KR100798810B1

KR100798810B1 - 탄화규소 단결정 성장장치

Info

Publication number: KR100798810B1
Application number: KR1020060018942A
Authority: KR
Inventors: 서수형; 송준석; 오명환
Original assignee: 네오세미테크 주식회사
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2008-01-28
Also published as: KR20070088988A

Abstract

본 발명은 승화법을 이용하여 탄화규소 단결정을 성장시킴에 있어서 성장되는 탄화규소 단결정 내에 탄소 입자가 유입되는 것을 최소화하여 단결정의 특성을 향상시킬 수 있는 탄화규소 단결정 성장장치에 관한 것으로서,

본 발명에 따른 탄화규소 단결정 성장장치는 내부 공간이 정의되어 있는 도가니와, 상기 도가니의 상단에 구비되며 탄화규소 원료를 충진하는 원료 충진부와, 상기 원료 충진부의 일측에 구비되며 상기 도가니 상부면과 일정 거리 이격되어 위치하여 승화된 탄화규소 원료의 이동을 가이드하는 기상원료 가이드부재와, 상기 도가니의 하부면 상에 구비되는 흑연 튜브 및 상기 흑연 튜브 내에 위치하고 상기 도가니의 하부면 상에 구비되는 탄화규소 시드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

탄화규소, 단결정, 씨드, 흑연 도가니

Description

탄화규소 단결정 성장장치 {Growing device for SiC single crystal growth}

도 1은 기존의 탄화규소 단결정 성장 장치를 도시한 측면도 이며,

도 2a는 본 발명에서 사용하는 새로운 결정 성장 장비를 도시한 측면도 이며,

도 2b는 본 발명에서 사용하는 새로운 결정 성장 장비의 길이방향에 대한 온도 구배를 나타낸 도식이며,

도 3a와 3b는 도 2의 도가니 하부에 위치한 흑연 튜브를 나타낸 도면 으로 씨드로부터 기울어진 각도가 서로 다른 튜브이다.

<도면에서 기호 표현>

11: 고밀도 Graphite 도가니 (가열부) 12: 단열재

13: 탄화규소 원료 14: 탄화규소 단결정 씨드

15: 고품질 탄화규소 단결정 16: 흑연 튜브

17: 탄화규소 단결정 성장 공간 18: 고밀도 Graphite 통로

본 발명은 탄화규소 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 승화법을 이용하여 탄화규소 단결정을 성장시킴에 있어서 성장되는 탄화규소 단결정 내에 탄소 입자가 유입되는 것을 최소화하여 단결정의 특성을 향상시킬 수 있는 탄화규소 단결정 성장장치에 관한 것이다.

1960년대 이후부터 현재까지 대표적인 반도체 소자 재료로 사용되어온 실리콘(Si)이 물리적 한계를 드러내게 되어 이를 극복하는 새로운 반도체 소자 재료로서 여러 가지 화합물 반도체 재료들이 연구되고 있다.

차세대 반도체 소자 재료로서는 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AIN), 산화아연(ZnO) 등의 광대역 반도체 재료가 유망한 것으로 기대되고 있다. 그러나, 이들 광대역 반도체 재료 중 현재 단결정 잉곳(ingot) 성장기술이 확보되어 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산이 가능한 것은 탄화규소 단결정 재료뿐 이다.

특히, 탄화규소는 1500℃ 이하에서 열적 안정성이 우수하고 산화성 분위기에서의 안정성도 뛰어나며, 4.6W/cm℃ 정도의 큰 열전도도를 갖고 있기 때문에, 고온에서 장시간 안정성이 요구되는 환경 하에서는 갈륨비소(GaAs) 또는 질화갈륨(GaN)와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 훨씬 유용할 것으로 기대된다.

탄화규소는 비록 전자이동도가 실리콘에 비해 작으나, 밴드갭이 실리콘의 2-3배 정도이어서 동작 한계온도가 650℃이고 따라서 동작 한계온도가 200℃ 이하인 실리콘에 비하여 동작 한계온도가 훨씬 높다는 장점이 있다. 또한 화학적 및 기계적으로 강하므로 극한 환경에서도 사용할 수 있는 소자로 제작 가능하다.

