있는 점을 확인하여 구현예를 제시한다.
탄화규소 잉곳(100)
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳(100)은,
서로 마주보는 일면(110)과 타면(120)을 포함하고,
상부로 정의되는 상기 일면은 평탄면 또는 볼록면이고,
웨이퍼는 상기 일면 이하의 부분에서 마련되고,
상기 웨이퍼는, 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N 각각에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 450 GPa 이하일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 반응용기 내부의 원료가 승화되어 탄화규소 종자정 상에 재결정되며 성장된 것이다.
도 2를 참조하면, 성장종결 후 상기 탄화규소 잉곳 표면 중 상기 원료를 향하는 면이 일면(110)일 수 있고, 상기 일면은 만곡된 볼록면 또는 평탄면을 가질 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 본체부(121)와 상기 본체부로부터 연장되어 볼록면(110)을 갖는 볼록부(111)를 포함할 수 있다. 상기 탄화규소 잉곳의 볼록면을 상부로 볼 때, 볼록면 이하의 부분은 상기 본체부에 해당할 수 있다.
즉, 상기 탄화규소 잉곳의 일면(110)을 상부로 볼 때, 탄화규소 잉곳의 성장이 시작된 면인 저면을 타면(120)으로 볼 수 있고, 상기 타면을 하부로 볼 수 있으며, 상기 일면 이하의 부분을 소정 두께로 절단하여 웨이퍼를 마련할 수 있다. 이때, 상기 절단 시 상기 타면 또는 상기 탄화규소 잉곳의 (0001) 면과 소정 오프 각을 이루도록 할 수 있다.
또한, 상기 웨이퍼를 마련하는 과정은, 상기 탄화규소 잉곳(100)의 외경을 연삭 장비를 이용하여 외경으로부터 내부로 향하는 방향을 다듬고, 상기 탄화규소 잉곳의 타면(120) 또는 (0001)면에 대한 소정 오프 각과 일정한 두께로 절단한 후, 가장자리 연삭과 표면 연마, 폴리싱 등의 가공이 진행될 수 있다.
상기 웨이퍼 마련 시 타면(120) 또는 (0001)면에 대한 오프 각은 0 °내지 10 °일 수 있다. 상기 오프 각이 적용된 웨이퍼는 그 로킹 각도가 기준각도 대비 -1.5 °내지 1.5 °일 수 있고, -1.0 °내지 1.0 °일 수 있으며, -0.5 °내지 0.5 °일 수 있고, -0.3 ° 내지 0.3 °일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 웨이퍼는 우수한 결정질 특성을 가질 수 있다. 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 36 °)로 설정한 후 웨이퍼의 오프 각에 맞추어 오메가(ω, 또는 쎄타 θ, X-ray detector optic) 각도를 조절하여 로킹 커브(Rocking curve)를 측정하고, 기준각도인 피크각도와 두 개의 반치전폭(FWHM; full width at half maximum) 값의 차이 값을 각각 로킹 각도로 설정하여 결정성을 평가한다.
본 명세서에서, 오프 각이 X °라 함은 통상 허용하는 오차범위 내에서 X °로 평가되는 오프 각을 갖는다는 것을 의미하며, 예시적으로 (X ° - 0.05 °) 내지 (X ° + 0.05 °) 범위의 오프각을 포함한다. 또한, 로킹 각도가 “기준각도 대비 -1 ° 내지 1 °”라 함은 반치전폭 값이 기준각도인 피크각도를 기준으로 (피크각도 - 1 °) 내지 (피크각도 + 1 °)의 범위 내에 있다는 것을 의미한다. 더욱이, 상기 로킹 각도는 웨이퍼의 중앙 부분과 가장자리에서 중앙 방향으로 5 mm 이내의 부분을 제외한 표면을 실질적으로 균등하게 3등분하여, 각 부분에서 3 번 이상 측정한 결과를 평균하여 위의 로킹 각도로 취급한다. 구체적으로, 탄화규소 잉곳(100)의 타면(120)인 저면에 대해 0 ° 내지 10 °의 범위에서 선택된 각도인 오프각을 적용한 웨이퍼들 중, 오프각이 0 ° 일 경우, 오메가 각도는 17.8111 °이고, 오프각이 4 ° 일 경우, 오메가 각도는 13.811 °, 그리고 오프각이 8 °일 경우, 오메가 각도는 9.8111 ° 이다.
