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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

이희준 (동의대학교, 동의대학교 대학원)

발행연도
2015
저작권
동의대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

고품질 SiC 단결정 성장을 위한 다공성 흑연의 영향에 관한 연구
이희준 산업경영.융합부품공학과 2015.01 학위논문
고품질 4H-SiC 단결정 성장을 위한 다공성 흑연 판의 역할
이희준 ,  이희태 ,  신희원 외 9명 한국결정성장학회지 2015.01 학술저널

초록· 키워드

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탄화규소(SiC)는 우수한 물리적 특징과 큰 잠재력을 가진 물질로 유망한 와이드 밴드갭 반도체 물질 중 하나이다. 현재까지는 실리콘(Si)이 전력반도 체용 소재로 널리 활용되어 왔으나 최근에는 전력변환 시 전력손실을 대폭 줄일 수 있는 차세대 반도체소재로서 SiC, GaN 등의 와이드 밴드갭 소재가 주목받고 있다. SiC는 200종류 이상의 결정다형이 존재하며 그 중 3C, 4H, 6H, 15R이 주요한 결정다형이라고 볼 수 있다. 특히 4H-SiC는 다른 결정다 형에 비해 높은 밴드갭, 캐리어 이동성과 높은 절연파괴전압으로 인해 고전 압, 고온, 고주파수가 요구되는 파워소자 제조에 선호되는 결정다형이다. 이 러한 SiC 결정을 성장시키기 위한 방법 중 대표적인 방법으로는 대구경화와 높은 성장률을 가진 물리적 기상 수송법(PVT : Physical Vapor Transport) 이 많이 사용되고 있다. 그러나 결정 성장 동안 압력, 온도 및 여러 가지 변 수들로 인해 재현성의 구현이 어려우며 4H-SiC의 경우 6H-SiC와 비슷한 온도대의 고온 안정성을 가지고 있으며 안정적인 성장조건의 범위가 좁아 4H-SiC 결정 다형의 제어가 힘들다. 이러한 다형의 혼입은 적층결함이나 저각입계, 전위 등을 유발하는 원인이 될 수 있다. 그러므로 온도구배, 성장 온도, 압력 그리고 Si/C 비율과 같은 성장 조건들을 조절하여 결함들을 제 어해야 한다. 많은 논문이나 자료에서 4H-SiC 성장 시 Si/C 비율의 효과나 C-rich 조건의 영향에 대해서 보고되고 있다. 성장 분위기에서 Si/C 비율의 변화는 성장된 SiC의 결정다형에 영향을 주며 이러한 결정다형의 형성은 열







적인 조건보다는 환경적인 조건에 더 영향을 받는다.
본 연구에서는 PVT법으로 4H-SiC 단결정 성장 시 다공성 흑연판을 사용 하여 Si/C 비율이나 온도구배, 물질전달의 향상시킴으로써 고품질의 SiC 단 결정 기판 제작을 목적으로 연구를 진행하였다.
연구에 사용된 SiC 소스 물질은 흑연 도가니에 넣어 흑연 단열재로 쌓인 구조로 실험을 하였다. 성장온도는 2100∼2300℃, 그리고 성장압력은 10-30
Torr의 압력으로 아르곤과 질소 분위기에서 성장시켰다. 종자정은 2인치의 4° off-axis 4H-SiC의 C면 (000-1)을 사용하였고 다공성 흑연판은 SiC 소 스 물질 위에 삽입하였다. PVT법으로 성장된 잉곳은 성장면에 평행하게 잘 라 웨이퍼로 만들고 다이아몬드 슬러리를 이용하여 폴리싱 공정을 진행한 후 광학현미경으로 표면을 관찰하였다. 그리고 성장된 SiC의 결정다형을 알 아보기 위하여 HR-XRD로 X-ray 회절 패턴과 결정성을 분석해 보았고, Raman spectroscopy로 결정성 및 케리어 농도, 결정다형을 확인하였다. 그 리고 흡수스펙트럼을 분석하기 위하여 UV/VIS 스팩트럼을 분석하였으며, 불순물의 농도를 상대적으로 비교하기 위해서 SIMS 분석을 진행하였다. 결
함관찰을 위해서 450℃의 KOH 용융액에서 10분간 식각하여 성장된 결정의
결함을 분석하였고 성장 후 소스물질을 분석하기 위해서 EDS와 PL 분석을 진행하였다.
일반적인 흑연도가니를 사용하여 SiC 결정을 성장시킨 것과 다공성 흑연판 을 사용하여 성장시킨 결정을 비교하여 성장된 결정의 품질을 비교 분석하 였다. 성장된 4H-SiC 단결정의 품질은 다공성 흑연판을 사용하였을 때 결 정질이 우수하였으며 전위나 마이크로파이프도 현저하게 줄어들었다. 또한 성장된 결정들의 다형의 안정화를 보여주었다.

