화학증착 탄화규소

1. 서론

탄화규소(SiC)는 내열성, 내식성, 내산화성, 내열충격성 등이 우수하기 때문에 고온반도체, 고온구조재료, 반도체용부재 등으로의 응용에 유망한 재료이다.1 소결탄화규소의 경우에 제조시 일반적으로 2000oC 이상의 고온이 필요하고, 소결첨가제와 기공을 포함하고 있으므로 순도가 떨어진다는 단점울 갖고 있다.2 이에 비하여 화학증착에 의해 제조된 탄화규소(chemically vapor deposited SiC, CVD-SiC)는 Si 및 C 를 포함하는 기체를 이용하여 소결과정을 거치지 않고 기체로 부터 직접 SiC 고체를 형성하므로 1200-1500oC 정도의 낮은 온도로 소결조제의 첨가 없이 치밀하고, 순도가 높은 SiC를 얻을 수 있다는 장점을 갖고 있다. 따라서 CVD-SiC는 여러분야에서 응용이 검토되고 있고, 현재 대표적으로 사용되고 있는 곳은 반도체 웨이퍼 처리용 susceptor, 내마모 코팅, 광학용 고에너지 미러(mirror), 태양광 집광기( solar concentrator), 천체 관측용 망원경 미러, 대형 경량 미러(large lightweight mirror) 등이다.

Table.1 은 미국 Morton International Advanced Materials에서 제조된 화학증착 탄화규소의 특성을 보여준다.

Table 1. Typical properties of CVD-SiC [3]

2. 탄화규소의 화학증착

(1) 원료

탄화규소의 화학증착에는 precursor로서 silane 화합물이 사용되고 있으며 특히 CH3SiCl3 (methyltrichlorosilane, MTS) 가 주로 사용되고 있다. MTS 의 장점은 Si:C ratio 가 1:1 이므로 stoichiometric SiC 의 증착이 용이하다는 점이다.

(2) 증착반응

탄화규소의 화학증착반응에 관하여는 여러가지 견해가 있는데 이를 요약하면 아래와 같다.

Muench 등의 견해 [4]

• 저온화학증착( 1200℃)

  

• 고온화학증착( 1800℃)

  

Christin 등의 견해 [5]

• Overall reaction

  

  1. 1단계: 중간화합물로의 열분해
     Carbon containing species: CH3 radical, CH4
     Silicon containing species: SiCl3 radical, SiCl3, SiCl2
  2. 2단계: 중간화합물의 Si, C 원소로의 열분해
     CH4 → C + H2
     SiCl3 + 3/2H2 → Si + 3HCl
  3. 3단계: 화학증착
     Si + C = SiC
     또는 SiC + Si
     또는 SiC + C

탄화규소 화학증착의 대표적인 공정변수들은 Table 2 에서 보여준다.

Table 2. Summary of CVD-SiC [3]

화학증착시 균일한 증착속도와 미세구조를 얻기 위해서는 반응관 내에서 기체의 흐름이 laminar flow 가 되어야 하고 recirculating back flow 는 바람직하지 못하다. Recirculating back flow 를 제거하는 방법으로는 (i) high gas flow rate 의 이용 및 (ii) porous glass fiber 와 같은 distributor 의 이용 방법등이 보고 되어졌다.6

화학증