KR101629445B1 - 대구경 단결정 성장장치 - Google Patents

Abstract

대구경 단결정 성장장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 단결정 원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니, 상기 도가니의 외측에 제공되고, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재, 상기 단열재의 외부에 제공되고, 상기 도가니 및 상기 단열재를 둘러싸는 석영관, 종자정 홀더에 부착되는 종자정, 상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단, 및 상기 도가니 내측 상부에 형성되어 승화를 원료를 종자정으로 유도하기 위한 유도부를 포함하고, 상기 유도부는 일정한 두께와 높이를 갖고 상, 하부가 관통 형성되고, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 커지는 원뿔대 형상으로 형성된다.

Description

대구경 단결정 성장장치{growing apparatus for large diameter single crystal}

본 발명은 대구경 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도가니 내부 유도부의 형상을 최적화 함으로써, 다결정 침입 및 결함이 없는 대구경의 단결정을 성장시킬 수 있는 대구경 단결정 성장장치에 관한 것이다.

일반적으로, 탄화규소 단결정 성장방법으로 물리적 기상 이송법(PVT: Physical Vapor Transport)이 높은 수율과 고품질화된 탄화규소 제작할 수 있는 장점이 있어, 현재 널리 통용 되고 있다.

이러한 물리적 기상 이송법의 성장장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 도가니(1)를 둘러싸도록 배치된 단열재(2), 단열재(2)를 둘러 싸도록 배치된 석영관(3), 및 석영관(3) 외부에 마련되어 도가니(1) 내에 장입된 원료(4)를 가열하는 가열수단(5)을 포함한다. 이러한 가열수단(4)을 이용하여 도가니(1) 내부의 단결정을 승화시키면, 상기 승화된 원료가 종자정 홀더(7)에 결합된 종자정(8)에 부착됨으로써, 단결정(6)이 성장된다.

탄화규소 성장에 있어서 도가니(graphite crucible)(1)는 열원 재료로, 상온에서 2000℃ 내지 2300℃ 이상으로 승온, 가열되게 된다. 유도가열의 표피 효과로 인해 도가니 외부에서 내부로 열전달이 되기 때문에 도가니 두께 설계가 내부 온도분포에 중요한 역할을 한다.

그 중에서 유도부(9)는 성장된 잉곳 직경 확장을 위해 도가니 본체에 비해 두껍게 설계 되기 때문에 열 전달과정에서 손실이 발생하게 되고, 이로 인해 유도부(9)의 온도가 상대적으로 낮아지게 된다. 유도부(9)의 온도가 낮을 경우, 원료(4) 분말은 유도부(9)의 내주면에 부착되어 다결정(10)을 형성하게 되고, 상기 다결정(10)이 성장하여 종자정(8)으로부터 성장된 단결정(6)의 가장자리 영역과 접촉될 수 있다. 이 때, 다결정은 단결정으로 침입하게 되고, 침입된 다결정은 단결정의 직경 확장을 방해하게 되므로 최종적으로 대구경 및 고품질의 단결정 성장시킬 수 없게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 도가니 내부 유도부의 형상을 최적화 함으로써, 다결정 침입 및 결함이 없는 대구경의 단결정을 성장시킬 수 있는 대구경 단결정 성장장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 단결정 원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니,

상기 도가니의 외측에 제공되고, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재,

상기 단열재의 외부에 제공되고, 상기 도가니 및 상기 단열재를 둘러싸는 석영관,

종자정 홀더에 부착되는 종자정,

상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단, 및

상기 도가니 내측 상부에 형성되어 승화를 원료를 종자정으로 유도하기 위한 유도부를 포함하고,

상기 유도부는 일정한 두께와 높이를 갖고 상, 하부가 관통 형성되고, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 커지는 원뿔대 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치가 제공될 수 있다.

상기 유도부의 외측면은 상기 도가니의 외측면과 일정한 각도로 경사지게 형성될 수 있다.

상기 유도부의 외측에는 상기 단열재로 열 전도를 방지하고 공간에 의한 대류 효과로 열을 가두어 두기 위한 공간부가 형성될 수 있다.

상기 공간부는 상기 유도부의 외측과 상기 단열재의 내측 사이에 형성될 수 있다.

