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Blue LED(Light Emitting Diode)용

SiC 단결정 생장 기술 개발에 관한 연구

( 2차년도 중간 보고서 )

1996. 4.

주관기관 : 영도산업 기술연구소

참여기업 : (주)영도산업, (주)영도섬유

통 상 산 업 부

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제 출 문

통상산업부장관 귀하

본 보고서를 “Blue LED(Light Emitting Diode)용 SiC단결정 성장”에 관한 기술개발

(개발기간 : 1993. 10. 1 - 1997. 5. 30)과제의 2차년도 중간 보고서로 제출합니

다.

1996. 4.

개발사업 주관기관명 : 영도산업기술연구소

개발사업 총괄책임자 : 김 영 상

연구원 : 주 경

연구원 : 김 창 흥

연구원 : 강 승 민

연구원 : 김 화 목

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요 약 서

I. 기술 개발 목표

2차년도에서는 1차년도에 행한 예비실험의 결과 및 육성조건 연구를 기초로 하여

직경 1 inch의 고품위 단결정 성장기술을 개발했다. 이를 위해 결정 성장장치의 진

공도를 향상시켜 불순물의 혼입을 방지함과 동시에, 흑연 도가니로부터의 중금속

이온들의 침입을 방지하고, 분위기 가스의 안정된 control과 균일한 gas 압력을 유

지하여, 결정의 성장 계면(승화법에 의한 결정성장시 형성되는 solid-vapor

interface)에서 적충결함(stacking fault)등의 성장결정결함의 원인으로 작용할 수 있

는 요소들이 형성되지 않도록 하여, 결정의 전기적 특성(비저항, 전자 이동도등) 및

제물성을 향상시키도록 하였다. 또한, 고품위의 단결정성 장에 필수적인 요소는 도

가니 내의 정밀한 온도구배가 형성될 수 있도록 하는 것인데, 이는 도가니의 형상

을 제어함으로써 균일한 성장계면 에너지를 갖도록 하여 결정을 육성하는 것이다.

이러한 결정성장 공간 내부에서 균일한 온도 profile을 유지하기 위해서는 현재의

RF 발진기의 안정적인 출력제어가 필요하고, 피갈열체(본 연구의 도가니)와 coil,

그리고 발진기 3개체의 matching이 이루어지지 않으면 안 되며, 또한, 결정육성 안

정화의 온도 측정 feedback 시스템, 그리고 고진공 센서및 graphite 단열 시스템등

을 개선해야만 하였다. 2차년도에는 성장장치를 수정ㆍ보완함으로써 고품위의 단결

정을 성장할 수 있었다.

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위와 같은 기술개발을 바탕으로 하여 성장된 결정에 대하여, 광학현미경, 전자 현

미경, XRD 및 Raman Spectroscopy등에 의한 결정의 결정성 측정과 결함,

micropipe등의 품질을 평가하고, 가장 최적화된 결정성장 조건을 확립한다. 이로

인하여, 직경 1 inch의 대형 SiC 결정 제조 기술및 균일한 품질의 6H-SiC 형성 기

술, 그리고 안정성이 높고, 재현성이 우수한 승화법에 의한 성장장치보완 기술을 확

보하는 것을 당해년도(2차년도, 1995. 6.-1996. 5.)의 목표로 한다.

Ⅱ. 기술 개발의 목적 및 필요성

본 연구에서 수행하고자 하는 SiC는 polycrystal로서는 고온에서는 우수한 기계적

특성으로 인해 비행기의 터어빈에 많이 사용되며 고강도를 갖기 때문에 구조재료로

서의 특성도 우수하기 때문에 현재 많은 연구가 진행되고 있는 재료이다. 이러한

SiC가 단결정화될 경우에는 우수한 electro-optic property를 갖게 되며, Blue LED

에서 SiC 단결정은 가장 중요한 기초적 소재가 되어 Blue LED용 chip의 substrate

로 사용되며 최종적인 부품에서 SiC 단결정이 차지하는 가격비율은 40%로서 매우

높은 부가가치를 가지고 있다. 현재 우리나라에서도 그 수요는 해마다 급증하고 있

으나 그에 대한 기술개발이 전무한 상태로서 본 연구는 국내에서는 Blue LED 개발

사업의 일환으로 가장 기초분야이고 필수적인 기판재료를 제조하는 초석을 마련하

였다고 할 수 있다.

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SiC 단결정은 Hexagonal 구조를 갖고 있으며, 격자상수는 a=3.08Ȧ, c=15.12Ȧ (6H)이 된다. 일반적으로 band gap 에너지가 2.5eV 이상이 청색광이 방출되며

SiC로 형성된 전자부품은 넓은 bandgap 에너지로 인해 내부의 conduction

effects로부터의 방해를 받지않고 매우 높은 온도에서 작동 가능하다. 또한

4.9W/cm oK의 우수한 열전도도를 갖고 있어서 다른 반도체 재료보다도 SiC를 통

하여 쉽게 열의 이동이 일어난다. 이러한 특성은 SiC가 높은 power에서 작동될 수

있으며 발생된 과도한 열을 발산시킬수 있다. 그리고 포화전자 이동속도

(2.0x107V/cm)는 매우 높아 고주파(microwave)에서 작동이 가능하다. SiC 단결정

으로 제조한 Blue LED는 solid-state sensors, computer panel/instrumentation

indicators, stereos and vedio cameras용의 audio-visual equipments,

automotive dashboards등 대단히 광범한 분야에 응용이 가능할 뿐 아니라 부가가

치 또한 매우 높은 소자이다. 더우기 이전까지 생산되어온 LED display의 경우에는

빛의 삼원색중 적색과 녹색 LED만이 사용되었지만 color의 발현에 있어서 제약이

있어 왔다. Blue LED의 개발로 인해 그 강도의 조절을 통하여 모든 color의 발현이

가능하게 되었다.

이와같이 Blue LED용 SiC 단결정은 일반가정에서 사용하는 가전제품에서부터 최첨

단 전자장비에 이르기까지 쓰이는 범위가 매우 다양하고 만약 국산화를 이룩할 경

우 수입대체 효과는 막대할 것으로 여겨지며 이러한 소자를 개발하는 과정에서 우

리가 얻을 수 있는 기술축적 및 이에따른 산업전반에 걸친 파급효과 또한 대단히

크고, 기술경쟁력을 확보하기 위하여 이에 대한 개발은 필수 불가결하다.

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Ⅲ. 기술 개발의 내용 및 범위

1. 장치의 보수 및 기능향상을 위한 수정 및 보완

a. 자료 및 문헌조사

b. 장치상의 문제점 check

c. 1차 년도 결과및 예비실험 결과를 기초로 system 수정 및 보완

2. SiC 단결정 성장을 위한 최적조건 확립

a. Raw material용 SiC 분말(Model:SSC)

- 순도 : 99.99%

- 밀도(g/) : 3.14~3.18

- 기공율 : ~2

- 열전도율 : 0.21 cal/cm's'

- 열팽창계수 : 4.0x106/

b. 결정 성장의 최적 조건 수립

- purification 온도 및 압력 : 1500~1600°C, 10-7 torr이하

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- 결정성장시 진공도 : 50~100 torr

(Ar 또는 질소 gas 분위기압으로 조절)

- 성장온도(SiC 원료 가열부분) : 2200±10

(optical pyrometer로 측정시)

- 도가니부의 온도구배 : 25~35/cm

- 성장속도 : 0.3~0.5 mm/hr

3. 성장결정에 대한 평가

- 광학 현미경에 의한 성장 결정 표면의 결함 및 micropipe 관찰

- Raman Spectroscopy에 의한 결정성 관찰

- Hall effect 측정으로 전기적 물성 검사

Ⅳ. 기술 개발 결과 및 활용에 대한 건의

Blue LED용 SiC 단결정 제조 및 응용기술을 개발함으로서 단결정 제조의 전반적인

기술향상, 단결정 제조장치의 제작 기술향상, 전자 및 광학부품 제조기술 향상등의

파급효과를 가져올 뿐만 아니라 더 나아가 기술 보유국의 단결정 제조 기술과 응용

기술에 대한 보호 장벽 자체적으로 극복함으로서 각종 광학기기 및 전자소자의 원

가를 감소시키며 새로운 단결정 성장 방법을 개발함으로써 단결정 제조 분야에 기

여할 수 있고, 최근 엄청난 붐이 일고있는 반도체 산업, 광학 시스템을 이용한

multimedia 산업 등에 활용범위가 무한하다.

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본 개발 사업 시행후의 사업화 기간은 3년으로 잡고 있으며, 이 과정에서는 Blue

LED 뿐 아니라 power device용 기판 재료의 개발도 함께 수행될 전망이다. 또한

소자용 SiC wafer재료는 높은 순도를 요하는 원료및 주변의 graphite 재질의 도가

니가 절대적으로 필요하고, 대형화에 따른 안정된 전원 공급용 가열 장치가 필수

불가결한 만큼 이에 대한 사업분야로의 영향력 또한 매우 크다고 할 수 있다.

따라서, SiC 재료외에 주변 장치의 제조 기술 개발이라는 추가적인 기술 개발이 부

여 될 수 있는 사업이다. 이를 단계별로 보면, 1 단계로 SiC 단결정에 의한 광전

소자인 blue LED를 제조, 시제품화하고, 2 단계로 관련 주변 장치의 고급화를 실현

하고, 고순도, 고정밀화된 결정 성장치 제작 기술을 습득하고, 3 단계로 SiC wafer

소자 제작 기술 개발에 따른 부가가치 상승및 안정된 국내 반도체 생산 설비를 통

한 생산과 공급으로 화인 세라믹 산업의 국제적 위상을 한층 높이게 된다.

