KR100975957B1 - 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정성장 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 상기한 본 발명의 장치는 흑연도가니 몸체, 상·하부 흑연 도가니 뚜껑, 탄화규소 및 흑연 종자정 홀더 및 유도코일로 구성되는 탄화규소 단결정 성장 장치에 있어서, 상기 흑연 도가니 몸체에 하부 흑연 도가니 뚜껑을 부착시킨 후 그 위에 상기 탄화 규소 흑연 종자정 홀더와 그 상부에 탄화규소 종자정 홀더를 위치시키고, 상기 흑연 도가니 몸체 내부에 저밀도 흑연 실린더를 일정 위치에 위치시킨 다음, 흑연 도가니 몸체 내부와 저밀도 흑연 실린더 사이에 탄화 규소 분말을 충진시킨 구조로 됨을 특징으로 한다.

상기한 본 발명의 구성에 따른 장치를 사용한 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장방법은 종래기술의 문제점이었던 탄화규소 종자정 및 성장된 탄화규소 잉곳이 흑연 종자정 홀더 표면에서 이탈하는 문제를 해결할 수 있을 뿐 아니라, 직경이 확장된 부분에 결함밀도가 낮은 탄화규소 잉곳을 성장시킬 수 있다.

탄화규소, 실리콘 카바이드, 단결정 잉곳, 직경확장, 도가니 구조, 흑연 종자정 홀더, 온도구배.

Description

대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치 및 그 방법{The SiC single crystal growth equipment for enlargement of SiC diameter}

본 발명은 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 종래의 탄화규소 단결정 성장을 위해 사용되는 도가니를 결정 a축 성장을 위한 구조로 제작하여 도가니 중앙부의 하부에 흑연 종자정 홀더와 탄화규소 종자정 홀더를 순차로 위치시키고 도가니 내벽 인접부에 저밀도의 흑연 실린더형 구조물을 위치시킴으로써 탄화규소 종자정의 이탈을 방지하고 탄화규소 결정의 직경성장을 이룰 수 있게 하는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치와 이 장치를 이용한 탄화규소 단결정의 성장 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기, 전자 산업분야 및 기계부품 분야에 있어서의 소재의 중요도는 매우 높아 실제 최종 부품의 특성 및 성능지수를 결정하는 중요한 요인이 되고 있다. 이런 관점에서 차세대 반도체 소자 재료 등으로서 탄화규소(SiC), 질화갈 륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 산화아연(ZnO) 등의 밴드 갭(band gap) 에너지가 큰 와이드 밴드 갭 단결정 소재는 정보화 사회의 지속적인 발전 및 우주항공시대의 시작과 함께 기존에 주로 사용되고 있는 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 반도체 소재의 물리적 한계를 극복할 수 있는 유망한 미래소재로 주목을 받고 있다.

특히, 상기 주목받고 있는 유망한 미래소재들 중에서, 그동안 섭씨 100도 이상의 온도에 취약해 잦은 오작동과 고장을 일으키며 다양한 냉각장치를 필요로 했던 Si 소재의 물리적 한계를 극복할 수 있는 와이드 밴드 갭 단결정 소재로는, 단결정 잉곳 성장 기술이 현실적으로 가장 안정적으로 확보되어 기판으로서 산업적 생산 기술이 가장 앞선 탄화규소이다.

그런데, 상기한 탄화규소 단결정은 화학양론적인 용액으로부터 성장시키기 위해서는 열역학적으로 다이아몬드 합성과 비슷한 100,000기압 이상의 압력과 3,200℃ 이상의 온도가 필요하기 때문에 주로 승화 방식을 이용한 PVT(Physical Vapor Transport)법, 즉 종자정 성장 승화법(seeded growth sublimation)을 산업적으로 많이 이용하여 단결정 잉곳을 제조하고 있다. 하지만 상기한 탄화규소를 이용한 고전력, 고주파 저손실 소자들의 제조를 위해서는 많은 제약이 따른다. 이는 탄화규소 단결정의 결함을 제어가 힘들 뿐 아니라 대구경 및 고수율의 탄화규소 단결정을 획득하기가 어렵기 때문이다. 또한, 고품질의 탄화규소 단결정을 위해서는 직경확장이 필수적이지만 만족할만한 수준의 해결책이 제시되고 있지 않은 실정이다.

