KR101640313B1 - 잉곳 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
잉곳 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니의 상부에 다결정 탄화규소 성장을 억제할 수 있으며, 종자정에 가해지는 열응력을 감소키고 종자정의 배면이 열분해로 손실되는 것을 방지할 수 있는 잉곳 제조 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은 상부몸체, 하부몸체 및 가이드 부재를 포함하는 도가니를 구비하는 잉곳 제조 장치에 있어서, 상기 상부몸체는 상기 하부몸체의 내경보다 작은 관통공을 구비하고, 상기 가이드 부재는 튜브 형상을 가지며, 상기 가이드 부재의 상부면의 일부는 상기 상부몸체와 밀착되어 접촉되고, 상기 가이드 부재의 상부면의 나머지 부분 중 일부는 종자정과 밀착되어 접촉되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치를 제공한다.
본 발명은 상부몸체, 하부몸체 및 가이드 부재를 포함하는 도가니를 구비하는 잉곳 제조 장치에 있어서, 상기 상부몸체는 상기 하부몸체의 내경보다 작은 관통공을 구비하고, 상기 가이드 부재는 튜브 형상을 가지며, 상기 가이드 부재의 상부면의 일부는 상기 상부몸체와 밀착되어 접촉되고, 상기 가이드 부재의 상부면의 나머지 부분 중 일부는 종자정과 밀착되어 접촉되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 잉곳 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니의 상부에 다결정 탄화규소 성장을 억제할 수 있으며, 종자정에 가해지는 열응력을 감소키고 종자정의 배면이 열분해로 손실되는 것을 방지할 수 있는 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, 이 중에서도 잉곳 성장 기술이 확보되고, 내열 특성, 열전도특성, 내전압특성이 우수한 탄화규소(SiC) 반도체가 주목받고 있다.
특히 탄화규소(SiC)는 단결정 성장 기술이 현실적으로 가장 안정적으로 확보되어 기판으로서 산업적 생산 기술이 가장 앞서 있다.
상기 SiC 단결정은 종자정 성장 승화법(seeded growth sublimation)을 이용하여 제조되고 있다.
상기 종자정 성장 승화법은 원료를 도가니에 수납하고, 상기 원료의 상부에 종자정이 되는 SiC 단결정을 배치한다. 상기 원료와 상기 종자정 사이에 온도구배를 형성함으로써 상기 원료가 상기 종자정 측으로 확산되고 재결정화되어 단결정이 성장하도록 하는 방법이다.
그런데, 이러한 공정의 진행에 있어서 도가니 상부에 원치 않는 다결정 탄화규소가 성장하게 되면 결정 내부에 매우 큰 응력이 발생하게 되고, 이로 인해 결정에 크랙이 발생하는 등의 문제가 발생하게 된다. 또한 결정 가장자리에 자란 다결정이 단결정 안쪽으로 성장하게 되어, 단결정의 직경이 감소하는 문제가 발생하기도 한다.
또한, 상기 단결정이 성장되는 종자정은 예를 들어 도가니에 부착되는 방식으로 고정되는데, 종자정의 부착 상태에 따라 그 표면에 성장되는 단결정의 품질에 큰 영향을 미칠 수 있다.
관련선행기술로는 대한민국 공개특허 제10-2011-0142890호 (공개일자 2011년 12월 26일) '잉곳 제조 장치 '가 있다.
본 발명의 목적은 도가니의 상부면에 다결정 탄화규소가 성장하지 않도록 하는 잉곳 제조 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 도가니 상부몸체에 다결정 탄화규소가 성장하지 않도록 함으로써 상부몸체를 반복 사용할 수 있는 잉곳 제조 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종자정에 열응력이 발생하지 않도록 하고, 종자정의 배면이 열분해에 의하여 손상되어 발생하는 동공 결함을 억제할 수 있는 잉곳 제조 장치를 제공함에 있다.
