KR101760030B1 - 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄화규소의 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버에 도가니를 안치하고, 상기 도가니의 하부에 탄화규소 분말을 장입하며, 상부에 탄화규소 단결정 시드를 고정하는 단계; 상기 챔버를 가열하여 탄화규소 분말을 기화하는 단계; 상기 기화된 탄화규소 분말이 도가니 상부에 고정된 시드에서부터 탄화규소 단결정으로 성장되는 단계;를 포함하여 구성되되, 상기 도가니의 중간부 직경은 상기 성장되는 탄화규소의 직경에 대응하는 크기를 가지며, 상기 도가니는 상기 챔버에 안치될 수 있는 도가니 중 중간부 직경이 가장 큰 최외곽 도가니로부터 그 도가니 내부에 중간부 직경이 작아지는 방향으로 순차적으로 안착되는 복수의 도가니 중 하나인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법을 제공한다.

Description

대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법 및 장치{The method of Variable scale SiC ingot growth using large scale SiC ingot growing apparatus}

본 발명은 탄화규소 단결정의 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대구경 결정 성장용 장비를 활용하되, 도가니 및 단열재의 구조 및 운용방법 제어를 통하여 대구경 장비에서는 상대적으로 작은 크기인 직경 2인치 이상(통상 3인치까지)의 탄화규소 단결정을 안정적으로 성장시킴과 동시에 재현성을 확보하면서 단결정을 성장시킬 수 있도록 하는 탄화규소 단결정 성장방법에 관한 것이다.

탄화규소(SiC) 단결정은 열적, 화학적으로 매우 안정적이며, 기계적 강도가 우수할 뿐 아니라 실리콘에 비해 높은 절연 파괴 전압, 높은 열전도율 등 우수한 물성을 가지고 있어, 차세대 반도체 재료로서 각광받고 있다. 탄화규소 단결정이 사용되는 전자소자 분야는 저저항 기판 형태로 사용하는 전력소자 분야와 고저항의 절연체와 같은 특성을 갖는 탄화규소 단결정 웨이퍼를 사용하는 RF 통신소자 부분이 있다.

탄화규소 단결정을 제조하는 방법에는 대표적으로 승화법(Physical Vapor Transport Method: PVT 법), 용액성장법(Top Seed Solution Growth Method; TSSG 법), 고온화학기상증착법(High Temperature Chemical Vapor Deposition Method: HTCVD법)등이 있으며, 그 중에서도 승화법이 가장 상용화에 근접해 있다.

탄화규소는 특정한 온도 영역에서 안정한 결정 다형들이 존재한다. 2H는 1400℃ 이하의 온도영역에서 안정하며, 화학 기상 증착 공정으로 비교적 저온영역에서 얻기가 용이하다. 또한 2H형은 1500℃ 이상의 온도영역에서 결정의 형을 유지하며, 온도가 상승할수록 무질서한 상이 생성되면서 다른 다형으로 전이된다. 온도가 증가함에 따라 생성되는 다형의 종류는 3C, 4H 및 6H 등으로 변화할 수 있으나, 이 과정에서 15R은 거의 생성되지 않고, 이와 같은 2H의 전이는 비가역적으로 일어나 일단 전이된 다형은 다시 2H가 되지 않는다. 3C는 약 1400℃∼1600℃의 영역에서 안정하며, 과포화도가 큰 환경하에 전 온도영역에서 생성이 가능하다. 이와 같은 이유로, 3C의 경우에는 결정성장 초기에 생성되기 쉽다. 1600℃ 이상에서는 주로 재결정화를 통해 2H 이외의 고온형(α형)으로 변화하게 된다. 4H는 1600℃ ~ 2100℃의 영역에서 주로 안정하며, 2100℃ 이상의 온도영역에서는 6H가 다른 다형들보다는 비교적 안정하다. 또한, 15R은 2200℃ 이상의 고온영역에서 6H와 공존하면서 생성되기 쉽다. 아울러, Tairov는 결정성장에서 핵생성이 일어나는 시점에서의 압력이 급격히 감소하면 3C-SiC가 생성되고, 압력이 서서히 감소하면 4H-SiC가, 적당한 압력의 변화에는 6H-SiC가 성장된다고 보고 압력 변화가 결정다형의 형성에 영향을 줄 수 있다는 것을 보고 하였다.

