KR100868726B1

KR100868726B1 - 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100868726B1
Application number: KR1020070045911A
Authority: KR
Inventors: 김광호; 김덕준
Original assignee: 엑스탈테크놀로지 주식회사
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-11-13

Abstract

본 발명은 발광소자 및 고주파 신호 처리 반도체 소자의 원재료인 갈륨비소(GaAs) 잉곳(Ingot)을 결정성장 시키는 장치 및 방법에 관한 것으로 특히, 갈륨(Ga)과 비소(As)를 도가니에 각각 장입 후 원료의 합성과 수직 브리지만법을 이용한 결정 성장을 단일공정으로 처리하는 장치와 방법에 관한 것이다.

따라서 본 발명은 GaAs의 수직 브릿지만법에 의한 결정성장 공정 합성공정 자체가 한 번의 공정으로 진행되고, 종래의 GaAs 단결정 성장 장치를 활용하여 별도의 장비나 비용을 더 발생시킴이 없이, 더욱 질 좋은 잉곳을 생산할 수 있게 한 시간과 비용 면에서 혁신적인 생산성 향상을 기할 수 있는 유용한 발명이다.

수직 브릿지만법, 잉곳, 웨이퍼, 갈륨, 비소

Description

갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 장치 및 방법{Synthesis VB apparatus and method for GaAs}

도 1은 본 발명의 생산품인 잉곳을 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 원료셋팅 공정을 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 1차 승온의 단계를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 2차 승온의 단계를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 합성의 단계를 도시한 도면,

도 6은 본 발명의 시딩공정을 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 결정화 공정을 도시한 도면,

도 8은 본 발명의 열처리 단계를 도시한 도면,

도 9는 본 발명의 냉각 과정을 도시한 도면,

도 10은 본 발명의 공정을 도시한 순서도,

도 11은 본 발명의 도가니를 도시한 도면이다.

<도시된 도면을 주요부호에 대한 간단한 설명>

10; 상부챔버 11; 비소투입용기

20; 하부챔버 30; 단열층

41; 상부히터 42; 하부히터

50; 완충관 60; 작동구

70; 도가니 71; 씨드

72; 잉곳형성부 73; 테이퍼부

74; 전이감소성장부 75; 전이감소부

76; 씨드삽입부

일반적으로 발광소자 및 고주파 신호처리 반도체 소자의 원재료인 갈륨비소 잉곳(Ingot)을 생산하는 방법은, 크게 VGF(Vertical Gradient Freeze)법과 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법과 등이 주로 많이 사용된다. 그 중에서도 전자인 VGF(Vertical Gradient Freeze)법은 단결정성이 좋으며 낮은 결함을 갖고 있어 고품질 단결정 Ingot을 제조할 수 있으나 내부를 볼 수 없으며 느린 결정 성장 속도 그리고 원료를 다른 공정을 통해서 제조해야 한다는 많은 단점을 가지고 있다. 이에 비해 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법은 반응로 내부의 심한 열손실로 인해 반응로의 수직한 방향으로의 큰 온도 차이로 VGF(Vertical Gradient Freeze)법과 VB(Vertical Bridgeman)법에 비해 고품질의 잉곳(Ingot)을 제작할 수 없다는 심각한 단점을 안고 있다.

그럼 본 발명을 용이하게 설명하기 위해서 이러한 갈륨비소를 잉곳을 생산하는 방법과 그외 이 분야의 일반적인 기술적 사항들을 상세히 설명한다.

반도체의 경우, 잉곳을 생산하고 이를 가공하여 웨이퍼를 생산하는 것이다. 그리고 이 웨이퍼를 절단하여 반도체 웨이퍼를 제작하는 방식이다.

그럼 이러한 단결정화된 잉곳을 생산하기 위한 제조방법의 간략적인 형태를 보면 다음과 같다. 즉, 전술된 것처럼 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법과 VGF(Vertical Gradient Freeze)법 등이 주로 사용되는데, 이들 모두는 결국 갈륨과 비소를 합성물을 용융시켜 잉곳으로 고체화시키는 과정에서 단결정화시킨다는 점에서 맥락을 같이한다. 그러나 큰 차이점은 상기 전자인 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법은 시드의 하부로 성장시키면서 단결정화시키는 방식이고, 상기 VGF(Vertical Gradient Freeze)법은 도가니 내부에서 시드의 상부로 성장시키면서 단결정화시킨다는 점에서 차이가 있다.

