KR101419471B1 - 종자정 받침대 부착 방법 및 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법 - Google Patents

종자정 받침대 부착 방법 및 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법 Download PDF

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Abstract

종자정 받침대 부착 방법 및 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 종자정 받침대의 일면에 일정한 크기와 형상을 갖는 홈을 복수개 형성하는 단계; 상기 종자정 받침대의 일면과 상기 홈에 일정한 두께로 접착 물질을 도포하는 단계; 및 상기 접착 물질에 의하여 종자정을 상기 종자정 받침대에 부착하는 단계를 포함한다.

Description

종자정 받침대 부착 방법 및 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법{SEED HOLDER ADHESION METHOD, AND GROWING NETHOD FOR SINGLE CRYSTAL USING SEED HOLDER}
본 발명은 종자정 받침대 부착 방법 및 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단결정 성장 시, 접착 계면 사이의 탄화층에 기공이나 미세 채널이 형성 되지 않고, 종자정 뒷면에 불연속적인 결함이 발생되는 것을 억제할 수 있는 종자정 받침대 부착 방법 및 종자정 받침대를 이용한 단결정 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 ZnO 에 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. 이러한 SiC 결정은 성장온도에 따라 여러 종류로 분류 되는데 그 중에서 대표적인 SiC로 6H-SiC 단결정은 LED소자로, 4H-SiC 단결정은 전력소자로서 쓰이고 있다. 현재 친환경, 전력 손실 절감 차원에서 4H-SiC 단결정 기판을 제작하는 방법이 각광을 받고 있는 추세이다.
이러한, 실리콘 카바이드는 액상 증착법(Liquide Phase Epitaxy: LPE), 물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport: PVT), 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD) 등으로 성장이 된다. 그 중 물리적 기상 수송법이 높은 수율과 고품질화된 실리콘 카바이드를 제작할 수 있는 장점이 있어, 현재 널리 통용 되고 있다.
물리적 기상 수송법은 종자정을 종자정 받침대에 접착 재료를 이용하여 부착하고, 종자정으로 부터 잉곳 형태의 실리콘 카바이드를 성장시키게 된다. 이 때 종자정과 종자정 받침대는 실리콘 카바이드와 흑연이며, 이 들 사이에 접착 재료가 도포되어 건조, 경화, 탄화의 공정을 계면이 접합된다.
일반적인 접착물질은 고전적인 설탕부터, 페놀계 용매, 카본 페이스트, 포토레지스 등이 존재하며 이들은 각각의 다른 물성치를 가지므로 부착 공정이 다르다. 하지만 이들의 공통적인 사항으로 접합계면에 미세 채널 또는 기공 등이 존재하면 불연속적인 결함을 발생시키게 된다. 이 때 발생되는 결함은 성장 방향으로 계속 전파되어 동공결함, 즉 마이크로파이프(micropipe)를 유발할 수 있다. 따라서, 고품질의 실리콘 카바이드 단결정을 생산하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 단결정 성장 시, 접착 계면 사이의 탄화층에 기공이나 미세 채널이 형성 되지 않고, 종자정 뒷면에 불연속적인 결함이 발생되는 것을 억제할 수 있는 종자정 받침대 부착 방법 및 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종자정 받침대의 일면에 일정한 크기와 형상을 갖는 홈을 복수개 형성하는 단계;
상기 종자정 받침대의 일면과 상기 홈에 일정한 두께로 접착 물질을 도포하는 단계; 및
상기 접착 물질에 의하여 종자정을 상기 종자정 받침대에 부착하는 단계를 포함하는 종자정 받침대 부착 방법이 제공될 수 있다.
상기 홈은 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기 홈의 직경은 0.5mm 내지 1mm 로 형성될 수 있다.
상기 종자정 받침대는 500℃ 이상의 온도 및 상압에서 열처리될 수 있다.
상기 접착 물질은 질소 분위기에서 경화 처리될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 원료 물질이 장입되는 도가니, 종자정이 부착되는 종자정 받침대, 상기 도가니를 가열하는 가열수단을 포함하는 성장장치를 이용하여 단결정을 성장시키는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법에 있어서,
상기 종자정 받침대의 일면에 일정한 크기와 형상을 갖는 홈을 복수개 형성하는 단계;
상기 종자정 받침대의 일면과 상기 홈에 일정한 두께로 접착 물질을 도포하는 단계;
상기 접착 물질에 의하여 종자정을 상기 종자정 받침대에 부착하는 단계
상기 종자정이 부착된 종자정 받침대를 성장장치 내로 인입시키는 단계;
상기 원료 물질을 성장장치 내부에 배치된 도가니에 장입시기키는 단계;
상기 가열 수단을 이용하여 도가니를 가열시켜, 상기 도가니 내에 장입된 원료물질을 승화시켜 종자정에 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법이 제공될 수 있다.
상기 홈은 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기 홈의 직경은 0.5mm 내지 1mm 로 형성될 수 있다.
