KR101365482B1 - 단결정 성장 장치 및 성장 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 단결정 성장 장치는 원료물질이 장입되는 도가니, 도가니 상부에 설치되며 종자정이 부착되는 종자정 홀더, 도가니 내부의 상기 원료물질 상부에 설치되는 원료 보조부재 및 도가니를 가열하는 가열수단을 포함합니다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면 단결정 성장에 원료가 되는 원료물질 외에 원료 보조부재를 사용하여 단결정을 성장시키므로, 결정 결함이 적은 고품질의 단결정을 얻을 수 있다. 즉, 승화된 원료물질이 통과할 수 있는 원료 보조부재를 원료물질 상방에 설치하여, 초기 단결정 성장 구간에서 원료물질 중 일부(실리콘)가 과도하게 종자정으로 공급되는 것을 방지하므로 종자정 표면에 실리콘 드롭이 생성되는 것을 억제하며 이로부터 마이크로 파이프와 같은 결함이 생성되는 것을 효율적으로 억제할 수 있다. 또한, 원료물질에 존재하는 불순물이 종자정으로 공급되는 것을 막을 수 있다.

Description

단결정 성장 장치 및 성장 방법{Apparatus and method for growing single crystal}
본 발명은 단결정 성장 장치 및 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성분 비율이 제어되고 결함이 적은 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치 및 성장 방법에 관한 것이다.
대표적인 반도체 소자 재료로 사용된 Si이 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 SiC, GaN, AlN 및 ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다. 여기서, GaN, AlN 및 ZnO에 비해 SiC는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한, SiC는 4.6W/cm℃ 정도의 우수한 열전도도를 가지고 있으며, 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있어, GaN, AlN 및 ZnO 등의 기판에 비해 각광을 받고 있다.
SiC, 그 중에서도 특히 4H-SiC는 높은 전자 이동도와 와이드 밴드갭을 가지기 때문에 고전력 소자의 제조를 위한 재료로 선호되고 있다. 이러한 SiC 단결정은 물리적 기상 증착법으로 성장시키는데 성장에 영향을 주는 변수가 많아서 마이크로 파이프와 같은 결함을 제어하는데 어려움이 있다. 따라서 마이크로 파이프와 같은 결함의 원인이 되는 성장 초기의 실리콘 물방울이나 실리콘과 탄소의 화학적 비율의 제어가 절실한 실정이다.
한편, 한국등록특허 제0548127호에는 도가니에 SiC 원료를 공급하는 단계, 복수개의 SiC 씨드(seed)를 상기 도가니의 내부에 배치시키는 단계 및 원료를 가열하여 상기 씨드 상에 SiC 단결정을 성장시키는 단계를 포함하고, SiC 단결정을 성장시키는 단계에서 상기 SiC 단결정이 성장되는 상기 씨드 부분의 온도가 1700-2400℃인 SiC 단결정 성장 방법이 개시되어 있다.
한국등록특허 제0548127호
본 발명은 마이크로 파이프 등 결함이 억제되는 단결정 성장 장치 및 성장 방법을 제공한다.
본 발명의 단결정을 구성하는 원소의 성분비를 제어하여 고품질의 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치 및 성장 방법을 제공한다.
본 발명은 단결정 성장 장치로서, 원료물질이 장입되는 도가니, 상기 도가니 상부에 설치되며 종자정이 부착되는 종자정 홀더, 상기 도가니 내부의 상기 원료물질 상부에 설치되는 원료 보조부재, 및 상기 도가니를 가열하는 가열수단을 포함한다.
상기 원료 보조부재는 다공성 재질의 판형 부재인 것이 바람직하다.
상기 원료 보조부재는 플레이트 형상이며 상하부를 관통하는 관통홀을 구비한다.
상기 원료 보조부재는 상기 원료물질과 이격되고 상기 도가니의 측벽에 장착된다.
상기 도가니 측벽에는 내측 방향으로 단턱부나 돌출부가 형성되는 것이 효과적이다.
상기 원료 보조부재의 두께는 1mm 이상, 10mm 이하인 것이 효과적이다.
