KR100808217B1 - Lec법을 이용한 단결정 성장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 성장방향의 온도 구배를 선형적으로 변화하도록 하여 단결정의 겉보기 수율 및 내부 특성을 향상시킬 수 있는 LEC법을 이용한 단결정 성장장치에 관한 것으로서,

본 발명에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치는 단결정의 성장 공간을 제공하는 성장로와, 상기 성장로 내부에 구비되며, 원료의 용융 공간을 제공하는 도가니와, 상기 도가니의 측부에 구비되어 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 히터의 둘레를 따라 구비되어 히터 내측의 열이 방출되는 것을 차단하는 역할을 단열재 및 상기 단열재의 상단에 구비되는 링 차폐제를 포함하여 이루어지며, 상기 링 차폐제는 링 차폐제 내측 공간의 열과 링 차폐제 외측 공간의 열이 서로 혼합되는 것을 방지하는 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

저압 LEC 공정법, 열 차폐제, 갈륨비소, 열 흐름, 내부 링 차폐제, 외부 링 차폐제

Description

LEC법을 이용한 단결정 성장장치{Apparatus for growth of single crystal using Liquid-Encapsulated Czochralski method}

도 1은 종래 기술에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치의 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치의 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 링 차폐제의 사시도.

도 4는 종래 기술 및 본 발명에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치에 있어서 단결정 성장방향의 온도구배를 각각 나타낸 그래프.

도 5는 종래 기술 및 본 발명에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치에 있어서 열의 흐름을 나타낸 참고도.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

10 : 성장로 11 : 단열재

12 : 시드 척 13 : 도가니

14 : 히터 30 : 내부 링 차폐제

31 : 외부 링 차폐제 40 : 열의 흐름 방향

본 발명은 LEC법을 이용한 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단결정 성장방향의 온도 구배를 선형적으로 변화하도록 하여 단결정의 겉보기 수율 및 내부 특성을 향상시킬 수 있는 LEC법을 이용한 단결정 성장장치에 관한 것이다.

종래의 화합물 반도체 생산 공법 중 LEC법의 경우는 이미 널리 알려진 바와 같이 대구경화가 용이하고 성장 속도가 빠르다는 장점을 지니고 있어 여러 업체에서 채택하여 사용되고 있는 공법이다.

일반적으로 LEC법은 크게 고압LEC법과 저압LEC법으로 나눌 수 있다. 고압 LEC법은 갈륨과 비소를 동시에 결정성장로의 반응 용기(crucible)에 충진한 다음, 불활성 가스를 주입한 후 60 기압 이상의 고압하에서 가열하여 GaAs 고체로 합성하는 방법으로 합성 후에는 열처리를 하여 고체상태에서 액체상태로 녹인 후 시드(seed)를 GaAs 용융액 표면에 접촉시켜 시드를 끌어올리면서 결정을 성장시키는 방법이다. 고압 LEC법에서는 갈륨과 비소의 합성이 단시간 내에 급격히 진행되기 때문에 휘발성이 강한 비소의 손실을 최소화시키기 위하여 차폐막(Encapsulant)을 원재료 위에 씌워주고 불활성 가스로 60 기압 이상의 고압으로 눌러주는 것이다.

반면 저압 LEC법은 결정성장로의 반응 용기에 Ga을 충진하고 불활성 가스를 주입 후 가열하여 용융액으로 만든 다음, As 원료가 장착된 As 장입관을 Ga 용융액에 담그면 As 장입관이 가열되면서 As 가스가 휘발되고 휘발된 As 가스가 용융액과 반응하여 곧바로 GaAs 용융액을 합성되는 방법으로 합성후에는 As 장입관을 GaAs 시드로 교체하고 나서 시드를 융융액 표면에 접속시킨 후 끌어올리면서 결정을 성장시키는 방법이다. 저압 LEC는 고압 LEC와는 달리 합성되는 과정이 느리게 진행되어 As의 손실이 적으므로 합성공정 동안 상대적으로 낮은 3기압 정도의 압력으로 눌러준다. 또한 저압 LEC법에 사용되는 장치는 고압 LEC법에 사용되는 장치와 비교하여 상대적으로 적은 체적의 장비들을 사용하여 잉곳을 생산하고 있다. 이는 운영 공정실의 간소화를 가져 올 수 있는 장점이 있는데, 또한 그에 준하는 장점으로 열적 흐름의 변형을 쉽게 가져 올 수 있다는 것을 들 수 있다. 이러한 성장법에 사용되는 생산성 결정 인자로는 시드를 당기는 속도, 시드를 돌리는 속도, 장비 내부의 온도 변화, 장비 내부의 가스 흐름량, 도가니의 이동 속도, 도가니의 돌리는 속도, 각 부분의 크기 변경 등이 있으며, 이러한 인자들을 조절하여, 성장되거나 이미 성장된 잉곳의 겉보기 수율이나 내부 특성을 조절 할 수 있다. 다시 설명하면 잉곳을 생산하는 동안의 장비 내부를 흐르는 열적흐름을 안정적으로 만들 수 있는 변수 값들이 잉곳의 겉보기 수율이나 내부 특성을 좌우 한다는 것을 뜻한다.