상기 종자정 받침대는 500℃ 이상의 온도 및 상압에서 열처리될 수 있다.
상기 접착 물질은 질소 분위기에서 경화 처리될 수 있다.
상기 원료 물질은 SiC를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단결정 성장 장치의 도가니의 내부에 장착되고, 단결정 성장을 위한 종자정이 부착되는 종자정 받침대에 있어서,
상기 종자정 받침대의 일면에는 일정한 크기와 형상으로 형성되고, 상기 종자정과 결합을 위한 접착 물질을 도포하기 위한 홈이 복수개 형성될 수 있다.
상기 홈은 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기 홈의 직경은 0.5mm 내지 1mm 로 형성될 수 있다.
상기 종자정 받침대는 500℃ 이상의 온도 및 상압에서 열처리 될 수 있다.
상기 접착 물질은 질소 분위기에서 경화 처리될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 단결정 성장 시, 접착 계면 사이의 탄화층에 기공이나 미세 채널이 형성 되지 않고, 종자정 뒷면에 불연속적인 결함이 발생되는 것을 억제할 수 있으므로, 결함이 없는 고 품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종자정 받침대 부착 방법의 공정 흐름을 설명하기 위한 도면으로서, 종자정 받침대의 일면에 홈을 형성한 상태의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종자정 받침대 부착 방법의 공정 흐름을 설명하기 위한 도면으로서, 종자정 받침대의 일면에 접착 물질을 도포한 상태의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 종자정 받침대 부착 방법의 공정 흐름을 설명하기 위한 도면으로서, 종자정 받침대에 종자정을 부착한 상태의 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종자정 받침대 부착 방법의 공정 흐름을 설명하기 위한 도면으로서, 종자정 받침대의 일면에 홈을 형성한 상태의 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종자정 받침대 부착 방법의 공정 흐름을 설명하기 위한 도면으로서, 종자정 받침대의 일면에 접착 물질을 도포한 상태의 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 종자정 받침대 부착 방법의 공정 흐름을 설명하기 위한 도면으로서, 종자정 받침대에 종자정을 부착한 상태의 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 먼저, 종자정 받침대(600)의 일면에 일정한 크기와 형상을 갖는 홈(610)을 복수개 형성한다. 상기 홈(610)은 격자 형태로 형성된다. 이 때, 상기 홈(610)의 직경은 0.5mm 내지 1mm 로 형성된다. 상기 홈(610)의 직경이 너무 크게 되면, 접착제의 도포량이 많아지게 되고, 너무 작으면, 장력에 의해 기공이 밖으로 빠져 나오기 힘들게 되기 때문이다.
가공 된 종자정 받침대(600)는 500℃ 이상의 온도 및 상압에서 열처리 공정을 수행한다. 상기 열처리 공정에서 열처리 하는 이유는 가공 공정에서 발생 할 수 있는 불순물 및 유기물을 제거하고, 가공 팁(tip)으로 손상을 입어 거칠어진 표면을 완만하게 해주는 완충 역할을 한다.
열처리가 끝난 종자정 받침대(600)의 일면 및 상기 홈(610)에 일정한 두께로 탄소 페이스트(paste)와 같은 접착 물질(620)을 도포하고, 상기 접착 물질(620)을 이용하여 종자정(500)을 상기 종자정 받침대(600)에 접착하며, 또한, 상기 접착 물질(620)은 일정한 온도와 시간 동안 경화 처리된다.
여기서. 상기 접착 물질(620)의 일 예로 탄소 페이스를 사용하였지만, 통상 범주에서 다른 접착 물질도 가능하다. 탄소 페이스트는 나노(nano) 사이즈의 탄소 파우더와 유기 바인더(binder)를 10:1 내지 20:1의 비율로 혼합하는 것이 바람직하며, 1mm 정도 높이로 도포하고, 100 내지 150℃ 온도에서 20시간 이상 경화시킨다.
경화 공정에서 온도가 올라가면 유기 바인더가 반응을 하면서 접착 계면 사이 탄화층에서 기공이 발생하게 되는데, 대부분의 메크로(macro) 기공은 종자정 받침대(600)와 종자정(500) 사이에 눌러주는 압력에 의해서 접착 계면 밖으로 빠져나가지만, 마이크로(micro) 기공은 계면 사이에 잔류하게 된다.
그러나, 상기 종자정 받침대(600)의 홈(610)이 형성되어 있는 경우 마이크로 기공들이 홈(610) 채널을 통하여 완전히 계면 밖으로 빠져 나가게 된다.
또한, 상기 종자정 받침대(600)에 격자 형태의 홈(610)을 형성함으로써, 탄소 페이스트가 어느 한 곳에 뭉치지 않는, 즉 도포의 균일성이 증가하게 된다. 경화된 접착 물질(페이스트)을 질소 분위기에서 완전 경화, 즉 탄화를 시킨다.
이 때, 경화 온도는 예컨대, 600~1000℃ 이고, 압력은 예컨대, 1 ~ 10 x 101 Torr가 바람직하다. 이와 같은 탄화막 경화 공정을 통해 종자정(500)과 종자정 받침대(600) 사이의 접착력을 높이고, 계면 사이를 외부 물질로부터 침입을 방지한다.
또한, 도 1 내지 도 3을 다시 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 종자정 받침대(600)는, 단결정 성장 장치의 도가니의 내부에 장착되고, 단결정 성장을 위한 종자정(500)이 부착될 수 있다.
상기 종자정 받침대(600)의 일면에는 일정한 크기와 형상으로 형성되고, 상기 종자정(500)과 결합을 위한 접착 물질(620)을 도포하기 위한 홈(610)이 복수개 형성될 수 있다.
또한, 상기 홈(610)은 격자 형태로 형성되고, 상기 홈(610)의 직경은 0.5mm 내지 1mm 로 형성될 수 있다.