한편, 탄화규소 결정 성장과 관련된 종래 발명으로는 대한민국 특허출원 제2002-7003677호의 "탄화규소 결정 성장 방법 및 장치"가 개시되어 있다. 상기 발명 은 "탄화규소 결정 성장 시스템에서 고품질의 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법으로서, 탄화규소 증기를 형성하기에 충분한 온도까지 규소 소스와 도입된 탄소 소스의 온도를 증가시키는 단계, 동시에, 상기 규소 및 탄소 소스의 온도에 접근하지만 상기 규소 및 탄소 온도 이하이면서 탄화규소가 탄화규소 결정 성장 시스템의 기체 압력 조건하에서 증착되는 것보다 빨리 승화하는 온도 이하로 종정의 성장 표면의 온도를 증가시키는 단계, 그리고 상기 규소 소스 및 상기 도입된 탄소 소스에서 유래된 탄소 및 규소를 함유하는 증발된 종(vaporized species)의 적절한 흐름을 생성하고 유지하는 단계, 동시에, 상기 종들을 함유한 임의의 규소가 상기 도입된 탄소 소스 이외의 대기와 반응하는 것을 실질적으로 방지하는 단계를 포함하고, 상기 증기 흐름은 단결정 탄화규소를 원하는 양만큼 거시적으로 성장시키기에 충분한 시간 동안 상기 종정의 상기 성장 표면을 향하도록 하는 방법"을 개시하고 있다.

그러나, 상기 특허 발명이 탄화규소 단결정의 결함의 완전한 제어와 대구경 및 고수율의 탄화규소 단결정을 획득에 만족할 만한 수준의 것이 아닐 뿐 아니라 특히 고품질 탄화규소 단결정을 제공하기 위한 직경확장에 대한 고려를 전혀 하지 않고 있어 상기한 종래의 문제점을 전혀 해결하지 못하고 있다. 또한, 종래의 기술에 있어서는 탄화규소 잉곳 성장시 탄화규소 종자정(Seed crystal)이 흑연 종자정 홀더(Seed crystal holder) 표면에서 이탈하는 문제와 직경이 확장된 부분에 결함밀도가 높아 대구경 고품질의 탄화규소 단결정을 용이하게 성장시킬 수 없었다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명자 등은 상기한 바와 같이 탄화규소 단결정 성장에 있어서 종래 기술에서 해결되어야 할 문제점 및 상기 제시된 바와 같은 이 기술분야의 현재의 기술 수준 등을 감안하여, 상기 문제점을 해결할 방안에 대해 예의 연구한 결과, 결정 성장 도가니의 온도구배를 종래의 결정 성장 도가니의 구조를 변경함에 의해 다르게 하여 단결정 탄화규소 잉곳의 직경확장을 이룰 수 있어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하여 탄화규소 단결정의 결함의 완전한 제어와 대구경 및 고수율의 탄화규소 단결정을 획득할 수 있는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 탄화규소 잉곳 성장시 탄화규소 종자정이 흑연 종자정 홀더의 표면으로부터 이탈하지 않을 뿐 아니라 탄화규소 단결정의 직경확장을 용이하게 할 수 있는 대구경 고품질 위한 단결정 성장 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 탄화규소 종자정이 종자정 홀더의 표면으로부터 이탈하지 않고, 탄화규소 단결정의 결함의 완전한 제어와 대구경 및 고수율의 탄화규소 단결정을 획득할 수 있는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 본 발명의 목적은 탄화규소 결정성장을 위한 도가니 구조는 결정 c축, 즉 탄화규소를 도가니의 횡방향으로 결정면을 성장시키는 경우 결정의 두께를 증가시키는데 유용하지만, 도가니 외경이 커지지 않는 이상 결정 a축 성장의 한계를 가지고 있다는 것을 밝혀내어, 종래의 결정의 c축 방향의 결정 성장 도가니 구조를 결정의 a축 방향 성장을 위한 도가니 구조로 제작하여 단결정 탄화규소 잉곳의 직 경확장을 이루게 하였으며, a축 방향의 직경확장 성장을 위해서는 도가니 c축 방향의 온도구배 보다 도가니 a축 방향의 온도구배를 크게 함으로서 달성되었다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치는;