상기 원료 보조부재는 상기 단결정의 성분 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명은 도가니 내에서 원료물질을 승화시켜 단결정을 성장시키는 성장 방법으로서, 상기 단결정의 원료물질을 마련하고, 상기 단결정을 이루는 성분 중 적어도 하나를 포함하는 원료 보조부재를 추가로 마련하고, 상기 원료물질과 상기 원료 보조부재를 이용하고 상기 도가니를 가열하여 단결정을 성장시킨다.
상기 원료물질이 SiC 파우더일 때, 상기 원료 보조부재는 탄소 함유 물질이다.
상기 원료 보조부재를 도가니 내부에서 상기 원료물질의 상부에 마련한다.
상기 원료 보조부재는 다공성 재질이거나, 상기 원료물질이 승화되어 통과되도록 관통 공간이 형성된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들은 단결정 성장에 원료가 되는 원료물질 외에 원료 보조부재를 사용하여 단결정을 성장시키므로, 결정 결함이 적은 고품질의 단결정을 얻을 수 있다. 즉, 승화된 원료물질이 통과할 수 있는 원료 보조부재를 원료물질 상방에 설치하여, 초기 단결정 성장 구간에서 원료물질 중 일부(실리콘)가 과도하게 종자정으로 공급되는 것을 방지하므로 종자정 표면에 실리콘 드롭이 생성되는 것을 억제하며 이로부터 마이크로 파이프와 같은 결함이 생성되는 것을 효율적으로 억제할 수 있다. 또한, 원료물질에 존재하는 불순물이 종자정으로 공급되는 것을 막을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 단결정 원료물질 일부 성분을 포함하는 원료 보조부재를 사용하여 단결정을 성장시키므로, 종자정으로 원료를 추가로 공급할 수 있어, 단결정을 구성하는 원소의 성분비를 제어하여 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 단순한 장치 구조로 고품질의 단결정을 제조하므로, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원료 보조부재를 도시한 평면도 및 단면도
도 3은 도 1에서 원료 보조부재가 장착되는 상세 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원료 보조부재를 도시한 평면도 및 단면도이고, 도 3은 도 1에서 원료 보조부재가 장착되는 상세 단면도이다.
도 1을 참조하면, 단결정 성장 장치는 원료물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니(100), 도가니를 덮는 도가니 커버(200), 종자정(400)이 부착되는 종자정 홀더(300), 상기 도가니 내부의 상기 원료물질 상부에 설치되는 원료 보조부재(800), 도가니(100)를 둘러싸는 단열재(500) 및 석영관(600), 석영관(600) 외부에 마련되어 도가니(100)를 가열하기 위한 가열수단(700)을 포함한다. 또한, 가열수단(700)을 독립적으로 작동시키기 위한 제어장치(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
도가니(100)는 원료물질이 장입되고 저장되어 가열되는 용기로, 바닥부 및 상기 바닥부에서 연장 형성되는 측벽으로 구성된다. 물론 도가니(100)는 바닥부와 측벽이 일체로 형성될 수 있고, 분리형으로 제조될 수도 있다. 분리형으로 제조되는 경우는 원료물질이 장입되기 전에 바닥부와 측벽이 결합 체결된다. 또한, 도가니(100)는 장입되는 원료물질의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 흑연으로 제작되거나 흑연 재질 상에 원료물질의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 물질은 원료물질이 승화되어 단결정이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물로는 금속 질화물을 이용할 수 있으며, 특히 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V과 이들 중 적어도 둘 이상의 혼합물과 탄소가 이루는 탄화물과, Ta, Hf, Nb, Zr, W, V과 이들 중 적어도 둘 이상의 혼합물과 질소가 이루는 질화물을 이용할 수 있다.
도가니 커버(200)는 도가니를 덮는 수단으로 승화된 원료물질이 외부로 누출되지 않도록 도가니를 폐쇄한다. 또한, 도가니 커버(200)는 장입되는 원료물질의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작되는 것이 바람직하며, 도가니(100)와 동일한 물질로 제작될 수 있다. 도가니(100) 재질은 상기에서 설명되었다.
