KR101633183B1 - 잉곳 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잉곳 제조 장치에 관한 것으로, 도가니 내부에 내부구조체를 도입함으로써 원료의 승화 및 결정성장이 원활이 이루어지도록 함으로써, 잉곳 결정성장 속도가 증가되고, 결정형상을 조절하는 것이 가능한 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.

Description

잉곳 제조 장치 {INGOT MANUFACTURING EQUIPMENT}

본 발명은 잉곳 제조 장치에 관한 것으로, 도가니 내부에 내부구조체를 도입함으로써 원료의 승화 및 결정성장이 원활이 이루어지도록 함으로써, 잉곳 결정성장 속도가 증가되고, 결정형상을 조절하는 것이 가능한 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.

실리콘 반도체가 갖는 열적 특성의 한계를 해결하기 위해 광역 에너지 금지대역을 갖는 새로운 반도체 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 차세대 반도체 소자 재료로서 SiC, GaN, AlN, ZnO 등이 있는데, 이중에서도 잉곳 성장 기술이 확보되고, 내열특성, 열전도특성, 내전압특성이 모두 우수한 탄화규소(SiC) 반도체가 주목받고 있다.

탄화규소는 현재까지 다양한 단결정 성장기술이 확보되어 있는데, 특히 현재는 승화법(sublimation)이 가장 일반적으로 사용되고 있다.

승화법은 탄화규소 분말이나 다공성 탄화규소 소결체를 고온에서 승화시켜 상대적으로 저온 영역에 위치한 종자정(seed crystal) 위에 탄화규소를 응축하게 함으로써 결정을 성장시키는 방법으로 직경이 큰 결정을 제조할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 승화법은 결정의 성장 속도 및 결정의 질 제어에 많은 영향 인자들이 존재하여 재현성 확보가 어렵다는 문제가 있다. 즉 사용재료의 순도, 도가니의 기하학적 구조, 종자정의 질 및 종자정 부착상태, 도가니 상/하부의 온도구배, 반응관 내 분위기 압력 등, 현재까지도 잘 알려지지 않은 수많은 인자들에 의해 결정성장의 양상이 변화하여 재현성 확보가 어려우며, 따라서 이로 인하여 제조된 탄화규소 잉곳의 품질이 고르지 않다는 문제가 존재한다.

특히, 도가니 내부의 온도분포가 불균일한 까닭에, 온도가 상대적으로 높은 도가니 가장자리부에 위치한 탄화규소 분말만 승화되어 결정성장에 사용되고, 온도가 상대적으로 낮은 도가니의 중심부에서는 탄화규소 분말이 승화되지 못하고 소결되어, 소결된 탄화규소가 승화된 원료 가스의 이동을 저해하면서 잉곳의 성장속도를 낮추는 문제가 있었다.

그럼에도 불구하고 승화법은 탄화규소의 결정성장을 가장 효율적으로 진행할 수 있기 때문에, 고품질 탄화규소 잉곳을 얻기 위해 다양한 연구가 이루어지고 있다.

본 발명과 관련하여, 한국공개특허 제10-2012-0138110호(2012.12.24 공개)에는 도가니 내부의 온도구배를 줄이기 위하여 보조발열부를 둠으로써 잉곳의 수율을 높이고 결정품질을 향상시키는 내용이 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하고, 특히 도가니 내부에 내부구조체를 도입함으로써 원료의 승화 및 결정성장이 원활이 이루어지도록 함으로써, 잉곳 결정성장 속도가 조절되고, 결정형상을 조절하는 것이 가능한 잉곳 제조 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 위하여 본 발명은 잉곳 결정성장을 위한 원료가 장입되는 도가니를 포함하는 잉곳 제조 장치로서, 상기 도가니 상부에 종자정이 위치하고, 상기 도가니의 내부에 내부구조체가 위치하여 도가니 내측면과 내부구조체의 외측면에 의해 형성되는 공간에 원료 장입부가 위치하는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치를 제공한다.

본 발명의 잉곳 제조 장치에 의하면, 도가니 내부에 내부구조체를 도입함으로써 원료의 승화 및 결정성장이 원활이 이루어지도록 함으로써, 잉곳 결정성장 속도가 증가되고, 결정형상의 조절이 가능하게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2, 3은 본 발명의 내부 구조체의 예시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면 및 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하는 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것인바, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 잉곳 제조 장치는 잉곳 결정성장을 위한 원료가 장입되는 도가니를 포함하는 것으로서, 상기 도가니 상부에 종자정이 위치하고, 상기 도가니의 내부에 내부구조체가 위치하여 도가니 내측면과 내부구조체의 외측면에 의해 형성되는 공간에 원료 장입부가 위치하는 것을 특징으로 한다. 이하, 본 발명에 따른 잉곳 제조 장치에 관하여 도면을 참조하여 구성별로 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 도가니(100), 내부구조체(110), 종자정 홀더(120)를 포함한다.