흑연도가니 몸체, 상·하부 흑연 도가니 뚜껑, 탄화규소 및 흑연 종자정 홀더 및 유도코일로 구성되는 탄화규소 단결정 성장 장치에 있어서,

상기 흑연 도가니 몸체에 하부 흑연 도가니 뚜껑을 부착시킨 후 그 위에 상기 탄화 규소 흑연 종자정 홀더와 그 상부에 탄화규소 종자정 홀더를 위치시키고, 상기 흑연 도가니 몸체 내부에 저밀도 흑연 실린더를 일정 위치에 위치시킨 다음, 흑연 도가니 몸체 내부와 저밀도 흑연 실린더 사이에 탄화 규소 분말을 충진시킨 구조로 됨을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 탄화규소 종자정 홀더와 상기 흑연 종자정 홀더의 두 계면은 접착물질에 의하여 부착된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 탄화규소 종자정의 결정다형은 3C(cubic), 4H(haxagonal), 6H(haxagonal) 15R(rhombohedral)에서 선택된 것임을 특징으로 한다.

상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대구경 고품질 탄화규소 단결 정의 직경확장을 위한 단결정 성장 방법은;

흑연 도가니 몸체에 하부 흑연 도가니 뚜껑을 부착시킨 후 그 위에 탄화 규소 흑연 종자정 홀더와 그 상부에 탄화규소 종자정 홀더가 위치되고, 상기 흑연 도가니 몸체 내부에 저밀도 흑연 실린더가 일정 위치에 위치되고, 그리고 상기 흑연 도가니 몸체 내부와 상기 저밀도 흑연 실린더 사이에 탄화 규소 분말을 충진시킨 장치를 사용하여, 상기 탄화규소 분말 충진 후 흑연도가니 몸체의 상부에 상부 흑연 도가니 뚜껑를 부착하여 도가니 밀봉을 완료하고, 상기와 같이 도가니 세팅이 완료되면 유도가열로에 장입하여 유도 코일을 이용하여 탄화규소 결정 성장을 실시함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 탄화규소 결정 성장 공정은 아르곤 가스 분위기에서 약 2,300℃ 내지 2,500℃의 온도 영역에서 실시됨을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 유도가열로는 상부와 하부에 파이로미터가 장착된 것을 사용함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 유도가열로는 그 상부와 하부에 장착된 파이로미터를 이용하여 측정된 도가니 축 방향의 온도구배가 4 내지 6℃로 되도록 가열되게 설정됨을 특징으로 한다. 만일 상기 온도구배를 벗어나면 탄화규소 결정의 a 축 방향의 성장이 원활하게 이루어지지 않아 바람직하지 않다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 탄화규소 결정 성장압력은 10mbar 내지 50mbar 아르곤 분위기에서 수행됨을 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명에 따른 대구경 고품질 탄화규소 단결정 잉곳 성장을 위한 탄화규소 단결정 성장방법의 주요 구성은 종자정 성장 승화법(seeded growth sublimation)에 의해 탄화규소 단결정의 직경확장을 위해 도가니 c축 방향의 온도구배 보다 도가니 a축 방향의 온도구배를 크게 달성할 수 있는 구조를 갖는 장치를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치는 