탄화규소 단결정 성장시 성장온도와 압력은 단결정 성장에서 가장 중요한 변수이다. 앞에서 설명한 것과 같이 결정 다형들이 안정화되는 온도가 다르므로 결정다형이 없는 단결정 성장을 위해선 성장온도의 조절이 중요하다. 성장 온도와 압력은 단결정 성장시에 성장 속도에도 영향을 미치는데, 압력이 낮을수록 성장속도가 높고, 온도가 높을수록 성장속도는 빨라진다. 그리고 성장 온도에 따라 단결정에 도핑이 되는 농도에도 차이를 보인다. 이렇듯 성장온도와 압력은 성장시 많은 영향을 미친다. 또한 YOLE 2009년 보고서와 M. Cooke 등 다수의 연구자에 따르면 미국이나 일본의 다수 회사들은 승화법을 이용하여 4H나 6H-SiC 성장시 성장온도는 2200 ~ 2400℃이며, 이때의 성장률은 200 ~ 500㎛/hr로 알려져있다.

단결정 성장 시 챔버 (Chamber) 내에서 불필요한 반응을 일으키는 가스를 통제하기 위해 불활성 가스인 아르곤(Ar)을 통상적으로 주입하게 된다. 일명 분위기 가스 또는 수송 가스라고 통칭하는데 성장 시 가스의 선택성이 중요시 된다. 수송/분위기 가스는 여러 역할은 하는데 대표적으로 예를 들면 원료물질과 종자정간의 운송수단이 되며, 잔류하는 불필요한 다른 가스와의 반응을 방지해 주고, 온도 및 수평/수직의 온도구배 형성에 기여한다. 오래전부터 많은 연구자들이 결정질 향상을 위해 아르곤 가스를 기준으로 추가적인 가스 효과에 대해 많은 연구를 진행 중이다. 질소 가스는 SiC 결정 성장에 있어서 도펀트(Dopant)가 되는 매우 중요한 가스 중 하나이다. 아르곤 가스와 적절한 비율(Ratio)이 유지되면 여러 가지 장점을 가지는데， 예를 들면 원하는 도핑농도를 조절할 수 있고， 온도구배를 완화시켜 성장된 잉곳의 곡률(Curvature)을 보다 평탄(Flat) 하게 해주고, 표면개질을 통하여 표면의 질감을 향상시켜 주며 4H 성장에 있어 결정다형 안정화에 기여 한다고 알려져 있다.

승화법을 이용한 단결정 성장 방법은 도가니 상단에 시드(Seed)를 부착시키고 탄화규소분말을 원료로 사용하여 2200℃ 이상의 온도에서 승화시킨 후 상대적으로 온도가 낮은 시드 표면에 재결정시켜 단결정을 성장하는 방법으로 순도가 높고 입도가 큰 탄화규소 분말을 원료로 사용한다.

한편, 종래의 탄화규소 결정 성장에는 고유한 크기의 결정 성장을 위해 고유한 성장 장치를 제작해야 하는 단점이 있다. 즉, 특정 크기의 결정성장을 위한 고유의 장비를 각각 구비하여야 하므로 장비 구축을 위한 공간상의 문제, 재정적인 문제, 장비간 활용도의 차이에 따른 설비 과잉투자의 문제 등 다양한 문제점이 발생될 수 있다.

특히 최근 탄화규소 단결정 개발이 결정의 직경 확장을 중심으로 진행되고 있는데 대구경 결정의 성장시 원료 및 부재의 소모가 소구경 결정의 성장시에 비하여 상대적으로 큰 반면, 결정성장을 위한 조건제어가 어렵고, 연구수준에서 활용하기에는 낭비적 요소가 있어 효율적이지 못한 문제점이 있다.