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목 차

제 1 장 서 론

제 2 장 문헌고찰

제 3 장 SiC 단결정 성장장치

3-1. 성장장치

3-2. 장치의 개선

3-2-1. 진공 시스템

3-2-1-1. 진공펌프

3-2-1-2. 진공 라인관

3-2-1-3. 진공밸브 및 fitting

3-2-2. 진공 chamber

3-2-2-1. 냉각수의 유입

3-2-2-2. 가스유입 및 배출

3-2-2-3. Chamber wall의 압력

3-3. 도가니 형태의 변화

4 장 결정성장

4-1. 결정의 직경증가

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4-2. 결정성장속도의 제어

4-3. 성장온도의 최적화

4-4. 성장압력의 최적화

제 5 장 성장결정의 평가

5-1. 광학현미경 관찰

5-2. Laue pattern

5-3. XRD

5-4. Raman Spectroscopy

5-4-1. Raman Effect

5-4-2. SiC 결정의 측정

5-5. FT-IR

5-6. SEM

5-7. Hall Effect

5-7-1. 응용 원리

5-7-2. 측정 방법

5-7-3. 성장된 SiC 결정의 측정

5-8. Etching

제 6 장 고 찰

6-1. 결함억제 기술

6-1-1. 면결함

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6-1-2. Micropipes

6-1-3. Etch pits pattern

제 7 장 결 론

참 고 문 헌

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제 1 장 서 론

현재 SiC 결정은 FGM(Functional Gradient Material) 등의 구조재료로 많은 응용을

보이고 있고 재료의 피막 또는 Whisker 상으로 형성하여 재료의 강도를 보강하는

방향으로 연구되고 있다. 같은계열의 재료로는 B4C, Si3N4 등을 들 수 있으며, 이들

의 재료로서는 높은 강도와 경도, 그리고 내화도가 높은 이유로 인하여 터보장치나

항공용 제트엔진의 날개재료로 각광을 받고 있는 한편 2830의 높은 융점(상압화

분해 용융온도)을 갖기 때문에 내화재는 물론 각종 내화물로 이용되어져 왔다.

전자 공학적 측면에서 SiC 단결정에 대한 성질을 고찰한 결과[1], 이들 결정이 반

도체적 성질 및 광전 성질이 우수하고, 이에 관한 연구의 필요성이 인식되어 SiC

단결정을 성장하려는 시도가 있었고, 그 결과 SiC의 고온 승화분해를 이용하여 SiC

의 승화된 증기로 부터 직접 seed 가판에 증착 성장시키는 공법인 승화법에 의하

여 대형의 SiC 단결정이 육성되기 시작하였다. 이렇게 성장된 결정을 소자 기판화

하면, 기존의 Si 기판용 반도체 제조종정에 입각하여, 써어미스터, 바리스터, 정류

기, 다이오드, 트랜지스터 등의 재료를 제조할 수 있다는 가능성이 인식되었으며,

적용범위가 실리콘 반도체보다 광범위하고 가혹한 조건에서도 작동성능이 우수하

다. 그 이유는 현재의 실리콘 반도체가 이러한 분야에서 유명하지만, 이들은 200

부근의 온도에서 부터는 사용할 수 없게 되는데 반하여 SiC는 500 에서도 안정

하고, 그 이 후의 온도에서도 견딜 뿐 만아니라 방사선 손상 측면에서도 강한 특성

을 보이는 반도체 재료로, 최근들어 세계적 관심이 집중되고 있다.

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SiC는 또한 bandgap 에너지가 다른 반도성 재료에 비해 높으며, 이를 Table. 1에

나타내었다. 물체내의 전자들은 일정 에너지를 받으면, valence band에서

conduction band로 여기 되었다가 다시 valence band 로 떨어지게 될 때, 전자는

에너지를 발산하게 되며 이때에 에너지는 대부분 빛으로 나오게 되며, 물질에 따라

발산되는 에너지는 그들만의 에너지 gap에 의한 고유 진동수를 갖는다. SiC는 파

장이 450~460nm의 청색광을 내게 되는데, 이러한 점이 SiC를 Blue LED(Light

Emitting Diode)로 응용할 수 있게 한다.[2, 3] 이제까지의 LED는 적색, 녹색, 황

색등이 널리 상용되어 왔지만, 청색을 낼 수 있는 재료는 발견되지 않았고, 따라서

이러한 LED들은 긴수명, 빠른 스위칭등의 장점이 있음에도 불구하고 계측기 또는

총천연색 display의 실현을 거둘 수가 없었다. 그러나 1990년대 부터 미국의 CREE

사에서 SiC 결정의 대형화를 이루면서 이후 Blue LED를 제조, 판매하여 LED시장

의 판도를 바꾸어 놓았고, 따라서 인류의 염원이었던 총천연색의 display가 눈앞에

다가오게 되었다.

청색광은 가시광선 영역에서, 실제로 응용할 수 있는 단파장의 광이며, 이러한 성질

은 광 기억소자 및 광송신, 수신용 기기 그 외의 광응용소자에 대한 혁신적인 기여

를 할 수 있다. 그 예로, 현재 우리가 사용하는 소형 광 디스크의 기록용량은 적색

광을 사용할 때에 비하여 약 4배에 가까운 집적 향상성을 가지게 된다, 즉, 광기록

소자의 광을 청색화하게 되면, 진동수의 증가에 따른 빛의 회절 각도가 감소하게

되므로, 이러한 빛을 이용하면 집적도가 매우 높아지게 된다. 뿐만 아니라, 청색광

에 의한 광통신에서도 전달되는 정보 및 신호의 손실률이 약 2배 정도로 감소되며,

응답도도 현저히 증가되는 장점이 있는데, 이는 단파장광의 에너지가 장파장광의

에너지보다 높기 때문이다.

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Table 1. Properties of important semiconductor materials.

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이러한 Blue LED는 현재 미국 CREE 사에서 독점적으로 공급하고 있으며, 최근 들

어 Ⅲ-V 화합물계의 GaN[4]가 SiC LED 보다 높은 휘도를 냄을 알고 일본의

Nichia사가 실험 단계를 거쳐 양산에 들어가 있는 실정에 있다.

SiC Blue LED의 개발 시기가 세계적으로 왜 늦었는가에 대해서 SiC결정의 제조방

법에 있어 최근까지 대형의 단결정을 얻을 수 있는 방법을 찾기가 매우 어려웠다는

점을 들 수 있다. 현재 SiC 결정 제조법은 크게 승화법과 CVD법으로 나눌 수 있

다. 그러나, CVD법[5~7]으로는 원하는 크기의 대형 단결정을 얻을 수 있는 공정으

로는 어려움이 많고, 고가의 gas와 제조 공정의 조절이 까다롭기 때문에, 양질의

박막을 얻는 공정에만 주로 이용된다.

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승화법에 의한 제조법은 사용하는 도가니의 크기 및 원료의 양에 따라 직경 및 길

이, 그리고 결정 성장시의 주요 매개변수가 직접 의존되며, 비교적 육성 속도가 빨

라 대형의 단결정(최대 3인치까지) 성장에 적합한 공법으로 되어 있다. 앞에서 언급

했듯이 6H-SiC 단결정의 광범위한 응용성을 뒷받침하기 위해서는 소자의 제조를

위한 고품질의 기판재료가 있어야만 한다. 이러한 기판 재료는 직경이 대형일 것,

그리고, 결정의 품질이 균일할 것, 제조에 재현성이 있어 양산시 수율이 높아야 할

것 등의 공학적인 연구요소를 가지고 있어야 한다. 본 보고서에는 1차년도에 제작

된 SiC 단결정 육성용 성장장치를 보완하여 고품질의 1인치 SiC 단결정 개발에 대

한 결과를 보고하고자 한다.

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제 2 장 문헌고찰

승화법에 의한 결정 성장은 SiC가 Fig. 1의 상평형도와 같이 2830에서 분해하여

C와 Si의 증기로 되는 기상에서 부터의 물리적 증착(Physical vapor transport)되며

따라서 흑연용기(m.p. 3300°C)에서 가열과 충진, 그리고 결정의 성장이 동시에 이

루도록 하여주는 것이 기본 원리이다.

유도가열법에 의한 성장법은 흑연을 RF 대역에서 유도시켜 가열하는 방식으로 이

미 이 가열법은 금속의 열처리 및 급속용융등에 적용되는 강력한 가열방식으로 주

파수 대역에 따라 그 특성이 다소 다르다. 즉, 발진되는 주파수 대역은 1kHz~수

10kHz대의 저주파수, 수10kHz~수백kHz대의 중주파, 그 이상 메가단위대역은 고주

파 역으로 분리되며 피 가열체의 전기적 성질 및 물리적 성질에 따라 그리고 가열

하고자 하는 시간 즉, 가열속도, 그리고 처리방식으로 표면처리인가, 또는 용융 처

리인가에 따라 차이를 보이고 있어 적절한 범위대의 주파수 선택이 가장 중요하다

하겠다.[8]

CVD 또는 LPE등의 박막 결정성장법과는 별도의 개념의 bulk 단결정 성장법으로,

성장속도는 비교적 빠르고 주어지는 온도구배와 압력에 의해 성장속도를 조절한

다.[9, 10]

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Fig. 1 The phase diagram of Si-C system[7]

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예전부터 공업적인 방법으로 널려 알려진 SiC 단결정 성장공법은 Acheson법이

다.[11] SiO2와 탄소등의 혼합물(예를 들면, 실리카50%, 코-크스40%, 톱밥7%, 염

3%)을 2000°C이상, 30시간이상을 공기중에서 가열처리하면 α-SiC를 얻을 수 있

다. 이때의 성장 반응과정은

과 같이 나타낼 수 있다. 톱밥의 혼입은 공기를 사용하여 반응가스의 순환을 잘 일

으키면 반응을 촉진 시킬 수 있는 잇점이 있고, 염의 혼입은 불순물을 염화물로 바

꾸어 증발하여 제거시키기 위한 것이다. 이 Acheson법의 공업적인 방법으로 행하

여 지는 것에 대하여 순도가 좋은 SiC을 제조하는 방법으로서 알려진 것이 Lely법

이 있다.[12] 이것은 승화법의 대표적인 것으로 공업용 SiC의 덩어리를 원형 실린

더에 넣고 2550°C정도를 유지하면 원료로 되는 덩어리는 분해를 일으키는데 이때

의 분해원리는 Fig. 2[13] 에 보인 것 처럼 SiC+C계의 증기압의 온도 의존성에서

얻어지며 Si와 SiC2, Si2C의 증기로 분해하게 되지만, 보통은 아르곤 또는 수소가스

의 분위기에서 온도구배를 주어 가열로의 저온부로 성장이 일어난다. Fig. 3은 이

러한 반응로와 생성되어진 생성물의 분포를 보인 것 인데, 2550°C의 온도에서는

증기중의 실리콘과 탄소의 비가 1보다 크게 되어져서 2550°C에서도 약간의 실리콘

이 관찰되어 질 때가 많다. 성장이 진행하는 저온부에서는 SiC가 쌓여져 있고 실리

콘 중기는 로의 내부를 대류하게 된다. 성장한 대부분의 결정은 녹색의 판상 6각

결정으로 이들의 판상결정이 응집하여 황색의 β-SiC로 성장한다. 이는 재결정온도

가 낮은 부분에서 일어나게 되며, 또한 앞서 언급한 다형간의 안정성을 참고하면

된다. 계속해서 온도가 낮은 경우에는 휘스커 결정도 성장하게 된다. 이와 같이

Lely법에서는 로의 온도 분포에 따라 각각 다른 상의 결정이 생성되게 된다. 결정

성장기구는 다소 복잡하여 완전히 규명은 되지 않았지만 α-SiC(6H)의 C축 방향의

탄소면은 고온에서 성장하는 방향으로, 실리콘면은 저온에서 성장하는 것으로 알려

져 있다.