탄화규소 결정의 a축 성장을 위해 종래의 탄화규소 결정 성장의 도가니 내부의 상부에 위치하는 탄화규소 종자정의 이탈을 방지하기 위해 이를 하부에 위치시켰으며, 탄화규소 결정의 a축 성장을 달성하기 위해 도가니 내부의 온도구배를 도가니 좌우 방향으로 주었으며, 또한 탄화규소 분말의 위치는 탄화규소 종자정과 일정한 간격을 두어 저밀도 흑연 실린더를 장착하여 도가니 내부와 흑연 실린더 사이에 충진할 수 있게 제작하여, 탄화규소 종자정이 도가니 상부로 부터 이탈되는 문제와 탄화규소 종자정이 a축 방향으로의 성장을 효율적으로 달성할 수 있을 뿐만 아니라 확장된 영역의 탄화 규소 결정은 결함밀도가 낮게 성장할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기한 구성의 본 발명은 대구경 고품질 탄화규소 단결정 잉곳 성장을 위한 종자정 성장 승화법(seeded growth sublimation)에 의해 탄화규소 단결정의 직경성장을 위한 성장방법으로 종래 기술의 문제점이었던 탄화규소 종자정(Seed crystal)이 흑연 종자정 홀더(Seed crystal holder) 표면에서 이탈하는 문제를 해결할 수 있으며, 또한 직경이 확장된 부분에 결함밀도가 낮은 탄화규소 잉곳을 성장시킬 수 있어 대구경 고품질의 탄화규소 단결정 잉곳을 용이하게 성장시킬 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 결정 a축 방향 성장을 위해 사용하던 도가니 구조의 단면도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 탄화규소 종자정 홀더가 아래에 위치하고 탄화규소 분말과 종자정 홀더 사이에 저밀도 흑연 실린더가 위치한 도가니 구조의 단면도 및 평면도이다.

본 발명에 따른 대구경의 고품질 탄화규소 단결정 잉곳 성장을 위한 장치는 종래의 장치와 달리 흑연 도가니 몸체(206)에 하부 흑연 도가니 뚜껑(205)을 부착시켰다. 이 후 탄화 규소 흑연 종자정 홀더(202) 위에 탄화규소 종자정(201)을 위치시켰다. 이때 두 계면을 적절한 접착물질로 부착할 수도 있다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 탄화규소 종자정(201)의 결정다형은 특별히 한정하지는 않지만, 바람직하기로는 3C(cubic), 4H(haxagonal), 6H(haxagonal) 15R(rhombohedral) 등이 사용될 수 있다. 흑연 도가니 몸체(206) 내부에 저밀도 흑연 실린더(208)를 일정 위치에 위치시킨 다음, 흑연 도가니 몸체(206) 내부와 저밀도 흑연 실린더(208) 사 이에 탄화 규소 분말(203)을 충진시켰다. 탄화규소 분말 충진 후 흑연도가니 몸체(206)의 상부에 상부 흑연 도가니 뚜껑(204)를 부착하여 도가니 밀봉을 완료하였다. 도가니 세팅이 완료되면 유도가열로에 장입하여 유도 코일(207)을 이용하여 탄화규소 결정 성장을 실시하였다. 탄화규소 결정 성장 공정은 아르곤 가스 분위기에서 약 2,300℃ 내지 2,500℃의 온도 영역에서 실시되었으며 유도가열로 상부와 하부에 장착된 파이로미터를 이용하여 측정된 도가니 축 방향의 온도구배는 약 5℃였다. 성장압력은 10mbar 내지 50mbar 아르곤 분위기에서 10 내지 30시간 동안 단결정 잉곳을 성장시켰다.