종자정 홀더(300)는 종자정(400)을 지지하는 수단으로써, 고밀도의 흑연을 이용하여 제작된다. 그리고 종자정(400)이 부착된 종자정 홀더(300)를 도가니 커버(200)의 하부에 장착하여, 상기 종자정(400) 상에 단결정이 성장되도록 한다. 종자정(400)은 단결정 성장용 시드이므로 성장시키고자 하는 단결정과 동일한 성분을 포함하는 것이 바람직하다. 예컨대 SiC 단결정을 성장시키는 경우, SiC 단결정 특히, 4H-SiC를 종자정(400)으로 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다양한 종류의 종자정(6H-SiC, 15R-SiC 등)을 마련할 수 있다. 또한, 종자정(400)으로 직경 2인치 원 형상의 종자정을 사용하는 것이 좋다. 이러한 종자정(400)은 종자정 홀더(300) 상에 부착되며, 슈가(sugar), 카본 페이스트 및 포토레지스트 중 어느 하나를 이용하여 종자정 홀더(300) 상에 종자정(400)을 부착한다. 물론 이에 한정되지 않고 종자정 홀더(300)의 상면에 종자정(400)를 부착시킬 수 있는 다양한 접착제를 사용하여도 무방하다
단열재(500) 및 석영관(600)은 도가니(100) 외부에 마련되며, 도가니(100)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 이때, 원료물질의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 단열재(500)로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 단열재(500)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(100)를 둘러쌀 수도 있다.
가열수단(700)은 석영관(600) 외부에 마련되며, 예를 들어, 고주파 유도 코일이 이용될 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(100)를 가열하고, 원료물질을 원하는 온도로 가열한다.
원료물질(A)은 단결정을 성장하기 위한 소스로서, 일반적으로 파우더, 과립 또는 덩어리 형태의 것을 사용한다. 예컨대 SiC 단결정을 성장시키는 경우, 원료물질로 SiC 파우더를 사용할 수 있다. 또한, 성장시킬 단결정의 특성 및 성능에 따라 SiC 파우더와 Si 파우더가 혼합된 것을 원료물질로 사용할 수도 있다. 예컨대, 반절연(semi-insulating) 상태의 SiC 단결정을 성장시키기 위해서는 원료물질로 SiC 파우더와 Si 파우더가 혼합된 재료를 사용한다. 이때 실시예에 따른 SiC 파우더와 Si 파우더는 0.5g/m3 내지 1g/m3의 밀도를 갖고, 상기 SiC 외에 Si 파우더가 1wt% 내지 5w% 포함된다.
원료 보조부재(800)는 도가니(100) 내부에서 원료물질(A)의 상부에 설치되며, 원료물질을 보완하는 기능을 한다. 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
원료 보조부재(800)는 플레이트 형상이며 소정 두께를 가지는 형태, 예컨대 원형 디스크로 제작되어 도가니(100)의 측벽에 장착되며, 하부에 위치하는 원료물질(A)로부터 승화되어 이동하는 기체 성분이 통과할 수 있는 재질 혹은 구조로 제조된다. 원료 보조부재(800)는 다공성 재질이거나 플레이트 상하부를 관통하는 관통공간, 즉 관통홀(800a)을 구비할 수 있다. 물론, 원료 보조부재(800)는 다공성 재질이면서 관통홀을 구비할 수도 있다. 원료 보조부재(800)가 다공성 재질인 경우 별도의 관통홀을 형성하지 않아도 된다. 또한, 이에 기체 원료가 통과할 수 있는 다양한 방식으로 제조할 수도 있다. 이로부터 승화된 원료물질이 원료 보조부재(800)를 통과하여, 종자정(400) 표면에 도달하고 단결정으로 성장하게 된다.
이러한 원료 보조부재(800)는 도가니(100) 측벽에 원료물질과 이격되어 설치된다. 즉, 도3에 도시되었듯이, 상기 도가니(100)에는 내측 방향으로 돌출된 단턱부(800a)나 돌출부(800b)가 형성되고, 상기 단턱부(800a)나 돌출부(800b)에 원료 보조부재(800)가 장착될 수 있다. 이외 다양한 방식으로 원료 보조부재(800)를 설치할 수 있다.