본 발명은 상부몸체, 하부몸체 및 가이드 부재를 포함하는 도가니를 구비하는 잉곳 제조 장치에 있어서, 상기 상부몸체는 상기 하부몸체의 내경보다 작은 관통공을 구비하고, 상기 가이드 부재는 튜브 형상을 가지며, 상기 가이드 부재의 상부면의 일부는 상기 상부몸체와 밀착되어 접촉되고, 상기 가이드 부재의 상부면의 나머지 부분 중 일부는 종자정과 밀착되어 접촉되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치를 제공한다.
상기 상부몸체와 가이드부재 사이의 공간에 상기 종자정을 수용하기 위한 관통공을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 종자정은 상기 관통공에서 내측으로 돌출된 상기 가이드부재에 거치될되는 수 있다.
상기 상부몸체에 체결되어 상기 종자정이 상기 가이드부재에 밀착되도록 하는 가압링을 더 포함할 수 있다.
상기 가이드부재는 중공을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 가이드부재는 상기 종자정에서 멀어질수록 단면적이 확대되는 테이퍼 형상의 튜브로 형성될 수 있다.
상기 관통공의 내경은 상기 종자정의 외경보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 가이드부재의 상단의 내경(a)과 상기 가이드부재의 하단의 내경(b)의 비는 1:1.0 ~ 1:1.5 범위인 것이 바람직하며,
상기 가이드부재의 하단의 내경(b)과 상기 하부몸체의 내경(c)의 비는 1:1.2 ~ 1:2.0 범위이면 더욱 바람직하다.
한편, 상기 종자정의 배면에 그라파이트 시트(Graphite sheet)가 부착되는 것이 바람직하며, 상기 그라파이트 시트의 두께와 상기 종자정의 두께의 비는 1.0 이하이면 더욱 바람직하다. ,
상기 종자정의 배면에 포토레지스트층이 코팅된 후 상기 그라파이트 시트가 부착되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 잉곳 제조 장치는 도가니 상부에 다결정 탄화규소가 성장하지 않음으로써 수율을 향상 시킬 수 있고, 상부몸체를 반복 사용할 수 있는 효과를 가져온다.
본 발명에 따른 잉곳 제조 장치는 종자정이 열응력에 의하여 변형되지 않음으로써 단결정 성장시에 결함을 감소시키는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명에 따른 잉곳 제조 장치는 종자정의 배면을 효과적으로 보호함으로써 종자정의 열분해되어 동공 결함이 발생하는 것을 억제하는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서 잉곳이 성장한 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서 잉곳을 수확하기 위해 상부몸체를 분리한 상태를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 배면 보호 구조를 나타낸 단면도,
도 5는 속이채워진 솔리드 형태의 가이드부재를 이용하여 잉곳을 성장시킨 경우의 온도분포와 다결정 성장을 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 중공이 형성된 가이드부재를 이용하여 잉곳을 성장시킨 경우의 온도분포와 다결정 성장을 나타낸 단면도,
도 7은 도 5와 도 6의 가이드부재의 표면으로부터의 거리에 따른 온도 차이를 나타낸 그래프,
도 8은 솔리드 형태의 가이드부재를 이용하여 성장시킨 결정을 나타낸 사진,
도 9는 중공을 구비한 가이드부재를 이용하여 성장시킨 결정을 나타낸 사진임.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서 잉곳이 성장한 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서 잉곳을 수확하기 위해 상부몸체를 분리한 상태를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 배면 보호 구조를 나타낸 단면도,
도 5는 속이채워진 솔리드 형태의 가이드부재를 이용하여 잉곳을 성장시킨 경우의 온도분포와 다결정 성장을 나타낸 단면도,
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도 8은 솔리드 형태의 가이드부재를 이용하여 성장시킨 결정을 나타낸 사진,
도 9는 중공을 구비한 가이드부재를 이용하여 성장시킨 결정을 나타낸 사진임.
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 결정 성장을 위한 원료가 장입되는 도가니를 포함하는 것으로서, 상기 도가니 상부에 종자정이 배치되고, 상기 도가니의 내부에 원료가 장입된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 잉곳 제조 장치는 도가니(110), 종자정(120), 가이드부재(130)를 포함한다.
도가니(110)는 상기 원료 장입 공간을 형성하는 하부몸체(112)와, 상기 하부몸체(112)의 상부에 결합되는 상부몸체(114)를 포함한다. 상부몸체(114)와 하부몸체(112)의 결합은 나사결합에 의하여 이루어질 수 있다.