갈륨비소 잉곳 성장 시의 열적흐름은 성장 방향으로의 선형적 흐름을 그 기본으로 하는데 이는 빠른 성장 속도를 요하는 저압 LEC 공법에서 필수 불가결한 사항이다. 이러한 선형적 열 흐름을 형성하는 기본은 성장 축으로의 온도 구배를 만드는 것인데 이는 성장로 내부의 열 구조물 구성을 통하여 실현가능하며 본 발명에 서는 이러한 열적 흐름을 선형적으로 만들기 위한 개선된 열 구조물을 제안하고자 한다.

종래의 기술에 있어서, 화합물 반도체 단결정을 성장시키는 방법으로 LEC(Liquid-Encapsulated Czochralski)법이 널리 이용되고 있다. 이러한 LEC법을 이용하여 단결정을 성장시킬 때 단결정(잉곳)의 겉보기 수율 및 내부 특성을 향상시키기 위해서는 단결정 성장방향의 열적 흐름이 선형적 흐름을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 단결정의 길이 방향을 따른 온도 분포가 선형적으로 변하도록 열적 흐름을 제어할 필요가 있다.

종래 기술의 LEC법을 이용한 단결정 성장장치는 도 1에 도시한 바와 같이 외부와 격리되어 단결정의 성장 공간을 제공하는 성장로(10), 상기 성장로(10) 내에 구비되어 원료가 용융되는 공간을 제공하는 도가니(13), 상기 도가니(13)를 가열하는 히터(14), 상기 히터(14)의 둘레를 따라 구비되는 단열재(11) 및 시드가 장착되는 시드 척(seed chuck)(12)으로 구성된다.

이와 같은 종래 기술의 LEC법을 이용한 단결정 성장장치에 있어서, 시드가 도가니 내의 용융물에 접촉하고 끌어올려지면서 단결정이 성장하게 되는데 도 1에 도시한 바와 같이 성장되는 단결정은 일정 높이까지 상기 단열재에 의해 외부 온도에 의한 영향을 받지 않는다. 그러나, 상기 단열재의 높이에 상응하는 지점을 통과하게 되면 외부 온도 즉, 성장로 상단의 상대적으로 낮은 온도에 영향을 받게 된다. 달리 말하여, 상대적으로 높은 온도를 갖는 단열재 내측의 온도가 상대적으로 낮은 온도를 갖는 성장로 상단의 온도와 혼합하게 된다(도 5의 왼쪽 그림의 도면부호 40 참조).

이와 같이, 성장되는 단결정이 성장로 상단의 상대적으로 낮은 온도에 영향을 받게 되면 단결정 성장방향의 열적 흐름 즉, 온도 구배가 선형적으로 변화하지 않고 도 4에 도시한 바와 같이 굴곡을 갖는 곡선 형태(도 4의 Normal heat shield)를 띠게 되며, 궁극적으로 성장되는 단결정의 겉보기 수율 및 내부 특성을 저하시키게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 단결정 성장방향의 온도 구배를 선형적으로 변화하도록 하여 단결정의 겉보기 수율 및 내부 특성을 향상시킬 수 있는 LEC법을 이용한 단결정 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치는 단결정의 성장 공간을 제공하는 성장로와, 상기 성장로 내부에 구비되며, 원료의 용융 공간을 제공하는 도가니와, 상기 도가니의 측부에 구비되어 상기 도가니를 가열하는 히터와, 상기 히터의 둘레를 따라 구비되어 히터 내측의 열이 방출되는 것을 차단하는 역할을 단열재 및 상기 단열재의 상단에 구비되는 링 차폐제를 포함하여 이루어지며, 상기 링 차폐제는 링 차폐제 내측 공간의 열과 링 차폐제 외측 공간의 열이 서로 혼합되는 것을 방지하는 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 링 차폐제는 내부 링 차폐제와 외부 링 차폐제로 구성되며, 상기 내부 링 차폐제는 상기 외부 링 차폐제에 비해 상대적으로 작은 직경을 갖는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치를 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 링 차폐제의 사시도이다.