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Fig. 2 The partial pressure and total pressure of the gas

components of Si, SiC2 and Si2C in the system of SiC+C

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A - a plane where the SiC crystal has been grown

B - the dense layer of SiC

C - the part where the plate-like SiC become to form β-SiC

D - a heat protection sheets where the whiskers of hexagonal

and cubic crystal have grown.

Fig. 3 The cross-section of Lely furnace and as-grown crystals in

each parts of the furnace

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SiC 단결정 성장용 도가니계의 원리도를 Fig. 4에 예를 들어 보였다. 이 방법은 종

래의 승화 공정을 이용한 SiC 단결정 성장법과는 달리, 분위기 압력을 진공중에서

변화제어함이 특징이라 하겠다.[14] 본 사업에서도 이와 같은 원리도에 입각하여

도가니를 설계하고 제작하였으며, 마찬가지로 분위기압을 조절함으로서 성장요소를

제어하게 되는 공법을 택하였다.

Fig. 4와 같이 이 방법은 단결정의 종자결정 SiC와 원료 다결정 SiC를 일정한 거리

를 두고 위치시킨다. 이는 승화가 일어난 증기의 입자들의 확산, 운동거리를 감안하

여 조절한다. 또, 도가니 영역의 온도분포는 원료결정온도를 종자결정보다 높게 하

며, 온도구배 ㅿT를 설정하게 된다. 그리고, 원료결정온도를 SiC의 승화온도를 설

정함으로서 원료에서 각각 다른 종류의 Si와 C의 화합물이 가스상태로 공급되어 종

자결정위에 SiC로 재결정화 한다. 결정의 성장속도, 결정의 질의 제어는 주로 온도

(종자결정온도, 원료온도), 온도구배, 분위기 압력에 의해서 조절된다.

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(a) (b)

Fig. 4 (a) Schematic diagram of the various fluxes in the

crystallization cell ; 1.seed, 2.starting material to be

recrystallized, 3.walls of graphite growth cavity, 4.

growing silicon carbide crystal ; (j1, j6) silicon fluxes

from the source and growing crystal ; j2, j4, j7) Si2C

fluxes ; j3, j5, j8) SiC2 fluxes.

(b) Temperature profile along the cell

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증기의 source와 성장하는 결정의 표면에서 일어나는 반응의 kinetics와 mass

transfer의 메커니즘을 알아보면, 진공중에서 결정 성장이 상압에서보다 훨씬 더 높

은 그리고 대형의 SiC 단결정을 성장할 수 있는 확률이 있음이 보고 되었다.[15]

Tairov등은 Fig. 4에 대하여 승화공정에 대하여 다음과 같이 설명하였다. 종자결정

을 사용하게 되면 Lely법보다 우수한 gas의 흐름도를 만들 수 있으며 (1)따라서 핵

을 형성하는 과정의 제어가 가능해 졌다. 다시 요약하면, 물질의 이동은 소결되었거

나 또는 powder상태로 있는 충진된 원료의 분해로 초기에 생성된 Si, Si2C 그리고

SiC2등과 같은 가스들의 flux에 영향을 받게 된다. (2) 실리콘 중기(열역학 데이터로

부터 얻은 것으로 기체상인 Si2C와 SiC2의 증기압보다 초과하는 압력을 갖는다)는

성장이 일어나는 공간의 graphite벽과 반응한다. (3) 그런데, graphite벽은 상대적으

로 낮은 온도를 갖게 될 것이다. 이 반응은 다음과 같은 반응식에 의해서 Si2C와

SiC2가 계속 생겨나게 된다.

따라서, 이러한 계에서는 실리콘은 C를 운반하는 매개체(여기서는 C의 source는

graphite 도가니)로 하고 있고, 성장하는 결정안으로 들어박히면서 하나의 물질의

flux를 형성하는 역할을 하게 된다.

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한편, 성장속도와 이들 flux들간의 관계에는 위에서 말한 종자결정과 source간의 거

리가 크고 작음에 따라 구별된다. 즉, 거리가 길면 예를 들면 10mm이상의 flux에

배가 되어지고, 반대로 10mm이하일 때에는 source에서 부터의 분해 증발에 의한

flux만이 주된 증기내의 flux가 된다. 즉, 결정의 성장속도는 온도가 증가할 수록,

source와 seed간의 온도차가 클 수록, 압력이 감소될 수록, 그리고 결정과 source

간의 거리가 감소될 수록 증가된다[15]. 이 보고에 의하면 압력이 20torr이하에서

의 물질이동(transport)은 확산이 증가되나, 압력이 증가되면 그렇지 않고, 대류성

이동(convective transport)이 증가된다.

본 연구에서는 이와 같은 자료를 조정하여 SiC 결정의 결함생성 억제하기 위하여

성장의 주된 요소인 성장온도, 압력을 조절하여 안정된 성장속도에서 재현성장이

가능하도록 재현성을 높이고, 도가니 내부의 seed 기판과 원료간의 거리, 온도구배

등을 제어하여 결정의 결정성을 향상시키고, 결함을 줄일 수 있었다.

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제 3 장 SiC 단결정 성장장치

3-1. 성장장치

Blue LED용 SiC 단결정의 성장을 위하여 승화법에 의한 단결정 성장장치를 제작하

였다. 성장장치는 Fig. 와 같은 시스템으로 재구성되어 있고 세부사양은 Table. 2에

정리해 놓았다. 열원으로 고주파 유도가열용 발진기를 이용하였고 SCR inverter로

주파수 5kHz, 최대출력 40kW의 사양을 가지고 있다. 도가니의 두께 및 크기에 따

라 generator의 주파수가 정해지는데, 이 또한 가열상태에 따라 변화를 주어야 한

다. 성장용 도가니의 분위기 가스 조절 및 진공상태를 유지하기 위한 진공

chamber시스템은 내부의 흑연도가니 주변의 분위기압의 자유스러운 조절을 위하여

용적을 작게 하기 위하여 석영관을 사용하여 진공로를 구성하였다. 그리하여, 성장

도가니에 미치는 불순물 및 분위기 가스조절을 용이하게 하도록 하였다.

진공용 pump를 사용하여 chamber내부의 degasing작업을 한다. 2대의 rotary

pump와 1대의 diffusion pump를 장착하고, 초기 진공때 및 Ar purging시와는 별

도로 결정성장용 rotary pump를 장착하여 성장시의 조건설정에 진공도에 따른 변

수를 줄일 수 있었다.

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Fig. 5 Re-constructed SiC growth facility

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Table 2. Components of the growth system facility

41 SUPPORT HOLDER40 WATER INLET PORT39 WATER OUTLET PORT38 COOLING LINE37 HANDLE36 BALL SCREW SUPPORT35 LOADING BODY 34 SCREW33 LINEAR GUIDE BAR32 LOADING BASE PLATE31 STOPPER30 ROLLER29 DIFFUSION PUMP28 FORE LINE VALVE27 WATER BAFFLE26 COLD TRAP25 VACUUM LINE24 MAIN VALVE23 ROUGHING VALVE22 GAUGE PORT21 WORKING COIL20 QUARTZ TUBE(OUT SIDE)19 QUARTZ TUBE(IN SIDE)18 GAS LINE PORT17 DOOR HINGE16 DOOR15 NIDDLE VALVE14 BYPASS LINE13 MAIN FRAME12 PYRO METER PORT11 GAUGE PORT10 SPARE PORT09 MAIN CHAMBER08 LOW FLANGE NO.107 LOW FLANGE NO.206 LOW FLANGE NO.305 SUPPORT BAR04 UPPER FLANGE NO.303 UPPER FLANGE NO.202 UPPER FLANGE NO.101 PYRO METER PORTNO. DESCRIPTION MAT'L Q'TY REMARK

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도가니의 온도는 적외선 투과도 95%이상인 CaF2 시창을 사용하여 적외선 온도계

로 측온하였고, pyrometer로 측정하도록 하여 RF power 조절하면서 성장온도를 조

절하였고, chamber내로 흘려주는 Ar gas의 유량 제어는 들어가는 gas량과 배출되

는 가스량을 조절하여 원하는 압력 및 유량을 얻을 수 있었다.

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3-2. 장치의 개선

3-2-1. 진공 시스템

3-2-1-1. 진공펌프

Diffusion pump와 연결된 부분은 직경 4인치의 관 내경을 유지하도록 하여 pump

의 효율을 극대화 시켰다. 일반적으로는 diffusion pump의 위치는 chamber의 하부

쪽으로 chamber내의 가스를 직접적으로 직하방으로 뽑아내도록 설계해야 하는것으

로 되어있으나, 도가니 바닥의 온도를 측정하기 위하여 옆쪽으로 구부려 진공작업

을 행하였다. 또한, 고품질의 단결정을 얻기 위해서는 고진공을 필요로 하기 때문에

cold trap에 액체질소를 사용하여 진공도를 10-7 torr까지 하강시켰다. rotary pump

는 일체식을 사용하여 소음 및 진공도 유지에 정밀을 기하도록 해 주었다. pump의

용량은 300 ℓ/min로 직접 실험결과 약 80%의 효율을 얻어낼 수 있었다. 이는

chamber내의 다른 불순물 즉, chamber벽에 형성된 수증기 입자 또는 graphite재

료에서 빠져나온 흡착물, 그리고 분위기 gas에 소량함입된 물분자등에 의해 영향을

받은것으로 rotary pump내의 oil과 물과의 비혼합성에 의해서 진공도 또한 변동을

보였다.