상기 탄화규소 잉곳(100)으로부터 절단하여 마련된 웨이퍼는, 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N 각각에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 450 GPa 이하일 수 있고, 400 GPa 이하일 수 있으며, 350 GPa 이하일 수 있다. 상기 웨이퍼는 상기 완화 탄성률의 차이를 가짐으로, 시간에 따라 부가되는 하중 조건에서 변형 및 뒤틀림 발생을 최소화할 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 상기 완화탄성률이 1510 GPa 내지 1800 GPa일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 상기 완화탄성률이 1800 GPa 내지 1960 GPa일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N의 범위에서 선택된 어느 하나의 하중에서 측정한 상기 완화탄성률이 1510 GPa 내지 1960 GPa일 수 있고, 1540 GPa 내지 1930 GPa일 수 있다. 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N의 범위에서 선택된 어느 하나의 하중에서 측정한 상기 완화탄성률이 1570 GPa 내지 1920 GPa일 수 있다.
상기 완화 탄성률은 탄성률의 정의를 확장한 것으로서, 시간변화에 따르는 탄성률로 해석될 수 있고, 지수함수의 합(G(t))으로 다음과 같이 표시될 수 있다.
[식 1]
Figure 112020061673885-pat00001
상기 식 1에서, Gi는 완화강도, τi는 완화시간, t는 시간이다.
상기 웨이퍼는 상기 완화 탄성률에 대한 특성을 가짐으로, 시간에 따라 부가되는 하중 조건에서 변형 및 뒤틀림 발생을 최소화할 수 있고, 결함 형성이 보다 감소시킬 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해지는 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.508 μm2/N 내지 0.643 μm2/N일 수 있고, 0.522 μm2/N 내지 0.627 μm2/N일 수 있다. 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해지는 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.52 μm2/N 내지 0.63 μm2/N일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 상기 크리프 컴플라이언스가 0.60 μm2/N 내지 0.62 μm2/N일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 상기 크리프 컴플라이언스가 0.52 μm2/N 내지 0.55μm2/N일 수 있다.
상기 크리프 컴플라이언스는 단위응력에 의해 시간변화에 따른 변형의 크기를 나타낸다.
상기 웨이퍼는 상기 크리프 컴플라이언스에 대한 특성을 가짐으로, 응력에 의해 발생할 수 있는 변형을 적절한 수준으로 제어해 외력에 의한 웨이퍼의 손상 발생 가능성을 최소화할 수 있고, 결함 형성이 보다 감소시킬 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N 각각에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성의 차이가 12 kN/m 이하일 수 있고, 11 kN/m 이하일 수 있다. 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N 각각에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성의 차이가 10.5 kN/m 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 51.3 kN/m 내지 57.5 kN/m일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 62 kN/m 내지 68 kN/m일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중, 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 51.3 kN/m 내지 70.0 kN/m일 수 있고, 54 kN/m 내지 67 kN/m일 수 있다.
상기 웨이퍼는 상기 강성에 대한 특성을 가짐으로, 외력에 의해 발생 가능한 변형의 정도를 적절히 조절해, 내구성과 가공성을 조화시킨 웨이퍼를 제공할 수 있다.
상기 웨이퍼는 상기 범위의 완화 탄성률, 크리프 컴플라이언스 및 강성을 가짐으로, 웨이퍼의 이송, 가공, 처리과정 등에서 변형, 불량 발생을 최소화할 수 있고, 소자 제조를 위한 후속 공정인 탄화규소 에피택셜 층 형성 과정에서 보다 우수한 품질을 나타내도록 할 수 있다.
상기 웨이퍼는 마이크로파이프 (MP, Micropipe) 밀도가 1.5 /cm2 이하일 수 있고, 1 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼는 관통 칼날전위 (TED, Threading Edge Dislocation) 밀도가 10,000 /cm2 이하일 수 있고, 8,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼는 기저면 전위(BPD, Basal Plane Dislocation) 밀도가 5,000 /cm2 이하일 수 있고, 3,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼가 상기 결함밀도 범위를 만족함으로써, 결함이 적은 양질의 웨이퍼를 제공하도록 하고, 이를 소자에 적용할 시 전기적 특성 또는 광학적 특성이 우수한 소자를 제조할 수 있다.
상기 웨이퍼의 결함밀도는 에칭 용액을 가하고 그 표면을 촬영하여 측정할 수 있고, 구체적인 사항은 하기 실험예에 기술하였다.
상기 웨이퍼의 두께는 300 μm 내지 600 μm 일 수 있고, 반도체 소자에 적용될 수 있는 적절한 두께라면 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 결함이나 다형 혼입이 최소화된 실질적으로 단결정인 4H-SiC 구조일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 4 인치 이상, 5 인치 이상, 나아가 6 인치 이상의 직경을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화규소 잉곳은 4 인치 내지 12 인치, 4 인치 내지 10 인치, 4 인치 내지 8 인치의 직경을 가질 수 있다. 상기 탄화규소 잉곳의 제조 시 탄화규소 종자정은 이러한 특성에 따라 적절한 것이 적용될 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 탄화규소 종자정의 C면((000-1)면)에서 성장된 것일 수 있다.
