KR101809642B1 - 대구경 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법 - Google Patents

Abstract

필러를 함유하는 탄소계 보호막이 구비된 SiC 단결정의 종자정을 반응용기 내에 접착 없이 배치하고 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정에 SiC 단결정을 성장시키는 방법은, 종자정을 홀더에 부착하지 않기 때문에 가열 중에 열팽창계수 차이에 의한 휨이나 크랙이 발생하지 않아서 대구경의 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다.

Description

대구경 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법{METHOD FOR GROWING SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL INGOT WITH LARGE DIAMETER}

실시예는 탄화규소(SiC) 원료 물질로부터 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 방법, 및 이에 사용되는 종자정에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 실시예는 SiC 원료 물질로부터 종자정에 대구경의 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 방법, 및 이에 사용되는 보호막을 구비한 종자정에 관한 것이다.

탄화규소(SiC), 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN), 사파이어(Al₂O₃), 갈륨비소(GaAs), 질화알루미늄(AlN) 등의 단결정(single crystal)은 이의 다결정(polycrystal)으로부터 기대할 수 없는 특성을 나타내므로 산업분야에서의 수요가 증가하고 있다.

특히 단결정 탄화규소(single crystal SiC)는, 에너지 밴드갭(energy band gap)이 크고, 최대 절연파괴전계(break field voltage) 및 열전도율(thermal conductivity)이 실리콘(Si)보다 우수하다. 또한, 단결정 탄화규소의 캐리어 이동도는 실리콘에 비견되며, 전자의 포화 드리프트 속도 및 내압도 크다. 이러한 특성으로 인해, 단결정 탄화규소는 고효율화, 고내압화 및 대용량화가 요구되는 반도체 디바이스로의 적용이 기대된다.

이러한 단결정의 제조 방법으로서, 예컨대 일본 공개특허공보 제2001-114599호에는, 아르곤 가스를 도입할 수 있는 진공용기(가열로) 속에서 히터에 의해 가열하면서 종자정의 온도를 원료 분말의 온도보다도 10~100℃ 낮은 온도로 유지하는 것에 의해, 종자정 상에 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 개시되어 있다.

단결정 잉곳의 성장을 위해서는 일반적으로 종자정의 접착 공정을 미리 거치고 있다. 예를 들어 종래의 공정에서는, 도 4를 참조하여, 종자정 홀더(220)와 종자정(110) 사이에 접착제(130)를 도포한 후 압착함으로써 종자정을 접착한 후, 반응용기(200) 내에서 원료 물질(300)을 가열하여 승화시킴으로써 종자정(110)의 전면에 단결정 잉곳을 성장시켰다.

일본 공개특허공보 제2001-114599호 (2001.04.24)

종자정을 반응용기 상부의 홀더에 접착하는 종래의 방법은, 종자정과 홀더 간의 열팽창계수(CTE)의 차이에 의해 가열 과정에서 잔류 응력에 따른 휨이나 크랙이 발생하고, 이와 같은 현상은 단결정 잉곳이 성장하여 구경이 커질수록 더욱 증대되므로, 대구경의 단결정 잉곳을 성장시키는데 어려움이 있었다.

또한, 종래의 방식에 따르면 종자정을 반응용기 상부의 홀더에 접착제를 이용하여 접착하기 때문에, 접착제로 인한 단결정 잉곳의 성장 시의 품질의 저하, 종자정 이탈, 종자정 표면의 오염 등의 문제도 있었다.

따라서, 실시예는 종자정을 홀더에 접착하지 않고 단결정 잉곳을 성장시킴으로써 대구경 및 고품질의 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 방법을 제공하고자 한다.

일 실시예에 따르면, (1) 바인더 수지 및 필러를 함유하는 조성물을 제조하는 단계; (2) 상기 조성물을 SiC 종자정의 후면에 코팅하고 300℃ 이상의 온도에서 열처리하는 단계; (3) 반응용기의 하부에 SiC 원료 물질을 장입하고, 반응용기의 상부에 상기 종자정을 접착 없이 배치하는 단계; 및 (4) 상기 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정의 전면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법이 제공된다.

다른 실시예에 따르면, (1) 바인더 수지 및 필러를 함유하는 조성물을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 조성물을 SiC 종자정의 후면에 코팅하고 300℃ 이상의 온도에서 열처리하는 단계를 포함하는, 보호막이 구비된 SiC 단결정 종자정의 제조방법이 제공된다.

또 다른 실시예에 따르면, SiC 단결정의 종자정, 및 상기 종자정의 후면에 형성된 탄소계 보호막을 포함하고, 상기 탄소계 보호막이 필러를 함유하는, 보호막이 구비된 SiC 단결정의 종자정이 제공된다.

상기 실시예의 SiC 단결정 잉곳의 성장 방법에 따르면, 종자정을 홀더에 부착하지 않기 때문에 가열 과정에서 열팽창계수 차이에 따라 발생하는 잔류 응력에 의한 휨이나 크랙이 발생하지 않아서 대구경의 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다. 또한, 상기 실시예에 따르면 종자정에 접착제를 도포할 필요가 없기 때문에 접착제로 인한 품질의 저하도 방지할 수 있다.

