KR101789297B1 - 단결정 성장장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따른 단결정 성장장치는, 중공 형상의 도가니, 상기 도가니 내에 수용되고 단결정 성장이 이루어지는 시드가 부착되는 시드 홀더 및 상기 단결정 성장이 이루어지는 상기 시드의 성장면의 위치를 일정하게 유지시키는 시드 홀더 조절부를 포함할 수 있다.

Description

단결정 성장장치 및 이의 제어방법 {SINGLE CRYSTAL GROWTH DEVICE AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
아래의 설명은 단결정 성장면을 일정하게 유지할 수 있는 단결정 성장장치에 관한 것이다.
일반적으로, CVD법을 통한 단결정 성장을 위한 장치는 유로 가스가 주입되는 주입관, 반응가스가 배출되는 배기관, 종자정을 지지하는 종자정 홀더 그리고 이것들을 포함하는 도가니로 구성된다.
단결정의 증착률 및 품질은 온도구배에 영향을 받기 때문에, 단결정 성장에 있어 온도구배 및 제어가 중요할 수 있다. 단결정 성장이 진행되면 잉곳의 크기가 증가하여 초기의 온도구배영역에서 벗어나고, 이에 따라 잉곳의 높이에 따라 특성의 차이를 보여 균일한 단결정 성장에 단점이 될 수 있다.
일 실시 예에 따른 목적은, 단결정 성장면의 위치를 일정하게 유지하여 성장된 잉곳의 표면이 항상 동일한 온도구배 영역에 위치할 수 있는 단결정 성장장치 및 이의 제어방법를 제공하는 것이다.
상기와 같은 일 실시 예에 따른 목적은 하기와 같은 단결정 성장장치 및 이의 제어방법을 제공함으로써 달성된다.
일 실시 예에 따른 단결정 성장장치는, 중공 형상의 도가니, 상기 도가니 내에 수용되고 단결정 성장이 이루어지는 시드가 부착되는 시드 홀더 및 상기 단결정 성장이 이루어지는 상기 시드의 성장면의 위치를 일정하게 유지시키는 시드 홀더 조절부를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 시드 홀더 조절부는, 상기 시드 홀더를 상, 하로 이동시키는 구동 유닛, 상기 성장된 단결정의 무게를 측정하는 무게 측정부 및 상기 단결정의 무게에 따라 상기 구동 유닛을 제어하는 제어 유닛을 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 무게 측정부는 로드셀(load cell)을 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 무게 측정부는 상기 시드 홀더의 일측에 부착될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 제어 유닛은 상기 단결정의 무게가 증가하면 상기 시드 홀더를 상측으로 이동시킬 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 구동 유닛의 구동 속도는 3mm/h 이하일 수 있다.
일 실시 예에 따른 단결정 성장장치의 제어방법은 단결정 성장을 진행하는 단계, 성장된 단결정의 무게를 측정하는 단계 및 상기 단결정의 무게에 기초하여 시드 홀더를 상측으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 단결정 성장장치 및 이의 제어방법에 따르면, 단결정 성장에 따른 무게 변화를 감지하여 시드 홀더를 이동시킴으로써 단결정 성장면을 일정한 위치로 유지시킬 수 있다.
일 실시 예에 따른 단결정 성장장치 및 이의 제어방법에 따르면, 단결정 성장면이 일정한 위치로 유지되어 단결정 성장이 이루어지는 온도를 일정하게 유지함으로써 증착률 및 품질을 균일하게 유지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 단결정 성장장치 및 이의 제어방법에 따르면, 로드셀을 채용하여 단결정의 미세한 무게 변화를 감지할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 단결정 성장장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 시드 홀더의 구동 형태를 도시하는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 단결정 성장장치의 작동 과정을 도시하는 블록도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 단결정 성장장치를 개략적으로 도시하는 도면이고, 도 2는 일 실시 에에 따른 시드 홀더의 구동 형태를 도시하는 도면이다.
도 2a는 시드 홀더의 최초 위치를 도시하고, 도 2b는 단결정의 성장에 따라 시드 홀더가 상측으로 이동한 위치를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 단결정 성장장치(1)는 단결정(C) 성장이 이루어지는 위치를 일정하게 유지함으로써, 단결정(C) 성장면을 항상 동일한 온도구배 영역에 위치시킬 수 있다. 다시 말하면, 단결정(C)의 성장량에 따라 시드 홀더(120)가 상승함으로써 단결정(C)이 일정한 위치(A)에서 성장할 수 있고, 이에 따라 단결정(C)의 증착률 및 품질을 일정하게 유지할 수 있다. 이하, 구체적으로 설명하기로 한다.
단결정 성장장치(1)는 중공 형상의 도가니(110)를 포함할 수 있다. 도가니(110)는 원통으로 형성되고, 시드(S)가 배치되는 내부 공간이 형성될 수 있다.
