KR101303130B1 - ＧａＡｓ 잉곳 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LEC 공정 중 온도구배가 작아질 수 있도록 구조가 개선된 GaAs 잉곳 제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 GaAs 잉곳 제조장치는 내부에 공간부가 형성되어 있는 결정성장로와, 공간부에 회전 가능하게 설치되며, 원료가 수용되는 반응 용기와, 반응 용기를 감싸도록 배치되며, 반응 용기를 가열하는 저항 히터와, 저항 히터를 감싸도록 배치되며, 저항 히터를 포함하는 영역을 단열하는 단열유닛을 포함하되, 단열유닛은, 중공의 원통 형상으로 형성되며, 저항 히터를 감싸도록 배치되는 본체와, 원형의 고리 형상으로 형성되며, 본체의 상단부에 결합되는 상부 배플과, 원형의 고리 형상으로 형성되며, 상기 본체의 하단부에 결합되는 하부 배플을 포함한다.

Description

ＧａＡｓ 잉곳 제조장치{Apparatus of manufacturing GaAs ingot}

본 발명은 융액으로부터의 결정 성장(crystal growth from the melt) 방법을 이용해 GaAs(갈륨비소) 잉곳을 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체 밀봉 초크랄스키(Liquid Encapsulated Czochralski, 이하 LEC)법을 이용한 GaAs 잉곳의 제조장치에 관한 것이다.

GaAs는 실리콘과 함께 반도체 분야에서 가장 널리 사용되고 있으며, 다양한 응용분야 기술을 가지고 있는 반도체 재료이다. GaAs는 실리콘에 비하여 전자이동도(electron mobility)가 뛰어나고 신호처리 속도도 5배 이상 빠르며 넓은 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 있고, GaAs 결정은 InP(인화인듐)처럼 직접 천이형 밴드구조를 가지기 때문에 발광, 수광 특성을 가지고 있다. 또한 이러한 장점으로 인해 GaAs로 반도체 소자를 만들 경우 실리콘 소자에 비해 높은 속도 특성 또는 빠른 응답 속도, 그리고 낮은 누설 전류 및 높은 온도에서의 열적 안정성 등의 장점을 갖게 된다.

GaAs는 LED의 기판으로 사용된다. LED는 백라이트 유닛 등에 사용되는 저출력 LED를 기반으로 성장하였으나 최근에는 인테리어 조명, 외부 조명, 자동차 내외장, 대형 LCD의 백라이트 유닛 등에 사용되는 고출력, 고효율 광원의 필요성이 대두되면서, 고출력 제품 중심으로 옮겨 가고 있다. 특히 컬러 형광등을 대체할 수 있는 LED 간접조명에 대한 관심 및 수요가 커지면서 LED에서 발산한 빛을 안정적이고 균일하게 확산시켜주는 도광판 개발에 대한 요구도 급증하고 있다.

GaAs와 같은 화합물 단결정의 제조방법에는 LEC법, 수평브리지만(Horizontal Bridgman) 등의 많은 방법이 사용되고 있는데, 이 중에서 LEC법은 결정면이 <100>인 성장이 가능하고 원형의 웨이퍼를 쉽게 얻을 수 있으며, 또한 대구경화가 용이하고 결정 성장 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다.

LEC법을 대해 간략히 설명하면 다음과 같다. LEC법은 쵸크랄스키법을 일부 개조시킨 공법으로서, 갈륨(Ga)과 비소(As) 원재료를 결정성장로 내부의 반응 용기(crucible)에 투입한 상태에서 불활성 가스 분위기의 조건으로 흑연 발열체에 의해 가열하여 용융시켜 GaAs 용융액을 합성한 다음, 씨드(seed)를 GaAs 용융액의 표면에 접촉시킨 후 서서히 응고시키면서 결정을 끌어올리는 방법이다. 여기서, As는 강한 휘발성을 갖는 물질로서 As 원재료 상태 또는 GaAs 용융액 상태에서 가스로 쉽게 승화되는 경향이 강하므로 이를 방지하기 위하여 B₂O₃ 등의 액체 봉지제(encapsulant)를 Ga, As와 함께 결정성장로에 투입한 다음, 가압함으로써 As가 Ga과 As의 합성 공정이나 합성 공정 후 GaAs 용융액으로부터의 결정 성장 공정 중에 휘발되는 것을 방지한다.