상기 탄화규소 잉곳(100)은 제조 시 성장단계 및 냉각단계에서 불활성 기체의 유량 조절과, 특정 열전도도를 만족하는 도가니를 통해 제조될 수 있고, 구체적인 사항은 후술한다.
웨이퍼
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 일 실시예에 따른 웨이퍼는,
25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 적용한 하중 1 N과 18 N의 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 450 GPa 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼는, 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도, 1 N과 18 N의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 450 GPa 이하일 수 있고, 400 GPa 이하일 수 있으며, 350 GPa 이하일 수 있다. 상기 웨이퍼는 상기 완화 탄성률의 차이를 가짐으로, 시간에 따라 부가되는 하중 조건에서 변형 및 뒤틀림 발생을 최소화할 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N의 하중 조건에서 측정한 상기 완화탄성률이 1510 GPa 내지 1800 GPa일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 18 N의 하중 조건에서 측정한 상기 완화탄성률이 1800 GPa 내지 1960 GPa일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도, 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 N 조건에서 측정한 상기 완화탄성률이 1510 GPa 내지 1960 GPa일 수 있고, 1540 GPa 내지 1930 GPa일 수 있다. 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N의 범위에서 선택된 어느 하나의 하중에서 측정한 상기 완화탄성률이 1570 GPa 내지 1920 GPa일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해지는 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.508 μm2/N 내지 0.643 μm2/N일 수 있고, 0.522 μm2/N 내지 0.627 μm2/N일 수 있다. 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해지는 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.527 μm2/N 내지 0.620 μm2/N일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 상기 크리프 컴플라이언스가 0.60 μm2/N 내지 0.62 μm2/N일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 상기 크리프 컴플라이언스가 0.52 μm2/N 내지 0.55μm2/N일 수 있다.
상기 크리프 컴플라이언스는 단위응력에 의해 시간변화에 따른 변형의 크기를 나타낸다.
상기 웨이퍼는 상기 크리프 컴플라이언스에 대한 특성을 가짐으로, 응력에 의해 발생할 수 있는 변형을 적절한 수준으로 제어해 외력에 의한 웨이퍼의 손상 발생 가능성을 최소화할 수 있고, 결함 형성이 보다 감소시킬 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N 각각에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성의 차이가 12 kN/m 이하일 수 있고, 11 kN/m 이하일 수 있다. 상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N 각각에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성의 차이가 10.5 kN/m 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 51.3 kN/m 내지 57.5 kN/m일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 62 kN/m 내지 68 kN/m일 수 있다.
상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 51.3 kN/m 내지 70.0 kN/m일 수 있고, 54 kN/m 내지 67 kN/m일 수 있다.
상기 웨이퍼는 상기 강성에 대한 특성을 가짐으로, 외력에 의해 발생 가능한 변형의 정도를 적절히 조절해, 내구성과 가공성을 조화시킨 웨이퍼를 제공할 수 있다.
상기 웨이퍼는 상기 범위의 완화 탄성률, 크리프 컴플라이언스 및 강성을 가짐으로, 웨이퍼의 이송, 가공, 처리과정 등에서 변형, 불량 발생을 최소화할 수 있고, 소자 제조를 위한 후속 공정인 탄화규소 에피택셜 층 형성 과정에서 보다 우수한 품질을 나타내도록 할 수 있다.
상기 웨이퍼는 상기 탄화규소 잉곳(100)을 기술한 방법으로 절단하여 마련될 수 있다.
상기 웨이퍼의 로킹 각도는 기술한 바와 동일하다.
상기 웨이퍼는 마이크로파이프 (MP, Micropipe) 밀도가 1.5 /cm2 이하일 수 있고, 1 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼는 관통 칼날전위 (TED, Threading Edge Dislocation) 밀도가 10,000 /cm2 이하일 수 있고, 8,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼는 기저면 전위(BPD, Basal Plane Dislocation) 밀도가 5,000 /cm2 이하일 수 있고, 3,000 /cm2 이하일 수 있다.
상기 웨이퍼의 두께는 300 μm 내지 600 μm 일 수 있고, 반도체 소자에 적용될 수 있는 적절한 두께라면 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 웨이퍼는 탄화규소 웨이퍼일 수 있다.
상기 웨이퍼는 실질적으로 단결정인 4H-SiC 웨이퍼일 수 있다.
상기 웨이퍼는 4 인치 이상, 5 인치 이상, 또는 6 인치 이상의 직경을 가질 수 있다. 상기 웨이퍼는 12 인치 이하, 또는 10인지 이하의 직경을 가질 수 있다.