가이드부재(130)는 승화되는 원료를 종자정(120)으로 안내하기 위한 것으로, 외관상으로는 종자정(120)을 감싸는 튜브 형상을 가지며, 승화되는 원료를 안내하는 튜브의 내면 형상은 종자정에서 멀어질수록 단면적이 확대되는 테이퍼 형상으로 형성된다.
상기 상부몸체(114)와 상기 가이드부재(130)의 사이 공간에는 상기 종자정(120)을 수용하기 위한 관통공(114a)이 구비된다.
상기 가이드부재(130)는 도우넛 형태를 가지는 상부면(130a)과 하부면(130b),과, 그리고, 상부로 갈수록 내경이 좁아지도록 형성되는 테이퍼면(130c)을 포함한다.
상부면(130a)과 하부면(130b)은 동일한 외경을 가지되, 내경은 하부면(130b)이 더 크게 형성된다. 따라서 상부면(130a)의 폭이 하부면(130b)의 폭 보다 크게 형성된다.
또한, 상기 가이드부재(130)는 내부에 중공(132)을 형성하는 것이 바람직하다. 가이드부재(130) 내부에 형성된 중공(132)은 가이드부재의 열용량을 감소시키는 역할을 수행하게 되어, 가이드부재의 내부가 채워져 있는 솔리드 형태인 경우보다 가이드부재의 표면 온도를 상승시키는 효과를 가져온다.
가이드부재(130)에 중공(132)이 형성되면, 가이드부재(130)의 열량이 줄어들게 된다. 가이드부재(130)는 도가니몸체(112)에서 전달되는 열에 의하여 온도가 상승하게 되는데, 가이드부재(130)의 열용량이 줄어들면 동일한 열량이 유입될 경우 가이드부재(130)의 표면이 보다 높은 온도를 나타낼 수 있게 된다.
승화법에 의한 탄화규소 단결정 성장에서는 온도가 높은 하부몸체(112)에 장입된 원료 분말이 기화한 후 도가니 상부로 이동하여 상대적으로 온도가 낮은 탄화규소(SiC) 종자정(120)에서 응축되면서 단결정 성장이 진행된다. 이 때 성장하는 단결정의 형상 및 도가니 내벽에서 이루어지는 다결정 성장은 수평방향 온도 분포에 매우 큰 영향을 받게 된다. 일반적으로 응축은 상대적으로 온도가 낮은 부분에서 빠르게 일어나게 되므로 도가니 내벽의 온도를 높여주게 되면 그 부분에서 응축을 억제하여 다결정이 성장하는 것을 막을 수 있다. 가이드 부재(130)에 중공(132)을 형성시킨 경우 상대적으로 온도가 높은 도가니 외벽 및 가이드 부재(130)의 하부면(130b)에서 가이드 부재의 내측벽인 테이퍼면(130c)으로 복사에 의한 열전달이 일어나게 되어 단결정과 접촉하는 부분인 가이드 부재(130)의 테이퍼면(130c)의 온도가 높아지게 되고, 따라서 가이드 부재(130) 내벽인 테이퍼면(130c)에서 다결정 탄화규소가 성장하는 것을 억제할 수 있다.
가이드부재(130)의 각면(상부면, 하부면 및 테이퍼면)의 두께는 0.5~5.0mm 범위인 것이 바람직하다. 가이드부재(130)의 각면(130a, 130b, 130c)의 두께가 0.5mm 미만인 경우에는 가이드부재(130)의 내구성이 부족하여 반복사용에 문제점을 가지며, 가이드부재(130)의 각면(130a, 130b, 130c)의 두께가 5.0mm를 초과하는 경우 가이드부재(130)의 열용량 감소가 적어서 테이퍼면(130c)의 표면 온도 상승 효과가 부족하다.