그리고 전자인 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법은 그 생산량과 생산기간 등에서 큰 효과가 있는 것은 인정되고 있지만 그 제품적 품질면에서 VGF(Vertical Gradient Freeze)법에 의해 생산된 잉곳에 비하여 큰 하자로서 받아 들여지고 있다. 또한 요즘은 생산량에 주력하기 보다는 질적인 향상에 신경을 쓰고 있는 때이기에 차츰 그 경쟁력을 잃어가고 있는 추세이다. 본 발명은 전술된 잉곳 제조방법 중 후자인 VGF(Vertical Gradient Freeze)법이나 VB법과 유사한 방법이다.

여기서 VB 기술에 의한 GaAs 단결정 성장은 1960년대 이미 시도되었지만 이 기술은 낮은 dislocation의 화합물 반도체 소자 제조를 위해 1980년대 후반 더욱더 발전 되어져 왔다. 이 시간동안, 수직브리지만 법에 의한 단결정 성장은 실리콘, 갈륨비소 성장산업에 확산 되어졌다. 3”, 6” Growth가 성공 되었고 이들의 전위밀도는 500~5000/ ㎠이다. 또한 특이할만한 점은 수직브리지만에 의한 결정의 전기적인 특성은 열처리 후의 쵸크랄스키법에 견줄만한 좋은 성질을 갖고 있다. 후의 PBN 도가니의 응용은 초기의 단결정 성장 수율 특성 향상과 기계적 스트레스 등의 문제를 효과적으로 해결해 주었다. 이 공정의 장점으로는 낮은 전위밀도와 낮은 열응력에서의 낮은 열 구배로 인해 낮은 전위결함을 갖으며, 또한 화학양론에 입각한 선택적 운전, 성장기구안 열처리가 가능하며 많은 다중 히터를 필요로 하지만 상대적으로 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법에 비해 낮은 투자비가 소요된다.

그러나 종래의 이러한 방식은 상기 장점에 반향하는 많은 단점들도 있다. 즉, 단결정 성장모습을 볼 수 없으며 무엇보다도 원재료로 사용되는 다결정 갈륨비 소(Poly GaAs)를 공정 내에서 제작할 수 없으므로 이를 다른 설비를 이용하여 생산 하는 방법과 외부에서 구입을 해와야 하는 번거롭고, 시간적, 비용적 손실을 감안해야 했다. 다시 말해서 갈륨과 비소를 분리하여 합성하기 힘들고, 단지 갈륨과 비소가 합성된 상태인 갈륨비소(GaAs)를 별도로 구비하고 잉곳을 생산해야만 하는 어려움이 있다는 것이다.

상기한 문제점을 해결한 본 발명은 발광소자 및 고주파 신호 처리 반도체 소자의 원재료인 갈륨비소(GaAs) 잉곳(Ingot)을 결정성장 시키는 장치 및 방법에 관한 것으로 특히, 갈륨(Ga)과 비소(As)를 도가니에 각각 장입 후 원료의 합성과 수직 브리지만법을 이용한 결정 성장을 단일공정으로 처리하는 장치와 방법을 제공하고자 한다.