상기 공간부는 상기 도가니의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니의 가장자리 하부로 갈수록 하향 경사진 역삼각형 형상으로 형성될 수 있다.

상기 유도부 두께는 D4 = D3 / (1.1 ~2.0) 관계식에 의하여 결정되며,

여기서, D3는 유도부 상단면 내주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리를 지시하며, D4는 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리를 지시한다.

상기 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리(D4)는 15~22mm로 설정될 수 있다.

상기 유도부 상단면 내주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리는 D3 = D2 / 2(1.0~ 1.5) 관계식에 의하여 결정되며,

여기서, D2는 유도부 상단면 내경을 지시한다.

상기 유도부 상단면 내경은 D2 = D1 / (1.3 ~ 1.7) 관계식에 의하여 결정되며,

여기서, D1은 도가니의 외경을 지시하며,

상기 도가니의 외경은 150~250mm로 설정될 수 있다.

상기 유도부 높이(D5)는 D4 = D5 / 1.6 관계식에 의하여 결정될 수 있다.

본 구현예에 따르면, 유도부의 온도를 적절하게 유지시켜 줌으로써 고품질의 단결정 잉곳을 얻을 수 있으며, 특히, 유도부에서 침입하는 다결정으로 인한 직경확장 방해, 단결정과의 접촉에 의한 응력 발생 문제, 이에 파생되는 결함 생성 빈도를 현저히 감소시킬 수 있고,

또한, 세부구성 및 상호관계에서 본 발명의 구현예에 따른 관계식을 활용하면, 직경 5, 6인치 단결정 잉곳에도 응용하여 적용할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 대구경 단결정 성장장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 대구경 단결정 성장장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2의 일부 상세도이다.
도 4는 시뮬레이션을 활용하여 도가니 내부 전체적인 온도 분포를 나타낸 도면으로서, (a)는 종래기술에 따른 경우이고, (b)는 본 발명의 구현예에 따른 경우이다.
도 5는 유도부 하단부터 상단까지 내주면의 온도 분포를 나타낸 도면으로서, (a)는 종래기술에 따른 경우이고, (b)는 본 발명의 구현예에 따른 경우이다.
도 6은 본 발명의 구현예에 따라 성장된 4인치 탄화규소 단결정 잉곳의 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 구현예는 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 구현예를 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 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 대구경 단결정 성장장치의 개략적인 구성도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 대구경 단결정 성장장치는

단결정 원료 물질(200)이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니(100),

상기 도가니의 외측에 제공되고, 상기 도가니(100)를 둘러싸는 단열재(110),

상기 단열재(110)의 외부에 제공되고, 상기 도가니(100) 및 상기 단열재(110)를 둘러싸는 석영관(120),

종자정 홀더(130)에 부착되는 종자정(140),

상기 석영관(120) 외부에 마련되어 상기 도가니(100)를 가열하기 위한 가열수단(150), 및

상기 도가니(100) 내측 상부에 형성되어 승화를 원료를 상기 종자정(140)으로 유도하기 위한 유도부(160)를 포함하고,

상기 유도부(160)는 상기 가열 수단(150)의 유도 가열의 표피 효과로 인해 발생된 열의 전달거리를 짧게 하여 상기 도가니(10) 외부에서 내부로 오는 열 손실을 최대한 방지할 수 있도록, 일정한 두께와 높이를 갖고 상, 하부가 관통 형성되고, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 커지는 원뿔대 형상으로 형성될 수 있다.

상기 유도부(160)의 외측면은 상기 도가니(100)의 외측면과 일정한 각도(θ)로 경사지게 형성될 수 있다.

또한, 상기 유도부(160)의 외측에는 상기 단열재(110)ㅇ로 열 전도를 방지하고 공간에 의한 대류 효과로 열을 가두어 두기 위한 공간부(170)가 형성될 수 있다.

상기 공간부(170)는 상기 단열재(110)로 열 전도를 효과적으로 방지하고 공간에 의한 대류 효과로 열을 효율적으로 가두어 두기 상기 유도(160)부의 외측과 상기 단열재(110)의 내측 사이에 형성될 수 있다.