이 방법을 사용하면 쵸크랄스키법의 장점을 그대로 살릴 수 있으나, B₂O₃와 같은 액체 봉지제에 의해 성장된 결정 내에 급격한 온도 구배가 발생하여 잉곳의 품질이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 온도 구배를 최소화 할 수 있는 새로운 형태의 GaAs 잉곳 제조장치의 개발이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 LEC 공정 중 온도구배가 작아질 수 있도록 구조가 개선된 GaAs 잉곳 제조장치를 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 GaAs 잉곳 제조장치는 내부에 공간부가 형성되어 있는 챔버와, 상기 공간부에 회전 가능하게 설치되며, 원료가 수용되는 반응 용기와, 상기 반응 용기를 감싸도록 배치되며, 상기 도가니를 가열하는 저항 히터와, 상기 저항 히터를 감싸도록 배치되며, 상기 저항 히터를 포함하는 영역을 단열하는 단열유닛을 포함하되, 상기 단열유닛은, 중공의 원통 형상으로 형성되며, 상기 저항 히터를 감싸도록 배치되는 본체와, 원형의 고리 형상으로 형성되며, 상기 본체의 상단부에 결합되는 상부 배플과, 원형의 고리 형상으로 형성되며, 상기 본체의 하단부에 결합되는 하부 배플을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 본체는, 원통 형상으로 형성되는 외측벽과, 원통 형상으로 형성되며, 상기 외측벽의 내부에 배치되는 내측벽과, 상기 외측벽의 상단과 상기 내측벽의 상단을 연결하는 상측연결부와, 상기 외측벽의 하단과 상기 내측벽의 하단을 연결하는 하측연결부를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, GaAs 잉곳 제조시 잉곳이 성장되는 영역의 온도 구배가 감소하게 되며, 그 결과 우수한 품질의 GaAs 잉곳을 생산할 수 있다.

본 발명에 따른 장치를 이용해 제조된 GaAs는 LED의 기판으로 사용될 수 있다. 특히 도광판용 광원을 위한 LED의 기판으로 적합한 물성을 갖는다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 GaAs 잉곳 제조장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 GaAs 잉곳 제조장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 GaAs 잉곳 제조장치의 개략적인 구성도이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 GaAs 잉곳 제조장치의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 GaAs 잉곳 제조장치(100)는 결정성장로(10)와, 반응 용기(20)와, 저항 히터(40)와, 단열유닛(50)을 포함한다.

결정성장로(10)는 중공 형상으로 이루어지며, 내부에는 공간부(11)가 형성되어 있다. 또한 결정성장로(10)에는 배출구가 형성되어 있다. 배출구는 GaAs 잉곳(70)이 배출되는 통로이며, 결정성장로(10)의 상부에 관통 형성된다.

반응 용기(20)는 GaAs 잉곳의 제조를 위한 원료, 즉 Ga과 도펀트인 In, Si 등이 장되는 곳이다. 이 반응 용기(20)는 도가니 회전축(C)에 의해 반시계 방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다. 반응 용기(20)의 상측에는 그 하단부에 단결정으로 된 씨드 결정이 부착되는 씨드 결정 회전축(15)이 위치하며, 씨드 결정 회전축(15)은 도가니 회전축(C)과 달리 시계방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다. 상기 씨드 결정 회전축(15)과 도가니 회전축(C)의 회전 방향은 서로 반대 방향이기만 하면 앞에서 말한 회전 방향이 바뀌어도 좋다.

저항 히터(40)는 반응 용기(20)를 가열하여 반응 용기에 수용된 원료를 녹여 융액으로 만들기 위한 것이다. 이 저항 히터(40)는 흑연 재질로 이루어지며, 원통형으로 형성되어 반응 용기(20)를 감싸도록 설치된다.

