1. 서 론 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 실험 방법 3. 실험 결과 및 고찰 4. 결 론 FigureReference

친환경적인 전기자동차, 전기 추진 선박, 하이브리드 자동차, 전철 등에서는 고내압 및 소형으로 전력손실을 감소시킬 수 있는 파워 디바이스가 필수적이다. 이를 위해 기존 파워 디바이스에서 사용 중인 실리콘(silicon, Si)을 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC)로 대체하려는 연구가 진행 중이다. 단결정 SiC는 기존 Si보다 절연 파괴 전계 강도가 약 10배 높아서, 수백에서 수천 V의 고내압에 잘 견딜 수 있다. 또한, SiC는 기존 Si 보다 스위칭 손실의 저감 및 고온 환경에서의 동작 특성이 우수하여, 차세대 저손실 전력반도체 재료로서 기대를 받고 있다(She et al., 2017;Iwamuro, 2019;Kawanishi et al., 2016;Maruyama et al., 2013).

현재까지 고품질의 SiC 단결정 성장을 시키기 위해 다양한 방법 중 가장 많이 사용되는 방법으로는 물리 기상 이동 (physical vapor transport, PVT)법이나 고온 화학 기상 증착 (high temperature chemical vapor deposition, HTCVD)법 이용되고 있다(Tairov and Tsvetkov, 1978;Pedersen et al., 2012). 그러나 SiC 단결정 성장 시, 느린 성장 속도뿐만 아니라 많은 결함을 갖는 문제를 갖고 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 많은 연구가 진행 되고 있으나, 아직까지 큰 개선이 이루어지고 있지 않다.

그래서 이를 해결하기 위해 상부 종자 용액 성장(top seeded solution growth, TSSG)법이 큰 주목을 받고 있다(Hofmann and Müller, 1999;Kusunoki et al., 2005;Mitani et al., 2014). TSSG법 은 탄소 공급원인 탄소 도가니에 Si를 넣고 고온에서 용융시 킨 후 SiC 종자를 부착한 봉을 용액에 침지 시켜 SiC 단결정을 성장 시키는 방법이다. TSSG법은 PVT나 HTCVD법과 다르게 액상에서 결정을 성장시키기 때문에 고품질의 SiC 결정 성장을 시킬 수 있는 가능성이 높아 많은 연구가 진행 중 이다(Kusunoki et al., 2014).

그러나 Si을 용융하여 TSSG법 이용 시 낮은 탄소 용해도로 인해 SiC 단결정의 느린 성장 속도를 야기한다. 현재까지 Si_0.6Cr_0.4 용융 물질를 사용했을 경우, SiC 단결정 성장 속도를 크게 향상시킬 수 있었으나, 아직까지도 상용화하기 위한 성장 속도를 만들기가 어려운 상황이다(Mitani et al., 2014;Kado et al., 2013).

그래서 선행 연구에서는 SiC 단결정 성장 속도를 향상시키기 위한 탄소 용해도 관련 기초 연구를 진행 하였다(Hyun et al., 2018;Hyun et al., 2019;Hyun et al., 2020). 기초 연구를 통해서 Si_0.6Cr_0.4 용융물질에 전이금속 등을 첨가를 통해 결정 성장 속도를 성장 시킬 수 있다는 가능성을 확인하였다.

본 연구는 Si 와 Si_0.6Cr_0.4 용융 물질을 사용할 경우, 탄소 공급원 역할을 하는 탄소 도가니와의 접촉각 차이 등을 분석하기 위한 기초 연구를 수행했다. TSSG법은 고품질 SiC 단결정을 성장시키는 유망한 방법으로 주목받고 있지만, 높은 온도에서의 공정 특성상 내부 구조를 실시간으로 관찰하기 어렵고, 공정에 오랜 시간이 소요되는 한계가 있다. 이러한 이유로, 컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 SiC 종자를 용융액의 상부 표면에 접촉시키는 시점을 최적화하는 연구가 진행 되고 있다. 그러나 시뮬레이션 결과와 실제 실험 간에 차이가 발생하는 경우가 많아, 결정 성장 실험의 효율성과 재현성을 저해하는 문제점으로 작용하고 있다.