따라서, 기존의 4인치 탄화규소 결정 성장용 장치를 사용하되, 여기에서 2인치 등 다른 크기의 다양한 탄화규소 결정을 성장시키기 위해서는 다목적 성장용 도가니에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 성장 결정의 직경에 따른 장비 구축에 대한 효율성을 증가시키기 위해, 결정의 크기에 관계없이 특정 대구경의 단결정 성장 장치를 단일하게 활용하되, 부재인 도가니 및 그 주변의 구조를 변화하여 위 성장 장치에서도 규격보다 작은 소구경의 결정 성장이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대구경 결정 성장용 장치를 사용함에도 불구하고 소구경 결정 성장용 장치를 사용하는 것과 마찬가지의 조건인 150㎛/hr 내지 400㎛/hr의 비교적 안정적인 탄화규소 단결정의 성장률을 달성하도록 도가니의 구조 및 운용방식를 제어하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 단결정의 성장속도의 제고와 함께 단결정의 편평한 형상 구현이 가능하도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 도가니의 구조 및 운용방식을 제어함으로써 제조되는 결정의 재현성이 담보되도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법에 있어서, 챔버에 도가니를 안치하고, 상기 도가니의 하부에 탄화규소 분말을 장입하며, 상부에 탄화규소 단결정 시드를 고정하는 단계; 상기 챔버를 가열하여 탄화규소 분말을 기화하는 단계; 상기 기화된 탄화규소 분말이 도가니 상부에 고정된 시드에서부터 탄화규소단결정으로 성장되는 단계;를 포함하여 구성되되, 상기 도가니의 중간부 직경은 상기 성장되는 탄화규소의 직경에 대응하는 크기를 가지며, 상기 도가니는 상기 챔버에 안치될 수 있는 도가니 중 중간부 직경이 가장 큰 최외곽 도가니로부터 그 도가니 내부에 중간부 직경이 작아지는 방향으로 순차적으로 안착되는 복수의 도가니 중 하나인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법을 제공한다.

상기 복수의 도가니는 상호 착탈 가능하게 안착되는 것이 바람직하다.

상기 복수의 도가니는 흑연재질인 것이 바람직하다.

상기 복수의 도가니는 그 하부가 서로 접하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 복수의 도가니 중 가장 작은 직경의 도가니는 그 중간부 직경이 적어도 72 ~ 85mm인 것이 바람직하다.

상기 복수의 도가니 중 하나의 도가니와 그에 인접하는 도가니의 측면부 사이에는 측면 부재가 더 마련되는 것이 바람직하다.

상기 측면 부재는 흑연 부재인 것이 바람직하다.

상기 최외곽 도가니의 상단과 내부에 안착되는 도가니의 상단의 높이 차이는 적어도 10mm인 것이 바람직하다.

상기 최외곽 도가니 내부에 안착되는 내부 도가니는 높이가 70 ~ 125mm이며, 도가니의 측면과 측면 사이에 마련되는 측면 부재는 상기 내부 도가니의 높이와 동일하게 제작되는 것이 바람직하다.

상기 탄화규소 결정의 성장을 위한 분위기는 아르곤 또는 아르곤/질소 혼합분위기인 것이 바람직하다.

상기 분위기 가스에 의해 형성되는 성장압력은 100 ~ 1000Pa인 것이 바람직하다.

상기 도가니의 상부와 하부의 온도차는 1 ~ 10℃/cm인 것이 바람직하다.

상기 도가니의 하부에서 가열초기에서부터 성장완료시기에 이르는 과정에서 온도 변동 폭은 1 ~ 10℃/hr인 것이 바람직하다.

상기 가열을 위한 가열수단은 상기 챔버의 내주면을 따라서 형성되며, 상기 도가니를 중심으로 상하 방향으로 슬라이드 이동 가능한 것이 바람직하다.

상기 복수의 도가니 중 어느 하나의 도가니에 대하여 상부, 하부에 단열재가 더 마련되는 것이 바람직하다.

상기 상부, 하부에 단열재가 마련되는 도가니는 그 측부에 단열재가 더 마련되는 것이 바람직하다.

상기 측부 마련된 단열재는 상기 도가니의 측부 및 상기 상부 및 하부에 마련된 단열재의 측부를 감싸도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 탄화규소 단결정을 성장시키는 영역인 도가니와, 내부에 상기 도가니가 안치되는 챔버와, 상기 챔버의 내주면을 따라서 구성되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는 탄화규소 단결정 성장장치에 있어서, 상기 도가니는 상기 챔버에 안치될 수 있는 도가니 중 중간부 직경이 가장 큰 최외곽 도가니로부터 그 도가니 내부에 중간부 직경이 작아지는 방향으로 순차적으로 안착되는 복수의 도가니인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키기 위한 도가니 구조를 제공한다.

상기 최외곽 도가니는 그 내부에 측면 부재가 더 마련되는 것이 바람직하다.