따라서 본 발명은 갈륨비소를 생산하기 위한 방법에 있어서, 제1단계: 상부챔버에는 비소(As)를 하부챔버에는 갈륨(Ga)을 셋팅하고, 상기 상,하부챔버에 불활성기체를 이용하여 압력을 주는 단계와; 제2단계: 상기 하부챔버를 가온시켜 챔버 내의 도가니에서 갈륨과 산화붕소를 용융시키는 1차 승온의 단계와; 제3단계: 상기 하부챔버를 더 가온시켜 챔버 내의 도가니 온도를 1100-1400℃로 가온시키되, 도가니 하단 기준점 상부만으로 한정시키는 2차 승온의 단계와; 제4단계: 상기 상부챔버를 작동시켜 하부챔버의 도가니로 잠입 비소투입용기 속의 기체화된 비소를 합성 시키는 단계와; 제5단계: 합성완료 후 비소투입용를 상승시키고, 하부챔버 내의 작동구를 회전시켜 안정화시키는 단계와; 제6단계: 하부챔버 내의 도가니에 합성 용융물이 생성된 후, 도가니 최하단의 씨드를 상승시켜 기준점의 상부로 올려 씨드를 용융화시키는 단계와; 제7단계: 씨드 용융화 후에 온도를 감온하면서 도가니를 기준점 이하로 천천히 하향시키면서 결정화시키는 단계;들로 이루어져 고품질의 잉곳과 웨이퍼를 생산하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 갈륨비소를 이용한 반도체 생산을 위한 잉곳을 생산하는 장치에 있어서, 내부에 비소투입용기와, 상기 비소투입용기를 회전시키고 승하강시키는 로드를 가진 상부챔버와; 상기 상부챔버의 하단에 비치되어 기체를 보호하는 하부챔버와; 상기 하부챔버 내부에 벽면을 형성하여 열손실을 막아주는 단열층과; 상기 단열층 내부에서 상부와 하부층을 이루어 열을 공급하는 다중 상,하부히터와; 상기 상, 하부히터의 중심에서 하부챔버의 급격한 온도 감소를 막아주는 완충관과; 상기 상, 하부히터의 내부에 비치되어, 승하강수단을 통해 회전과 승하강운동을 하는 원통형상의 작동구와; 상기 작동구 내부에 비치되어 끝단에 씨드를 투입하는 도가니가; 결합하여 상부챔버의 비소와 하부챔버 도가니 내의 갈륨을 합성하여 잉곳을 생산하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 갈륨비소 잉곳을 생산하기 위한 방법과 그 장치에 관한 것이다.

따라서 본 발명의 구성을 도시된 도면과 함께 상세히 설명한다.

본 발명은 도 1 내지 9에서처럼, 제1단계(도2에 도시): 상부챔버(10)에는 비소(As)을 하부챔버(20)에는 갈륨(Ga)를 셋팅하고, 상기 상,하부챔버(10, 20)에 불활성기체를 이용하여 압력을 주는 단계를 거친다. 즉, 상부챔버(10)에는 비소(1)를 투입하고 하부챔버(20)에는 갈륨(2)을 투입한다. 더욱 자세하게는 상기 상부챔버(10) 내의 비소투입용기(11) 내부에 비소(1)를 투입하고 상기 하부챔버(20) 내의 도가니(70)에는 갈륨(2)을 투입하고 그 상단으로 산화붕소(3) 투입한다. 물론 이렇게 상온의 상태에서 투입된 상기 물질들은 모두 고체의 상태이다. 그리고 이 상부챔버(10)와 하부챔버(20)의 내부에는 불활성기체를 투입하여 어느 정도의 일정한 압력이 유지될 수 있도록 유도한다.

한편 상기 불활성기체를 이용한 압력은, 40-90psi로 유지시킴이 바람직하다.

다음으로 본 발명은 제2단계(도3에 도시): 상기 하부챔버(20)를 가온시켜 챔버 내의 도가니(70)에서 갈륨(2)과 산화붕소(3)를 용융시키는 1차 승온의 단계를 거친다. 즉, 하부챔버(20)에 형성된 히터를 가동시켜 하부챔버(20)의 내부를 가온시키는 것이다. 이때 이 1차 승온의 단계는, 다중 상,하부히터(41, 42)를 통해 700-900℃로 승온시키는 것이 바람직하다. 상기 하부챔버(20)의 내부 도가니(70)에 들어 있는 갈륨(2)은 그 용융점이 약 29℃이고, 산화붕소(3)의 용융점은 약 340℃ 이다. 따라서 도가니(70)가 약 700-900℃이면 갈륨(2)과 산화붕소(3)가 모두 용융되어 액체화된다. 그런데 상기 산화붕소(3)의 경우 갈륨(2)에 비한 밀도차가 있기에 서로 혼합될 수 없는 액체 상태가 된다. 따라서 항상 상기 갈륨(2) 액체의 상부에 뜬 상태로 층을 이루고 있다. 결국 본 발명의 1차 승온의 단계에서는 갈륨(2)과 산화붕소(3)가 모두 용용되는데, 액상의 갈륨(2)의 상부층으로 산화붕소(3)가 위치하고 있어 상기 갈륨(2)이 상부로 이동하는 것을 막는다.