상기 종자정 받침대(600)는 500℃ 이상의 온도 및 상압에서 열처리 될 수 있다.
상기 접착 물질(620)은 질소 분위기에서 경화 처리될 수 있다.
상기한 방법으로 처리된 종자정은 물리적 기상 수송법으로 실리콘 카바이드 잉곳을 성장시키는데 이용된다. 도 4는 물리적 기상 수송법으로 실리콘 카바이드 잉곳을 성장시키는 일 예를 도시한 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도 이다.
도 4를 참조하면, 성장장치는 원료 물질(100)이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니(200), 종자정(500)이 부착되는 종자정 받침대(600), 도가니(200)를 둘러싸는 단열재(300) 및 석영관 (400), 석영관(400) 외부에 마련되어 도가니(200)를 가열하기 위한 가열 수단(700)을 포함한다.
도가니(200)는 SiC의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 흑연으로 제작되거나 흑연 재질 상에 SiC의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 물질은 SiC 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. 또한, 이러한 도가니(200) 내에는 원료 물질이 장입되는데, 상기 원료 물질은 파우더 형태인 것이 바람직하다.
상기 종자정 받침대(600)는 종자정(500)을 지지하는 수단으로써, 고밀도의 흑연을 이용하여 제작된다. 그리고, 상기 종자정(500)이 부착된 종자정 받침대(600)를 도가니(200) 내의 상부에 장착하여, 상기 종자정(500) 상에 단결정을 형성한다.
단열재(300) 및 석영관(400)은 도가니(200) 외부에 마련되며, 도가니(200)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 이때, SiC의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 단열재(300)로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 단열재(300)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(200)를 둘러쌀 수도 있다.
가열수단(700)은 석영관(400) 외부에 마련되며, 예를 들어, 고주파 유도 코일이 이용될 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(200)를 가열하고, 원료 물질을 원하는 온도로 가열한다.
하기에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 방법을 설명한다. 실시 예에서는 물리적 기상 수송법(PVT: Physical Vapor Transport)을 이용하여 종자정(500) 상에 6H-SiC로 이루어진 단결정을 성장시킨다.
이를 위해 먼저, SiC로 이루어진 종자정(500)을 마련하고, 접착 물질(620)을 이용하여 종자정(500)을 종자정 받침대(600)에 부착한다. 이 때, 상기 종자정(500)의 어느 일면이 성장면이 되도록 종자정 받침대(600)에 부착될 수 있다.
이어서, 종자정(500)이 부착된 종자정 받침대(600)를 성장장치 내로 인입시키고, 이를 도가니(200) 내부 상부에 장착한다. 이 때, 종자정 받침대(600)에 부착된 종자정(500)의 성장면이 도가니(200) 내부 상측에 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 실시예에서는 종자정(500)의 일면이 도가니(200)의 내부 상측에 대응 배치되도록 한다.
그리고, 도가니(200)의 내부에 SiC 파우더와 Si 파우더가 혼합된 실시예에 따른 원료물질(100)을 장입한다. 이어서, 예컨대, 1300℃ 내지 1500℃의 온도와 진공압력으로 2 시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니(200)에 포함된 불순물을 제거한다. 이후, 불활성 가스, 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니(200) 내부 및 도가니(200)와 단열재(300) 사이에 남아있는 공기를 제거한다.
이어서 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단(700)을 이용하여 도가니(200)를 예컨대, 2000℃ 내지 2300℃의 온도로 가열한다. 실시예에서는 가열수단(700)의 재질은 흑연이다. 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 예컨대, 10 Torr 내지 20 Torr 으로 감압하여 성장 압력을 유지시키면서, 원료물질을 승화시켜 단결정을 성장시킨다. 이때, 종자정 받침대에 결합되는 종자정의 일면에는 탄화막이 형성되어 있으므로, 산화막이 형성되지 않는다.
즉, 종자정 받침대와 결합되는 종자정의 일면을 보호하고 있는 탄화막은 성장장치 내에 잔류 하는 산소와 상기 종자정 일면이 반응하여 산화막이 형성되는 것을 방지한다. 또한 접착 계면 사이의 내부 기공이 종자정 받침대(600)에 형성된 홈(610)으로 모두 빠져 나가기 때문에 이에, 도가니를 예컨대, 2000℃ 내지 2300℃로 가열하더라도, 종자정 받침대와 종자정의 결합계면 사이에 산화막의 열분해에 의한 산소가 발생 되지 않는다.
이로 인해, 종자정 받침대와 종자정의 결합 계면 사이와 종자정 표면에 미세 채널 및 기공이 발생되지 않고, 따라, 결함이 없는 고품질의 실리콘 카바이드 단결정을 성장시킬 수 있다.
100: 원료 물질 200: 도가니
300: 단열재 400: 석영관
500: 종자정 600: 종자정 받침대
610: 홈 620: 접착 물질
700: 가열 수단