- 31 -

또 1기의 rotary pump를 이용하여 chamber내의 분위기 가스압력을 조절하도록 하

였다. 성장실험시는 Ar gas를 불어넣으면서 rotary pump로 gas를 뽑아내어 원하는

압력을 유지하도록 평형상태를 맞춘다. 이 조절은 니들 밸브를 이용하였다. 진공도

를 측정하기 위하여 진공게이지를 사용하였으며 digital vacuum gauge를 사용하여

진공도를 파악할 수 있도록 하였다. SiC 단결정 성장시의 압력을 조절하기 위한

pumping은 rotary pump를 이용하였으므로 최대 10-3torr까지를 보장할 정도였다.

특히 고온의 gas와 carbon 입자등의 불순물로 인한 pump oil의 오염으로 인하여

1회의 실험후에는 새로운 oil로 보충하여 주었다.

3-2-1-2. 진공라인관

주 main 관부는 Fig. 10~과 같다. 일반적으로 사용하는 스텐레스관을 사용하여, 관

내의 오염물질흡착을 방지하도록 하기위하여 고순도 세척관을 사용하였다. 관의 직

경은 8⅓인치의 관을 사용하여 진공도의 안정된 유지를 유도하였다. 초기 진공시

즉, Ar gas를 이용하여 graphite도가니 및 흑연재료들의 공극을 Ar gas로 치환해주

는 pumping시간을 주었으며, diffusion pump라인은 주로 4인치관, 성장시는 8⅓인

치관을 통하여 진공 gas가 통과하게 된다.

3-2-1-3. 진공밸브 및 fitting

진공시스템에서는 leakage 유무에 따라 그 시스템의 수준이 좌우된다. 따라서, 밸

브 및 관과 관의 fitting, flange와 관과의 밀접상태가 진공기술에서는 가장 기초가

되는 부분이다.

- 32 -

본 연구에서는 자체적인 설계과정을 거쳐 valve, fitting, 용접방법등을 정하였고, 이

를 위한 기술을 확보하고 있는 진공업체와의 discussion을 거쳐 제작한 승화법 성

장장치를 이용하였다. 밸브의 작동 solenoid valve type올 이용하여 공기압을 밸브

작동의 동력으로 사용하도록 하였다. 이 방법은 주로 main 및 gate valve를 작동할

때 적용하였다.

3-2-2. 진공 Chamber

진공 chamber로써 quartz tube의 역할은 분위기 가스에서의 수분흡착으로 인한

graphite belt등 주요 부분들이 산화되는 현상이 일어나 성장실험중 온도가 떨어지

게 되는 현상을 방지하고, 성장결정 중에 혼입되는 탄소량을 감소시키는 것이다.

quartz tube의 주위는 이중관으로 하여 냉각수를 지나가도록 설계하였으며, 상하부

의 flange를 둠으로 진공라인 배관이 용이하도록 하였고 상부 flange는 Ar gas의

flow를 유도하기 위해 1/4인치 스테인레스 관을 장착하였다. 또한 optical window

를 설치하여 내부 chamber내의 분위기를 폐쇄하는 역할을 하도록 하며 분위기압의

자유로운 조절이 가능하였다.

- 33 -

3-2-2-1. 냉각수의 유입

전장 400mm 전후이고 가열부분 즉, 도가니가 위치하는 부분에는 물재킷을 설치하

며 약 200mm정도의 길이를 갖는다. 냉각수는 4개의 inlet tube를 통하여 입수되며

물재킷의 바닥에서 부터 물이 차 올라오도록 하여 냉각의 효율을 높였다. 출수되는

물의 온도는 약 ~70정도였으며, 이때 도가니부 외부온도는 1000~1200를 나타

내었다. 성장 실험온도에 도달하면 냉각수가 끓는 현상이 일어나 수증기가 발생되

기도 하였다.

성장 실험후 chamber내벽은 graphite에서 나온 불순물, 황, 카본등이 증착되기도

하였으며 chamber의 어깨부분의 각에 따라 상부시창의 가열되는 정도는 약 400

정도 차이가 났으며, 도가니 상부의 온도도 약간의 차이가 있음을 알 수 있었다.

3-2-2-2. 가스의 유입 및 배출

분위기 가스로 사용하는 Ar gas의 유입은 chamber의 상부 flange의 작은관을 통해

이루어 진다. 비중이 무거운 기체나 고온에서의 대류에 의해서 상부쪽에만 증기압

이 높게 형성될것을 감안하여 상부쪽에서 하부쪽으로 흐름을 유도하였다. 배기는

rotary pump에 의한 강제배기이고 유입량과 배기량이 같도록 조절하기 위해 rotary

pump의 전단에 needle 밸브를 부착하여 이를 조절하였다.

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3-2-2-3. Chamber wall의 압력

Quartz는 1800정도에서 용융되며 약 1250°C부터 실투된다. 일단 실투되면 흰색

의 박편으로 균열되어 껍질이 벗겨지듯이 벗겨지게 된다. 이렇게 되면 진공도가 떨

어지게 되며, 그 부분이 취약하게 되어 깨어져 버린다. 본 연구에서는 진공도를

10-6~10-7torr로 하여 설계, 제작하였다. 또한, 내벽 quartz 관 두께를 두껍게 하여

냉각수 압에 견디도록 하였고, chamber 내부의 온도를 더 차단하게 하는 효과를

가지도록 하였다.

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3-3. 도가니의 형태의 변화

SiC원료는 고주파의 유도 전류에 대하여 유도 받지 않는다. 즉, 부도성이므로 흑연

도가니를 2차 와류전류가 흘러 발열할 수 있도록 하였다. 또한 고주파 유도 가열시

부하에는 표면부에 집중적 가열을 받으며 이때의 전류 침투깊이를 계산하여 이에

맞도록 하였다.

도가니의 형태는 일반적인 실린더형의 용기 모양을 그대로 적용하였으며 이에 대한

뚜껑을 제작하였다. 도가니 뚜껑의 두께(종자결정이 위치한 부분)는 2~8mm범위에

서 설정하여 도가니 하부와 상부의 온도구배를 설정하게 하였다.

주파수가 5kHz~7kHz 대역에서의 고주파 전류의 침투깊이는 약 4~5mm 정도 이

다. 또한 도가니의 직경은 장착된 work coil 에 근접하면 할 수록 유도가열 효율이

높기 때문에 1인치의 결정성장을 위한 도가니 벽은 단열재를 경계로 quartz

chamber와 약 5~10mm정도 또, work coil은 chamber와 4~7mm 정도의 간격으

로 거의 밀착시켜 가열하였다.

이러한 이론을 바탕으로 하여 고품위 단결정을 성장하기 위해 도가니의 내경을 변

화 시키면서 성장실험을 진행하였으며, Fig. 6에 사용된 도가니의 형태를 보였다.

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Fig. 6 단결정 성장용 흑연도가니의 다양한 형상

- 고주파 유도 가열용 피 가열체 및 도가니로서의 역할을 고려하여 설계하였다.

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제 4 장 결정성장

1차년도에 승화법에 의한 단결정 성장장치를 자체 제작하여, 예비실험적으로 직경

이 약 1인치 크기의 단결정을 성장할 수 있었다. 그 결과 직경 1인치 결정성장용

장치가 성공적으로 제작되었음을 알 수 있었고 반복 실험을 거쳐 약 1인치 직경의

결정 성장 조건 및 결정 성장 parameter를 예비적 실험을 통하여 설정하였다.

본 연구에서는 예비실험을 통해 나온 결과를 바탕으로 하여 Blue LED(Light

Emitting Diode)용 1인치 SiC 단결정의 성장 및 품질향상을 위해 성장 실험을 진행

하였으며, 실험을 통해 1인치 SiC 단결정 성장에 있어서 재현성 있는 최적의 성장

조건을 결정할 수 있었고, 그 결과 1차년도에 나온 결정과 비교하여 품질이 향상된

단결정을 성장할 수 있었다. 성장된 결정은 Fig. 7과 같다.

이 장에서는 본 연구에서 행하여전 직경 1인치의 고품질 단결정을 성장하기 위한

공정과 이에 대한 실험 결과를 온도, 압력 등의 변수를 분석하여 결함의 형성이 억

제되는 조건의 최적화를 모색하였다.

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Fig. 7 육성된 1인치의 결정

- 39 -

4-1. 결정의 직경증가

Seed로 사용한 Acheson법으로 얻어진 결정의 모양은 6각 판상형이었고 크기는 직

경10mm미만이었다. 이 상태에서의 직경의 종가가 의미 하는 것은 1)도가니 내의

종적, 횡적 온도 구배 조절이 좋은가 2)결정 성장 속도를 일정하게 유지할 수 있는

가가 핵심적인 요소 기술이라 하겠다.

SiC 결정이 성장된 상태에서 보면 적온 성장 즉 2100~2200의 온도 영역에서 성

장하였던 결정의 성장 조건을 기준되는 조건으로 잡아 결정의 직경을 증가시킬 수

있었다.

Fig. 8에 물리적인 직경의 증가 방법을 기술하였다. 이 방법은 성장 된 결정의 길

이를 온도구배에 의해서 제한되어진다. 따라서 온도구배를 설정하는 방법에 따라

성장량을 높일 수 있다. 6H-SiC는 결정 성장 조건이 정상적이라고 판단할 때 a축

방향으로의 성장이 c축 방향으로의 성장보다 빠르다. 따라서, c축 방향의 성장을

다소 늦춰주면, 직경의 증가율은 증가하게 된다. 직경 1 inch로 키우기 위한

substrate결정을 Fig. 9에 보였다. 이를 종자결정으로 하여 온도 2100~2200, 압

력 50~100 torr, 성장 속도 0.3~0.5 mm/hr의 조건에서 성장한 1 inch bulk 단결

정을 얻을 수 있었고, 이것을 Fig. 7에 나타내었다. micropipe 결함은 약 100~200

개/로 현재 6H-SiC에 존재하는 갯수보다 작았다.

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Growth temperature : 2300- 2400 deg.C.

Ar atmosphere : 200 - 400 torr

Reproducibility is the key point in this state.