가이드 부재(130)의 상단의 내경(a)과 가이드 부재(130)의 하단의 내경(b)의 비는 1:1.0~1.5 범위인 것이 바람직하다. 가이드 부재(130)의 하단의 내경(b)이 상단의 내경(a)보다 작은 경우에는 단결정의 유효 직경이 감소하여 바람직하지 못하며, 가이드 부재(130)의 하단의 내경(b)이 상단의 내경(a)의 1.5배를 초과하게 되면 가이드 부재(130)의 테이퍼면(130c)에서 다결정 성장이 발생하게 된다.
또한, 가이드 부재(130)의 하단의 내경(b)과 도가니 하부 몸체(112)의 내경(c)의 비는 1:1.2~2.0 범위인 것이 바람직하다. 가이드 부재(130)의 하단의 내경과 하부 몸체(112)의 내경이 상기 범위를 벗어나게 되면, 가이드 부재(130) 또는 하부몸체(112)의 상단에 다결정 성장이 발생하게 된다.
도가니(110)에는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 도가니(110)의 재질로 그라파이트(Graphite) 재질을 사용하는 경우 도포될 수 있는 물질은, 탄화규소 단결정이 성장되는 온도에서 실리콘(Si) 및 수소(H)에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물 또는 금속 질화물을 이용할 수 있다. 특히, Ta, Ha, 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.
종자정(120)은 상부몸체(114)의 하부에 배치되는 것으로, 종래에는 종자정(120)이 상부몸체(114)에 부착되는 방식으로 고정되었는데, 이러한 경우 온도변화에 의하여 종자정(120)에 열응력이 가해지게 된다.
종자정(120)은 탄화규소 재질이고, 상부몸체(114)는 그라파이트 재질로 이루어지는데, 탄화규소와 그라파이트는 열팽창계수에서 차이를 가지고 있으므로, 이들이 가열될 때 상대적으로 두께가 얇은 종자정이 열응력을 받게 되는 것이다.
또한, 종자정(120)이 상부몸체(114)의 저면에 부착되는 경우 탄화규소가 종자정(120)에서만 성장하는 것이 아니라 종자정이 부착되지 않은 상부몸체의 저면에서 다결정 성장이 발생하는 문제점을 가지고 있었다.
상부몸체(114)에서 다결정 성장이 발생하게 되면 상부몸체를 재사용할 수 없으며, 다결정 탄화규소 성장으로 인해 결정 내부에 열 응력이 발생하게 되어 결정 크랙 확률이 높아지는 문제점을 가지고 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상부몸체(114)에서 다결정 성장이 발생하지 않도록 억제하여 상부몸체를 재사용할 수 있도록 하며, 종자정에 가해지는 열응력을 감소시키기 위하여 종자정이 거치되는 형태로 고정되는 잉곳 제조 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 가이드부재(130)가 상부몸체(114)를 차폐하도록 함으로써 상부몸체(114)에서 다결정 성장이 발생하는 것을 억제한다. 다시말해 상기 가이드부재(130)의 상부면(130a)의 일부는 상기 상부몸체(114)와 밀착되어 접촉되고, 나머지 일부는 종자정(120)과 밀착되어 접촉되는 형태를 가지도록 한다.
또한, 종자정(120)은 상기 상부몸체(114)의 관통공(114a)의 내측으로 돌출된 상기 가이드부재(130)의 상부면에 거치되는 형태로 고정된다. 이하에서, 관통공(114a)의 내측으로 돌출된 가이드부재(130)의 상부면을 거치단(135)이라 칭한다.
도시한 바와 같이, 상부몸체에 종자정(120)을 수용하기 위한 관통공(114a)을 구비하고, 상기 관통공(114a)의 내측으로 가이드부재가 돌출되어 거치단(135)을 형성하도록 하면, 승화된 원소가 상부몸체(114)의 표면과 접촉하는 부분이 존재하지 않게 된다.
하부몸체(112)에 수용된 원료물질이 승화되면서 접촉하는 부분이 종자정(120)의 표면과, 가이드부재(130)의 표면으로 제한되므로 상부몸체(114)에서는 다결정 성장이 발생하지 않게 된다.
