접촉각 측정을 이용한 free-standing 3C-SiC 기판의 표면 젖음성 연구 (The study of surface wetting properties on a free-standing 3C-SiC substrate using contact angle measurement)

서지정보

· 발행기관 : 한국결정성장학회
· 수록지 정보 : 한국결정성장학회지 / 35권 / 1호 / 36 ~ 41페이지
· 저자명 : 김정곤, 박미선, 정광희, 이원재

초록

SiC는 Si면과 C면의 두가지 극성(Polarity)을 가지며 200여종이 넘는 다양한 결정다형(Polytype)을 가지는 특이한 반도체 소재이다. 이전 연구에서 우리는 4H-, 6H-, 15R-SiC의 영역을 가지는 한 장의 SiC 기판에 대해 접촉각 측정을 통해 각 다형의 표면 젖음특성을 체계적으로 조사하였다. 최근 우리는 CVD 법에 이용한 두 단계 성장공장으로 Si (111) 더미 기판상에 3C-SiC 후막을 성장시킨 후 에칭과 폴리싱공정을 통해 Si 기판 제거하여 프리스탠딩(free-standing) 3C-SiC 기판을 준비하였다. 본 연구에서는 이전 연구에서 얻었던 결정다형의 접촉각 결과에 새롭게 3C-SiC의 표면 극성에 따른 접촉각 측정을 결과를 추가하여 SiC의 주요한 결정다형의 젖음특성을 종합적으로 검토하고자 하였다. 3C-SiC의 각 극성면에 대한 접촉각은 이전 연구와 동일하게 Si 극성면의 접촉각이 C 극성면에 비해 3º 크게 측정되었다. 3C-SiC 표면의 자연산화막의 영향을 조사하기 위해 BOE 용액을 이용한 표면 에칭 후 각 극성면의 접촉각을 24시 이상 측정한 결과, 타 결정다형과는 다르게 극성에 관계없이 5시간 이후까지 점진적으로 증가하며 에칭전의 접촉각으로 회복되나 이후 계속적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 실온에서도 3C-SiC의 두 극성면에 자연산화막의 형성(Surface passivation)이 빠르게 진행된다는 것을 시사하며, 이론계산에 의한 3C-SiC의 표면에너지가 타 결정다형 보다 2배이상 높아 표면이 빠르게 안정화됨을 의미한다. SiC 표면의 자연산화막 생성속도는 각 결정다형의 표면에너지에 크게 영향을 받으며, 각 결정다형의 Hexagonality와도 관련성이 크다. 각 결정다형의 표면에너지 차이를 알아보기 위해 쿨롱 포텐셜 에너지와 원자간 거리에 의존하는 각 결정다형의 Hexagonality가 논의되었다.

영어초록

SiC is a unique semiconductor material that has various polytypes and two different polarities: Siterminated Si-face and C-terminated C-face. The wetting properties of a SiC substrate mixed with 4H-SiC, 6H-SiC, and 15R-SiC were investigated by static contact angle measurement in our previous study. Recently, we prepared a thick freestanding 3C-SiC layer on the (111) plane of a dummy Si substrate using the CVD method. The free-standing 3C-SiC substrate was obtained after the etching treatment of Si wafers, and the post-wafering processes included lapping and polishing. In this study, we would like to comprehensively review the wetting properties of the principal polytypes of SiC substrates, such as 4H-, 6H-(Hexagonal, α-phase), and 15R-SiC (Rhombohedral) by newly adding the contact angle measurement of the 3C-SiC (cubic, β-phase) substrate. The measured contact angle of the Si-face was around 3º higher than that of the C-face at the 3C-SiC substrate. This trend agreed well with the previous measurement results of the SiC substrates mixed with 4H-, 6H-, and 15R-SiC regions. To investigate the effect of a native oxide layer on the 3C-SiC substrate, the native oxide layer was removed using BOE treatment. We periodically measured the contact angle on both polarities of the 3C-SiC substrate up to 24 hours after the removal of the native oxide layer. The static contact angle of both polarities of the 3C-SiC substrate showed a gradual increase and approached the initial value before BOE treatment within 5 hours. This implies that a native oxide formation process (surface passivation) occurs more rapidly even at both polarities of the 3C-SiC substrate at room temperature. Furthermore, this result can be explained by the higher surface energy of both polarities of 3C-SiC, which is twice as much as that of the other SiC polytypes. The oxidation rate of the SiC substrate is largely affected by its surface energy and hexagonality of both polarities. To elucidate the difference in surface energy among SiC polytypes, the hexagonality of each SiC polytypes depending on the Coulomb’s potential energy and interatomic distance was discussed.

참고자료

· 없음