Fig. 8 The precedure of increasing the diameter from the small Acheson seed

- 41 -

4-2. 결정성장속도의 제어

일반적으로 성장온도가 높고 성장압력이 낮으면 결정의 성장속도가 증가하고 반대

로 성장온도가 낮고 성장압력이 높으면 속도가 감소하는 경향을 보였다. 그러나 온

도나 압력 모두 어느 임계치이상이나 이하가 되면 결정이 성장되지 않거나 원료가

성장된 결정표면에 달라 붙는 현상을 나타내는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 도가

니 바닥온도(성장온도) 뿐만 아니라 도가니 뚜껑의 온도(기판온도)도 결정성장속도

에 지대한 영향을 미치는 것으로 실험결과 알 수 있었다. 도가니 바닥과 도가니 뚜

껑부의 온도가 100~200정도 차이가 날 때 결정의 질도 좋았고 성장속도도 안정

적이었다.

이상의 결과를 Table. 3에 실어 놓았고, 거듭되는 실험의 반복을 통해 재현성있는

결정성장속도를 얻을 수 있었으며, 성장속도의 제어가 가능하게 되었다.

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Fig. 9 Seed substrate로 가공된 SiC 결정

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Table 3. 온도와 압력에 따른 결정성장속도의 변화

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4-3. 성장온도의 최적화

모든 단결정 성장에 있어서 가장 중요하게 작용하는 요소는 온도이다. 성장온도의

미세한 차이에 의해서 단결정 성장의 성패가 좌우되므로 여기서는 SiC 단결정 성장

시의 온도에 따른 성장속도의 변화를 압력을 고정한 상태에서 관찰하여 성장된 단

결정의 품질향상에 최적의 온도조건을 유추해 내려고 한다.

본 실험에서는 성장압력을 2~300 torr까지 변화시키면서 이때의 도가니 바닥의 온

도에 따른 성장속도의 변화를 관찰하였다.

성장실험을 진행해 나가는 중 압력이 <10 torr일때는 원료의 휘발량이 너무 많아

성장속도는 아주 빨랐지만 성장된 결정의 질이 떨어지거나 원료가 결정표면에 달라

붙는 현상이 나타나 결정의 품질향상 측면에 있어서 그리 좋은 조건이 되지 못했

다. 반면에 압력이 >250 torr 이상일때는 압력이 낮을때와는 반대로 결정이 거의

성장되지 않거나 성장이 된다하더라도 0.02 mm/hr 정도의 속도로 성장이 일어나기

때문에 결정성장에 있어서 최적조건에는 부적합하였다. 따라서 도가니 바닥의 온도

에 따른 성장속도의 변화 측정은 압력조건이 10~200 torr의 범위에서 실험을 진행

하였다.

일반적으로 승화법 의한 SiC 단결정 성장에 있어서 온도가 증가함에 따라 성장속도

는 증가하는 것으로 1차년도 예비실험을 통해 보고 하였다. 이러한 상황을 바탕으

로 하여 본 연구에서는 압력을 각각 25, 70, 100, 200 torr로 고정시키면서 그때의

온도변화에 따른 성장속도의 변화를 관찰하였다.

- 45 -

먼저 압력을 25 torr로 고정하고 성장온도를 2140~2183°C까지 변화 시키면서 SiC

결정의 성장속도를 관찰한 결과는 Fig. 10과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 온도

가 상승함에 따라 성장속도는 지수함수적으로 증가하는 양상을 나타냈으며 성장속

도의 범위는 0.65~1.3 mm/hr였다. Fig. 11은 압력이 70 torr 일 때 성장온도를

2140~2246°C 범위에서 변화시키면서 성장속도를 관찰한 결과이다. 성장온도가

2140~2160에서는 성장속도가 수직적으로 증가를 하였으나 성장온도가 2246°C

에서는 성장속도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이것은 결정이 성장된 이후 성장

온도가 너무 높아서 성장된 결정표면에서 휘발이 일어난 것으로 사료된다. 이때의

성장속도는 0.1~0.8 mm/hr 였다. Fig. 12는 성장온도를 2000~2200°C까지 변화시

킴에 따른 성장속도의 변화를 나타낸 것이다. 이때의 압력은 100 torr로 고정하였

다. 그림에서 알 수 있듯이 성장온도가 증가함에 따라 성장속도는 로그함수적으로

증가함을 알 수 있었고, 성장속도의 변화는 0.3~1 mm/h 였다. 압력을 200 torr로

고정하고 성장온도를 2000~2200까지 변화시키면서 SiC 단결정의 성장속도를 측

정한 결과를 Fig. 13에 나타내었다. 이때의 성장속도는 0.2~0.7 mm/hr의 범위에

있었다.

- 46 -

Fig. 10 성장압력이 25torr 일 때 온도변화에 따른 성장속도의 변화양상

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Fig. 11 성장압력이 70torr 일 때 온도변화에 따른 성장속도의 변화양상

- 48 -

Fig. 12 성장압력이 100torr 일 때 온도변화에 따른 성장속도의 변화양상

- 49 -

Fig. 13 성장압력이 200torr 일 때 온도변화에 따른 성장속도의 변화양상

- 50 -

위 실험을 통해서 알 수 있는 사항은 성장속도가 어느 정도의 온도 범위에서는 더

이상 증가하지 않고 포화하지만 어느 온도이상이 되면 급격히 증가한다는 사실이

고, 또한 압력이 70 torr에서 성장온도가 2240이상이 되면 일정시간 이후에는 성

장되었던 결정이 더 이상 성장되는 것이 아니라 결정성장이 더 이상 진행이 안되는

결과를 얻었다. 이상의 실험결과로 부터 성장온도가 2100~2200사이에서 고품질

의 단결정이 성장된다는 것을 알 수 있었다.

- 51 -

4-4. 성장압력의 최적화

결정성장 압력은 온도가 고정되어 있으면, 성장속도를 좌우하는 요소이다. 따라서

성장압력이 낮아지면 증기의 증발량이 많아지고, 증착속도는 빨라지게 된다. 그러나

온도가 높아지면 성장속도의 변화율은 압력 의존성보다는 온도 의존성으로 되는 경

향을 보인다. 한편, 온도가 일정 성장온도 범위를 넘어서게 되면, 도가니가 승화하

기 시작하며 graphite의 고온 산화 현상으로 약 2400°C부터 서서히 진행되어서 결

정에 대한 Si대 C의 비율이 낮아지면서, carbon-rich상으로 전환되어 최종에는 탄

소로 되어 버린다. 물론, 고온에서의 기판온도도 증가하므로 SiC source로 부터 증

발되어 성장된 gas성분들이 결정으로 부터 다시 재증발되는 현상이 발생하기 때문

이다.

성장압력을 최적화하기 위하여 분석된 성장온도조건중 비교적 안정된 성장양상을

보인 성장온도범위 2000~2250°C에서 조절하였다. 이때 성장압력에 따른 성장속도

의 변화를 보기위해 성장압력은 0~250 torr까지 변화시키면서 그 결과를 관찰하였

고 이때 압력변화에 따른 성장 속도의 변화추이를 관찰하였다.

- 52 -

Fig. 14 성장온도가 2140°C 일 때 압력 변화에 따른 성장속도 변화

- 20~40torr 근방에서 양호한 결정성장

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먼저, 성장온도를 2140°C로 고정하고 성장압력을 0~80 torr까지 변화시키면서 SiC

단결정의 성장속도를 관찰하였고, Fig. 14에 나타내었다. 그림에서 보듯이 온도가

고정된 상태에서 성장압력이 증가함에 따라 성장속도는 거의 직선적으로 감소하는

경향을 나타내었다. 이때 성장속도의 변화는 0.1~0.8 mm/hr의 범위에서 변화하였

다. 성장압력을 25~100 torr까지 변화시키고 성장온도를 2150°C로 고정한 상태에

서 성장압력에 따른 성장속도의 변화를 관찰하여 보았다. 그 결과는 Fig. 15에 나

타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 성장압력이 증가함에 따라 성장 속도는 지수함수

적으로 감소함을 알 수 있었고 성장압력이 높을 때 보다 낮을 때 더 빠르게 감소

하였다. 성장온도를 2200로 고정한 상태에서 실험한 결과도 유사한 경향을 보였

다. 이 결과는 Fig. 16에 잘 나타나 있었다. 성장온도가 2200에서는 성장속도는

성장온도가 2150°C에서 압력이 낮을 때보다는 느렸지만, 성장되어 나온 결정의 상

태를 보았을 때에는 더 나은 결과를 얻을 수 있었다. 위 사항을 종합해 볼 때 고품

질 SiC 단결정 성장에 있어서 성장압력은 50~100 torr의 범위에서 고품질 단결정

올 얻을 수 있었다.

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Fig. 15 성장온도가 2150°C일 때 압력변화에 따른 성장속도 변화

- 20~40torr 근방에서 양호한 결정성장

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Fig. 16 성장온도가 2200°C일 때 압력변화에 따른 성장속도 변화

- 20~40torr 근방에서 양호한 결정성장

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제 5 장 성장결정의 평가

5-1. 광학현미경 관찰

SiC결정에는 많은 결함이 있다. 그 중에서도 면결함(plane defects)과 micropipes

는 자연 발생적이며, 인위적으로 감쇄시키기가 곤란한 결함 중의 하나이므로, 그 생

성 억제에 세심한 주의가 필요하다.

면결함은 SiC결정의 내부에 생기는 것으로 결정학적 모양을 가지고 있고 어떤 공간

등에 떠 있는 거울과도 같은 양상으로 관찰된다. 이러한 면결함은 도가니 또는 원

료증에 함유된 불순물에 의한 것이라고 해석 되며, 불순물 원자나 SiC 결합간에 형

성된 결정의 성장 방위와는 다른 방향으로 형성되고 있다.

SiC단결정의 성장 양상은 잔상의 sheet가 차곡차곡 쌓여진 것 같은 층상의 step이

발달하고 이에 의해서 a1, a2, a3 방향의 basal plane과 평행한 방향으로의 성장 속

도가 종방향보다 빠르게 나타난다. 따라서, terrace가 발달한 모양을 관찰할 수 있

다. 이를 Fig. 17에 보였다. 결정 표면에서의 가장자리부분(a)와, 중앙 부분(b)에서

발생된 step의 양상을 보여주고 있다. (b)에서는 육각형 모양이 원형으로 나타나

있다. (c)와 (d)는 결정의 성장 속도의 변동에 의해서 비안정성장된 양상을 보인것

이다. step이 micropipe를 거치게 되면 (c)와 같은 모습이 되어 micropipe의 void

를 거치면서 갈라지게 되어 결정의 질저하를 초래하게 된다.