또한, 종자정(120)이 가이드부재(130)의 거치단(135)에 밀착되도록 하기 위하여, 가압링(116)을 더 포함할 수 있다. 가압링(116)은 상부몸체(114)의 관통공(114a)에 체결되어 종자정(120)이 가이드부재(130)의 거치단(135)에 밀착되도록 가압력을 제공한다. 가압링(116)은 상부몸체(114)에 나사결합 방식으로 체결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서 잉곳이 성장한 상태를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서 잉곳을 수확하기 위해 상부몸체를 분리한 상태를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이, 가이드부재(130)는 하부몸체(112)의 상단에 거치되는 형태로 고정될 수 있다.
하부몸체(112)의 내부에 가이드부재(130)를 거치한 후, 상부몸체(114)를 체결하는 형태로 도가니(110)가 조립된다.
종자정(120)은 관통공(114a)에 배치되며, 상기 관통공(114a)에서 내측으로 돌출된 가이드부재(130)의 거치단(135)에 거치되는 형태로 고정된다.
이러한 구조는 종자정(120)이 부착에 의하여 고정되는 것이 아니라, 거치단(135)에 지지되어 거치되는 형태로 고정된다. 따라서, 종자정(120)이 이종 재질에 부착될 때 열팽창 계수의 차이로 인하여 발생하는 열응력이 발생하지 않는다.
종래에는 종자정을 종자정 홀더를 이용하여 상부몸체에 부착하는 방법을 사용하고 있었는데, 종자정이 부착되는 종자정 홀더는 등방성 그라파이트 재질을 주로 사용하고 있었고, 등방성 그라파이트 재질은 영스 모듈러스(Young's Modulus)가 10GPa 정도로 매우 단단한 물질이다. 이 때문에 종자정이 종자정 홀더에 부착되는 경우 두 물질 간의 열팽창 계수 차이로 인하여 종자정 내부에 매우 큰 열응력이 가해지게 된다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 응력을 계산해 본 결과 종자정 내부의 본 마이세스 스트레스(Von mises stress)의 최대값이 100~400MPa 정도의 매우 큰 값을 가지게 된다. 반면 종자정을 부착하지 않고 거치단에 거치할 경우에는 종자정 열팽창과 수축시에 거치단표면에서 슬라이딩할 수 있으므로, 종자정에 가해지는 내부의 응력을 50Mpa 이하로 낮출 수 있다.
한편, 종자정(120)의 외경은 상기 관통공(114a)의 내경보다 작게 형성되어, 종자정(120)과 관통공(114a)의 사이에 유격이 존재하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 온도변화에 따른 열팽창과 수축 발생시에 열변형율의 차이에 의하여 종자정에 열응력이 가해지는 것을 방지하기 위한 것이다.
도가니에서 탄화규소 잉곳을 성장시키게 되면, 도 2에 도시한 바와 같은 모양으로 잉곳이 성장하게 된다. 이렇게 잉곳의 성장이 완료된 후, 상부몸체(114)를 하부몸체(112)에서 분리하면 도 3에 도시한 바와 같이 잉곳은 종자정(120)과 가이드부재(130)에만 부착된 상태가 되며, 상부몸체(114)에서는 다결정 성장이 전혀 발생하지 않게 된다. 따라서, 도가니 상부몸체(114)는 재 사용할 수 있는 상태를 유지하게 된다.
그런데, 이러한 종자정(120) 거치구조에서는 종자정(120)의 배면을 보호할 필요성이 있다.
승화에 의하여 단결정이 성장함과 동시에 종자정(120)의 배면에서는 열분해가 발생하게 되는데, 종자정(120)의 배면을 보호하지 않으면 종자정의 배면에서 열분해에 의한 동공 결함이 발생하게 된다. 이러한 동공 결함은 결정 성장이 진행됨에 따라 성장된 결정 내부로도 침투하여 결정 품질에 좋지 않은 영향을 주게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 배면 보호 구조를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 종자정 배면 보호 구조는 종자정(120)의 배면에 형성되는 포토레지스트층(122)과 상기 포토레지스트층(122)에 부착되는 그라파이트 시트(Graphite sheet)(124)를 포함한다.
포토레지스트층(122)과 그라파이트 시트(124)는 종자정의 배면에 동공 결함이 발생하지 않도록 하기 위한 것이다.