상기 웨이퍼가 상기 결함밀도 범위를 만족함으로써, 전위 결함이 적은 양질의 웨이퍼를 제공하도록 하고, 이를 소자에 적용할 시 전기적 특성 또는 광학적 특성이 우수한 소자를 제조할 수 있다.
상기 웨이퍼의 결함밀도는 에칭 용액을 가하고 그 표면을 촬영하여 측정할 수 있고, 구체적인 사항은 하기 실험예에 기술하였다.
탄화규소 잉곳 제조방법
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조방법은,
내부공간을 갖는 반응용기(200)에 원료물질(300)과 탄화규소 종자정을 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
상기 내부공간의 온도, 압력 및 분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화시키고 상기 종자정 상에 성장된 탄화규소 잉곳(100)을 마련하는 성장단계; 및
상기 반응용기를 냉각시켜 상기 탄화규소 잉곳을 회수하는 냉각단계;를 포함하고,
상기 탄화규소 잉곳은,
서로 마주보는 일면(110)과 타면(120)을 포함하고,
상부로 정의되는 상기 일면은 평탄면 또는 볼록면이고,
웨이퍼는 상기 일면 이하의 부분에서 마련되고,
상기 웨이퍼는,
25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도, 1 N과 18 N의 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 450 GPa 이하일 수 있다.
일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조방법에 있어서, 상기 준비단계는 내부공간을 갖는 반응용기(200)에 원료(300)와 탄화규소 종자정을 서로 마주보게 배치하는 단계이다.
상기 준비단계의 탄화규소 종자정의 특징은 기술한 바와 동일하다.
상기 준비단계의 원료(300)는 탄소원과 규소원을 갖는 분말 형태가 적용될 수 있고, 상기 분말이 서로 네킹 처리한 원료 또는 표면을 탄화 처리한 탄화규소 분말 등이 적용될 수 있다.
상기 준비단계의 반응용기(200)는 탄화규소 잉곳 성장반응에 적절한 용기라면 적용될 수 있고, 구체적으로 흑연 도가니가 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 반응용기는 내부공간과 개구부를 포함하는 본체(210) 및 상기 개구부와 대응되어 상기 내부공간을 밀폐하는 덮개(220)를 포함할 수 있다. 상기 도가니 덮개는 상기 도가니 덮개와 일체로 또는 별도로 종자정 홀더를 더 포함할 수 있고, 상기 종자정 홀더를 통해 탄화규소 종자정과 원료가 마주보도록, 탄화규소 종자정을 고정할 수 있다.
상기 준비단계의 반응용기(200)의 열전도도는 80 W/mK 이상일 수 있고, 85 W/mK 이상일 수 있으며, 90 W/mK 이상일 수 있다. 상기 반응용기의 열전도도는 120 W/mK 이하일 수 있고, 110 W/mK 이하일 수 있다. 상기 반응용기의 열전도도가 80 W/mK 미만 또는 상기 반응용기의 열전도도가 120 W/mK 초과라면, 반응 용기 내의 온도구배가 매우 커지거나 작아지게 되고, 그로 인하여 제조되는 탄화규소 잉곳의 결함밀도 수치가 높아지고 탄성 및 크리프 특성이 저하될 우려가 있다. 상기 열전도도 범위를 만족하는 반응용기를 통해, 우수한 결정질을 갖고 탄성 및 크리프 특성이 향상된 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 준비단계의 반응용기는 단열재(400)에 의해 둘러싸여 고정될 수 있고, 석영관과 같은 반응챔버(500) 내에서 상기 반응용기를 둘러싼 단열재가 위치하도록 할 수 있으며, 상기 단열재 및 반응챔버 외부에 구비된 가열수단(600)에 의해 상기 반응용기(200)의 내부공간 온도를 제어할 수 있다.
상기 준비단계의 단열재(400)는 기공도가 72 % 내지 95 %일 수 있고, 75 % 내지 93 %일 수 있으며, 80 % 내지 91 %일 수 있다. 상기 기공도를 만족하는 단열재를 적용하는 경우 성장되는 탄화규소 잉곳의 크랙 발생을 보다 감소시킬 수 있다.
상기 준비단계의 단열재(400)는 압축강도가 0.2 Mpa 이상일 수 있고, 0.48 Mpa 이상일 수 있으며, 0.8 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 단열재는 압축강도가 3 MPa 이하일 수 있고, 2.5 MPa 이하일 수 있다. 상기 단열재가 이러한 압축강도를 갖는 경우 열적/기계적 안정성이 우수하고, 애쉬(ash)가 발생할 확률이 떨어져 보다 우수한 품질의 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 준비단계의 상기 단열재(400)는 탄소계 펠트를 포함할 수 있고, 구체적으로 흑연 펠트를 포함할 수 있으며, 레이온계 흑연 펠트 또는 피치계 흑연 펠트를 포함할 수 있다.