상기 도가니(100)는 탄화규소 결정을 형성하는 원료를 수용할 수 있다. 상기 원료는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 원료는 탄화규소 화합물, 즉, 탄화규소 분말 또는 폴리카보실란일 수 있다.

상기 도가니(100)는 원료를 수용할 수 있도록 실린더 형상을 가질 수 있으며, 도가니(100)의 재질로는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 포함될 수 있다. 일례로 도가니(100)는 흑연으로 제작될 수 있다.

또한, 상기 도가니(100)에는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기에서, 흑연 재질 상에 도포될 수 있는 상기 물질은, 탄화규소 단결정이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물 또는 금속 질화물을 이용할 수 있다. 특히, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 탄소를 포함하는 탄화물이 도포될 수 있다. 또한, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 질소를 포함하는 질화물이 도포될 수도 있다.

도시하지 않았지만, 상기 도가니(100)의 상부에 상부 덮개가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개는 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있으며, 도가니(100)와 마찬가지로 흑연을 포함하는 재질로 제작될 수 있다.

상기 내부구조체(110)는 도가니(100) 내부에 배치되는 것으로서, 상기 도가니(100)의 내부에 내부구조체(110)가 위치하게 됨으로써 도가니(100) 내측면에서 내부구조체(110)의 외측면까지 원료 장입부(101)가 마련될 수 있다. 즉, 도가니(100) 내측면과 내부구조체(110)의 외측면에 의해 형성되는 공간에 원료 장입부(101)가 위치하게 된다.

즉, 내부구조체가 존재하지 않았던 종래의 도가니에서는 도가니 내부에 그대로 원료가 장입되어 있고, 도가니 내부의 온도분포가 불균일한 까닭에, 온도가 상대적으로 높은 도가니 가장자리부에 위치한 탄화규소 분말만 승화되어 결정성장에 사용되고, 온도가 상대적으로 낮은 도가니의 중심부에서는 탄화규소 분말이 승화되지 못하고 소결되어, 소결된 탄화규소가 승화된 원료 가스의 이동을 저해하면서 잉곳의 성장속도를 낮추는 문제가 있었다.

본 발명은 내부구조체(110)를 도가니(100) 내부에 배치하고, 이로써 마련된 원료 장입부(101)에만 원료인 탄화규소 분말 또는 폴리카보실란을 장입함으로써, 승화된 원료가스가 내부구조체(110)의 내측 공간으로 이동하여 결정성장이 일어나게 되므로, 상기와 같은 문제를 해결할 수 있게 된다.

즉, 내부구조체(110)에 의하여 원료를 효율적으로 승화시킬 수 있고, 승화된 원료가스가 내부구조체(110)의 내측 공간으로 이동하여 종자정 홀더(120)에 의해 고정된 종자정(200)과 만나 응축과 함께 결정성장이 일어나게 되면서, 도가니 내부의 온도차이에 의한 파우더 중심부에서의 탄화규소 소결현상도 발생하지 않게 되어 탄화규소 잉곳의 성장속도도 증가되고, 결정형상도 평탄히 되면서 내부 응력이 감소하게 되어 제품의 신뢰성이 향상된다.

한편, 결정의 중심부가 지나치게 볼록할 경우 열응력이 심해져서 품질 감소, 크랙 발생 등의 문제가 발생하여 수율이 감소하는 문제가 있으며, 결정 형상이 너무 평평하거나 오목해질 경우 다결정, 다형 등 품질이 나빠질 수 있는 문제가 있는데,

특히 본 발명에 의할 경우, 다공성 구조체의 직경을 조절함으로써 결정 형상의 조절이 가능하므로, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다.

이를 위해 상기 내부구조체(110)는 다공성 재질일 수 있다. 즉, 가열에 의해 승화된 원료가스가 내부구조체(110)의 기공(111)을 통해 내측 공간으로 이동할 수 있어야 하기 때문이다.

또한 내부구조체(110)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 포함될 수 있다. 일례로 내부구조체(110)는 다공성 탄소체로 제작될 수 있다.

상기 내부구조체(110)의 두께는 1~5mm일 수 있다. 두께가 1mm미만인 경우에는 구조체가 손상되어 파우더 구조가 유지되지 못할 수 있고, 5mm를 초과하는 경우에는 파우더에서 승화한 기상 원료 물질이 구조체를 통과하기 어려워져 결정 성장 속도가 감소하는 문제가 있다.

상기 내부구조체(110)의 높이(h)는 도가니(100)의 높이보다 낮게 설계할 수 있으며, 특히 원료의 승화 및 결정성장이 원활히 일어날 수 있도록 내부구조체의 높이(h)가 100~300㎜가 되도록 할 수 있다.