다음으로 본 발명은 제3단계(도4과 5에 도시): 상기 하부챔버(20)를 더 가온시켜 챔버 내의 도가니(70) 온도를 1100-1400℃로 가온시키되, 도가니(70) 하단 기준점(85) 상부만으로 한정시키는 2차 승온의 단계를 거친다. 즉, 도시된 도면에서처럼 씨드(71) 바로 상부를 기준점으로 하여 그 상단의 온도를 상승시켜 주는 것이다. 따라서 갈륨비소(4) 합성물(4)인 씨드(71)는 액화되지 않고 고체로 남아 있으며, 그 상부의 갈륨(2)만 액상으로 존재한다. 물론 상기 갈륨(2)의 상부에는 산화붕소(3) 액체가 층을 이루면서 덮여 있다. 여기서 본 발명에서는 갈륨은 도면의 부호 2, 비소는 1 갈륨과 비소가 화합된 갈륨비소는 4로 표시하되, 갈륨비소는 합성물이라고 칭하기도 한다.

또한 본 발명은 제4단계(도5에 도시): 상기 상부챔버(10)를 작동시켜 하부챔버(20)의 도가니(70)로 잠입 비소투입용기(11) 속의 기체화된 비소(1)를 합성시키는 단계를 거친다. 즉, 상기 상부챔버(10)의 내부에 위치한 비소투입용기(11)를 로 드(12)를 통해 하향시킨다. 이때 상기 로드(12)는 승하강이 자유롭게, 필요한 속도로 회전운동도 가능하다. 따라서 상기 로드(12)가 하향하면 그 끝단에 고정된 비소투입용기(11)도 하향을 하며 하부챔버(20)의 내부로 들어오며, 고온으로 승온된다. 이때 상기 비소투입용기(11)의 내부에 비치된 비소(1)의 경우 그 상태변화 온도가 약 614℃이기에 비소(1)도 상태변화를 거치게 된다. 그런데 비소(1)의 경우 승온에 따라 고체에서 액체로 변하는 것이 아니고, 기화를 하는 기화물질이다. 따라서 비소(1)는 온도가 승온되면서 기체화하게 된다. 즉, 도시된 도 5에서처럼, 비소투입용기(11)가 하향하여 그 끝단이 산화붕소(3)를 관통하고 갈륨(2) 액체의 내부에 위치한 상태이다. 더욱 상세히 설명하자면, 상기 비소투입용기(11)의 끝단에는 별도의 노즐이 형성되어 있어서, 상기 산화붕소(3) 층을 관통하고 내려와 갈륨(2) 액체에 그 끝단이 담겨진 상태를 유지하는 것이다. 그러다 상기 비소(1)가 기체화되며 그 노즐로 분출되면서 상기 갈륨(2)과 화학적 반응을 하게 되는데, 그 반응은 격렬하여 끓어 오를 소지가 많다. 바로 이때 상기 산화붕소(3) 층이 이를 제어하며, 제1단계에서 상하부챔버(10, 20) 내에 걸어준 비활성기체의 내부압이 막아 주게 된다.

그리고 본 발명은 제5단계: 합성완료 후 비소투입용기(11)를 상승시키고, 하부챔버(20) 내의 작동구(60)를 회전시켜 안정화시키는 단계를 거친다. 즉, 합성이 완료되어 비소투입용기(11) 내의 모든 비소(1)가 빠져나왔기에 상기 비소투입용기(11)를 로드(12)를 상승시키는 방식으로 상승시키게 된다. 그리고는 하부챔 버(20) 내의 도가니(70)는 회전을 한다. 즉, 작동구(60)를 통해 상기 도가니(70)를 회전시키게 되는데, 이 이유는 내부의 합성물(4)이 안정화되면서 고루 혼합 및 화합이 완성되도록 유도하는 것이다.

다음으로 본 발명은 제6단계(도 6에 도시): 하부챔버(20) 내의 도가니(70)에 합성 용융물이 생성된 후, 도가니(70) 최하단의 씨드(71)를 상승시켜 기준점(85)의 상부로 올려 씨드(71)를 용융화시키는 단계를 거친다. 즉, 상기 도가니(70)를 상승시키는 것이다. 이미 전단계에서 온도의 기준점은 만들어진 상태이기에 상기 도가니(70)가 상승되면 그 갈륨비소(4) 합성물(4)로 이루어진 씨드(71)도 녹을 수밖에 없는데, 본 발명에서는 상기 씨드(71)를 전체적으로 녹이지 않고, 반만을 녹이게 된다.

이를 보다 상세히 설명하자면, 사실상 갈륨(2)과 비소(1)가 합성화된 합성물(4)인 갈륨비소(4)는 그 용융점이 1200℃ 정도 된다. 따라서 이 이상의 온도를 유지해야만 녹게 되는 것이다. 그런데 전술된 제4와 5단계에서 씨드(71)의 상단에 그 기준점(85)을 맞추어 놓은 상태이다. 따라서 씨드(71)는 녹지 않고 고체 상태를 유지하며 갈륨(2)과 비소(1)의 합성물인 갈륨비소(4)만이 녹여진 상태를 유지한다.