먼저, 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치는 단결정의 성장 공간을 제공하는 성장로(10)를 구비한다. 상기 성장로(10)의 내측에는 장입된 원료를 용융시키는 역할을 하는 도가니(crucible)(13)가 구비되며, 상기 도가니(13)의 측부에는 도가니(13)의 둘레를 따라 히터(14)가 구비된다. 또한, 상기 히터(14)의 둘레에는 히터(14) 내측의 열이 방출되는 것을 차단하는 역할을 하는 단열재(11)가 구비된다.

한편, 상기 단열재(11)의 상단에는 일정 높이를 갖는 링 차폐제(30)(31)가 구비된다. 상기 링 차폐제는 링 차폐제 내측 공간의 열이 방출되는 것을 방지함과 함께 상기 링 차폐제 외측 공간의 열이 링 차폐제 내측 공간으로 유입되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 이를 위해 상기 링 차폐제는 도 3에 도시한 바와 같이 상대적으로 작은 직경을 갖는 내부 링 차폐제(inner ring shield)(30)와 상대적으로 큰 직경을 갖는 외부 링 차폐제(outer ring shield)(31)로 구성된다.

상기 구성요소 이외에 상기 도가니(13)로부터 상부로 이격된 위치에는 시드 척(seed chuck)이 구비되며, 상기 시드 척(12)은 시드(도시하지 않음)를 고정, 지지하는 역할을 한다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 소정의 전처리 과정을 통해 도가니 내에 GaAs와 같은 원료가 용융된 상태에서, 시드 척(12)에 시드가 장착되고 해당 시드가 도가니(13) 내의 용융물 표면에 접촉시킨 후, 서서히 시드를 끌어올리면 단결정이 시드를 따라 성장하게 된다.

이 때, 종래 기술에서 언급한 바와 같이 성장되는 단결정의 겉보기 수율 및 내부 특성이 향상되기 위해서는 단결정의 성장방향 즉, 성장되는 단결정의 길이방향의 온도구배가 선형적으로 제어되어야 한다. 그러나, 종래 기술의 경우 성장되는 단결정이 단열재(11)의 상단을 통과하는 시점에서 단열재 내측 공간의 열이 단열재 외측 공간의 열과 혼합되어 단결정 성장방향의 온도 구배가 선형적으로 이루어지지 않는다(도 4의 Normal heat shield 곡선 참조).

반면, 본 발명의 경우 도 2에 도시한 바와 같이 단열재(11)의 상단에 일정 높이를 갖는 링 차폐제 즉, 내부 및 외부 링 차폐제(30)(31)가 구비됨에 따라 성장되는 단결정이 단열재의 상단을 통과하더라도 상기 외부 및 내부 링 차폐제에 의해 열적 보호를 받게 된다. 즉, 링 차폐제 내측 공간의 열과 링 차폐제 외측 공간의 열이 서로 혼합되지 않게 된다(도 5의 오른쪽 그림 참조).

이와 같이 링 차폐제에 의해 성장되는 단결정이 열적 보호를 받음에 따라, 도 4에 도시한 바와 같이 단결정 성장방향의 온도 구배가 선형적으로 변화하게 된다(도 4의 Inner & Outer ring shield).

본 발명에 따른 LEC법을 이용한 단결정 성장장치는 다음과 같은 효과가 있다.

단열재 상단에 내부 및 외부 링 차폐제를 구비시켜 단결정 성장시 단결정 성장방향의 온도 구배를 선형적으로 제어함으로써 단결정의 겉보기 수율 및 내부 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 단결정의 성장 공간을 제공하는 성장로;

   상기 성장로 내부에 구비되며, 원료의 용융 공간을 제공하는 도가니;

   상기 도가니의 측부에 구비되어 상기 도가니를 가열하는 히터;

   상기 히터의 둘레를 따라 구비되어 히터 내측의 열이 방출되는 것을 차단하는 역할을 단열재; 및

   상기 단열재의 상단에 구비되는 링 차폐제를 포함하여 이루어지며,

   상기 링 차폐제는 링 차폐제 내측 공간의 열과 링 차폐제 외측 공간의 열이 서로 혼합되는 것을 방지하는 역할을 하며,

   상기 링 차폐제는 내부 링 차폐제와 외부 링 차폐제로 구성되며, 상기 내부 링 차폐제는 상기 외부 링 차폐제에 비해 상대적으로 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 LEC법을 이용한 단결정 성장장치.
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