- 57 -

Fig. 17 The steps in the natural surface of 6H-SiC boule (100X)

- 58 -

SiC결정에서 가장 관건으로 떠오르는 것이 micropipe이다. microplpe (이하 MP로

칭함)의 형성 원인은 나선 전위에 의한 mismatching과 spiral growth에 의한 중심

부에서의 동공 현상으로 해석하는 경우가 일반적으로 되어 왔으며, 1차년도 연구결

과 그 성상 및 생성 원인에 대해서는 발견하지 못하였다. 2차년도에서 m.p.는 나선

성장하는 SiC 결정의 특성에서 자연적으로 형성되며, 이는 항상 나선형 step의 중

심에 위치함을 알아내었다.

본 연구에서는 수 많은 MP를 관찰할 수 있었으며 이의 생성 원인에 대한 분석을

행하였다. 6H-SiC에 있어서 MP의 개수는 미국의 CREE사에서 내놓은 400개/로

알려져 있다.

- 59 -

5-2. Laue pattern

육성된 결정을 박편화하여 Laue pattern을 얻었다. X선의 출력은 40kV~40mA로

조사하였으며, 노출시간은 75분 이었다. 노출시간이 짧은 경우에는 상이 잘 맺혀지

지 않았다. 결정학적으로 전형적인 hexagonal 결정계에서 볼 수 있는 pattern으로

6mm의 대칭성이 관찰되었다. Fig. 18에 보였다.

또한 Laue pattern의 각각의 spot의 형태는 결정의 결정성과 밀접한 관계가 있는데

spot이 퍼지는 현상이 관찰되지 않는 것으로 보아 비교적 양호한 결정성을 보이는

결정임을 알 수 있었다. 또한 spot의 양이 많은 것은 각각의 결정의 배열방향에서

정연한 배열상태로 성장이 되었음을 알 수 있다.

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Fig. 18 SiC 결정의 (0001) basal plane의 Laue pattern

- 61 -

5-3. XRD

SiC단결정의 육성된 결정에 대하여 X-ray에 의한 FWHM(Full width of half

maximum)을 측정하여 결정성을 평가하는 방법으로 rocking curve를 얻었다.

Fig. 19는 본 연구에서 성장된 6H 결정에 대한 XRD pattern이다. 이에 대하여 Kα1

과 Kα2 split을 얻은 Fig. 20(a)에서는 intensity의 비가 2:1로 나타났다. rocking

curve를 얻기 위하여 X선 장치의 detector를 35.60° (≈2θ)에 고정시키고 시료를

회전시키면서 성장한 6H-SiC에 대한 rocking curve를 얻었다. 이를 Fig. 20(b)에

나타내었다. 결정성이 나쁜 경우 rocking curve는 broad하게 나타나게 되며, 일반

적인 결정에 대하여 이론상으로는 0.003° 정도가 나오게 되는 것이 이상적이나, 대

부분 10~100배 정도의 넓은 폭을 갖게 되는 것이 일반적인 측정의 결과이다.

6H-SiC의 경우 rocking curve의 폭은 약 0.01° 로 측정되어 진다. 본 연구에서는

측청 결과 0.06° 로 측정된 결정을 얻을 수 있었다.

- 62 -

Fig. 19 6H-SiC 결정의 XRD pattern

- 63 -

(a)

(b)

Fig. 20 (a) Kα1 and Kα2 split for as-grown 6H-SiC and

(b) rocking curve form XRD pattern of it

- 64 -

5-4. Raman Spectroscopy

5-4-1. Raman Effect

모든 분자는 polarizability, α를 소유하며 electric field gradient, E(V/m)가 적용되

었을 때 분자의 dipole, P(V/m)을 만들어 낸다. 즉

이것은 분자의 전자구름의 작은 distortion에 기인하며, 만약 field가 진동수 ν。

(Hz)의 electromagnetic radiation이 적용될 때

여기서, t는 시간이며, Eo는 maximum electric field strenth(V/m)이다. 또한 분자

가 진동할때의 polarizability는 아래와 같은 방정식으로 표현되어진다.

따라서, 진동수 ν。에서 irradiate 되어지고 진동수 νvib하에서 진동하는 분자계에서

의 induced dipole은 ν。+ νvib에 따라 변화할 것이다. polarization과정은 발열반응

이며 따라서, spontaneous relaxation은 “산란”이란 과정의 emission이다. 방정식

(3)에서 볼 수 있듯이 v。에서 산란된 빛의 강도는 ν。+ νvib이다. ν。- νvib보다 더

강하며, ν。에서의 산란을 Rayleigh산란이라고 부르고, ν。+ νvib와 ν。- νvib은

Raman 산란이라고 불린다. Rayleigh산란은 탄성적이므로 비탄성적 산란이 Raman

산란보다는 103배 강하다. 또한 ν。+ νvib에서의 산란을 anti-Stokes Raman 산란,

ν。- νvib에서의 산란을 Stokes Raman산란이라고 부른다.

- 65 -

에너지 level diagram에 의해 이러한 과정을 이해해 보면 scattering으로서

vibrational quantum number, V에 변화가 없이 일어나는 relaxation을 비롯하여 ⊿V=-1인 anti-Stokes산란이다. Raman산란의 강도는 분자초기상태의 분포와 관련이

있어서 Stokes Raman산란은 바닥상태인 V=0의 population과 관련이 있고,

anti-Stokes Raman산란은 1st excited vibration level, V=1 population과 관련이

있다.

이러한 분포는 Boltzmann 분포식, 식 (4)에 따른다.

예를 들어, 염소기체의 경우 ⊿E=1.003X10-20J 이므로 = 0.087이 된다. 그

러나, Raman scattering의 효율은 산란되는 빛 진동수의 4승에 비례한다. 비록

anti-Stokes선의 강도는 Boltzmann factor에 따라 감소하지만 산란되는 빛의

frequency는 더 높고 산란은 더 효율적으로 일어나다. Ianti-Stokes/IStokes은 식 (5)에

의해 표현될어질 수 있다.

- 66 -

여기서 ν。는 excitation frequency (-1)

v。는 vibrational frequency (-1)

여기서 특별히 유의해야 할 점은 Raman Scattered light은 어떤 파장을 가진

excitation source로 부터 생성되고 따라서, Raman 스펙트럼은 이러한 excitation

source로 부터 frequency shift와 Raman signal의 강도로서 나타난다. 이것이 왜

near-IR source로 부터 스펙트럼을 기록하는 이유이며 옛날에는 visible source를

사용했으며, Raman 실험은 UV source를 이용할 수 있다.

5-4-2. SiC 결정의 측정

Raman은 FT-IR과 상호 보완적으로 분자들의 진동에너지로 분석되는 것이지만, 한

편으로 단결정 시료의 결정성 평가도 가능하다. 이는 detect되는 phonon들의 파장

별 에너지 분포가 좁은 파장영역에 존재하는가를 봄으로서 가능하다. 즉 각 파장별

로 나온 phonon들이 만들어낸 세기 분포곡선의 반폭치값은 결정의 결정성을 측정

할 수 있다.

- 67 -

Fig. 21은 성장에 사용한 Acheson seed에 대한 Raman peak이다. 광원은 514.5

nm의 레이저를 이용하였고, 50mW의 출력으로 조사하여 상온에서 측정하였다. 46

kaizer의 반폭치를 가짐을 알 수 있었다. 성장된 결정은 Fig. 22에 보인 것 같이

790 kaizer에서 특성 phonon이 생성되고 FWHM은 44 cm-1이다.

대체로 Acheson법으로 성장한 SiC 결정은 m.p. 및 planar defect가 매우 적어 품

질이 좋은 편이나, 형상이 다양하여 성장후 가공성이 떨어진다. 따라서, seed 결정

으로의 가공이 결정성장시 주의해야 성장방향 제어할 수 있다.

본 연구에서 성장된 결정의 결정성은 결정서이 양호한 Acheson seed에 비해

phonon 에너지가 매우 컸으며, FWHM값은 작았다.

- 68 -

Fig. 21 Acheson seed에 대한 Raman peak

- 514.5 nm, RT, FWHM 46cm-1

- 69 -

Fig. 22 성장된 6H-SiC에 대한 Raman peak

- 514.5 nm, FWHM 44cm-1, 50mW

- 70 -

5-5. FT-IR 분석

Fig. 23에 FT-IR기기에 의해서 얻은 Transmittance 곡선을 보였다.

Tairov등이 보고한 바에 의하면 6H-SiC에 대한 굴절률(n)을 계산하는 식으로

를 제시하였으며, 이 때 T는 가시영역의 광투과도이다. 이론

상의 6H의 굴절률 n = 2.75정도로 보고하고 있다.

그러나, 1차년도 연구결과 subtrate의 투과도는 매우 약했으며, 이는 탄소등의 불순

물이 혼입된 결과라 할 수 있다. 또한 성장온도의 차이에 따라서 결정의 색상은 진

한녹색(저온)에 서 옅은녹색 또는 회색(고온)으로 변화된다. 본결정은 다소 저온에

서 성장된 결정으로 녹색을 띤 결정이었다. 그림에서 wavenumber 2500~500

cm-1사이의 흡수 band는 SiC의 격자 진동에 의한 것으로 1500~500 cm-1사이의

강한 흡수 band는 격자 진동들의 조합에 의해 형성된 것이다. 2차년도에는 결정

성장부의 온도를 약 100°C정도 올려서 성장한 결과 양호한 SiC 결정이 생성되었으

며 투과도도 약 60% 증가를 보였다.

- 71 -

Fig. 23 6H-SiC의 FT-IR 분석

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5-6. SEM

SEM을 이용하여 micropipe를 관찰하여 이를 Fig. 24에 보였다. (a)는 우측이 종자

결정쪽이다. 따라서 좌측에서 우측방향으로 micropipe가 생성된 것이다. 다시 말하

면, 넓은 terrace의 성장으로 진행되어지는 SiC의 성장 기구에 의해서 일단 형성된

미세한 동공이 이를 채우지 않고 성장하는 결정의 원자들에 의해서 자연적으로 형

성된 것이라고 사료된다. 직경은 약 15μm로 관찰되었는데 micropipe의 크기는 수

μm ~수십 μm까지로 다양한 크기로 존재한다.