상기 준비단계의 반응챔버(500)는 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부의 진공도를 조절하는 진공배기장치(700), 반응챔버 내부와 연결되며 반응챔버 내부에 기체를 유입시키는 배관(810) 및 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(800)를 포함할 수 있다. 이들을 통해, 후속 성장단계 및 냉각단계에서 불활성기체의 유량을 조절할 수 있도록 한다.
일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조방법에 있어서, 상기 성장단계는 상기 내부공간의 온도, 압력 및 기체 분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화시키고 상기 종자정 상에 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 단계이다.
상기 성장단계는 상기 가열수단(600)에 의해 상기 반응용기(200) 및 반응용기의 내부공간을 가열하여 진행될 수 있고, 상기 가열과 동시에 또는 별도로 내부공간을 감압하여 진공도를 조절하고, 불활성 기체를 주입하며 탄화규소 결정의 성장을 유도할 수 있다.
상기 성장단계는 2000 ℃ 내지 2600 ℃의 온도와 1 torr 내지 200 torr의 압력 조건에서 진행될 수 있고, 상기 온도 및 압력 범위에서 보다 효율적으로 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 성장단계는 구체적으로 상기 반응용기(200) 상, 하부 표면의 온도가 2100 ℃ 내지 2500 ℃, 상기 반응용기 내부공간의 압력이 1 torr 내지 50 torr인 조건에서 진행될 수 있고, 더 자세하게는 상, 하부 표면의 온도가 2150 ℃ 내지 2450 ℃, 상기 반응용기 내부공간의 압력이 1 torr 내지 40 torr인 조건에서 진행될 수 있으며, 더 구체적으로 상, 하부 표면의 온도가 2150 ℃ 내지 2350 ℃, 상기 반응용기 내부공간의 압력이 1 torr 내지 30 torr인 조건에서 진행될 수 있다.
상기 온도 및 압력 조건을 상기 성장단계에 적용하는 경우 보다 고품질의 탄화규소 잉곳을 제조할 수 있다.
상기 성장단계는 1 ℃/min 내지 10 ℃/min의 승온 속도, 5 ℃/min 내지 10 ℃/min의 승온 속도로 상기 온도 범위까지 승온이 진행될 수 있다.
상기 성장단계는 상기 반응용기(200) 외부에 소정 유량의 불활성기체를 가할 수 있다. 상기 불활성기체는 상기 반응용기(200)의 내부공간에서 그 흐름이 이루어질 수 있고, 상기 원료물질(300)에서 상기 탄화규소 종자정 방향으로 그 흐름이 이루어질 수 있다. 이에 따라 상기 반응용기 및 내부공간의 안정적인 온도구배가 형성될 수 있도록 한다.
상기 성장단계의 상기 불활성기체의 유량은 70 sccm 이상일 수 있고, 90 sccm 이상일 수 있으며, 100 sccm 이상일 수 있다. 상기 불활성기체의 유량은 330 sccm 이하일 수 있고, 300 sccm 이하일 수 있으며, 280 sccm 이하일 수 있다. 상기 성장단계에서 불활성기체의 유량이 70 sccm 이하라면, 잉곳 제조를 위한 원료 공급이 원활하지 못하여 결정다형 발생 및 결함 증가의 우려가 있고, 상기 성장단계에서 불활성기체의 유량이 330 sccm 초과라면, 제조되는 탄화규소 잉곳 및 웨이퍼의 결함 밀도가 증가할 수 있고, 웨이퍼의 탄성 및 크리프 특성이 저하될 수 있다. 상기 불활성기체의 유량 범위에서, 상기 도가니의 온도 구배가 효과적으로 형성될 수 있도록 하고, 제조되는 잉곳의 품질 및 탄성 및 크리프 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 성장단계의 상기 불활성기체는 구체적으로 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합기체일 수 있다.
일 실시예에 따른 탄화규소 잉곳 제조방법에 있어서, 상기 냉각단계는 상기 성장된 탄화규소 잉곳(100)을 소정 냉각속도 및 불활성기체 유량 조건에서 냉각하는 단계이다.
상기 냉각단계는 1 ℃/min 내지 10 ℃/min의 속도로 냉각이 진행될 수 있고, 1 ℃/min 내지 5 ℃/min의 속도로 냉각이 진행될 수 있다.
상기 냉각단계는 상기 반응용기(200)의 내부공간의 압력 조절이 동시에 이루어질 수 있고, 상기 냉각단계와 별도로 압력 조절이 이루어질 수 있다. 상기 압력 조절은 상기 내부공간의 압력이 최대 760 torr가 되도록 이루어질 수 있다.
