화학증착에 의한 Silicon carbide 증착층의 증착기구및 기계적 성질에 대한 연구

Abstract

III-3. Si-C-Cl-H계중에 하나인 $CH_3SiCl_3-H_2$ 계에서 존재할 수 있는 화학종들을 고려하여 반응온도, $CH_3SiCl_3$ input fraction, 반응압력등을 변화시켰을 때, 열역학적 평형조성 및 수율을 계산한 결과 다음과 같이 요약할 수 있다. 1. $CH_3SiCl_3-H_2$ 계에서 다량 존재하는 화학종으로는 silicon souce로써 $SiCl_2$, $SiCl_3$, $SiCl_4$, $SiCl_3$, $SiCl_2H_2$, $SiCl_3H$ 이며 carbon source 로써 $CH_4$, $C_2H_2$, $CH_3$ 등이 있으며 이중 가장 중요하게 고려할 화학종들은 $SiCl_4$, $SiCl_2$, $CH_4$ 임을 알 수 있다. 2. $CH_3SiCl_3-H_2$계에서 열역학적 수율을 계산한 결과 반응온도가 1350 K이 상에서 99%의 일정한 값으로 최대의 수율을 나타내며, $CH_3SiCl_3$ input fraction이 0.01일때 1000 K나 1600 K 모두 최대의 수율을 보인다. 그러나 반응압력에 따라서는 거의 변화없이 일정한 수율을 나타냄을 알 수 있다. 3. 위와 같은 결과로 부터 본 연구에서는 1350 K 이상의 증착온도와 300 torr의 증착압력 그리고 $CH_3SiCl_3$ input fraction 을 0.01로 하는 실험 조건을 선택하였다. VI-3 $CH_3SiCl_3$와 $H_2$ 혼합기체를 이용하여 graphite substrate 위에 silicon carbide를 화학증착 시킬때 반응변수들이 증착속도와 미소경도에 미치는 영향을 관찰한 결과 다음과 같이 요약 될 수 있다. 1. 1100℃와 1400℃ 사이의 온도구간에서 silicon carbide의 화학증착반응은 열활성반응인 증착표면에서의 표면반응에 의해 지배되며, 증착압력을 200 torr에서 500torr로 증가함에 따라 겉보기 활성에너지값은 26Kcal/mole에서 13Kcal/mole로 감소한다. 증착된 silicon carbide의 결정구조는 모두 cubic β-SiC였으며 저온에서는 (111)방향이 우선방위로 나타나지만 고온에서는 (220)방향이 우선방위로 나타나며 SiC 결정의 grain size는 온도가 증가됨에 따라 점점 조대해 짐을 알 수 있다. 2. 증착압력이 증가할수록 증착속도는 증가하지만 300torr이상에서는 기상에서의 homogeneous reaction으로 인해 증착속도의 증가가 완만해지고, SiC 결정의 grain size는 점점 조대해지며 커다란 homogeneous droplet이 증착 표면에서 관찰되었다. 우선방위는 증착압력에 대해서 큰 영향을 받지 않고 항상 (220) 방향만이 우선방위로 나타나고 있다. 3. $CH_3SiCl_3$ input fraction이 증가함에 따라 증착속도는 증가하지만 0.01이상에서는 증착속도의 증가가 완만해지는 경향을 보인다. $CH_3SiCl_3$ input fraction이 증가할수록 즉 반응분압이 증가할수록 증착된 SiC결정의 grain size 는 점점 조대해지며 (220) 방향만이 우선방위로 나타내 진다. 4. $CH_3SiCl_3$ 분압과 수소분압이 증착속도에 미치는 영향을 관찰한 결과 Silicon carbide의 증착반응이 증착표면에서의 표면반응에 의해 지배된다는 가정하에 제안된 이론적 증착속도식 $r = ^kovㆍαㆍP˚_{CH_3SiCl_3} \left(\frac{P_{H_2}^{˚}}{1+P_{H_2}^{˚}}$과 정성적으로 잘 일치한다. 5. 미소경도에 미치는 여러 반응변수들의 영향을 고찰해 본 결과 증착된 sili con carbide 결정의 grain size가 조대한 조건에서 미소경도는 최소값을 가진다.