그러다 본 발명의 제6단계를 거치면서 상기 도가니(70)를 상승시키되, 그 상승의 높이는 상기 씨드(71)의 반 정도의 높이까지 올리는 것이기에 상기 씨드(71) 의 상단 반은 1200℃ 이상의 온도에 노출된다. 따라서 상기 씨드(71)도 고체 상태가 아닌 액체로 변하는 것이다. 물론 하단은 기준점(85)의 아래에 있기에 고체 상태를 유지하고 있다.

다음으로 본 발명은 제7단계(도7에 도시): 씨드(71) 용융화 후에 온도를 감온하면서 도가니(70)를 기준점(85) 이하로 천천히 하향시키면서 결정화시키는 단계를 거친다. 즉, 상기 도가니(70) 내부의 합성물(4)을 고체화시켜 잉곳(91)을 제작하기 위한 것이 본 발명이기에 상기 로드(a)를 하향시키는 방식으로 상기 도가니(70) 전체가 기준점(85)의 아래로 내려갈 수 있도록 하향시켜 고체화시키는 것이다. 그 하향의 속도는 저속이어야 고체화되는 잉곳(91)이 안정화되는데, 가장 바람직하게는, 2mm/hr의 속도를 유지한다.

물론 이러한 방식으로 잉곳(91)을 제작하고는 온도를 도 8에 도시한 것처럼 상온으로 떨어트리고 난 후 도가니(70)를 장치에서 빼내고, 도가니(70) 내부에 굳어진 갈륨비소(4) 잉곳(91)을 빼내면 된다.

한편 본 발명은 상기 제7단계 뒤에는, 도가니(70)를 다시 상승시키고, 도가니(70)의 온도를 950-1100℃로 유지시키며 잔류 응력을 풀어주는 열처리단계를 거치는 것이 더욱 바람직하다(도 8에도시). 즉, 이미 고체화된 도가니(70) 내의 갈륨비소(4) 잉곳(91)을 다시 상승시키되 하부챔버(20) 내의 온도를 950-1100℃를 유지시키고 있기에 갈륨비소(4)가 액화되는 현상은 없다. 단지 고온으로 승온하면서 응 력을 풀어 주는 역할을 하여 심한 온도변화에 의해 깨지는 점을 방지하고, 단결정화가 안정되게 유지될 수 있도록 유도한다.

그리고 본 발명은 더 나아가 상기 열처리단계 뒤에는, 2℃/min로 800℃까지 1차 온도 하강 후, 30분에서 2시간 유지한 후, 다시 상온까지 5℃/hr로 하강시켜 균열발생을 억제하는 것이 바람직하다. 즉, 다시 온도를 떨어트릴 때 상기의 속도와 시간을 유지함이 바람직하다는 것이다.

한편 본 발명은 전술된 것처럼 잉곳(91)을 생산하는 방법에만 특징이 있는 것이 아니고, 그 잉곳(91)을 생산하는 장치에도 큰 특징이 있다. 따라서 본 발명은 이러한 장치도 청구범위로서 청구하고 있는 것이다.

본 발명은 갈륨비소(4)를 이용한 반도체 생산을 위한 잉곳(91)을 생산하는 장치에 관한 것인데, 내부에 비소투입용기(11)와, 상기 비소투입용기(11)를 회전시키고 승하강시키는 로드(12)를 가진 상부챔버(10)가 있고, 상기 상부챔버(10)의 하단에 비치되어 기체를 보호하는 하부챔버(20)가 있다. 또한 상기 하부챔버(20) 내부에 벽면을 형성하여 열손실을 막아주는 단열층(30)이 있고, 상기 단열층(30) 내부에서 상부와 하부층을 이루어 열을 공급하는 다중 상,하부히터(41, 42)가 있다. 그리고 상기 상, 하부히터(41, 42)의 중심에서 하부챔버(20)의 급격한 온도 감소를 막아주는 완충관(50)이 있고, 상기 상, 하부히터(41, 42)의 내부에 비치되어, 승하 강수단을 통해 회전과 승하강운동을 하는 원통형상의 작동구(60)가 있다. 하편 본 발명은 상기 작동구(60) 내부에 비치되어 끝단에 씨드(71)를 투입하는 도가니(70)가 형성된다. 따라서 상부챔버(10)의 비소(1)와 하부챔버(20) 도가니(70) 내의 갈륨을 합성하여 잉곳을 생산한다.