도 1은 종래의 결정 a축 방향 성장을 위해 사용하던 도가니 구조 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 탄화규소 종자정 홀더가 아래에 위치하고 탄화규소 분말과 종자정 홀더 사이에 저밀도 흑연 실린더가 위치한 도가니 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 탄화규소 종자정 홀더가 아래에 위치하고 탄화규소 분말과 종자정 홀더 사이에 저밀도 흑연 실린더가 위치한 도가니 평면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101, 201 : 탄화규소 종자정 홀더

102, 202 : 흑연 종자정 홀더

103, 203 : 탄화규소 분말

104, 204 : 상부 흑연 도가니 뚜껑

105, 205 : 하부 흑연 도가니 뚜껑

106, 206 : 흑연도가니 몸체

107, 207 : 유도 코일

208 : 저밀도 흑연 실린더

Claims (8)

1. 흑연도가니 몸체와,

   상기 흑연 도가니 몸체의 하부에 부착된 하부 흑연 도가니 뚜껑과,

   상기 하부 흑연 도가니 뚜껑 상에 위치되는 탄화 규소 흑연 종자정 홀더와,

   상기 탄화 규소 흑연 종자정 홀더 상부에 위치하는 탄화 규소 종자정 홀더와,

   상기 흑연 도가니 몸체 내부의 일정 위치에 위치되는 저밀도 흑연 실린더와,

   상기 흑연 도가니 몸체 내부와 상기 저밀도 흑연 실린더 사이에 충진되는 탄화 규소 분말과,

   상기 흑연 도가니 몸체의 상부에 부착하여 도가니 몸체를 밀봉하는 상부 흑연 도가니 뚜껑으로 이루어지며,

   상기 밀봉 완료된 흑연 도가니 몸체를 유도 가열로에 장입하여 유도 코일을 이용하여 탄화규소 결정성장을 실시하되, 상기 유도 가열로는 상부와 하부에 장착된 파이로 미터를 이용하여 측정된 도가니 축 방향의 온도 구배가 4 내지 6℃로 되도록 가열되게 설정되는 것을 특징으로 하는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄화규소 종자정 홀더와 상기 흑연 종자정 홀더의 두 계면은 접착물질에 의하여 부착된 것임을 특징으로 하는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 탄화규소 종자정의 결정다형은 3C(cubic), 4H(haxagonal), 6H(haxagonal) 15R(rhombohedral)에서 선택된 것임을 특징으로 하 는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 장치.
4. 흑연 도가니 몸체에 하부 흑연 도가니 뚜껑을 부착시킨 후 그 위에 탄화 규소 흑연 종자정 홀더와 그 상부에 탄화규소 종자정 홀더가 위치되고, 상기 흑연 도가니 몸체 내부에 저밀도 흑연 실린더가 일정 위치에 위치되고, 그리고 상기 흑연 도가니 몸체 내부와 상기 저밀도 흑연 실린더 사이에 탄화 규소 분말을 충진시킨 장치를 사용하여, 상기 탄화규소 분말 충진 후 흑연도가니 몸체의 상부에 상부 흑연 도가니 뚜껑를 부착하여 도가니 밀봉을 완료하고, 상기와 같이 도가니 세팅이 완료되면 유도가열로에 장입하여 유도 코일을 이용하여 탄화규소 결정 성장을 실시하고, 상기 유도가열로는 그 상부와 하부에 장착된 파이로미터를 이용하여 측정된 도가니 축 방향의 온도구배가 4 내지 6℃로 되도록 가열되게 설정됨을 특징으로 하는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 탄화규소 결정 성장 공정은 아르곤 가스 분위기에서 2,300℃ 내지 2,500℃의 온도 영역에서 실시됨을 특징으로 하는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 4항에 있어서, 상기 탄화규소 결정 성장압력은 10mbar 내지 50mbar 아르곤 분위기에서 수행됨을 특징으로 하는 대구경 고품질 탄화규소 단결정의 직경확장을 위한 단결정 성장 방법.

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