상기 측면 부재는 1 ~ 20mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

상기 측면 부재는 상기 최외곽 도가니 내에 상하로 착탈가능하게 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 탄화규소 결정 성장방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 성장 결정의 직경에 따른 장비 구축에 대한 효율성을 증가시키기 위해, 결정의 크기에 관계없이 특정 대구경의 단결정 성장 장치를 단일하게 활용하되, 부재인 도가니 및 그 주위의 구조를 변화하고, 도가니 상하부의 수직 온도 구배 뿐 아니라 도가니 하부에서의 공정 초기와 공정 말기의 온도를 제어함으로써 위 성장 장치에서도 규격보다 작은 소구경의 결정 성장이 가능하도록 하는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 도가니의 구조 및 운용방식를 제어함으로써 대구경 결정 성장용 장치를 사용함에도 불구하고 소구경 결정 성장용 장치를 사용하는 것과 마찬가지의 조건인 150㎛/hr 내지 400㎛/hr의 비교적 안정적인 탄화규소 단결정의 성장률을 달성하도록 하는 작용효과가 기대된다.

단결정의 성장속도의 제고와 함께 단결정의 편평한 형상 구현이 가능하도록 하는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 도가니의 구조 및 운용방식을 제어함으로써 제조되는 결정의 재현성이 담보되도록 하는 작용효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장장치의 단면 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도가니와 부재의 단면 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 내부도가니의 부재 높이가 다른 도가니의 단면 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도가니 및 부재 높이가 다른 도가니의 단면 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 공정흐름도,
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 설정 압력에 따른 탄화규소의 분해온도,
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 내부 도가니의 부재 높이 변화에 따른 다결정 사진,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 내부 도가니의 높이 변화에 따른 다결정 사진,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 단결정의 사진,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 단결정의 반치폭 조사 결과를 나타내는 그래프, 그리고
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 최적화 조건의 단결정 사진이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예와 도면을 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서 도가니는 복수개로서, 최외곽 도가니와 그 이외의 내부에 안착된 내부 도가니로 구분된다.

본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장방법을 설명하기에 앞서, 이를 구현하기 위한 탄화규소 단결정 성장장치에 대해 먼저 살펴보기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장장치의 단면 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장장치는 도가니, 단열재, 반응챔버 및 히팅수단을 포함하여 구성된다.

상기 도가니는 SiC 단결정 성장이 이루어지는 반응 공간을 제공하는 것으로서, 도가니 내측 저부에는 분말 상태의 탄화규소 원료가 구비되고 도가니의 상단에는 단결정 상태의 탄화규소 시드가 구비된다. 여기서, 상기 도가니는 일 실시예로 원통형 등의 일정 길이의 내부 공간을 갖는 형태로 구성될 수 있으며, 흑연(C) 재질로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 도가니(110, 111)는 복수의 도가니로 구성된다. 각각의 도가니는 도가니를 수평방향으로 절개하였을 때의 단면적이 서로 다르도록 설계되되, 단면적이 가장 큰 최외곽 도가니 내에 단면적이 작은 도가니가 수용되도록 하며, 따라서 도가니가 단면적의 크기에 따라 순차적으로 안착된다. 이와 같이 여러 크기의 도가니를 복수로 안착하는 것은 다양한 직경을 갖는 단결정을 하나의 장치 내에서 성장시키기 위함이다.

원통형의 도가니를 예로 하면, 도 2에 도시한 바와 같이 단면적이 가장 큰 최외곽 도가니(202) 내에 이보다 적은 단면적을 갖는 내부 도가니(201)가 중첩되는 방식으로 안착되어 있음을 확인할 수 있다. 이 때, 각각의 도가니(201, 202)의 하부는 서로 밀착되도록 구성하는 것이 바람직한데, 이는 도가니의 하부가 밀착되어 있지 않으면 열전달이 잘 되지 않으므로 이와 같이 하는 것이며, 내부 도가니(201)의 내부 공간을 정의하는 외벽의 두께는 동일하거나 서로 다르게 설계할 수 있다. 한편, 상기 내부 도가니(201)는 최외곽 도가니(202)로부터 착탈 가능하도록 구성되며, 내부 도가니(201)의 내경은 2인치의 단결정 성장을 위하여 51㎜이상 52㎜이내로 구성하고 외경은 최외곽 도가니(202)의 내경보다는 작되, 내부 도가니의 외벽 두께 조절을 통하여 2인치 이상의 단결정 성장이 가능하도록 도가니 외경이 72mm 이상 85㎜ 이내로 설계되는 것이 바람직하다. 실제로 2인치 가량의 단결정을 성장시키는데 있어서 72mm 이상의 외경은 필요하며, 단결정을 성장시키기 위하여 필요시 내부 도가니의 내부 형상 변경에 의해 3인치까지 확장된 단결정을 제작하기 위하여 85mm 까지는 허용하였다. 그러나, 3인치 보다 큰 단결정을 제작하기 위한 장치 설계 변경은 요하지 않으므로 그 이상의 외경은 불필요하다.