또한, micropipe의 생성 위치는 임의적이며 전혀 예측할 수 없으나, 본 연구에서는

(1) 면 결함과 관계되어 있을 수 있다는 점, (2) 침입된 불순물의 영향, (3) 성장속

도의 국부적 변동에 따른 점, (4) 나선 전위의 중심부에서 발생된 적층 결함의 모임

이라고 생각된다.

- 73 -

Fig. 24 직경 15 μm 정도의 거대한 micropipe

- 주변에 carbon 입자들이 응집되어있다.

- 74 -

5-7. Hall Effect

Hall effect 측정법은 반도체 재료의 전기 전도도, 이동도, 캐리어 농도, n형이나 p

형 판정 등을 측정하는 방법으로서 여러 가지 반도체 재료의 전기적 특성들을 조사

하고 분석하는데 핵심적인 특성 분석 방법이다.

5-7-1. 응용 원리

반도체에 전압이 걸리면 전계의 영향에 의해 전자와 hole(정공)의 이동방향이 서로

반대가 된다. 벡터 기호를 써서 전계 및 자계에 의한 단일 정공에 대한 전체적인

힘

y방향에서의 이 힘은

로 된다.

식(2)의 중요한 결과는 전계 Ey가 이 봉의 폭쪽으로 생기지 않으면 각 정공은 곱

qVxBz로 인하여 -y방향으로 실질적인 힘(가속도)올 받을 것이라는 것이다. 따라서

이 봉의 길이에 따라 내려가는 정공의 정상적인 흐름이 유지되려면 전계 Ey가 곱

VxBz와 균형을 이루어야 한다. 즉

- 75 -

따라서 실질적인 힘 Fy는 0이다. 물리적이로는 자제가 hole의 분포를 -y방향으로

약간 편이 시킬 때 이 전계가 생긴다. 일단 전계 Ey가 VxVz만큼 크게 되면 이 hole

은 그것들이 이 봉을 따라 움직일 때 아무 실질적인 횡방향 힘을 받지 않는다. 이

전계 Ey의 형성은 Hall effect로 알려져 있으며, 이로 인한 전압 V AB = Ey W를

Hall 전압이라고 한다. 이 전계 Ey는

따라서 Hall 전계는 전류밀도와 자속밀도의 곱에 비례한다. 비례상수 RH = 1/qp을

Hall 계수라 한다. 따라서 전류와 자계에 대한 Hall 전압의 측정으로 hole농도 Po의

값을 얻는다. 즉

식(5)의 오른쪽 변의 모든 양은 측정할 수 있으므로 Hall effect는 매우 정확하게

캐리어 농도의 값을 얻는데 쓸 수 있다.

저항 R의 측정이 이루어 지면 시료의 비저항 p가 계산된다. 즉

전도도 σ=1/ρ는 qμpPo로 주어지므로 이동도는 단순히 Hall 계수와 비저항의 비로

된다. 즉

Hall 계수와 비저항의 한 온도 범위에서의 측청은 온도에 대한 다수 캐리어 농도와

이동도의 관계를 만들게 된다.

- 76 -

5-7-2. 측정 방법

시편을 약 5mmx5mm의 정사각형 모양으로 자른 후, ohmic 접합을 만들기 전에

TCE, 아세톤(aceton), 메탄올(methanol), 순수(DeIonized water)순으로 초음파 세

척기를 사용하여 세척한 다음 In, In-Sn, Au:Ge/Ni등으로 Fig. 25와 같은 ohmic

접합을 만든다. Ohmic 접합을 효과적으로 하기 위해 질소나 수소분위기에서 450

로 3분간 annealing한다. 이와 같은 방법으로 준비된 시편을 Hall effect 측정장치

에 장착하여 측정한다. 이때 비저항 ρ는 Van der Pauw가 임의 모양의 시료에 대

하여 계산한

따르며, 여기서 d는 시료의 두께이며, Rij, kl은 Bkl/lij로 정의한다. 또 f는 가로방향의

저항과 세로방향의 저항값의 비이며,

식에서 얻을 수 있다. 또한, 이동도는

이다. 여기서 VB13과 Vo

13은 시료에 수직으로 자장(B)을 걸어 주었을때와 그렇지 않

을 때 측정된 1번과 3번단자간의 Hall 전압이다.

- 77 -

Fig. 25 Hall effect 측정용 시편을 holder에 붙인 모양

- 78 -

5-7-3. 성장된 SiC 결정의 측정

성장실험을 통해 나온 결정은 5-7-3절에 언급한 것과 같은 방법을 이용하여 hall

effect를 측정하였다.

가로×세로가 5mmx5mm되게 cutting한 후, 세척된 SiC 결정의 4 corner에 각각 전

극을 evaporator를 사용하여 증작시킨 후 600, 5분 동안 annealing을 하였다. 그

후 각 전극에 Au선을 붙여 hall effect 측정 장치에 장착하였다. 이때 magnetic

induction(B)는 3000 gauss, 두 sample (sample01, sample02)의 두께는 각각

0.58, 0.59mm 이었고, 그 결과는 다음과 같다.

Sample01과 sample02에 대해서 비저항(resistivity, ρ)는 각각 6.44, 6.55 (Ωㆍ),

이동도(mobility, μ)는 300.2, 300.3 그리고, doping 농도는 각각 2.079X1016,

2.079X1016 (cm-3)이었다. 여기서, 이동도는 Table. 1에 나온 6H-SiC의 data보다

약간 높은 값 이었으며, doping 농도는 1 order만큼 작았다. 자세한 내용은 Table

4.에 나타내었다.

- 79 -

Table 4. SiC 결정에 대한 Hall effect 측정 data

- 80 -

5-8. Etching

어떠한 재료의 균일한 성질 또는 물성은 그 재료에 있어서의 구조적 결함의 유무

즉, 조직적인 완벽성에 의해서 구별된다. 따라서, 이러한 구조적인 결함의 많고 적

음 또는 분포 상태에 따라 재료의 물성에 차이가 난다는 것은 명백한 사실이다. 따

라서, 본 연구에서는 이러한 결함의 동정을 SiC 결정에서의 결함 양상 고찰을 통해

평가하였으며, 6H-SiC의 기저면인 (0001)면과 (000 )면의 차이를 구별하려 하였

다.

성장된 6H-SiC 단결정에 대하여 용융 KOH 중에서 조건을 두 가지로 하여 열

etching하였다. 온도 및 시간은 각각 580°C에서 10~15분 그리고 600°C에서 30분

의 두 경우로 행하였다.

Etching용 시편은 경면으로 연마하여, etching 용액에 담가 부식시킨 후 알코올에

서 세척하여 광학현미경하에서 etch pits pattern을 관찰하였다. 보통의 산 또는 알

카리 용액중에서는 etching 속도가 느리기 때문에 etching의 완료 여부를 가리기

곤란하였다. 따라서 온도를 올려 열etching으로 etching의 속도를 증가시키고, 또한

SiC의 표면상 즉, Si 면과 C면에 따른 차이를 etching의 속도로 구별할 수 있었다.

Etching 결과 Si면에서의 etching보다 C면의 etching 속도가 현저히 느림을 알 수

있었으며, 나타난 etch pits pattern도 달랐다.

- 81 -

Fig. 26 Typical hexagonal etch pits pattern in 6H-SiC (1000 x )

- 82 -

Fig. 26은 6H-basal plane에서의 육각 pit pattern올 나타내었다. 중앙부위가 볼록

하게 솟아 오른듯한 양상이 관찰되었다. Etch pit density는 103/ 이었다.

- 83 -

제 6 장 고찰

6-1. 결함 억제 기술

6-1-1. 면결함

면결함은 SiC결정의 내부에 생기는 것으로 결정학적 모양을 가지고 있고 어떤 공간

등에 떠 있는 거울과도 같은 양상으로 관찰된다. 이러한 면결함은 도가니 또는 원

료중에 함유된 불순물에 의한 것이라고 해석되며, 불순물 원자나 SiC결합간에 형성

된 결정의 성장 방위와는 다른 방향으로 형성되고 있다.

Fig. 27은 성장된 6H-SiC 결정에 대하여 광학현미경의 투과 광으로 관찰한 것을

보인 것이다. 육각형의 형태의 면결함이 잘 나타나 있다. 이 결정의 박편화된 시편

을 육안으로 보면 내부에서 광산란에 의해 반짝거리는 현상을 볼 수 있는데, 그 방

향이 거의 비슷하며 sheet에 수직 방향, 즉 결정의 성장 방향인 <0001> 방향에 대

해 약 5~10° 기울어진 방향으로 존재한다.

- 84 -

Fig. 27 Typical planar defects in 6H-SiC

; this plane itself has step growth habit. (1000X)

- 85 -

이러한 면결함의 발생 원인으로는 결정의 성장시 기체 분자들에 섞여져 있는 불순

물의 한 입자가 격자들이 배열되는 사이에 위치하게 되면, 이 불순물은 주위의 Si

과 C원자들에게 Si-C의 결합을 생성할 수 있는 또 하나의 핵으로 작용하거나, 또

는 Si-C 결합의 적층 변형을 야기하여 여기에서 역시 다른 한 개층의 step 격자

자리가 생성되므로, 여기에서 다시 제 2상의 결정배열이 생겨나게 되는 결과라고

면결함의 성인을 고찰할 수 있다. Fig. 28은 크기가 작은 planar defect인데 본 연

구결과 면결함의 수는 1차년도 보다 현저히 격감되어 약 102개/ 로 관찰되었다.

주위에 가느다란 실같은 형상을 한 것이 미소 micropipe이다.

이러한 면결함을 줄이기 위해서 초기진공을 10-7 torr까지 하강하여 잔존하는 기체

불순물들을 제거하는 baking시간을 길게 하여 원료의 정제 및 도가니의 정제를 한

층 더 높였다. 또한 결정성장에 있어서 최적조건의 온도와 압력을 설정하여 실험을

한 결과, 그림에서 볼 수 있듯이 면결함의 직경이 전체적으로 작아진 것을 확인할

수 있었다.

6-1-2. Micropipes

SiC 결정에서 가장 주목이 되고 결함 중 하나로 앞의 면결함과 함께 기판으로서의

물성에 직접적으로 영향을 주는 거대한 동공결함의 일종으로 해석되어 오고 있다.

이 결함의 형성원인은 나선 전위에 의한 mismatching과 육각 나선형 step 성장에

따른 중심부에서의 동공 현상으로 해석하는 경우가 일반적으로 되어져 왔으며, 아

직까지 그 성상 및 생성원인에 대해서는 발견되지 않고 있다. Fig. 29에 전형적인

micropipe의 모습을 보였다.