도가니(100) 내부에는 히터(미도시)가 배치되어, 도가니(100) 내부를 증착이 필요한 온도로 유지시킬 수 있다. 그리고, 도가니(110)는 그라파이트(GRAPHITE) 재질을 포함하여, 열전도성 및 내열성을 확보할 수 있다. 다만, 히터의 위치가 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 히터가 도가니(100) 외측을 둘러 싸도록 배치될 수도 있다.
단결정 성장장치(1)는, 내부 공간에 배치되는 시드(S)에 SiC 단결정(C)을 성장시킴으로써 SiC 단결정 잉곳(ingot)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 도가니(110)의 하측에서 원료 가스가 공급되고, 화학 증착법(CHEMICAL VAPOR DEPOSITION; CVD)를 통하여 시드(S)상에 단결정(C)이 성장할 수 있다. 원료 가스가 시드(S)의 하측에서 공급되므로 시드(S)의 하부에서 단결정(C)이 성장할 수 있다.
도가니(110)는 내부 공간으로 원료 가스 및 캐리어 가스를 공급받고, 미반응 가스를 외부로 배출할 수 있다.
예를 들어, 도가니(110)의 하측에는 가스 공급부(140)가 형성되고, 가스 공급부(140)는 원료 가스를 공급하는 가스 공급관(2)과 연결될 수 있다. 가스 공급관(2)은 도가니(110)의 하측에서 내부 공간으로 SiC의 원료 가스 및 캐리어 가스를 공급할 수 있다. 또는, 가스 공급관(2)은 도가니(110)와 직접 연결되거나, 가스 공급관(2)이 도가니(110)와 일체로 형성될 수도 있다.
그리고, 도가니(110)의 상측에는 원료 가스 중에서 반응되지 않은 가스를 배출하는 가스 배기부(150)가 형성될 수 있다. 가스 배기부(150)는 도가니(110)의 상부 일측에 형성될 수 있고, 복수 개의 가스 배기부(150)가 형성될 수도 있다.
시드 홀더(120)는 도가니(110) 내부에 배치되고, 단결정 성장이 이루어지는 시드(S)가 부착될 수 있다.시드 홀더(120)는 지지판(121)과, 지지판(121)을 고정하는 샤프트(122)를 포함할 수 있다. 샤프트(122)는 도가니(110)의 상부로 연장되고, 지지판(121)은 샤프트(122)의 하측에 연결될 수 있다.
샤프트(122)는 회전하거나, 상부 또는 하부로 이동할 수 있다. 예를 들어, 모터를 포함하는 구동 유닛(132)은 샤프트(122)와 연결되어 샤프트(122)에 동력을 전달하고, 이에 따라 샤프트(122)가 상하 또는 회전 구동될 수 있다.
그리고, 시드 홀더 조절부(130)는 단결정 성장이 이루어지는 시드(S)의 성장면의 위치를 일정하게 유지시킬 수있다. 예를 들어, 시드 홀더 조절부(130)는 성장된 단결정(C)의 무게를 측정하고, 측정된 무게값에 기초하여 시드 홀더(120)를 상, 하로 이동시킬 수 있다.시드 홀더 조절부(130)는 무게 측정부(131)와, 구동 유닛(132)과, 제어 유닛(133)을 포함할 수 있다.
무게 측정부(131)는, 성장된 단결정(C)의 무게를 측정할 수 있다. 예를 들어, 무게 측정부(131)는 로드셀(LOAD CELL)을 포함하고, 로드셀은 단결정(C) 성장에 따른 무게 변화를 감지할 수 있다. 특히, 무게 측정부(131)가 로드셀을 채용하면 미세한 무게 변화를 감지할 수 있다.
예를 들어, 로드셀은 외력의 변화에 따른 변형량을 측정하여 무게를 감지할 수 있으나, 로드셀의 종류 또는 구성은 제한되지 않는다.
무게 측정부(131)는 샤프트(122)의 일측에 부착되거나, 지지판(121)의 일측에 부착될 수 있다. 또는, 무게 측정부(131)가 샤프트(122)의 일부를 구성하거나 무게 측정부(131)가 샤프트(122)와 지지판(121)을 연결할 수도 있다.
제어 유닛(133)은 무게 측정부(131)로부터 측정된 단결정(C)의 무게 변화량에 따라 구동 유닛(132)의 작동을 제어할 수 있다.
예를 들어, 가스 공급부(140)는 도가니(110)의 하측으로부터 원료 가스를 공급하여 원료 가스는 시드(S)의 하측과 접촉하고, 이에 따라 시드(S)의 하측으로 단결정(C)이 성장할 수 있다.
원료 가스와 접촉하여 단결정(C)이 성장하는 면을 성장면이라고 한다. 예를 들어, 성장면은 시드(S)의 하측이거나 단결정(C)의 하부를 의미할 수 있다.