내부 도가니(201)는, 도 2에 도시한 바와 같이 측면과 상하면을 모두 구비하는 형태로 구성되는 것이 가능하다. 즉, 상기 내부 도가니(201)는 제1 측면 부재(301)를 가지며, 최외곽 도가니(202)는 제2 측면 부재(302)와 상하면 부재(303)로 구성된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 최외곽의 도가니(202) 내에 적어도 하나 이상의 제1 측면 부재(301)가 구비되는 형태를 갖는다. 이 때, 상기 최외곽 도가니(202) 측면과 하부면 모두에 상기 제2 측면 부재(302) 및 상하면 부재(303)가 구비될 수 있다.

상기 측면 부재는 상기 최외곽 도가니 내에 상하로 착탈가능하게 설치되는데, 도 2를 참조하면, 제2 측면 부재(302)와 상하면 부재(303) 부재는 서로 분리가 가능하며 도가니(202) 제1 측면 부재(301)는 분리가 가능하도록 도가니 내부에 삽입되어 있다. 최외각 도가니의 상하부는 나사식으로 분리가능하도록 제작되었다.이러한 최외각 도가니 내부에 2인치용 도가니를 삽입하고 2인치용 도가니 외부의 빈 공간을 부재를 사용하여 채운 것으로서, 최외각 도가니의 하부면을 분리하면 손쉽게 삽입 및 분리가 가능하다.

한편, 단결정을 성장시키기 위한 가열수단은 도시되지는 아니하였으나, 챔버의 내주면을 따라서 형성되며, 도가니를 중심으로 상하 방향으로 슬라이드 이동 가능하게 구성된다. 이는 단결정 성장시 가열수단의 위치에 따라 단결정의 품질이 향상되고 저하되는 현상이 발생하는데, 이를 제어하기 위하여 도가니의 높이에 따라서 가열수단의 위치를 상하 방향으로 이동하여 최적의 단결정을 성장시키는 것이 목적이기 때문이다.

<제 1 실시예>

본 발명에 의한 탄화규소 결정은 PVT(Physical Vapor Transport)법에 의해 성장된다.

흑연 재질인 제1 측면 부재에 의해 둘러싸인 내부 흑연 도가니(110)의 하부에는 고순도 탄화규소 소스분말(112)이 채워지게 된다.

아르곤 분위기 또는 아르곤/질소 혼합 분위기에서 성장온도는 1900 내지 2150℃이고, 성장압력은 100Pa이다. 성장온도가 1900℃ 미만일 경우에는 성장속도가 50㎛/hr이하로 낮을 뿐만 아니라, 탄화규소 결정의 특성상 3C-SiC 타입의 결정이 혼입되어 다결정을 형성할 가능성이 높아지고, 상기 2150℃ 보다 높아지면 성장속도 상승으로 인하여 결정의 모양 및 결정질이 저하되는 문제점이 발생한다. 더욱 바람직한 온도는 2150℃라 할 것이다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이 성장압력이 1000Pa을 초과하는 경우에는 탄화규소의 분해온도가 높아져 압력이 100Pa일 때 보다 성장공정온도를 높여야 하며, 부재 열화 등의 문제가 발생할 수 있으므로 1000Pa 미만인 것이 좋다. 이러한 이유로 본 실시예에서는 성장 압력을 일응 100Pa로 고정하여 실시하였다. 다만, 안정적 성장 및 우수한 결정질의 구현을 위한 바람직한 성장 압력의 범위는 100Pa을 넘되 1000Pa 미만으로 유지하는 것이 좋다.

성장하는 동안에 탄화규소 결정을 상하로 가로지르는 축방향 또는 도가니의 상부와 하부간의 열 기울기(axial thermal gradient)는 1 ~ 10℃/㎝ 범위내이다. 성장 온도가 상기 온도보다 낮으면, 단결정 성장시 성장 속도가 낮을 뿐만 아니라 탄화규소 결정의 특성상 3C-탄화규소 타입의 결정이 혼입되어 다결정을 형성할 가능성이 높아지고, 상기 온도보다 높으면 급격한 성장 속도로 인해 결정질이 저하되는 문제점이 발생한다.

도 5는 PVT법에 의해 탄화규소 벌크 성장의 공정 진행에 있어, 공정시간의 함수로서 공정 온도, 공정 압력의 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 전체 공정은 진공 단계, 성장 단계 및 냉각 단계인 3단계로 구성되고, 아르곤 및 질소의 혼합 가스는 탄화규소 벌크 성장 단계 동안에 성장 분위기로서 주기적으로 추가된다.