내부구조체의 높이(h)가 100mm미만인 경우에는 결정 성장에 필요한 파우더의 양이 부족할 수 있고, 결정성장 속도가 느려질 수 있다. 300mm를 초과하는 경우에는 원료의 승화가 잘 되는 영역이 제한되어 사용되지 못하고 버려지는 파우더의 양이 많아지는 문제가 있다.

본 발명에서 상기 도가니 하부에서부터 종자정까지의 거리를 H, 내부구조체의 높이를 h라 할 때,│H-h│값은 20~50mm인 것이 바람직하다.│H-h│값이 20mm미만인 경우 키울 수 있는 결정의 두께가 제한되는 문제가 있고,│H-h│값이 50mm를 초과하는 경우 결정 성장 속도가 느려지고 결정의 품질이 나빠지는 문제가 있다.

도 2, 3은 본 발명의 내부 구조체의 예시도이다.

먼저 도 2와 같이, 상기 내부구조체(110)는 도가니(100)의 형상과 같이 실린더 형상일 수 있다.

또는, 도 3과 같이, 상기 내부구조체(110)는 실린더 형상이며, 도가니(100) 내에서 안정적으로 중심부에 안착할 수 있도록 내부구조체(110)의 상부는 도가니(100)의 둘레방향으로 형성된 연장부를 더 포함할 수도 있다.

여기에서 상기 내부구조체(110)는 원료의 승화 및 결정성장이 원활히 일어날 수 있도록 상기 실린더 형상의 내부구조체의 직경(R) 대비 연장부의 길이(r)가 1:0.1~1이 되도록 설계할 수 있다.

실린더 형상의 내부구조체의 직경(R) 대비 연장부의 길이(r)가 0.1미만인 경우에는 장입양이 작아져 성장 가능한 결정의 두께가 제한되는 문제가 있고, 1을 초과하는 경우 내부 구조체에 의한 결정 성장 속도 증가 효과가 없어지는 문제가 있다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예 1

도 1과 같이 다공성 탄소체로 이루어진 내부구조체가 장착된 도가니를 사용하였다. 도가니 내측면에서 내부구조체의 외측면까지 마련된 원료 장입부에 탄화규소 분말 2000g을 장입하였다. 이후, 도가니 상부덮개를 덮고 성장준비를 완료한 후 통상의 단결정 성장 공정에 맞춰 실험을 실시하였다. 2100℃의 성장온도에서 30시간동안 성장시켰다.

비교예 1

내부구조체가 마련되지 않은 도가니 내부에 탄화규소 분말 3000g을 장입하였다. 이후, 도가니 상부덮개를 덮고 성장준비를 완료한 후 실시예 1과 동일한 조건으로 실험을 실시하였다.

평가 (수율 및 성장속도 평가)

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 단결정 성장이 완료된 후, 10시간 동안 천천히 상온으로 냉각을 하였다. 이후 상부 덮개를 해체하고 도가니를 회수하여 원료 탄화규소 분말의 소진상황을 관찰하였다. 또한 성장된 탄화규소 잉곳의 길이를 측정하였다.

그 결과는 하기 표 1과 같다.

	원료 소진량(g)(소진율(%))	탄화규소 잉곳의 길이(mm)
실시예 1	651g(33%)	25mm
비교예 1	345g(12%)	13mm

상기 결과에서, 본 발명과 같이 도가니 내 다공성 탄소체로 이루어진 내부구조체가 장착된 경우, 원료가 효과적으로 승화되어 더욱 효율적으로 잉곳의 결정성장이 이루어짐을 확인할 수 있었다.

또한, 승화된 원료가스가 내부구조체의 내측 공간으로 이동하여 종자정과 만나 응축과 함께 결정성장이 일어나게 되면서, 도가니 내부의 온도차이에 의한 탄화규소 소결현상도 발생하지 않게 되어 탄화규소 잉곳의 성장속도도 증가하게 됨을 확인할 수 있었다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

100: 도가니
110: 내부구조체
120: 종자정 홀더
200: 종자정
101: 원료 장입부
111: 기공

Claims (8)

1. 잉곳 결정성장을 위한 원료가 장입되는 도가니를 포함하는 잉곳 제조 장치에 있어서,
   상기 도가니 상부에 종자정이 위치하고,
   상기 도가니의 내부에 내부구조체가 위치하여 도가니 내측면과 내부구조체의 외측면에 의해 형성되는 공간에 원료 장입부가 위치하며,
   상기 내부구조체는 실린더 형상이며, 내부구조체의 상부는 도가니의 둘레방향으로 형성된 연장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 내부구조체는 다공질인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 내부구조체는 실린더 형상인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 실린더 형상의 내부구조체의 직경(R) 대비 연장부의 길이(r)는 1:0.1~1인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 내부구조체의 두께는 1~5mm인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 내부구조체의 높이(h)는 100~300mm인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 도가니 하부에서부터 종자정까지의 거리를 H, 내부구조체의 높이를 h라 할 때, │H-h│값은 20~50mm인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.

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