단결정(C)이 두께를 갖고 성장하면 성장면은 최초 위치(A)보다 아래에 위치할 수 있고, 이에 따라 단결정(C)이 생성되는 위치의 온도구배가 변화할 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 제어 유닛(133)은 단결정(C)이 성장함에 따라 구동 유닛(132)을 제어하여 시드 홀더(120)를 상측으로 이동시킬 수 있다.
구체적으로, 제어 유닛(133)은 지지판(121)의 면적을 고려하여 단결정(C)의 무게에 따른 두께 값을 계산하고, 무게 측정부(131)로부터 측정된 무게 값에 기초하여 단결정(C)의 두께를 예상한 후, 그 두께만큼 시드 홀더(120)를 상부로 이동시킬 수 있다.
이러한 구성으로 인하여 성장면의 위치가 일정하게 유지되고, 이에 따라, 단결정(C)의 생성 온도가 변화하는 것을 방지할 수 있다.
구동 유닛(132)가 시드 홀더(120)를 상부로 구동시키는 속도는 10mm/h 이하일 수 있다. 다만, 원료 가스의 공급량, 시드(S)의 면적, 온도구배 등에 따라 구동 속도는 다르게 설정될 수 있으며, 예를 들어 3mm/h 이하이거나 1mm/h 이하일 수 있다. 구동 속도는 예시적인 것으로서 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 무게 측정부(131)가 단위셀로 한정되는 것은 아니고, 단결정의 무게를 측정할 수 있다면 다른 구성도 사용될 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 단결정 성장장치(1)의 작동 과정을 도시하는 블록도이다.
도 3을 참고하면, 원료 가스가 공급됨에 따라 도가니(110) 내에서 단결정 성장이 진행될 수 있다(210). 원료 가스는 시드(S)의 하측과 접촉하고, 시드(S)의 성장면에서 단결정이 성장할 수 있다.
그리고, 무게 측정부(131)는 로드셀을 포함하고, 성장된 단결정(C)의 무게를 측정할 수 있다 (220).
이 과정에서, 시드(S)의 하측에서 단결정(C)이 하부로 성장함에 따라 성장면이 아래로 이동할 수 있고, 이에 따라 성장면의 온도구배 영역이 변화할 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 구동 유닛(132)은 시드 홀더(120)를 상측으로 성장면의 위치를 일정하게 유지할 수 있다 (S230).
단결정(C)의 성장에 따라 무게를 감지하고, 이에 따라 시드 홀더(120)를 상승시키는 과정은 단결정(C) 성장이 종료될 때까지 반복될 수 있다 (S240).
이상 설명한 단결정 성장장치 및 이의 제어방법에 따르면, 단결정 성장에 따른 무게 변화를 감지하여 시드 홀더를 이동시킴으로써 단결정 성장면을 일정한 위치로 유지시킬 수 있고, 단결정 성장면이 일정한 위치로 유지되어 단결정 성장이 이루어지는 온도를 일정하게 유지함으로써 증착률 및 품질을 유지할 수 있으며, 로드셀을 채용하여 단결정의 미세한 무게 변화를 감지할 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
1 단결정 성장장치
110 도가니
120 시드 홀더
130 시드 홀더 조절부
131 무게 측정부
132 구동 유닛
133 제어 유닛

Claims (7)

  1. 중공 형상의 도가니;
    상기 도가니 내에 수용되고 단결정 성장이 이루어지는 시드가 부착되는 시드 홀더; 및
    상기 단결정 성장에 따른 무게 변화를 감지하여 상기 시드 홀더를 상, 하로 이동시켜, 상기 단결정 성장이 이루어지는 상기 시드의 성장면의 위치를 일정하게 유지하여 상기 단결정 성장이 이루어지는 온도를 일정하게 유지시키는 시드 홀더 조절부를 포함하고,
    상기 시드 홀더 조절부는,
    상기 시드 홀더를 상, 하로 이동시키는 구동 유닛;
    상기 성장된 단결정의 무게를 측정하는 무게 측정부; 및
    상기 시드 홀더의 상기 시드의 성장면의 면적을 고려하여 상기 단결정의 무게에 따른 두께 값을 계산하고, 상기 무게 측정부로부터 측정된 무게 값에 기초하여 상기 단결정의 두께를 판단한 후, 상기 판단된 단결정의 두께만큼 상기 시드 홀더를 상부로 이동시키도록 상기 구동유닛을 제어하는 제어 유닛;
    을 포함하는 단결정 성장장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 무게 측정부는 로드셀(load cell)을 포함하는 단결정 성장장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 무게 측정부는 상기 시드 홀더의 일측에 부착되는 단결정 성장장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 구동 유닛의 구동 속도는 3mm/h 이하인 단결정 성장장치.
  7. 삭제
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