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탄화규소 결정성장의 이모저모

전문가 제언: ○ 오래전부터 탄화규소 결정제조에 대한 연구가 이루어져 왔다. 결정체의 최고 품질은 결함이 없는 대형 단결정이다. 결정성장을 단순하게 수행하는 방법은 결정성분을 액상으로 만들어 이 액상을 서서히 응고시키는 것이다. 응고가 일어났을 때에 원래의 결정성분을 다시 회수하는 과정, 즉 재결정하는 과정이 결정성장이다.

○ 재결정으로 얻어지지 않은 결정이 다수 존재한다. SiC는 단순한 재결정법으로 단결정을 얻기는 불가능하다. 용융상태에서 Si-C의 구성 원자비율이 1:1로 되지 않는다. 용융온도의 변화에 따라 Si와 C의 구성비가 여러 개 존재한다. 즉 SiC는 다형체로 존재한다. 단결정은 구성성분의 원소성분이 일정하고 결함이 없는 유일한 1개의 결정을 말한다.

○ SiC는 1기압 2,500℃ 이상에서, 감압을 하면 2,000℃ 이상에서 분해하여 승화한다. 기상중의 성분에는 Si, Si2C, SiC2 등이 발견된다. 저온에서는 SiC로 재결정화 하는 것도 존재한다. 승화로 SiC결정을 얻는 방법이 Lely법이다. 결정이 소형이기는 하나, 고품질의 벌크 결정을 얻는 유일한 방법이다. 최근 종자결정을 사용하는 개량방법이 보급되고 있다.

○ 본고는 SiC단결정을 얻는 이론적인 방법을 제시하고 있다. 즉 3,200℃, 100,000기압에서 가능하다고 한다. 흑연을 상온에서 15,000기압 이상으로 가압하면 다이아몬드(C) 단결정이 얻어진다. 다이아몬드기판 개발이 오히려 경제성이 있을 것이다. 다이아몬드 형성은 압력만의 함수이고 온도는 다이아몬드 합성에서 압력을 줄이는 수단으로 이용된다.

○ 외경 35㎜, 내경 20㎜의 흑연 도가니에 SiC분말을 충전하고 도가니 내의 상부에 1㎜ 정도의 다형 SiC 종자판을 설치한다. 성장 방위는 보통 (0001)면을 사용한다. 고주파유도로 도가니를 가열한다. 반응관 내 Ar분위기를 2~40Torr 정도로 조절한다. 원료부의 온도를 2,300℃, 종자결정과의 온도구배를 10~30℃로 하면 1~4㎜/h로 결정이 성장한다.

저자: D Chaussende, P J Wellmann, M Pons
자료유형: 학술정보