좀 더 상세히 설명하면, 탄화규소 소스분말(112)이 장입된 도가니를 성장장치에 장착한 후 반응챔버를 밀봉한다. 불순물 등을 제거하기 위해 약 100Pa이하로 진공공정을 진행한다. 이는 유도가열로 내부의 석영 챔버 내의 오염물질과 흑연 물질 내부에 잔존해 있던 오염물질을 고진공 펌프를 이용해 밖으로 배출해 내는 단계이다.

내부압력을 상압으로 복원한 후 다음으로 온도 가열 단계를 진행하는데 SiC 결정을 성장시키기 위하여 온도를 상승시키는 공정으로서, 목적한 공정 온도까지 느린 속도로 온도를 상승시켜준다. 급속한 온도의 상승은 Si의 급속한 휘발을 유발하기 때문에, 종자정을 오염시킬 수 있기 때문이다.

다음 공정으로는 성장 전 단계를 진행한다. 이는 SiC 소스의 승화를 활성화 시켜 성장이 일어날 수 있는 준비를 하는 공정이다. 우선 목적한 공정온도를 달성할 수 있는 Heating 공정을 실시한 다음 성장압력 영역으로 맞추기 위한 감압공정이 실시되는데, 이 공정에서도 SiC 소스의 승화 및 SiC 결정이 성장하는 단계이므로, 모니터링 시 주의를 요한다.

이후 단결정 성장단계가 진행되는데 이때 SiC 소스의 승화가 가장 활발히 일어나며 SiC 결정이 성장되는 구간이다. 목적한 성장온도와 성장압력이 안정화 되어 SiC 결정성장이 안정하게 일어나게 된다. 이 구간에서는 인위적인 공정변화를 가하지 않는 것이 요구되며 성장 단계 동안에는 안정적인 결정성장을 위해 아르곤 가스 0.5slm과 질소 가스 50sccm가 주입된다.

마지막으로 성장 단계가 종료되면 냉각 단계에 들어가게 되는데 냉각 단계는 두 단계로 진행되며, 첫 번째는 결정 성장의 안정적인 멈춤을 위한 가압 공정이 적용된다. 대기압으로 가압시켜 결정성장이 1차적으로 안정적인 멈춤 상태에 도달하게 된다. 마지막 단계는 Heating Power를 감소시킨다. Heating Power가 감소되면 유도가열로 내부의 모든 재료는 불활성 분위기에서 장시간 동안 냉각이 진행된다. 이때 급격한 냉각이 이루어지면, SiC 결정에 열충격에 의한 크랙 발생률이 증가할 수 있으므로, 반드시 Heating Step의 3 ~ 4배 느린 속도로 냉각이 이루어져야 한다.

도가니 사이에 측면 부재를 사용하였을 때와 사용하지 않았을 때의 차이를 확인하기 위해 다음의 실험을 진행하였다.

실험 결과

내부 도가니의 부재 사용 유무에 따른 결과 사진을 도 7에 도시하였으며, 내부 도가니의 부재 사용 유무에 따른 다양한 특성은 표 1에 나타낸 바와 같다.

내부 도가니에 부재를 사용함에 따라 성장률이 증가하였으며, 도 3과 같이 내부도가니의 상단면이 외부도가니의 상단면과 맞닿음으로 인해 열손실이 발생하여 결정의 모양이 바람직하지 않은 Convex한 모양으로 형성되는 것을 관찰하였다.

도가니 길이	부재 길이	ΔT	성장률 (㎛/hr)	모양	결정무게(g)
137	0	57	200	Convex	15.34
137	70	125	476	Convex	31.46
137	96	99	329	Convex	20.31
137	127	118	362	Convex	25.93

<제 2 실시예>

본 실시예는 제1실시예를 통하여 내부도가니의 상단면이 외부도가니의 상단면과 맞닿을 경우 열손실이 발생하여 생성된 결정의 모양이 균일하지 않게 된다는 것을 고려하여 내부도가니 상단면과 외부도가니 상단면과의 갭(gap)을 두도록 내부도가니의 디자인을 변경하였는데, 도 4의 1, 2, 3에 도시한 것과 같이 내부 도가니 길이를 137, 106, 70㎜로 조절하여 성장을 진행하였다. 이 때, 측면 부재의 길이도 도가니의 길이에 대응되도록 위 길이로 변화시켰다.