상기 냉각단계는 상기 성장단계와 마찬가지로 상기 반응용기(200) 외부에 소정 유량의 불활성기체를 가할 수 있다. 상기 불활성기체는 상기 반응용기의 내부공간에서 그 흐름이 이루어질 수 있고, 상기 원료물질(300)에서 상기 탄화규소 종자정 방향으로 그 흐름이 이루어질 수 있다.
상기 냉각단계의 불활성기체 유량은 1 sccm 이상일 수 있고, 50 sccm 이상일 수 있으며, 100 sccm 이상일 수 있다. 상기 불활성기체의 유량은 300 sccm 이하일 수 있고, 280 sccm 이하일 수 있으며, 250 sccm 이하일 수 있다. 상기 냉각단계에서 불활성기체의 유량이 1 sccm 이하라면, 냉각시 온도 구배가 크게 형성되어 제조되는 잉곳에 크랙이 발생할 우려가 있고, 상기 냉각단계에서 불활성기체의 유량이 300 sccm 초과라면, 급격한 냉각으로 제조되는 잉곳에 크랙이 발생할 우려가 있다. 상기 불활성기체의 유량 범위에서, 냉각 시 잉곳의 품질 저하를 최소화하고, 양호한 탄성 및 크리프 특성을 확보할 수 있다.
탄화규소 잉곳의 성장은 상기 반응용기(200)의 크기와 종류, 원료 상태에 따라 상이할 수 있고, 성장단계 또는 냉각단계에서 상기 반응용기 내부공간의 온도구배, 압력, 기체유량 등에 따라서도 탄화규소 잉곳의 품질이 변화할 수 있다. 구현예에서는 최적의 불활성기체 유량 및 도가니의 열전도도를 적용하여 우수한 품질의 탄화규소 잉곳을 제조하고자 하였다.
상기 탄화규소 잉곳 제조방법을 통해 제조된 탄화규소 잉곳 및 상기 탄화규소 잉곳으로부터 제조된 웨이퍼의 특징은 기술한 바와 동일하다.
웨이퍼의 제조방법
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 개시하는 일 실시예에 따른 웨이퍼의 제조방법은,
상기 탄화규소 잉곳 제조방법을 통해 제조된 탄화규소 잉곳(100)의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
상기 연삭된 탄화규소 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함할 수 있다.
상기 연삭단계의 탄화규소 잉곳 외경의 연삭은, 상기 탄화규소 잉곳의 최대외경에서 내부 방향으로 그 단면 면적의 5 % 이상이 연삭될 수 있다.
상기 연삭단계는 상기 탄화규소 잉곳의 일면(110)의 가장자리에서 타면(120) 방향, 중심축 방향으로 균일한 단면을 갖도록 이루어질 수 있다.
상기 절단단계는 상기 탄화규소 잉곳의 타면(120) 또는 (0001) 면과 소정 오프 각을 갖도록 절단할 수 있다.
상기 절단단계의 오프 각은 기술한 바와 동일하다.
상기 절단단계는 상기 웨이퍼의 두께가 300 μm 내지 600 μm이 되도록 이루어질 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계 이후 마련된 웨이퍼의 두께를 평탄화하는 평탄화단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계 이후 마련된 웨이퍼의 가장자리를 연삭하는 연삭단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼의 제조방법은 상기 절단단계 이후 마련된 웨이퍼의 표면을 에칭하고 연마하는 표면처리단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 평탄화단계, 연삭단계 및 표면처리단계는 통상의 방법에 따라 적절한 순서로 이루어질 수 있고, 평탄화단계-연삭단계-표면처리단계 순으로 이루어질 수 있다.
상기 방법으로 마련된 웨이퍼의 특징은 기술한 바와 동일하다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
탄화규소 잉곳(100)의 성장
도 1에 탄화규소 잉곳 제조장치의 일례를 도시한 바와 같이, 반응용기(200) 내부공간 하부에 원료인 탄화규소 분말을 장입하고, 그 상부에 탄화규소 종자정을 배치하였다. 이 때, 탄화규소 종자정은 6 인치의 4H-SiC 결정으로 이루어진 것을 적용하였고, C면((000-1)면)이 내부공간 하부의 탄화규소 원료를 향하도록 통상의 방법으로 고정하였으며, 하기 실시예 및 비교예에 동일하게 적용하였다.
반응용기(200)를 밀폐하고, 그 외부를 단열재(400)로 둘러싼 뒤, 외부에 가열수단(600)인 가열 코일이 구비된 석영관(500) 내에 반응용기를 배치하였다. 상기 반응용기 내부공간을 감압하여 진공 분위기로 조절하고, 아르곤 가스를 주입하여 상기 내부공간이 760 torr에 도달하도록 한 다음, 다시 내부공간을 감압시켰다. 동시에, 내부공간의 온도를 5 ℃/min의 승온 속도로 2300 ℃까지 승온시켰고, 상기 석영관과 연통된 배관(810), 진공배기장치(700)를 통해 석영관 내부의 아르곤 가스 유량이 표 1의 유량이 되도록 조절하였다. 2300 ℃의 온도와 20 torr의 압력 조건 하에서 100 시간 동안 탄화규소 원료와 대향하는 탄화규소 종자정 면에 탄화규소 잉곳을 성장시켰다.