상기 공간부(170)는 상기 도가니(100)의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니의 가장자리 하부로 갈수록 하향 경사진 역삼각형 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 유도 가열의 표피 효과로 인해 상기 도가니(100) 외부에서 내부로 열전달이 되기 때문에 상기 유도부(160) 두께(t) 및 공간부(170) 설계가 상기 도가니(100) 내부 온도 분포에 중요한 역할을 하게 된다.

도 3에서 도가니 외경은 D1, 유도부 상단면 내경은 D2, 유도부 상단면 내주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리는 D3, 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리를 D4, 유도부 높이는 D5, 유도부와 도가니 외측면이 이루는 각도는 Θ로 각각 지시된다.

상기 유도부 두께(t), 즉, 가로방향(반경방향)(도 3에서 좌우 방향)을 정하는, D3, D4에 관한 관계식은 D4 = D3 / (1.1 ~2.0)이며, 이 때, D3 = D2 / 2(1.0 ~ 1.5), D2 = D1 / (1.3 ~ 1.7)를 포함한다.

여기서, 상기 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리(D4)는 15~22mm 범위에서 설정될 수 있다. 이 때, 상기 도가니(100)의 두께는 150~250mm로 설정될 수 있다. 상기 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리(D4)가 22mm 보다 크게 되면 유도부 두께가 얇아져서 고온에서 열화, 즉 유도부(160) 손상이 올 수 있기 때문이다. 또한, 상기 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리(D4)가 15mm보다 작게 되면, 상기 유도부(160) 두께가 두꺼워져 본 발명의 효과가 감소되기 ?문이다.

상기 유도부 높이(D5), 즉 세로방향(도 3에서 상하 방향)의 관계식은 D4 = D5 / 1.6이다. 상기 유도부의 높이(D5)는 상기 유도부의 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리(D4)에 따라 변하며, 유도부 각도(θ)도 또한 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리(D4)에 따라 자동으로 변화된다.

이하에서, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 대구경 단결정 성장장치의 작용에 대해서 설명한다.

대구경 단결정 성장장치는 원료분말(200)이 장입되는 내부공간이 마련된 도가니, 도가니를 둘러싸는 단열재 및 석영관, 석영관 외부에 마련되어 도가니를 가열하기 위한 가열수단 코일을 포함한다. 본 발명의 구현예에서는 물리적 기상 이송법(PVT: Physical Vapor Transport)을 이용하여 종자정에 단결정을 성장시킨다.

이를 위해, 먼저 상기 도가니(100)의 내부에 원료분말(200)을 장입한다. 탄화규소로 이루어진 종자정(140)을 마련하고, 종자정(140)이 결합된 종자정 홀더(130)를 대구경 단결정 성장장치 내부로 인입 시키고, 이를 도가니(100) 내부 상부에 장착한다.

그리고, 대략 1000℃ 미만의 온도와 진공압력으로 2 시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니(100)에 포함된 불순물을 제거한다. 이 후, 불활성 가스 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니(100) 내부 및 도가니(100)와 단열재(110) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 여기서, 불활성 가스를 이용한 퍼징(purging) 공정을 2 내지 3회 반복하는 것이 바람직하다. 이어서, 도가니 내부 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단(150)을 이용하여 도가니(100)를 대략 2000℃ 내지 2300℃ 의 온도로 가열한다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위함이다. 즉, 먼저 대기압을 유지하며 원료 물질(200)을 성장 온도까지 승온시킨다. 그리고, 대구형 단결정 성장장치 내부를 1 torr 내지 20 torr 로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 원료 물질(200)을 승화시켜 단결정을 성장시킨다.

본 발명의 구현예에 따른 대구경 단결정 성장장치에서 상기 유도부 두께(t), 즉, 가로방향(반경방향)(도 3에서 좌우 방향)을 정하는, D3, D4에 관한 관계식은 D4 = D3 / (1.1 ~2.0)이며, 이 때, D3 = D2 / 2(1.0 ~ 1.5), D2 = D1 / (1.3 ~ 1.7)이 성립되며, 상기 유도부 높이(D5), 즉 세로방향(도 3에서 상하 방향)의 관계식은 D4 = D5 / 1.6이 성립된다.

여기서, 상기 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리(D4)는 15~22mm 범위에서 설정되며, 상기 도가니(100)의 두께는 150~250mm로 설정된다.