성장 공정은 상기 일 실시예 공정과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

실험 결과

도 8에서는 내부 도가니의 높이에 따른 탄화규소 단결정 성장결과를 나타내었다. 또한, 그에 따른 성장률과 모양 등 특성은 표 2에 나타내었다.

도시된 바와 같이, 내부 도가니의 길이가 증가함에 따라 성장률이 증가하는 것을 관찰하였는데, 최외곽 도가니의 상단과 내부 도가니 상단의 갭(gap)이 존재하지 않는 경우, 성장률은 362㎛/hr로 우수하였지만 성장된 결정의 모양이 균일하지 않았다. 이는 내부도가니의 온도측정을 위한 외부도가니 상단의 뷰포트로 인해 빠른 냉각이 발생하여 결정이 균일하게 성장되지 않은 것으로 관찰되며, 갭(gap)을 31㎜준 것의 성장률은 222㎛/hr, 64㎜준 것의 성장률은 256㎛/hr이었으며 이들 모두 성장된 결정의 모양이 균일하였다. 또한, 내부 도가니 길이가 70㎜인 경우 장입된 분말의 양이 작아 50시간 이상의 성장이 어려우나, 30시간은 가능하며, 내부 도가니 길이가 106㎜의 경우 50시간 이상의 성장이 가능하고, 성장된 결정의 모양이 균일함을 알 수 있었다. 이에 따라 성장된 결정 모양의 균일화를 위해 내부도가니의 상단면과 최외곽 도가니의 상단면의 높이 차이(갭, gap)를 최소 10㎜ 이상 두는 것이 바람직하며, 이는 실험적으로 도출된 것이다.

또한, 30시간 이상의 장시간 성장을 고려하여 도가니 높이(길이)는 70㎜ 이상 125㎜ 이하로 설계되는 것이 바람직하다. 상기 높이 차이 또는 도가니의 높이(길이)는 Flat 형상의 단결정을 성장시키기 위해 중요한 공정 변수이다. 또한 도가니와 측면 부재의 높이는 동일하게 구현하는데, 이는 도가니로부터의 열손실을 측면 부재가 커버해주도록 하기 위함이다.

본 발명은 성장속도는 물론 단결정의 성장형태(측면이 Flat한 형태)를 모두 고려하여 최적의 결과를 도출하기 위한 것이다.

갭	도가니 길이(mm)	부재 길이(mm)	ΔT	성장률 (㎛/hr)	모양	결정 무게(g)
0	137	127	118	362	Convex	27.84
31	106	96	39	222	Flat	25.93
64	70	60	51	256	Flat	22.25

<제 3 실시예>

상기 실시예 1과 2에서 보여지는 것과 같이 도가니 높이가 137㎜를 사용할 경우 성장된 결정의 모양이 균일하지 않아 도 4의 2와 3에 도시한 것과 같이 내부 도가니 길이와 내부 도가니 부재의 길이를 106, 70㎜로 조절하고 성장온도 2150℃, 성장시간 30시간의 조건으로 단결정 성장을 진행하였다. 단결정 성장 공정은 상기 일 실시예 공정과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

실험 결과

내부 도가니와 부재의 길이가 다른 결과 사진은 도 8에 도시되며 106, 70㎜의 도가니를 각각 사용하여 성장된 결정의 성장률은 351, 228㎛/hr이었으며, 실시예 2의 결과와 같이 도가니 길이가 106㎜일 때의 성장률이 높은 것이 확인되었다. 또한, 성장된 결정의 결정질 파악을 위해 2인치의 탄화규소 단결정 성장 후 결정의 로킹 커브(Rocking curve) 측정 결과를 도 10의 1에 도시하였으며 비교를 위하여 동일장비로 4인치의 탄화규소 단결정을 성장시킨 후 결정의 로킹 커브(Rocking curve) 측정 결과를 도 10의 2에 도시하였다.

도 10을 참조하면, 2인치 단결정의 반치폭(FWHM: full width at half maximum)은 95.94arcsec이며 4인치 단결정의 반치폭(FWHM: full width at half maximum)은 203arcsec이다. 여기서 단결정의 반치폭은 단결정의 결정질을 나타내는 척도이며, 반치폭이 낮을수록 결정질이 우수함을 의미한다. 따라서, 본 발명에 의해 제작된 2인치 단결정의 결정질이 우수함을 알 수 있었다.