즉, 도시된 도 2에서처럼, 본 발명의 기체는 상부에는 상부챔버(10)가 하부에는 하부챔버(20)가 비치된다. 그리고 상기 상부챔버(10)의 내부에는 도시된 비소투입용기(11)가 마련되고, 이 비소투입용기(11)의 내부에 비소(1)가 투입되어 셋팅된다. 그리고 상기 하부챔버(20)의 내부에는 도시된 것처럼, 상하부로 구분되는 다중 상, 하부히터(41, 42)가 있고, 상기 상, 하부히터(41, 42)의 사이에는 도시된 완충관(50)을 형성하고 있다. 그리고 이러한 상기 상, 하부히터(41, 42)의 외부에는 단열층(30)을 형성하고, 히터의 내부에는 도가니(70)를 형성하고 있다. 따라서 만일 상기 상, 하부히터(41, 42)에서 고온의 열을 발생시키면, 그 고온의 열이 하부챔버(20)의 외부로 빠져나가지 않도록, 상기 단열층(30)이 보호를 하고 상기 상, 하부히터(41, 42)의 사이에 끼인 완충관(50)은 상기 상부와 하부 간에 층으로 이루어진 히터가 그 구조적인 결함에 의해 온도 차이의 발생을 최소화시킨다. 즉, 상, 하부히터(41, 42)에서 발생되는 온도가 서로 잘 전도되고, 축열될 수 있는 재질로서 제작이 되어야 한다.

한편 상기 상부챔버(10)의 로드(12)는, 다수의 모터 동력을 이용하여 회전 과 승하강운동을 할 수 있는 것이다. 즉, 도시된 도면에서는 도시하고 있지 않지만, 본 발명에서 사용되는 로드(12)의 승하강수단은 아주 다양한 형태로 제작이 가능하다. 즉, 로드(12)를 필요 시 승하강시킬 수 있고, 또 간혈적인 회전을 시킬 수 있는 공지된 어떠한 형태로도 실시가 가능하다.

또한 본 발명에서는 상기 작동구(60)에 비치되는 승하강수단이, 다수의 모터 동력을 이용하여 작동구(60)를 회전시키고 승하강 할 수 있는 것이 바람직하다. 즉, 이 작동구(60)의 승하강수단도 역시 공지된 수 많은 구성들을 조합하여 승하강하면서 동시에 회전운동도 행할 수 있는 구조는 모두가 가능하다. 물론 이러한 구성은 다수의 모터를 서로 조합하여 달성할 수 있다.

한편 본 발명에서 상기 도가니(70)는, 원통의 형상이며 넓은 지름의 잉곳형성부(72)가 있고, 상기 잉곳형성부(72) 하단에 일체되어 성형되어 지름이 축소되는 테이퍼부(73)가 있다. 또한 상기 테이퍼부(73) 하단에 원통형으로 일체된 최소 지름의 전이감소성장부(74)가 있고, 상기 전이감소성장부(74) 하단으로 지름을 확대시키는 전이감소부(75)가 있다. 그리고 상기 전이감소부(75)의 하단으로 원통 형상으로 체결된 씨드삽입부(76)가 형성된다. 따라서 본 발명은 씨드삽입부(76)에 삽입된 씨드(71)를 잉곳형성부(72)까지 성장시키되, EPD를 전이감소부(75)와 전이감소성장부(74)를 통해 넥킹공정을 실시함으로 감소시키는 것이다.

즉, 하단부터 설명하자면 잉곳(91)을 키우기 위한 씨드삽입부(76)가 최하단이 마련되어 그 내부에 씨드(71)가 끼워지게 된다. 이 씨드삽입부(76)의 경우 원통형상이며, 다소 작은 지름으로 구성된다. 본 발명에서 칭하는 다소 큰 지름 작은 지름은 서로 타 구성요소와의 비교치일 뿐이다. 따라서 특별하게 특정하기 힘들다. 이유는 생산되는 잉곳(91) 역시 그 도가니(70)의 크기에 따라 지름이 다양하고 가공의 형태에 따라서 변동될 소지가 많기 때문이다. 따라서 본 발명의 명세서에서 칭하는 지름은 각각의 구성요소와의 상대적인 비교를 통한 크고 작은 비교치인 것이다.