이에 본 연구는 이러한 차이의 주요 원인 중 하나인 탄소 도가니와 용융액 간의 상호작용에 주목하였다. 특히, 탄소 도가니 표면과 용융액의 접촉각 변화를 정량적으로 분석하고, 고온에서의 용융액 침투 거동을 관찰하였다. 본 연구의 결과는 SiC 단결정 성장 공정에서 탄소 도가니와 용융액 간 상호작용을 명확히 이해하는데 기여하며, TSSG법의 시뮬레 이션 정확도를 향상시키고 결정 성장 공정의 효율성을 높이는 데 필요한 기초 데이터를 제공할 것으로 기대된다.

2. 실험 방법 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 실험 방법 3. 실험 결과 및 고찰 4. 결 론 FigureReference

Fig. 1은 고온 젖음성 분석 시험 장비(WET-1200, Ulvac)의 모식도를 나타내고 있다. 이 분석 장비는 일반적으로 납땜, 용접 등의 젖음성, 주조 합금과 주형 재료의 연구 개발, 액상 소결에 대한 연구, 용융 유리와 밀봉 금속 젖음성 시험 등에서 사용된다. TSSG법을 이용한 SiC 단결정 성장의 선행 연구에서 용융액으로 사용되었던 Si와 Si_0.6Cr_0.4와 도가니로 사용되었던 탄소와의 접촉각 변화를 온도에 따라 확인하기 위해 본 연구에서는 이 장비를 사용하였다. 모식도에서 나타낸 바와 같이 금으로 코팅된 챔버(chamber) 안에 할로겐 램프(halogen lamp)가 있으며, 이 할로겐 램프에 의해서 온도 센서 위의 카본에 놓여 있는 용융물질에 열을 가하여 용융 시킨다. 용융 되는 과정을 영상으로 촬영하여 접촉각을 측정한다. Fig. 1의 하단의 사진은 실제 용융물질이 녹는 과정을 보여 주고 있다. 측정 장비의 최대 가열 가능 온도가 1500 ℃이나 실험과정 중 낮은 온도에서도 Si가 용융되는 점을 감안하여 300 ℃의 온도를 보정하였다. 실험 과정은 TSSG법과 비슷한 환경을 조성하기 위하여 처음 30분간 고진공으로 상태로 유지하고, 가열 과정 중에는 낮은 진공 압력에서 Ar(99.999%) 가스를 흘려보내며 실험을 진행하였다. 추가적인 분석으로는 접촉각 실험 후 자연 냉각된 시료와 카본의 단면을 분석하기 위하여 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 광학 현미경을 이용하였다.

Fig. 2는 고온 젖음성 분석 시험 장비의 시간에 따른 가열 온도 설정을 나타낸다. 온도설정 범위는 이론적인 Si와 Si_0.6Cr_0.4 용융 물질의 용융점을 기반으로 설정되었다. Ar이 공급되는 과정에서 초기 10분 동안 1400 ℃까지 온도를 상승 시키고, 5분간 유지 시킨 후 다시 5분 동안 1450 ℃까지 상승 시켰다. 그리고 다시 5분 동안 1450 ℃까지 온도를 상승 시키고, 5분간 유지 시킨 후 다시 5분 동안 1500 ℃까지 상승 시켰다. 이러한 과정을 통해 최종 1800 ℃까지 온도를 상승 및 유지 후 자연 냉각을 시켰다. 자연 냉각된 시료의 단면을 관찰하기 위해 절단 및 연마를 하였다.

3. 실험 결과 및 고찰 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 실험 방법 3. 실험 결과 및 고찰 4. 결 론 FigureReference

Fig. 3은 탄소판 위에 Si이 0 ℃부터 1800 ℃까지의 온도에 따라 용융되는 과정을 고온 젖음성 분석 시험 장비를 통해 촬영된 사진을 보여주고 있다. 가열 전의 0 ℃의 사진에서는 용융되기 전의 고체 Si의 사각 육면체 중 한 면을 카메라로 촬영한 것이다. 1400 ℃ 정도 부근에서 용융되기 시작 하였으며, 그 이후 Fig. 1처럼 둥근 공 형태의 모양 형태로 용융 되었다. 그 이후의 온도에서는 Fig. 3의 1500 ℃ 사진처럼 탄소판에 넓게 퍼진 형태로 변하였다. 1550 ℃ 정도 부근에서는 탄소판으로 더 넓게 퍼지지는 않았으나, 탄소판과 용융 된 Si의 사이의 높이 차가 좀 더 감소하였으며, 그 이후의 1600 ~ 1800 ℃의 사진에서는 큰 차이를 나타내지 않았다.