동공 결함 발생을 방지를 위해서 상기 포토레지스트층(122) 은 1~100 ㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 그라파이트 시트(124)의 두께는 0.1 mm 이상인 것이 바람직하다.
종자정(120) 배면에 직접 그라파이트 시트(124)를 부착할 수도 있으나, 이 경우 종자정(120)과 그라파이트 시트(124) 사이에 접착이 잘 되지 않은 부분이 발생할 수 있고, 접착이 잘 이루어지지 않은 부분에서 동공 결함이 발생할 수 있다.
또한, 그라파이트 시트(124)의 두께와 종자정(120)의 두께의 비(그라파이트 시트의 두께/종자정의 두께)는 1.0 이하인 것이 바람직하다. 그라파이트 시트(124)는 종자정(120)과 부착되는 것으로 그라파이트 시트(124)의 두께가 두꺼워 지면, 종자정(120)에 가해지는 열응력이 증가하게 된다. 따라서, 그라파이트 시트(124)의 두께와 종자정(120)의 두께의 비는 1.0 이하인 것이 바람직하다.
실시예
가이드부재의 두께에 따른 영향을 살펴보기 위하여 속이 채워진 솔리드 형태의 가이드부재와, 내부에 중공이 형성된 가이드부재를 사용하여 SiC 잉곳을 성장시켰다.
도 5는 속이 채워진 솔리드 형태의 가이드부재를 이용하여 잉곳을 성장시킨 경우의 온도분포와 다결정 성장을 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 중공이 형성된 가이드부재를 이용하여 잉곳을 성장시킨 경우의 온도분포와 다결정 성장을 나타낸 단면도이며, 도 7은 도 5와 도 6의 가이드부재의 표면으로부터의 거리에 따른 온도 차이를 나타낸 그래프이며, 도 8은 솔리드 형태의 가이드부재를 이용하여 성장시킨 결정을 나타낸 사진이고, 도 9는 중공을 구비한 가이드부재를 이용하여 성장시킨 결정을 나타낸 사진이다.
도 5 및 도 8을 살펴보면, 속이 채워진 솔리드 형태의 가이드부재의 경우 결정 성장 중 가장자리에 다결정이 성장한 것을 확인할 수 있으며, 도 6 및 도 9를 살펴보면 중공이 형성된 가이드부재의 경우 도 6과 달리 결정 가장자리에 다결정이 성장하지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 8을 살펴보면, 중공이 형성된 가이드부재의 표면온도가 솔리드 형태의 가이드부재의 표면온도보다 약 1℃ 높게 분포하는 것을 알 수 있다.
이로부터, 가이드부재에 중공을 형성함으로써 가이드부재의 표면온도를 상승시키는 효과와, 다결정의 성장을 억제할 수 있는 효과를 가져오는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 종자정의 동공 결함 억제를 위한 구조에 관하여 살펴본다.
종자정의 배면을 보호하지 않은 상태(비교예1)와, 종자정의 배면을 보호하기 위하여 포토레시스트 층만 형성한 상태(비교예2)와, 종자정의 배면을 보호하기 위하여 그라파이트 시트만을 부착한 상태(비교예3), 종자정의 배면을 보호하기 위하여 포토레지스트층을 형성한 후 그라파이트 시트를 부착한 상태(실시예)에서 SiC 잉곳을 성장시키고, 성장된 SiC 잉곳의 동공결함 밀도와 엑스레이 반치전폭(FWHM)을 측정하였다.
비교예1의 경우, 성장된 결정에서 전체적으로 매우 심한 동공 결함이 발생하였다. 동공결함의 밀도는 100개/㎠ 이상이었다. 성장된 결정의 결정성을 판단하는 엑스레이 반치전폭(FWHM) 값이 200 이상으로 결정 품질이 좋지 않았다.