- 86 -

Fig. 28 Planar defect와 micropipe (200X)

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Micropipe의 생성 원인에 대하여, 성장속도와 결정성의 관계를 고찰해 보았다. 위

에 언급한 micropipe의 성인과 성장 속도 요소를 결합하여 생각하면, terrace의 발

전된 진행이 균일한 경우 즉, 결정성장속도가 일정하게 유지되고 있다면, 이는 결정

에 있어서의 성장 계면에서는 온도구배, 원자의 결합 에너지 준위, 원자들의 증착

및 해리(또는 승화)에 대한 에너지가 평형상태를 이루고 있다고 가정할 수 있으며,

이 상태에서의 결정 성장의 양상은 6H-SiC의 육방정계의 결정학적인 성상을 수반

하는 육각형의 step이 형성되어질 것이다. step의 형상은 육각의 나선형으로 나타

나며, 이는 결정이 성장하는 계면에서의 결정배열이 최밀충진되는 방향과 성장되는

방향과의 차이가 있기 때문이라고 생각한다. 따라서, 이러한 상태에서는 불순물의

침입이나 적층결함 등의 불안정한 에너지의 상태로 변화되기는 용이하지 않으며,

즉 결함의 발생이 되지 않는 상태로 결정의 성장속도가 Si과 C의결합을 안정화시킬

수 있는 에너지 교환속도와 같아지게 되도록 즉, 평형을 이루는 속도로 자라게 된

다고 생각한다.

- 88 -

Fig. 29 전형적인 micropipe 형상 (1000X)

- 89 -

그러나, 실제로는 결정이 성장하는 공간 내에서는 계속적으로 에너지의 교환이 일

어나고 있고, 이러한 변환 단계에서는 국부적으로 불완전한 계가 안정한 상태로 되

는 즉, 결함이라는 에너지가 큰 부분이 존재하여 에너지의 소모가 이루어져야 하는

상태가 있다. 다시 말하면, 원자의 결합상태가 완전히 규칙적이지 않고 미세하게 변

형이 되어 배열이 된다면, 이 때의 에너지 상태를 낮추기 위한 방향으로 계는 변화

할 것이다. SiC의 경우는 원자의 배열이 단순 단 원자 층의 배열이 아니라 Si-C의

이중충이 배열되어지는 것이므로 결합방향의 변환이 용이할 것으로 판단된다. 적층

결함은 이러한 미시적 상태에서 발생하는 결함이며, 적층결함이 발생되어지면, Si와

C는 그에 따른 또 하나의 배열을 가지던가(다형의 형성) 또는 결합에 참여하지 않

고 계속적으로 동공으로 남아있게 된다. 이것이 micropipe의 성인이라고 생각된다.

6H-SiC에 있어서의 micropipe의 개수는 아직까지 미국의 CREE사에서 내놓은 400

개/로 알려져 있다. 본 연구에서는 200개/의 평균 갯수를 구할 수 있었다.

Fig. 30에서는 SiC 결정내에서 micropipe의 원인이 되는 carbon 불순물의 형상을

나타내었다. 또한, micropipe 형상에 대하여 Fig. 31에 보였다. 그림에서 step과 만

나는 micropipe의 전형적인 모습을 나타내고 있는데, 하나의 나선으로 구성된 형상

과 여러 나선이 하나로 모인 micropipe의 형상을 관찰할 수 있다. 또한, Fig. 32에

서는 1개의 micropipe가 진행하다가 두 개로 나누어진 형상을 볼 수 있다. 반대로

합쳐진 경우는 극히 드물다.

- 90 -

Fig. 30 성장결정중에서 관찰된 carbon 응집체의 모습

; 성장온도가 낮은 경우에 상당량 분포되어있다.

- 91 -

Fig. 31 Micropipe의 생성원인인 나선성장 step

- 92 -

Fig. 32 연마된 6H-SiC에서 관찰된 micropipes (1000X)

- 93 -

본 연구에서의 고품질의 Blue LED용 1인치 SiC 단결정 성장을 위해 micropipe의

개수를 줄이는 방향으로 성장실험을 실시하였다. micropipe의 수를 줄이기 위해 성

장온도 및 성장압력을 최적화하여 SiC 단결정을 성장한 결과 micropipe의 수를

100~200개/로 낮출 수 있었다. 이것을 Fig. 33에 나타내었다. 그림에서 알 수

있듯이 결정에 산재해 있던 micropipe가 현저히 줄어든 것을 볼 수 있었고, 이 결

과로 본 실험을 통해 성장된 SiC 단결정이 Blue LED의 기판으로 사용 될 수 있는

고품질의 단결정으로 성장되었다는 것을 육안으로 확인할 수 있는 좋은 근거가 되

었다.

6-1-3. Etch pits pattern

SiC 결정에서의 etch pits의 형태는 매우 다양하게 나타났다. 가장 우선적인 것은

육각형의 모양인데, 이는 6H-SiC의 기저 면에서 생겨나는 결정학적인 형을 수반하

고 있는 pit의 형태이다.(Fig. 26) C면에서 관찰되어진 etch pits pattern은 etch

hillock이다. 이들의 분포는 Fig. 34에 보인 것처럼 불규칙적으로 모여있다. 성장된

6H-SiC 결정에 대하여 광학현미경의 투과 광으로 관찰한 것을 보인 것이다. 육각

형의 형태의 면결함이 잘 나타나 있다. 이 결정의 박편화된 시편을 육안으로 보면

내부에서 광산란에 의해 반짝거리는 현상을 볼 수 있는데, 그 방향이 거의 비슷하

며 sheet에 수직 방향, 즉 결정의 성장 방향인 <0001> 방향에 대해 약 5~10° 기

울어진 방향으로 존재한다.

- 94 -

Fig. 33 현저히 격감된 micropipe의 크기 및 숫자

- 95 -

Fig. 34 Etch hillock

- 96 -

이러한 면결합의 발생 원인으로는 결정의 성장시 기체 분자들에 섞여져 있는 불순

물의 한 입자가 격자들이 배열되는 사이에 위치하게 되면, 이 불순불은 주위의 Si

과 C원자들에게 Si-C의 결합을 생성할 수 있는 또 하나의 핵으로 작용하거나, 또

는 Si-C 결합의 적층 변형을 야기하여 여기에서 역시 다른 한 개층의 step 격자

자리가 생성되므로, 여기에서 다시 제 2상의 결정배열이 생겨나게 되는 결과라고

면결함의 성인을 고찰할 수 있다.

어떤 일정한 형태의 결정학적인 모양이 etching면이 속한 결정학적인 의미를 수반

하지 않고 전위가 발달되어 진행되어진 방향에 의거하여 생겨난 것으로, Fig. 35는

(0001)면과 약 10~20° 정도의 경사를 두고 배열된 결정면에서 관찰되어진 것으로

사료된다.

Etching 분석은 성장결정에 존재하는 전위를 알아내는데 유용하다. 이제까지의 결

과 SiC의 etch pit pattern은 육각형의 선전위 pit와 hillock의 나선전위 pit가 존재

하고 있다. 전위밀도는 본 연구결과 103/로 비교적 낮은 결과치를 보이고 있다.

- 97 -

(a)

(b)

Fig. 35 (a) is the normal etch pits pattern in the layered step region, 15R

(1000X) and (b) is the pipes in the 15R region (500X) These pits could be

differenciated because of the crystal direction difference

- 98 -

제 7 장 결 론

1차년도에 이어 2차년도에 성장장치를 보완, 수정하여 승화법에 의한 결정 성장 장

치 제작ㆍ보완 및 예비 실험, 그리고 고품질의 직경 1 inch 단결정을 얻기까지의

경과 및 결과에 대하여 보고하였다. 성장 장치의 제작시에는 직경 1 inch 단결정

뿐 아니라 2 inch의 단결정 또한 가능하다라는 계획과 목표를 설정하였지만 현 장

치에서의 출력 한계로 인하여 직경 1 inch 결정이 성장 가능한 최대 직경이었다.

제작된 장치는 순수 국내 기술을 이용하였고, 주요 부품 및 측정 기기는 외산을 사

용하여 아직은 장치의 완전 국산화에는 이르지 못한 점이 있지만, 국내의 현 실정

을 감안해 볼 때, 그러한 장치를 제작할 수 있는 기술의 보유가 커다란 국익이 될

것으로 사료된다.

본문에서 설명한 진공도 유지 기술, 유도 가열 장치의 발열 기술 즉, matching 기

술, 성장 공정의 표준화 및 결정 성장 결과의 재현성 향상 등의 요소 기술을 확보

함으로서 성장 장치 및 공정의 안정화에 중점적으로 노력하였다. 육성한 6H-SiC

단결정은 그 수준에 있어서 미국의 CREE사 제품과 비교하면 불순물의 처리 기술과

결합의 제어 기술등 품질 제어 기술이 아직은 미비한 상태이나, 동 기술이 확보되

면 국제적으로 충분한 경쟁력이 있을 것으로 사료된다.

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또한, 최근의 동향은 청색 LED의 제조를 위한 기판 재료로서 뿐만이 아닌 한 단계

수준높은 기술을 요하는 device 소자용 기판재료로의 응용성을 높이는 추세에 있음

을 직시하고, 한 차원 높은 양질의 대행 단결정을 육성하도록 하였다.

이상의 연구 결과에 대하여 요약해 보면 다음과 같다.

1. 승화법에 의한 단결정 성장 공정을 국내 기술로 확립하고, 성장장치의 제작기술

을 확보하였다.

2. 승화법에 의한 SiC 단결정에 대한 최적 성장 조건을 수립하였다.

이 조건은 고품질 단결정의 성장조건으로 재현성을 향상하였다.

성장온도 : 2200 ~ 2300

성장압력 : 50 ~ 100torr

성장속도 : 0.2 ~ 0.7mm

3. 직경 1 inch의 wafer를 제조할 수 있었다.

4. 투명한 녹색의 결정을 비롯하여 엷은 회색에 가까운 색을 띄고 있었다.

5. Micropipe의 수는 200개/ 였고, 면결함은 약 102개/ 였다.

이는 위의 2항의 조건에서 성장된 결정에서 얻어진 data이며, 성장재현성이 높아

blue LED 기판으로 사용가능함을 알았다.

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