Fig. 4는 탄소판 위에 Si_0.6Cr_0.4가 0 ℃부터 1800 ℃까지의 온도에 따라 용융되는 과정을 고온 젖음성 분석 시험 장비를 통해 촬영된 사진을 보여주고 있다. 가열 전의 0 ℃의 사 진에서는 용융되기 전의 고체 Si_0.6Cr_0.4의 사각 육면체 중 한 면을 카메라로 촬영한 것이다. 1400 ℃ ~ 1450 ℃ 정도 부근에서 용융되기 시작 하였으며, 그 이후 1500 ℃의 사진처럼 공 형태의 모양 형태로 용융되었다. 그 이후의 온도에서는 Fig. 4의 1550 ℃의 사진처럼 탄소판에 반달 모양의 형태로 용융되었으며, 점차적으로 탄소판에 넓게 퍼지며 탄소판과 용융된 Si의 사이의 높이 차가 감소하였다. 1650 ℃부터 1800 ℃까지 탄소판과 용융된 Si의 사이의 높이 차가 좀 더 감소 하였으나, 전반적으로는 큰 차이를 나타내지는 않았다. 1800 ℃ 이후의 결과는 고온 젖음성 분석 시험 장비의 가열 한계가 있어 더 높은 온도에서 확인 할 수는 없었으나, 용융되는 경향을 고려한다면 1800 ℃의 사진과 큰 차이를 나타내지 않을 것으로 판단된다.

Fig. 5는 가열 실험 후 자연 냉각된 시료의 단면을 광학 현미경으로 촬영한 결과를 나타낸다. Fig. 5(a)는 자연 냉각 후 탄소판 위의 고체 Si 단면을 나타내며, 점선으로 표시된 부분까지 용융된 Si이 탄소판 내부로 깊숙이 스며들어 고체화된 모습을 확인할 수 있었다. 더욱이, Si은 탄소판의 반대 면까지 침투한 흔적이 관찰될 정도로 높은 침투성을 보였다. 반면, Fig. 5(b)는 Si_0.6Cr_0.4의 단면을 보여주며, 용융된 Si_0.6Cr_0.4가 점선으로 표시된 부분까지만 스며들었고, 침투 깊이는 Si보다 훨씬 제한적이었다. Fig. 5(c)와 Fig. 5(d)는 각각 Si과 Si_0.6Cr_0.4의 단면을 확대하여 촬영한 사진이다. 모두 탄소판 내부로 침투한 모습이 관찰되었으나, Fig. 5(c)에서의 Si 는 탄소판 내부로 더욱 광범위하게 스며들어 복잡한 침투 구조를 형성한 반면, Fig. 5(d)의 Si_0.6Cr_0.4는 침투 깊이와 범위가 현저히 제한적이었다. Fig. 5(e)는 SiC 판 위에 놓인 Si의 단면을 나타낸다. Si와 Si_0.6Cr_0.4가 탄소판 내부로 침투했던 경우와는 달리, SiC 판에서는 Si이 내부로 스며든 흔적이 전혀 관찰되지 않았다. 이 결과를 통해, 동일한 탄소판이라도 용융 물질의 조성에 따라 침투 거동이 달라지며, 기판의 종류 또한 침투 특성에 큰 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6은 가열 실험 후 자연 냉각된 시료의 단면 및 표면을 SEM과 광학현미경으로 촬영한 사진이다. Fig. 6(a)는 자연 냉각 후 탄소판 위의 고체 Si 단면을 나타내며, Si과 탄소판 사이에 형성된 SiC 층이 관찰되었다. 특히, 탄소판 내부로도 SiC가 형성된 것이 명확히 확인되었으며, 이는 용융된 Si이 탄소판 내부로 스며든 후 탄소와 반응하여 SiC로 형성된 것으로 판단된다. SiC 층의 두께는 일정하지 않았으며, 대략 0.01 ~ 0.03 mm로 측정되었다. Fig. 6(b)는 Si_0.6Cr_0.4와 탄소판 간의 단면을 나타내며, Si_0.6Cr_0.4와 탄소판 사이에도 SiC 층이 형성된 것이 확인되었다. 그러나 탄소판 내부로 형성된 SiC 의 양은 Si의 경우보다 훨씬 적었다. Si_0.6Cr_0.4와 탄소판 사이의 SiC 층 두께는 대략 0.003 ~ 0.008 mm로, Si보다 얇은 층이 형성되었다. Fig. 6(c)와 Fig. 6(d)는 가열 실험 직후 자연 냉각된 시료의 상부 모습을 나타낸다. Fig. 6(c)에서 관찰된 Si는 용융된 위치에서 크게 벗어나지 않고 고체화되었다. 반면, Fig. 6(d)에서 관찰된 Si_0.6Cr_0.4는 용융 위치에서 크게 벗어나, 넓고 얇게 탄소판을 덮는 형태로 고체화된 모습이 관찰되었다.