이러한 재료의 본질적 물성차이에 기인한 소자의 성능 한계는 JFOM, KFOM, BFOM 및 BHFFOM과 같은 여러 가지의 지표계수를 비교해 보면 쉽게 비교 가능하다. 예를 들어 높은 주파수와 대전력의 응용의 이점을 나타내는 JFOM은 트랜지스터의 전력과 주파수의 한계를 항복전압과 포화전자 이동속도로부터 유도한 비교계수로서 탄화규소가 실리콘에 비해 600배 이상이다.

이와 같이 우수한 물성을 가지는 탄화규소를 이용한 소자가 현재 하루가 다르게 발표되면서 탄화규소의 응용범위 및 그 파급효과가 매우 빠른 속도로 광범위해지고 있다.

예를 들면, 탄화규소는 자동차 또는 우주항공 등의 고온 집적회로, 내방사능 소자, Ⅲ-Ⅴ-Ⅳ-Ⅵ 연계소자, 초정밀 멤스(MEMS) 소자, 엑스레이 마스크, 자외선(UV) 탐지기, 청색 발광소자(LED) 등에 응용되고 있다.

이러한 소자에 사용되기 위해서는 탄화규소 단결정의 균일하고도 고품질이 중요한 사항이다. 그런데 기존에 사용되는 일반적인 방법에서는 탄화규소 씨드를 도가니 상부에 장착하여 생기는 접착의 문제를 해결하지 못하여 발생하는 다량의 polytype 탄화규소 결정 생성과 여러 결함 발생을 억제하지 못하여 고품질의 단결정 성장이 어려우며, 도가니 하부에 탄화규소 씨드를 장착하는 방법에서는 원료가스의 통로로 사용되는 porous한 graphite foam을 장착하여 공정도중 발생하는 원하지 않는 탄소 입자의 유입을 억제할 수 없었다.

이러한 문제를 동시에 해결하기 위한 새로운 장치에 대한 개발을 제안 하고자 한다.

종래의 기술에 있어서, 탄화규소(SiC) 단결정을 성장하는 방법으로 승화법(sublimation), 화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition)이 이용되고 있다. 상기 승화법은 탄화규소 원료를 승화시켜 탄화규소 시드 상에 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법으로서, 크게 탄화규소 시드를 도가니 상부에 장착시키는 형태와 탄화규소 시드를 도가니 하부에 장착시키는 형태로 구분될 수 있다.
탄화규소 시드를 도가니 하부에 장착시키는 형태의 탄화규소 단결정 성장장치는 도 1에 도시한 바와 같은 구성을 갖는다. 구체적으로, 도가니(11) 하부에 탄화규소 시드(14)가 장착되고, 도가니 상단에는 탄화규소 원료(13)가 구비된다. 상기 탄화규소 원료(13)의 일측에는 기공성 흑연층(porous graphite foam)(18)이 구비되고, 상기 기공성 흑연층(18)에 의해 단결정이 성장되는 공간(17)이 담보된다. 또한, 상기 도가니의 외면 및 탄화규소 시드를 중심으로 한 도가니의 하단에는 단열재(12)가 구비된다.
이와 같은 구성을 갖는 종래의 탄화규소 단결정 성장장치에 있어서, 도가니(11)가 가열되면 상기 탄화규소 원료가 승화되고 승화된 탄화규소 기체는 상기 기공성 흑연층(18)을 통과하여 최종적으로, 상기 탄화규소 시드(14) 상에 증착됨으로써 탄화규소 단결정이 성장하게 된다.
그러나, 상기 탄화규소 원료의 승화시 탄소 입자가 필연적으로 발생하게 되는데, 상기 기공성 흑연층(18)은 탄소 입자가 상기 단결정 성장 공간으로 유입되는 것을 억제하지 못하는 문제점이 있다. 이로 인해, 성장되는 탄화규소 단결정의 품질 및 신뢰성에 악영향을 끼치게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 승화법을 이용하여 탄화규소 단결정을 성장시킴에 있어서 성장되는 탄화규소 단결정 내에 탄소 입자가 유입되는 것을 최소화하여 단결정의 특성을 향상시킬 수 있는 탄화규소 단결정 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 다양한 크기의 탄화규소 단결정을 용이하게 성장시킬 수 있는 탄화규소 단결정 성장장치를 제공하는데 있다.