단열유닛(50)은 저항 히터(40)에서 발산되는 열이 결정성장로(10)의 내벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여, 반응 용기를 포함한 영역 즉 GaAs 잉곳이 성장되는 영역(이하, '핫 존(hot zone)'이라 함)의 온도구배를 감소시키고, 고온의 복사열로부터 결정성장로(10)의 내벽을 보호한다. 본 실시예의 경우 단열유닛(50)은 본체(51)와, 상부 배플(52)과, 하부 배플(53)을 포함한다.

본체(51)는 중공의 원통 형상으로 형성되며, 저항 히터(40)를 감싸도록 배치된다. 상부 배플(52)은 원형의 고리 형상으로 형성되며, 본체의 상단부에 결합된다. 하부 배플(53)은 원형의 고리 형상으로 형성되며, 본체의 하단부에 결합된다. 그리고, 이 본체(51), 상부 배플(52) 및 하부 배플(53)은 단열성이 뛰어난 이방성 흑연 재질로 이루어진다.

이와 같이 구성된 단열유닛(50)에 있어서, 본체는 저항 히터에서 방출된 열이 외측 방향으로 손실되는 것을 차단하며, 상측 배플은 상측 방향으로 열이 손실되는 것을 차단하며, 하부 배플은 하측 방향으로 열이 손실되는 것을 차단한다. 특히, 상측 배플 및 하측 배플을 설치하는 경우 열의 손실을 효율적으로 차단할 수 있으며, 상측 배플 및 하측 배플의 길이는 조금씩 변경될 수 있다.

실험 결과, 단열유닛을 설치하지 않은 경우에는 핫 존의 온도 구배가 200℃ 이상으로 크게 발생하였으나, 위와 같이 구성된 단열유닛을 설치한 경우에는 온도 구배가 100℃ 수준으로 감소됨을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 핫 존의 온도 구배를 감소시킬 수 있으므로, LEC 공정을 이용하여 우수한 품질의 GaAs 잉곳을 효율적으로 제작할 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 단열유닛을 구성할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 GaAs 잉곳 제조장치의 개략적인 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 단열유닛의 본체(51A)는 이중벽 구조로 이루어진다. 즉, 본체는 원통 형상으로 형성되는 외측벽(51a)과, 원통 형상으로 형성되며 외측벽의 내부에 배치되는 내측벽(51b)과, 외측벽의 상단과 내측벽의 상단을 연결하는 상측연결부(51c)와, 외측벽의 하단과 내측벽의 하단을 연결하는 하측연결부(51d)를 가진다. 이와 같이, 본체(51A)를 이중벽 구조로 형성하면, 열 손실을 더욱더 효율적으로 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 하부 배플(53B)을 구성할 수도 있다. 즉, 하부 배플은 고리 형상으로 형성되되, 도 3에 도시된 바와 같이 하부 배플이 상측에서 하측으로 갈수록 그 직경이 감소하는 원뿔 형태로 형성할 수 있다.

Claims (3)

1. 내부에 공간부가 형성되어 있는 결정성장로;
   상기 공간부에 회전 가능하게 설치되며, 원료가 수용되는 반응 용기;
   상기 반응 용기를 감싸도록 배치되며, 상기 반응 용기를 가열하는 저항 히터; 및
   이방성 흑연 재질로 이루어져 상기 저항 히터를 감싸도록 배치되며, 상기 저항 히터를 포함하는 영역을 단열하는 단열유닛;을 포함하되,
   상기 단열유닛은,
   중공의 원통 형상으로 형성되며, 상기 저항 히터를 감싸도록 배치되는 본체와,
   원형의 고리 형상으로 형성되며, 상기 본체의 상단부에 결합되는 상부 배플과,
   고리 형상으로 형성되어 상기 본체의 하단부에 결합되되, 상측에서 하측으로 갈수록 직경이 감소하도록 형성되는 하부 배플을 포함하며,
   상기 본체는,
   원통 형상으로 형성되는 외측벽과,
   원통 형상으로 형성되며, 상기 외측벽의 내부에 배치되는 내측벽과,
   상기 외측벽의 상단과 상기 내측벽의 상단을 연결하는 상측연결부와,
   상기 외측벽의 하단과 상기 내측벽의 하단을 연결하는 하측연결부를 가지는 것을 특징으로 하는 GaAs 잉곳 제조장치.
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