원료 보조부재(800)의 형상이나 크기는 특별히 한정되지 않고, 사용되는 도가니(100)의 크기 및 형상에 부합하도록 제작된다. 예컨대 도가니(100)가 원통형의 용기인 경우 원료 보조부재(800)는 원판형 디스크로 제조되는 것이 좋다. 다만, 원료 보조부재(800)의 두께는 승화된 원료물질의 통과를 방해하지 않고, 원료물질에 포함된 초기 실리콘 소스 및 불순물이 종자정(400)으로 공급되는 것을 억제하는 두께로 제조되는 것이 좋다. 예컨대, 원료 보조부재(800)의 두께는 10mm 이하인 것이 좋고 1mm 이상인 것이 좋다. 두께가 10mm 초과하여 너무 두꺼우면 원료물질의 공급이 원활하지 않아 단결성 성장 속도를 감소시키며, 두께가 1mm 미만으로 너무 얇으면 초기 실리콘 소스 및 불순물 감소시키는 역할을 충분히 하지 못하게 되고, 설치 및 관리에 어려움이 있다. 원료 보조부재(800)의 관통홀(800a)의 형상이나 크기, 배치 등은 특별히 한정되지 않으며, 승화된 원료물질이 충분히 통과할 수는 있는 정도로 제조된다. 예컨대, 원판형인 경우 원판의 중앙에 원형 관통홀이 형성되고 이를 중심으로 방사형대로 관통홀이 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 직경이 대략 70.1mm이고, 두께가 4mm이며, 직경 4mm 의 관통홀이 17개 구비된 원료 보조부재(800)를 사용하였다.
한편, 원료 보조부재(800)는 성장시키고자 하는 단결정을 이루는 성분 중 적어도 하나를 포함하는 재질이다. 예컨대, SiC 단결정을 성장시키는 경우, 원료물질로 SiC 파우더를 사용하고, 원료 보조부재(800)는 탄소 함유 물질, 예를들면 그라파이트를 사용한다.
하기에서는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 방법을 설명한다.
PVT(Physical Vapor Transport) 방법을 이용하여 종자정(400) 상에 4H-SiC로 이루어진 단결정을 성장시키는 방법을 예시한다. 먼저, 4H-SiC로 이루어진 종자정(400)을 마련하고, 접착제를 이용하여 종자정(400)을 종자정 홀더(300)에 부착한다.
도가니(100)의 내부에 단결정의 조성에 대응하는 원료물질을 투입한다. 4H-SiC 단결정 성장을 위하여, SiC 파우더의 원료물질, 혹은 SiC 파우더와 Si 파우더가 혼합된 원료물질을 장입한다.
도가니(100)의 내부에서 원료물질(A)의 상부에 예컨대 원료물질(A)와 소정 간격 이격된 위치에 원료 보조부재(800)를 장착한다. 이때, 직경이 대략 70.1mm이고, 두께가 4mm이며, 직경 4mm 의 관통홀이 17개 구비된 원료 보조부재(800)를 도가니(100)의 단턱부(100a)에 장착한다.
종자정(400)이 부착된 종자정 홀더(300)를 도가니 커버(200)에 장착한다. 도가니 커버(200)로 도가니(100) 상단을 덮는다. 이때, 종자정 홀더(300)에 부착된 종자정(400)의 성장면이 도가니(100) 내부 상측에, 원료물질(A)을 향하여 배치되도록 하는 것이 바람직하다.
이어서, 1300℃ 내지 1500℃의 온도와 진공압력으로 2 시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니(100)에 포함된 불순물을 제거한다. 이후, 불활성 가스 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니(100) 내부 및 도가니(100)와 단열재(400) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 이어서 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단(600)을 이용하여 도가니(100)를 2000℃ 내지 2300℃의 온도로 가열한다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위함이다. 즉, 먼저 대기압을 유지하며 원료물질을 성장 온도까지 승온시킨다. 그리고, 성장장치 내부를 20mbar 내지 60mbar으로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 원료물질을 승화시켜 단결정을 성장시킨다. 이때, 성장된 단결정은 4H-SiC이다. 이때, 원료 보조부재로부터 탄소가 공급되어 성장되는 SiC 단결정의 실리콘과 탄소의 화학적 비율이 제어된다. 예컨대, 원료물질의 성분비 즉, SiC 파우더와 Si 파우더의 혼합비와 탄소 원료 보조부재의 두께나 관통홀의 크기를 제어하여, 종자정으로 공급되는 각 성분의 량을 조절하므로써, 성장되는 SiC 단결정의 실리콘과 탄소의 화학적 비율이 제어될 수 있다.