성장 이후, 상기 내부공간의 온도를 5 ℃/min의 속도로 25 ℃까지 냉각시켰고, 동시에 내부공간의 압력이 760 torr가 되도록 하였다. 상기 석영관과 연통된 배관(810), 진공배기장치(700)를 통해 석영관 내부의 아르곤 가스 유량이 표 1의 유량이 되도록 조절하였다.
웨이퍼 제조
상기 냉각된 탄화규소 잉곳의 외주면을 최대외경 대비 95 %의 외경을 갖도록 연삭하여 균일한 외경을 갖는 원주 형태로 가공하고, 탄화규소 잉곳의 (0001)면과 4 °의 오프 각을 갖도록 절단하였으며, 360 μm의 두께를 갖는 웨이퍼 샘플을 마련하였다.
웨이퍼의 결함밀도 측정
상기 마련된 웨이퍼 샘플을 50 mm × 50 mm의 크기로 절단하고, 이를 500 ℃, 5 분 조건으로 용융 수산화칼륨(KOH)에 침지하여 에칭시켰으며, 그 표면의 결함을 광학현미경 등을 통해 촬영하였다(도 4). 조개형 피트를 기저면 전위(BPD), 소형의 6각형 피트를 관통 칼날전위(TED), 흑색의 거대한 6각형 피트를 마이크로파이프(MP)로 분류하였다.
절단된 웨이퍼 샘플 내 500 × 500 μm 영역을 임의로 12 회 지정하여, 상기 각각의 영역에서 결함들의 개수를 파악하고 단위면적당 평균 결함 갯수를 계산하였고 결함 밀도를 구하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
웨이퍼의 완화 탄성률, 크리프 컴플라이언스 및 강성 측정
상기 마련된 웨이퍼 샘플을 60 mm × 10 mm의 크기로 절단하고, DMA Q800, (TA instruments社사)를 통해 25 ℃ 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 하중 범위에서 동적 기계적 분석(dynamic mechanical analysis, DMA)을 진행하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었으며, 표 2의 실시예 1에 대한 그래프는 도 3 내지 도 5에 나타내었다.
구분 성장단계
Ar 유량
(sccm)		 냉각단계
Ar 유량
(sccm)		 도가니
열전도도
(W/mK)		 MP
(개수/cm2)		 TED
(개수/cm2)		 BPD
(개수/cm2)
실시예 1 200 200 95 1 7920 3000
실시예 2 200 200 95 1 7880 2920
실시예 3 250 200 95 1 7980 2920
실시예 4 150 150 120 1 7880 2880
비교예 1 500 500 95 104 64880 32240
MP:마이크로파이프, TED:관통 칼날전위, BPD: 기저면 전위
구분 완화 탄성률(GPa) 크리프 컴플라이언스
(μm2/N)		 강성(kN/m)
1 N 18 N 1 N 18 N 1 N 18 N
실시예 1 1580 1900 0.627 0.526 55.50 66.77
실시예 2 1570 1920 0.625 0.522 55.41 65.25
실시예 3 1550 1890 0.624 0.524 54.56 64.56
실시예 4 1580 1910 0.625 0.523 54.55 64.79
비교예 1 1500 1810 0.611 0.507 53.22 63.42
표 1 및 2를 참조하면, 성장단계 및 냉각단계의 가스 유량이 150 sccm 내지 250 sccm 범위인 실시예들은 결함 밀도가 낮고, 우수한 완화 탄성률, 크리프 컴플라이언스 및 강성을 나타내었다. 또한, 상기 실시예들은 1 N과 18 N 하중에서 각각 측정한 완화 탄성률의 차이가 350 GPa를 나타내어, 웨이퍼의 가공, 이송, 처리 조건이나 시간에 따라 부가되는 하중 조건에서 변형 및 뒤틀림 발생을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
반면, 성장단계 및 냉각단계의 가스 유량이 500 sccm인 비교예의 경우, 과도한 유량으로 인해 제조되는 탄화규소 잉곳의 결함들이 상당히 증가한 것을 확인할 수 있다.
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.