목차

Ⅰ. 서론 1
Ⅱ. 이론적 배경 5
2.1 SiC(Silicon Carbide) 5
2.1.1 SiC의 구조 5
2.1.2 SiC 물성 8
2.1.3 SiC의 면에 따른 특성 11
2.2 SiC 단결정 성장법 12
2.2.1 Modified Lely Method(PVT, Sublimation Method) 13
2.3. SiC 단결정의 결함 15
2.3.1 Micropipe 15
2.3.2 면상결함(Planar Defect) 19
2.3.3 저각경계(Low-angle Grain Boundary) 21
2.3.4 전위(Dislocation) 22
2.3.5 다결정(Polycrystalline) 23
2.4. SiC 단결정 성장 시 주요 변수 25
2.5. SiC 시장 및 기술 동향 26
2.5.1 전력 소자로써의 활용 27
2.5.2 광전 소자로써의 활용 30
Ⅲ. 실험 방법 33
3.1. 성장실험 준비 34
3.1.1 성장실험을 위한 4H-SiC 종자정 준비 34
3.1.2 성장실험을 위한 도가니 및 분말 준비 35
3.1.3 성장실험을 위한 다공성 흑연판 준비 36
3.2. SiC 단결정 성장 장비 37
3.2.1 자동 유도 가열로 37
3.3. SiC 단결정 성장 조건, 변수 38
3.4. 웨이퍼화 공정 39
3.4.1 외경 연삭 장비 39
3.4.2 Sawing 장비 40
3.4.3 Edge 연삭 장비 42
3.4.4 양면 Lapping 장비 43
3.4.5 Grinding 45
3.4.6 기계적 Polishing 장비 46
3.5 SiC 단결정 웨이퍼 분석 방법 49
3.5.1 SiC 구조적 특성 49
3.5.1.1 다목적 X-선 회절 분석 시스템 (MPMRD) 49
3.5.1.2 고 분해능 X-선 회절 분석 시스템 (HRXRD) 50
3.5.2 SiC 웨이퍼의 표면 특성 51
3.5.2.1 주사 탐침 현미경(AFM) 51
3.5.2.2 웨이퍼 휨 측정 장비(Flatness Tester) 52
3.5.3 SiC 웨이퍼의 광학적 특성 53
3.5.3.1 극저온 PL 분석 시스템 53
3.5.3.2 UV/Vis Spectrophotometer 시스템 54
3.5.3.3 라만 분광 시스템(Raman Spectroscopy) 55
3.5.4 SiC 웨이퍼의 성분 분석(SIMS) 56
3.5.5 전계 방출형 주사 전자 현미경 (FE-SEM), EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 57
Ⅳ. 결과 및 고찰 57
4.1. 다공성 흑연판이 4H-SiC 단결정 성장에 미치는 영향에 대한 실험결과 57
4.1.1 일반적인 흑연도가니를 사용한 결정성장 실험 58
4.1.1.1 광학 사진 58
4.1.1.2 XRD 상분석 58
4.1.2 다공성 흑연판을 사용한 결정성장 실험 59
4.1.2.1 광학 사진 59
4.2 SiC 분말 및 다공성 흑연판 분석 60
4.3 PL 분석 64
4.3 SIMS 분석 65
4.4 흡수/투과도 분석 68
4.5 라만 산란 분석 68
4.6 결정성 분석 71
4.7 표면 결함 분석 (KOH etching) 73
V. 결론 74
References 77
Abstract 80

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