이와 같이 승화된 원료물질이 통과할 수 있는 원료 보조부재를 이용하여 단결정을 성장시키면, 초기 단결정 성장 구간에서 원료물질 중 일부(실리콘)가 과도하게 종자정으로 공급되는 것을 방지하므로 종자정 표면에 실리콘 드롭이 생성되는 것을 억제하며, 이로부터 마이크로 파이프와 같은 결함이 생성되는 것을 효율적으로 억제할 수 있다. 또한, 원료물질에 존재하는 불순물이 종자정으로 공급되는 것을 막을 수 있다, 또한, 단결정 원료물질 일부 성분(탄소)을 포함하는 원료 보조부재를 사용하여 SiC 단결정을 성장시키므로, 종자정으로 탄소 원료를 추가로 공급할 수 있어, SiC 단결정을 구성하는 원소의 성분비를 제어하여 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
상기에서는 4H-SiC 단결정을 성장시키기 위해, 4H-SiC 종자정을 이용하는 것을 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고 6H-SiC 종자정을 이용할 수 있으며, 이때 본 발명의 실시예에 따른 원료 보조부재가 사용된다. 이때, 원료 보조부재의 카본에 의해 6H가 4H로 변화(transformation)가 용이하기 때문에, 6H-SiC 종자정을 이용하여 4H-SiC 단결정을 성장시킬 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
100: 도가니 200: 종자정
300: 종자정 홀더 800: 원료 보조부재

Claims (11)

  1. 단결정 성장 장치로서,
    원료물질이 장입되는 도가니,
    상기 도가니를 덮어 상기 도가니를 폐쇄하는 도가니 커버,
    상기 도가니 상부에서 상기 도가니 커버의 하부에 설치되고, 흑연으로 제작되며, 성장면이 상기 원료물질을 향하도록 종자정이 부착되는 종자정 홀더,
    상기 도가니 내부의 상기 원료물질 상부에 설치되며, 1mm 이상, 10mm 이하의 두께를 가지고, 상기 단결정의 성분 중 적어도 하나를 포함하여, 상기 종자정으로 원료를 추가로 공급하여 단결정을 구성하는 성분비를 제어하는 원료 보조부재, 및
    상기 도가니를 가열하는 가열수단을 포함하는 단결정 성장 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료 보조부재는 다공성 재질의 판형 부재인 단결정 성장 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료 보조부재는 플레이트 형상이며 상하부를 관통하는 관통홀을 구비하는 단결정 성장 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 보조부재는 상기 원료물질과 이격되고 상기 도가니의 측벽에 장착되는 단결정 성장 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 도가니 측벽에는 내측 방향으로 단턱부나 돌출부가 형성된 단결정 성장 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 도가니 내에서 원료물질을 승화시켜 단결정을 성장시키는 성장 방법으로서,
    상기 단결정의 원료물질을 마련하여 도가니 내에 투입하는 과정,
    종자정을 흑연으로 제작된 종자정 홀더에 부착하는 과정;
    상기 단결정을 이루는 성분 중 적어도 하나를 포함하며, 1mm 이상, 10mm 이하의 두께를 가지는 원료 보조부재를 추가로 마련하는 과정,
    상기 도가니 내부에서 상기 원료물질의 상부로 이격 되도록 상기 원료 보조부재를 장착하는 과정,
    상기 종자정이 부착된 종자정 홀더를 도가니 커버에 장착하고, 상기 도가니 커버로 상기 도가니의 상단을 덮어, 상기 종자정의 성장면이 상기 원료물질을 향하여 배치되도록 하는 과정,
    상기 도가니를 가열하여 상기 원료물질을 승화시켜 단결정을 성장시키고, 상기 원료 보조부재로부터 상기 종자정으로 원료를 추가로 공급하여 단결정을 성장시키는 단결정 성장 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 원료물질이 SiC 파우더일 때, 상기 원료 보조부재는 탄소 함유 물질인 단결정 성장 방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서
    상기 원료 보조부재는 다공성 재질이거나, 상기 원료물질이 승화되어 통과되도록 관통 공간이 형성되는 단결정 성장 방법.
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