Claims (16)

  1. 종자정 받침대의 일면에 일정한 크기와 형상을 갖는 홈을 복수개 형성하는 단계;
    상기 종자정 받침대의 일면과 상기 홈에 일정한 두께로 접착 물질을 도포하는 단계; 및
    상기 접착 물질에 의하여 종자정을 상기 종자정 받침대에 부착하는 단계
    를 포함하는 종자정 받침대 부착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 격자 형태로 형성되는 종자정 받침대 부착 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 홈의 직경은 0.5mm 내지 1mm 로 형성되는 종자정 받침대 부착 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 종자정 받침대는 500℃ 이상의 온도 및 상압에서 열처리 되는 종자정 받침대 부착 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접착 물질은 질소 분위기에서 경화 처리되는 종자정 받침대 부착 방법.
  6. 원료 물질이 장입되는 도가니, 종자정이 부착되는 종자정 받침대, 상기 도가니를 가열하는 가열수단을 포함하는 성장장치를 이용하여 단결정을 성장시키는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법에 있어서,
    상기 종자정 받침대의 일면에 일정한 크기와 형상을 갖는 홈을 복수개 형성하는 단계;
    상기 종자정 받침대의 일면과 상기 홈에 일정한 두께로 접착 물질을 도포하는 단계;
    상기 접착 물질에 의하여 종자정을 상기 종자정 받침대에 부착하는 단계;
    상기 종자정이 부착된 종자정 받침대를 성장장치 내로 인입시키는 단계;
    상기 원료 물질을 성장장치 내부에 배치된 도가니에 장입시기키는 단계;
    상기 가열 수단을 이용하여 도가니를 가열시켜, 상기 도가니 내에 장입된 원료물질을 승화시켜 종자정에 단결정을 성장시키는 단계
    를 포함하는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 홈은 격자 형태로 형성되는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 홈의 직경은 0.5mm 내지 1mm 로 형성되는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 종자정 받침대는 500℃ 이상의 온도 및 상압에서 열처리 되는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 접착 물질은 질소 분위기에서 경화 처리되는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 원료 물질은 SiC를 사용하는 종자정 받침대를 이용한 단결정 성장 방법.
  12. 단결정 성장 장치의 도가니의 내부에 장착되고, 단결정 성장을 위한 종자정이 부착되는 종자정 받침대에 있어서,
    상기 종자정 받침대의 일면에는 일정한 크기와 형상으로 형성되고, 상기 종자정과 결합을 위한 접착 물질을 도포하기 위한 홈이 복수개 형성되는 종자정 받침대.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 홈은 격자 형태로 형성되는 종자정 받침대.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 홈의 직경은 0.5mm 내지 1mm 로 형성되는 종자정 받침대.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 종자정 받침대는 500℃ 이상의 온도 및 상압에서 열처리 되는 종자정 받침대.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 접착 물질은 질소 분위기에서 경화 처리되는 종자정 받침대.
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