삭제

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 성장장치는 내부 공간이 정의되어 있는 도가니와, 상기 도가니의 상단에 구비되며 탄화규소 원료를 충진하는 원료 충진부와, 상기 원료 충진부의 일측에 구비되며 상기 도가니 상부면과 일정 거리 이격되어 위치하여 승화된 탄화규소 원료의 이동을 가이드하는 기상원료 가이드부재와, 상기 도가니의 하부면 상에 구비되는 흑연 튜브 및 상기 흑연 튜브 내에 위치하고 상기 도가니의 하부면 상에 구비되는 탄화규소 시드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장장치를 상세히 설명하기로 한다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장장치의 단면도이다.

먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장장치는 흑연 또는 탄소 재질의 도가니(crucible)(201)를 구비한다. 상기 도가니(201)는 단열재(202)에 의해 둘러 쌓이는데 상기 도가니(201)의 내부는 공간적으로 크게 원료 충진부(210)와 단결정 성장부(220)로 구분된다. 상기 원료 충진부(210)는 탄화규소 원료(211)가 충진되는 곳으로서 도가니(201)의 상단 좌우측에 구비되며, 상기 단결정 성장부(220)는 탄화규소 시드(221)를 이용하여 탄화규소 단결정(222)이 성장되는 공간으로서 상기 탄화규소 시드(221)는 도가니(201)의 하단 중앙부에 구비된다. 또한, 상기 탄화규소 시드(221)는 흑연 튜브(223) 내에 구비되며 상기 흑연 튜브(223)에 의해 단결정 성장 공간이 정의된다. 상기 흑연 튜브(223)의 직경(L)은 성장되는 단결정의 직경에 따라 도 3에 도시한 바와 같이 다양하게 변형, 실시할 수 있다.

한편, 상기 원료 충진부(210)의 일측에는 기상원료 가이드부재(203)가 구비된다. 상기 기상원료 가이드부재(203)는 상기 도가니의 상부면(201a)과 일정 거리 이격되어 있으며, 상기 기상원료 가이드부재(203)와 상기 도가니의 상부면(201a)에 의해 승화된 탄화규소 원료가 이동되는 통로(212)가 정의된다. 즉, 승화된 탄화규소 원료는 상기 통로(212)를 따라 이동되며 궁극적으로 상기 탄화규소 시드(221)가 장착된 공간으로 이송된다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도가니(201)를 가열한다. 이 때, 탄화규소 원료(211)가 충진되어 있는 도가니의 상단은 도 2b에 도시한 바와 같이 2100∼2500℃의 온도로 제어하고, 탄화규소 시드(221)가 구비된 도가니의 하단은 1900∼2300℃의 온도로 제어하여 온도 구배가 도가니 하단으로부터 상단으로 갈수록 증가하는 형태를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 도가니(201)가 가열되면 상기 원료 충진부(210)에 충진되어 있는 탄화규소 원료(211)는 승화되고 승화된 탄화규소 원료는 상기 도가니 상부면(201a)과 기상원료 가이드부재(203) 사이의 통로(212)를 통과하여 단결정 성장부(220)로 이송된다. 여기서, 상기 승화된 탄화규소 원료가 상기 통로(212)를 통과할 때 탄소 입자와 같은 불순물이 여과된다.

최종적으로, 상기 단결정 성장부(220)로 이송된 기상의 탄화규소 원료는 상기 탄화규소 시드(221) 상에 증착되어 탄화규소 단결정(222)이 성장하게 된다.

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본 발명에 따른 탄화규소 단결정 성장장치는 다음과 같은 효과가 있다.
승화법을 이용하여 탄화규소 단결정을 성장시킴에 있어서 성장되는 탄화규소 단결정 내에 탄소 입자가 유입되는 것을 최소화하여 단결정의 특성을 향상시키고 다결정의 생성을 억제할 수 있게 된다.

Claims

내부 공간이 정의되어 있는 도가니;

상기 도가니의 상단에 구비되며 탄화규소 원료를 충진하는 원료 충진부;

상기 원료 충진부의 일측에 구비되며 상기 도가니 상부면과 일정 거리 이격되어 위치하여 승화된 탄화규소 원료의 이동을 가이드하는 기상원료 가이드부재;

상기 도가니의 하부면 상에 구비되는 흑연 튜브; 및

상기 흑연 튜브 내에 위치하고 상기 도가니의 하부면 상에 구비되는 탄화규소 시드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 도가니 및 기상원료 가이드부재는 흑연으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장장치.
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