<제 4 실시예>

도 4의 2에 도시한 것과 같이 내부 도가니 길이와 내부 도가니 부재의 길이는 106㎜로 고정하여 단결정 성장을 진행하였다. 단결정 성장 공정은 상기 일 실시예 공정과 동일하며 일반적으로 탄화규소 단결정 성장에 사용되는 분말은 α, β상이 존재한다. 통상적으로 가장 많이 사용되는 분말은 α상 분말로 분말의 크기가 수십㎛에서 수백㎛이며 필요에 따라 입도 분포별로 분급하여 사용이 가능하다. 또한 반면 β상 분말은 분말의 크기가 수㎛에서 수십㎛로 작아 필요에 따른 크기별 분급이 어려운 단점이 있다. 따라서 본 실시예에서는 α상 분말을 사용하여 실험을 진행하였으며 이때 성장구간의 온도는 2100℃, 2150℃ 실험을 진행하였다. 단결정 성장 공정은 상기 일 실시예 공정과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

실험 결과

도 11에서는 성장 구간 온도 변화에 따른 탄화규소 단결정 성장결과를 나타내었다. 또한, 그에 따른 성장률과 모양 등 특성은 표 3에 나타내었다.

도시된 바와 같이, 성장온도 2100℃에서 159㎛/hr, 2150℃에서는 216㎛/hr이었으며, 성장된 결정의 모양 또한 균일하였는데 2100℃의 성장시 성장률이 작아 최적의 성장온도는 2150℃로 파악되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 의한 성장온도는 1900 ~ 2150℃의 범위인 것이 좋다.

성장온도	도가니 높이	성장구간 압력(Pa)	ΔΔT	성장률 (㎛/hr)	모양	비고
2100	106	100	158	159	Flat
2150	106	100	160	216	Flat

201 : 내부 도가니 202 : 최외곽 도가니
301 : 제1 측면 부재 302 : 제2 측면 부재
303 : 상하면 부재

Claims (21)

1. 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법에 있어서,
   챔버에 도가니를 안치하고, 상기 도가니의 하부에 탄화규소 분말을 장입하며, 상부에 탄화규소 단결정 시드를 고정하는 단계;
   상기 챔버를 가열하여 탄화규소 분말을 기화하는 단계;
   상기 기화된 탄화규소 분말이 도가니 상부에 고정된 시드에서부터 탄화규소단결정으로 성장되는 단계;
   를 포함하여 구성되되,
   상기 도가니의 중간부 직경은 상기 성장되는 탄화규소의 직경에 대응하는 크기를 가지며, 상기 도가니는 상기 챔버에 안치될 수 있는 도가니 중 중간부 직경이 가장 큰 최외곽 도가니로부터 그 도가니 내부에 중간부 직경이 작아지는 방향으로 순차적으로 안착되는 복수의 도가니 중 하나인 것이며,
   상기 최외곽 도가니의 상단과 내부에 안착되는 도가니의 상단의 높이 차이는 적어도 10mm이며,
   분위기 가스에 의해 형성되는 성장압력은 100Pa 초과 ~ 1000Pa 미만인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 도가니는 상호 착탈 가능하게 안착되는 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 도가니는 흑연재질인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 도가니는 그 하부가 서로 접하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 도가니 중 가장 작은 직경의 도가니는 그 중간부 직경이 적어도 72 ~ 85mm인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 도가니 중 하나의 도가니와 그에 인접하는 도가니의 측면부 사이에는 측면 부재가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 측면 부재는 흑연 부재인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 최외곽 도가니 내부에 안착되는 내부 도가니는 높이가 70 ~ 125mm이며, 도가니의 측면과 측면 사이에 마련되는 측면 부재는 상기 내부 도가니의 높이와 동일하게 제작되는 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소 단결정의 성장을 위한 분위기는 아르곤 또는 아르곤/질소 혼합분위기인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 도가니의 상부와 하부의 온도차는 1 ~ 10℃/cm인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 도가니의 하부에서 가열초기에서부터 성장완료시기에 이르는 과정에서 온도 변동 폭은 1 ~ 10℃/hr인 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
14. 제1항에 있어서,
    상기 가열을 위한 가열수단은 상기 챔버의 내주면을 따라서 형성되며, 상기 도가니를 중심으로 상하 방향으로 슬라이드 이동 가능한 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
15. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 도가니 중 어느 하나의 도가니에 대하여 상부, 하부에 단열재가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 상부, 하부에 단열재가 마련되는 도가니는 그 측부에 단열재가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 측부 마련된 단열재는 상기 도가니의 측부 및 상기 상부 및 하부에 마련된 단열재의 측부를 감싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치로부터 소구경 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법.
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