단면 분석 결과, 용융 물질 조성 및 기판 재질이 용융액- 기판 간 상호작용에 미치는 영향을 명확히 확인할 수 있었다. Si는 탄소판 내부로 깊이 스며들어 두꺼운 SiC 층을 형성한 반면, Si_0.6Cr_0.4는 제한적인 침투와 얇은 SiC 층을 형성했다. 또한, SiC 판에서는 두 용매 모두 침투나 반응이 관찰되지 않았다. 이러한 차이는 TSSG법에서 적합한 용융 물질과 도가니 재질을 선택하는 데 중요한 기초 데이터가 될 것으로 판단된다.

Fig. 7은 탄소판 위에 Si와 Si_0.6Cr_0.4가 온도에 따라 용융되는 과정을 고온 젖음성 분석 시험 장비를 통해 촬영된 사진을 바탕으로 접촉각을 측정하여 비교한 그래프이다. 1450 ℃ 에서는 Si의 경우만 용융되기 시작 하였으며, 접촉각은 127.4°를 나타냈다. 1500 ℃에서는 Si의 경우가 58.5°, Si_0.6Cr_0.4 의 경우는 133.3°를 나타내며 용융이 진행되고 있었다. 1550 ℃에서는 Si의 경우가 32.1°, Si_0.6Cr_0.4의 경우는 67.8°를 나타내며 빠르게 온도에 따라 접촉각이 변하는 것을 확인했다. 1600 ℃에서 1650 ℃의 온도 변화에서는 Si의 경우가 23.8°에 서 23.0°로 큰 변화를 나타내지 않았으며, Si_0.6Cr_0.4의 경우도 50°에서 38°로 다소 작은 변화를 나타냈다. Fig. 6(d)에서 나타냈던 얇게 퍼진 부분은 접촉각 측정 시 고려하지 않는다면, 그 이후 온도에서 접촉각의 변화는 Si와 Si_0.6Cr_0.4의 경우, 각각 23°와 33°를 나타내 모두 큰 변화를 나타내지 않았다. 결과적으로 TSSG법으로 SiC 결정성장을 시킬 때 많이 사용되는 온도인 1800 ℃에서 Si, Si_0.6Cr_0.4와 탄소판과의 접촉각이 10°정도 차이를 나타냈다.

4. 결 론 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 실험 방법 3. 실험 결과 및 고찰 4. 결 론 FigureReference

본 연구에서 탄소 도가니와 용융액(Si 및 Si_0.6Cr_0.4) 간 상호 작용을 분석한 결과, TSSG법 공정의 정확도를 향상시키고 효율성 및 재현성을 높이는 데 필요한 기초 데이터를 얻을 수 있었다. 전반적으로 용융 물질에 따른 탄소 도가니와 용융액의 접촉각 차이를 확인 할 수 있었다. 특히, 고온 (1800°C)에서 Si_0.6Cr_0.4 용융액의 접촉각이 Si 용융액보다 약 10° 더 큰 것으로 나타났다. 실험으로 얻어진 실제 접촉각을 바탕으로 탄소 도가니 내부의 용융액 높이가 계산된다면, SiC 종자와 용융액 상부 표면 접촉 시점 최적화에 도움이 될 것으로 기대된다.

단면 분석 결과, Si 용융액는 탄소 도가니 표면에 깊숙이 침투하여 고체화되는 반면, Si_0.6Cr_0.4 용융액은 침투 깊이가 현저히 감소했다. 즉, 탄소도가니와 용융액 간의 불필요한 상호작용 감소로 인해 용융액 조성이 안정화되었고, 이는 컴퓨터 시뮬레이션으로 SiC 종자와 용융액 간의 접촉 시점 계산 오차를 줄일 수 있는 가능성을 보여주었다. 그러나, 완전히 스며든 흔적을 나타내지 않았던 SiC 기판의 재질로 탄소 도가니를 만들지 않는 한, 탄소 도가니와 용융액 간의 상 호작용을 고려하여 접촉 시점 오차를 줄여 나가야 될 것으로 판단된다.