100: 탄화규소 잉곳 110: 일면, 볼록면
111: 볼록부 120: 타면, 저면
121: 본체부 200: 반응용기
210: 본체 220: 덮개
300: 원료 400: 단열재
500: 반응챔버, 석영관 600: 가열수단
700: 진공배기장치 800: 매스 플로우 컨트롤러
810: 배관

Claims (12)

  1. 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N과 18 N에서 각각 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 350 GPa 이하이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 상기 완화 탄성률은 1510 GPa 내지 1800 GPa이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 상기 완화 탄성률은 1800 GPa 내지 1960 GPa이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.522 μm2/N 내지 0.627 μm2/N 이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.52 μm2/N 내지 0.55 μm2/N이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 51.3 kN/m 내지 57.5 kN/m이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 62 kN/m 내지 68 kN/m이고,
    마이크로파이프 (MP, Micropipe) 밀도는 1.5 /cm2 이하이고,
    직경이 6 내지 10인치인 4H 탄화규소인,
    웨이퍼.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중에서 측정한 상기 완화탄성률은 1540 GPa 내지 1930 GPa인, 웨이퍼.
  5. 제1항에 있어서,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 54 kN/m 내지 67 kN/m인, 웨이퍼.
  6. 제1항에 있어서,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.624 μm2/N 내지 0.627 μm2/N인, 웨이퍼.
  7. 삭제
  8. 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.522 μm2/N 내지 0.627 μm2/N이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 완화 탄성률은 1510 GPa 내지 1800 GPa이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 완화 탄성률은 1800 GPa 내지 1960 GPa이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 상기 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.52 μm2/N 내지 0.55 μm2/N이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 51.3 kN/m 내지 57.5 kN/m이고,
    25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 62 kN/m 내지 68 kN/m이고,
    마이크로파이프 (MP, Micropipe) 밀도는 1.5 /cm2 이하이고,
    직경이 6 내지 10인치의 4H 탄화규소인,
    웨이퍼.
  9. 내부공간을 갖는 반응용기에 원료물질과 탄화규소 종자정을 서로 마주보게 배치하는 준비단계;
    상기 내부공간의 온도, 압력 및 분위기를 조절하여 상기 원료물질을 승화시키고 상기 종자정 상에 성장된 탄화규소 잉곳을 마련하는 성장단계; 및
    상기 반응용기를 냉각시켜 상기 탄화규소 잉곳을 회수하는 냉각단계;를 포함하여 탄화규소 잉곳을 제조하고,
    상기 탄화규소 잉곳으로부터 웨이퍼를 제조하고,
    상기 탄화규소 잉곳은,
    서로 마주보는 일면과 타면을 포함하고,
    상부로 정의되는 상기 일면은 평탄면 또는 볼록면이고,
    웨이퍼는 상기 일면 이하의 부분에서 마련되고,
    상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도, 1 N과 18 N의 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 완화 탄성률(relaxation modulus)의 차이가 350 GPa 이하이고,
    상기 반응용기의 열전도도는 80 내지 120 W/Mk이고,
    상기 반응용기는 단열재에 의해 둘러싸여 고정되고,
    상기 단열재의 기공도는 72 내지 95%이고,
    상기 단열재의 압축강도는 0.2 내지 3 Mpa이고,
    상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 상기 완화 탄성률이 1510 GPa 내지 1800 GPa이고,
    상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 상기 완화 탄성률이 1800 GPa 내지 1960 GPa이고,
    상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 1 N 내지 18 N 중 어느 하나의 하중 조건에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.522 μm2/N 내지 0.627 μm2/N 이고,
    상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 크리프 컴플라이언스(creep compliance)가 0.52 μm2/N 내지 0.55 μm2/N이고,
    상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 1 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 51.3 kN/m 내지 57.5 kN/m이고,
    상기 웨이퍼는 25 ℃의 온도, 0.1 N/min의 하중 속도로 가해진 하중 18 N에서 측정한 동적 기계적 분석에 따른 강성이 62 kN/m 내지 68 kN/m이고,
    상기 웨이퍼는 직경이 6 내지 10인치인 4H 탄화규소 웨이퍼이고,
    상기 웨이퍼의 마이크로파이프 (MP, Micropipe) 밀도는 1.5 /cm2 이하인,
    웨이퍼 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 냉각단계에서 흐름은 상기 원료물질에서 상기 탄화규소 종자정의 방향으로의 흐름을 갖고,
    상기 성장단계는 330 sccm 이하의 유량으로 불활성기체를 상기 반응용기의 외부에 가하고,
    상기 냉각단계는 300 sccm 이하의 유량으로 불활성기체를 상기 반응용기의 외부에 가하는, 웨이퍼 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 냉각단계 이후에,
    상기 탄화규소 잉곳의 가장자리를 연삭하는 연삭단계; 그리고
    상기 연삭된 탄화규소 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 마련하는 절단단계;를 포함하는, 웨이퍼의 제조방법.
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