이렇듯 작은 지름의 씨드삽입부(76)의 상단으로는 더 협소한 지름을 가질 수 있도록 전이감소부(75)를 형성한다. 이 전이감소부(75)는 씨드(71)가 자라나 잉곳(91)을 형성시킴에 있어서 EPD(Etched pit Density)를 줄어들게 하는 작용을 하는 것인데, 종래에는 이러한 지름을 줄이기 위해 별도의 넥킹 작업을 하고 있었지만 본 발명에서는 도가니(70) 자체에 넥킹부인 전이감소부(75)가 있기에 자연스럽게 넥킹 공정을 수행할 수 있다. 그리고 이러한 전이감소부(75)의 상부로는 감소된 지름으로 원통형상으로 올라가는 전이감소성장부(74)가 마련된다. 이 전이감소성장부(74)가 바로 EPD(Etched pit Density)를 줄인 상태로 성장시키기 위한 넥킹공정의 목이 되는 부위로서 그 길이는 특별히 한정하기 힘들다. 단지 씨드(71)의 크기에 비하여 작은 형태가 도가니(70) 제작에 용이하겠다.

또한 이렇게 줄어든 지름의 전이감소성장부(74)의 상부로는 도시된 테이퍼부(73)가 형성되는데, 이 테이퍼부(73)를 통해서 상기 씨드(71)는 그 지름이 확장되어 잉곳(91)을 제작할 수 있는 기틀이 된다. 물론 이렇게 지름이 확대된 상태에서 상부로 원통형으로 올라서는 잉곳형성부(72)가 마련되어 이 장소에서 잉곳(91)은 자라나 완성된다.

그리고 본 발명은 도시된 도 11에서처럼, 상기 전이감소부(75)는, 그 테이퍼진 형태이거나 부드러운 라운드의 형태로 지름의 변경을 가하는 것이 바람직하다. 즉, 도 에서처럼 테이퍼진 형태로 제작하거나 부드러운 라운드진 형태로 제작이 가능하다는 것이다. 지름을 축소시켜 넥킹부 즉, 전이감소성장부(74)를 형성시키려는 목적이기에 자연스럽게 지름을 축소시킬 수 있는 모든 방식이 사용가능하다는 것이다.

한편 본 발명은 상기 전이감소부(75)의 테이퍼진 형태는, 그 각도가 10-50°의 각도로 테이퍼진 것이 가장 바람직하다. 즉, 이 각도를 유지시킴이 그 EDP(Etched pit Density)를 최상으로 축소시킬 수 있었으며, 도가니(70)의 제작이 쉽다는 제작상의 의도이다.

그리고 본 발명은 도시된 도면에서처럼, 상기 하부챔버(20)의 상단에는, 투시창(T)을 형성하여 도가니(70) 내의 상태를 들여다 볼 수 있게 한 것이다. 즉, 잉 곳을 성장시키면서, 도가니의 내부에서 벌어지는 상황을 관찰할 수 있게 하여 보다 질 좋은 잉곳을 생산할 수 있게 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 GaAs의 수직 브릿지만법에 의한 결정성장 공정 합성공정 자체가 한 번의 공정으로 진행되고, 종래의 GaAs 단결정 성장 장치를 활용하여 별도의 장비나 비용을 더 발생시킴이 없이, 더욱 질 좋은 잉곳을 생산할 수 있게 한 시간과 비용 면에서 혁신적인 생산성 향상을 기할 수 있는 유용한 발명이다.

Claims

갈륨비소 잉곳을 생산하기 위한 방법에 있어서,

제1단계: 상부챔버(10)에는 비소(As)를 하부챔버(20)에는 갈륨(Ga)을 셋팅하고, 상기 상,하부챔버(10, 20)에 불활성기체를 이용하여 압력을 주는 단계와;

제2단계: 상기 하부챔버(20)를 가온시켜 챔버 내의 도가니(70)에서 갈륨과 산화붕소를 용융시키는 1차 승온의 단계와;

제3단계: 상기 하부챔버(20)를 더 가온시켜 챔버 내의 도가니(70) 온도를 1100-1400℃로 가온시키되, 도가니 하단 기준점(85) 상부만으로 한정시키는 2차 승온의 단계와;