이에 따라, 유도가열의 표피효과로 인해 발생된 열의 전달거리를 짧게 하기 위해, 유도부 두께를 줄여 도가니 외부에서 내부로 오는 열 손실을 최대한 방지할 수 있다. 이에 추가로 유도부 외각에 빈 공간부를 형성하고 있으므로, 단열재로 열이 전도(conduction)되는 현상, 즉 열 손실을 방지할 수 있고 공간부의 공간에 의한 대류(convection) 효과로 일정시간 열을 가두어 온도를 유지시켜 줄 수 있다. 따라서, 유도부의 온도가 상대적으로 낮아져서 다결정이 부착되는 현상, 부착된 다결정이 단결정으로 침입하는 현상을 방지할 수 있다.

[실험예]

도 4는 시뮬레이션을 활용하여 도가니 내부 전체적인 온도 분포를 나타낸 도면으로서, (a)는 종래기술에 따른 경우이고, (b)는 본 발명의 구현예에 따른 경우이고, 도 5는 유도부 하단부터 상단까지 내주면의 온도 분포를 나타낸 도면으로서, (a)는 종래기술에 따른 경우이고, (b)는 본 발명의 구현예에 따른 경우이며, 도 6은 본 발명의 구현예에 따라 성장된 4인치 탄화규소 단결정 잉곳의 사진이다.

본 발명의 구현예에 따른 유도부(160)의 온도가 종래 기술보다 높기 때문에 유도부의 내주면에 다결정이 부착되지 않았고, 이로 인해 종자정으로부터 성장된 단결정 잉곳 가장자리영역에 다결정이 침입되지 않았음을 확인할 수 있다. 이에 추가로 단결정 가장자리 영역의 거칠기가 낮고, 패싯(facet)이 관찰되기 때문에 응력(stress)이 적고 이로 인한 결함생성 낮은 즉, 결정성(crystal quality)이 높은 잉곳이 성장 되었음을 알 수 있다.

100: 도가니 110: 단열재
120: 석영관 130: 종자정 홀더
140: 종자정 150: 가열수단
160: 유도부 170: 공간부
200: 원료 물질

Claims (10)

1. 단결정 원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니,
   상기 도가니의 외측에 제공되고, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재,
   상기 단열재의 외부에 제공되고, 상기 도가니 및 상기 단열재를 둘러싸는 석영관,
   종자정 홀더에 부착되는 종자정,
   상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단, 및
   상기 도가니 내측 상부에 형성되어 승화를 원료를 종자정으로 유도하기 위한 유도부를 포함하고,
   상기 유도부는 일정한 두께와 높이를 갖고 상, 하부가 관통 형성되고, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 커지는 원뿔대 형상으로 형성되고,
   상기 유도부 두께는 D4 = D3 / (1.1 ~2.0) 관계식에 의하여 결정되며,
   여기서, D3는 유도부 상단면 내주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리를 지시하며, D4는 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리를 지시하고,
   상기 유도부 상단면 내주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리는 D3 = D2 / 2(1.0~ 1.5) 관계식에 의하여 결정되며,
   여기서, D2는 유도부 상단면 내경을 지시하며,
   상기 유도부 상단면 내경은 D2 = D1 / (1.3 ~ 1.7) 관계식에 의하여 결정되며,
   여기서, D1은 도가니의 외경을 지시하며,
   상기 유도부 높이(D5)는 D4 = D5 / 1.6 관계식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유도부의 외측면은 상기 도가니의 외측면과 일정한 각도로 경사지게 형성되는 대구경 단결정 성장장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 유도부의 외측에는 상기 단열재로 열 전도를 방지하고 공간에 의한 대류 효과로 열을 가두어 두기 위한 공간부가 형성되는 대구경 단결정 성장장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 공간부는 상기 유도부의 외측과 상기 단열재의 내측 사이에 형성되는 대구경 단결정 성장장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 공간부는 상기 도가니의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니의 가장자리 하부로 갈수록 하향 경사진 역삼각형 형상으로 형성되는 대구경 단결정 성장장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 유도부 상단면 외주에서 유도부 하단면 외경까지 반경방향 거리(D4)는 15~22mm로 설정되는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 도가니의 외경은 150~250mm로 설정되는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
   
10. 삭제

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