비교예2의 경우, 고온에서 장시간 성장이 진행 됨에 따라 포토레지스트층의 손상이 발생하여 비교예1 보다는 적지만 성장된 결정에서 전체적으로 동공 결함이 발생하였다. 동공결함의 밀도는 약 20~30개/㎠ 수준 이었다. 성장된 결정의 결정성을 판단하는 엑스레이 반치전폭(FWHM) 값이 100~150 수준으로 결정 품질이 좋지 않았다
비교예3의 경우, 그라파이트 시트와의 접착이 잘 되지 않는 부분이 발생하여 일부 영역에 집중적으로 동공 결함이 발생하였다. 동공 결함 밀도는 약 10~20개/㎠ 수준 이었다. 성장된 결정의 결정성을 판단하는 엑스레이 반치전폭(FWHM) 값이 70~100 수준으로 결정 품질이 좋지 않았다
실시예의 경우, 성장된 결정에서 동공 결함이 거의 존재하지 않았다. 동공결함의 밀도는 약 0~1개/㎠ 수준 이었다. 성장된 결정의 결정성을 판단하는 엑스레이 반치전폭(FWHM) 값이 30~50 수준으로 결정 품질이 비교예들에 비하여 매우 우수하였다.
다음으로, 그라파이트 시트의 두께 변화에 따라 종자정이 받는 열응력과, 크랙 발생확률을 측정하였다.
종자정의 두께는 1.0mm로 하고, 그라파이트 시트의 두께를 0.1mm, 2.0mm, 10.0m 로 변경하며, 종자정에 가해지는 열응력과, 성장된 SiC 잉곳에서의 크랙 발생 확률을 평가하였다.
그라파이트 시트의 두께가 증가함에 따라, 열응력이 증가하며, 그에 따라 크랙 발생 확률이 증가함을 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.
110 : 도가니
112 : 하부몸체
114 : 상부몸체
114a : 관통공
116 : 가압링
120 : 종자정
122 : 포토레지스트 층
124 : 그라파이트 시트
130 : 가이드부재
130a : 상부면
130c : 테이퍼면
130c : 하부면
132 : 중공
t : 가이드부재의 두께
a : 가이드부재의 상단 내경
b : 가이드부재의 하단 내경
c : 하부몸체의 내경
112 : 하부몸체
114 : 상부몸체
114a : 관통공
116 : 가압링
120 : 종자정
122 : 포토레지스트 층
124 : 그라파이트 시트
130 : 가이드부재
130a : 상부면
130c : 테이퍼면
130c : 하부면
132 : 중공
t : 가이드부재의 두께
a : 가이드부재의 상단 내경
b : 가이드부재의 하단 내경
c : 하부몸체의 내경
Claims (11)
- 상부몸체, 하부몸체 및 가이드 부재를 포함하는 도가니를 구비하는 잉곳 제조 장치에 있어서,
상기 상부몸체는
상기 하부몸체의 내경보다 작은 내경으로 형성되어 종자정을 수용하는 관통공을 구비하고,
상기 가이드 부재는 상기 하부몸체의 상단에 거치되는 형태로 고정되고,
상기 가이드 부재는 튜브 형상을 가지며, 상기 가이드 부재의 상부면의 일부는 상기 상부몸체와 밀착되어 접촉되며 상기 상부몸체를 차폐하고, 상기 가이드 부재의 상부면의 나머지 부분 중 일부는 상기 상부몸체의 관통공에 수용된 종자정과 밀착되어 접촉되며 상기 종자정을 거치하는 잉곳 제조 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부몸체에 체결되어 상기 종자정이 상기 가이드부재에 밀착되도록 하는 가압링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 가이드부재는 중공을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치
- 제 1 항에 있어서,
상기 가이드부재는
상기 종자정에서 멀어질수록 단면적이 확대되는 테이퍼 형상의 튜브인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 가이드부재의 상단의 내경(a)과 상기 가이드부재의 하단의 내경(b)의 비는 1:1.0 ~ 1:1.5 범위인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 가이드부재의 하단의 내경(b)과 상기 하부몸체의 내경(c)의 비는 1:1.2 ~ 1:2.0 범위인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 관통공의 내경은 상기 종자정의 외경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 종자정의 배면에 그라파이트 시트(Graphite sheet)가 부착된 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 그라파이트 시트의 두께와 상기 종자정의 두께의 비는 1.0 이하인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 종자정의 배면에 포토레지스트층이 코팅된 후 상기 그라파이트 시트가 부착된 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
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