제4단계: 상기 상부챔버(10)를 작동시켜 하부챔버(20)의 도가니(70)로 잠입 비소투입용기(11) 속의 기체화된 비소를 합성시키는 단계와;

제5단계: 합성완료 후 비소투입용기(11)를 상승시키고, 하부챔버(20) 내의 작동구(60)를 회전시켜 안정화시키는 단계와;

제6단계: 하부챔버(20) 내의 도가니(70)에 합성 용융물이 생성된 후, 도가니(70) 최하단의 씨드(71)를 상승시켜 기준점(85)의 상부로 올려 씨드(71)를 용융화시키는 단계와;

제7단계: 씨드(71) 용융화 후에 온도를 감온하면서 도가니(70)를 기준점(85) 이하로 천천히 하향시키면서 결정화시키는 단계;들로 이루어져 고품질의 잉곳(91)과 웨이퍼(92)를 생산하는 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브 리지만 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1단계의 불활성기체를 이용한 압력은,

40-90psi인 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2단계의 1차 승온의 단계는,

다중 상,하부히터(41, 42)를 통해 700-900℃로 승온시키는 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 방법.
제1항에 있어서,

상기 제7단계의 도가니(70)의 하향속도는,

2mm/hr의 속도인 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 방법.
제1항에 있어서,

상기 제7단계 뒤에는,

도가니(70)를 다시 상승시키고, 도가니(70)의 온도를 950-1100℃로 유지시키며 잔류응력을 풀어주는 열처리단계를 거치는 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 방법.
제5항에 있어서,

상기 열처리단계 뒤에는,

2℃/min로 800℃까지 1차 온도 하강 후, 30분에서 2시간 유지한 후, 다시 상온까지 5℃/hr로 하강시켜 균열발생을 억제하는 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 방법.
갈륨비소를 이용한 반도체 생산을 위한 잉곳을 생산하는 장치에 있어서,

내부에 비소투입용기(11)와, 상기 비소투입용기(11)를 회전시키고 승하강시키는 로드(12)를 가진 상부챔버(10)와;

상기 상부챔버(10)의 하단에 비치되어 기체를 보호하는 하부챔버(20)와;

상기 하부챔버(20) 내부에 벽면을 형성하여 열손실을 막아주는 단열층(30) 과;

상기 단열층(30) 내부에서 상부와 하부층을 이루어 열을 공급하는 다중 상,하부히터(41, 42)와;

상기 상, 하부히터(41, 42)의 중심에서 하부챔버(20)의 급격한 온도 감소를 막아주는 완충관(50)과;

상기 상, 하부히터(41, 42)의 내부에 비치되어, 승하강수단을 통해 회전과 승하강운동을 하는 원통형상의 작동구(60)와;

상기 작동구(60) 내부에 비치되어 끝단에 씨드(71)를 투입하는 도가니(70)가; 결합하여 상부챔버(10)의 비소(1)와 하부챔버(20) 도가니(70) 내의 갈륨을 합성하여 잉곳을 생산하는 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 장치.
제7항에 있어서,

상기 상부챔버(10)의 로드(12)는,

다수의 모터 동력을 이용하여 회전과 승하강운동을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 장치.
제7항에 있어서,

상기 작동구(60)에 비치되는 승하강수단은,

다수의 모터 동력을 이용하여 작동구(60)를 회전시키고 승하강 할 수 있는 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 장치.
제7항에 있어서,

상기 도가니(70)는,

원통의 형상이며 넓은 지름의 잉곳형성부(72)와;

상기 잉곳형성부(72) 하단에 일체되어 성형되어 지름이 축소되는 테이퍼부(73)와;

상기 테이퍼부(73) 하단에 원통형으로 일체된 최소 지름의 전이감소성장부(74)와;

상기 전이감소성장부(74) 하단으로 지름을 확대시키는 전이감소부(75)와;

상기 전이감소부(75)의 하단으로 원통 형상으로 체결된 씨드삽입부(76)가; 모두 일체형으로 결합 형성되어 씨드삽입부(76)에 삽입된 씨드(71)를 잉곳형성부(72)까지 성장시키되, EPD를 전이감소부(75)와 전이감소성장부(74)를 통해 넥킹공정을 실시함으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 장치.
제7항에 있어서,

상기 하부챔버(20)의 상단에는,

투시창(T)을 형성하여 도가니(70) 내의 상태를 들여다 볼 수 있게 한 것을 특징으로 하는 갈륨비소 잉곳 생산을 위한 수직 브리지만 장치.