특히, 실시예에 따르면 종자정의 후면에 탄소계 보호막을 형성하기 때문에, 성장을 위한 가열 중에 발생할 수 있는 종자정 후면의 손실을 방지할 수 있다. 또한 상기 탄소계 보호막에는 필러가 함유되어 열처리 중에 보호막에 발생할 수 있는 크랙 등을 방지할 수 있다.

도 1 및 2는 실시예에 따라 SiC 단결정 잉곳을 제조하기 위한 반응용기 구성을 도시한 것이다.
도 3은 실시예에 따라 종자정에 보호막을 형성하는 방법을 도시한 것이다.
도 4는 종래의 방식에 따라 SiC 단결정 잉곳을 제조하기 위한 반응용기의 구성이다.

실시예에 따른 SiC 단결정 잉곳의 성장 방법은, (1) 바인더 수지 및 필러를 함유하는 조성물을 제조하는 단계; (2) 상기 조성물을 탄화규소(SiC) 종자정의 후면에 코팅하고 300℃ 이상의 온도에서 열처리하는 단계; (3) 반응용기의 하부에 SiC 원료 물질을 장입하고, 반응용기의 상부에 상기 종자정을 접착 없이 배치하는 단계; 및 (4) 상기 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정의 전면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함한다.

이하 각 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.

(1) 코팅 조성물의 제조 단계

상기 단계 (1)에서는 바인더 수지 및 필러를 함유하는 조성물을 제조한다.

상기 바인더 수지는 보호막의 제조를 위한 코팅막의 주성분을 이룬다. 상기 바인더 수지는 예를 들어 페놀 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 피치계 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아크릴산 수지, 푸란계 수지, 에폭시계 수지 등을 들 수 있다.

상기 바인더 수지는 잔탄량(actual carbon ratio)이 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 바인더 수지는 불활성 분위기에서 잔탄량이 5~50%, 또는 10~30%일 수 있다.

상기 필러는 코팅막 형성 후 열처리 시에 탄화 내지 흑연화를 촉진시키고 과도한 수축을 막아 크랙이 형성되는 것을 방지하는 역할을 한다.

상기 필러는 예를 들어, 카본계 필러, 금속계 필러, 또는 이들의 복합 필러일 수 있다. 구체적으로, 상기 필러는 인상흑연, 토상흑연, 팽창흑연, 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 탄화탄탈륨(TaC), 탄화텅스텐(WC) 등의 성분을 함유할 수 있다.

상기 필러는 상기 조성물의 전체 중량을 기준으로 5~95 중량%, 5~60 중량%, 10~50 중량%, 또는 20~40 중량%의 양으로 함유될 수 있다. 필러의 함량이 상기 바람직한 범위 내일 때, 코팅막의 형성 이후 열처리 시에 발생할 수 있는 수축이나 크랙 등을 방지하여 우수한 표면의 보호막을 형성하는데 보다 유리할 수 있다.

상기 조성물은 코팅의 효율을 위해 액상의 조성물인 것이 바람직하다.

이에 따라 상기 조성물은 에탄올, 메탄올, 아세톤, DMF(dimethylformamide), DMSO(dimethyl sulfoxide) 등의 용매를 함유할 수 있다. 이때 상기 액상의 조성물의 고형분 함량은 10~90 중량%, 또는 20~50 중량%일 수 있다.

상기 조성물에는 그 외에도 습윤분산제, 소포제 등이 더 함유될 수 있다.

(2) 코팅막 형성 및 열처리 단계

상기 단계 (2)에서는, 앞서 제조한 조성물을 SiC 단결정의 종자정의 후면에 코팅하고 열처리한다.

구체적으로, 도 3에서 보듯이, SiC 단결정의 종자정(110)의 후면(112)에 상기 조성물을 코팅하여 코팅막(120')을 얻은 뒤, 열처리에 의해 탄화 내지 흑연화시켜 탄소계 보호막(120)을 형성할 수 있다.

본 명세서에서, 종자정의 "전면"이란, 일반적으로 넓고 평평한 형태를 갖는 종자정의 양면 중 단결정 잉곳이 성장하는 면을 의미하고, 반대로 종자정의 "후면"이란 단결정 잉곳이 성장하는 면의 반대면을 의미한다.

종래에는 주로 종자정의 후면에 접착제를 도포하고 홀더에 부착하였으나, 실시예에 따르면 종자정의 후면에 보호막이 형성되고 홀더에 부착되지 않는다.

상기 종자정으로는, 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC 또는 15R-SiC 등 성장시키고자 하는 결정의 종류에 따라 다양한 결정구조를 갖는 종자정을 사용할 수 있다.

상기 종자정은 코팅 이전에 세정 단계를 미리 거칠 수 있다. 종자정의 표면에는 실리콘이 산소와 반응하여 형성된 이산화실리콘 산화막이 형성될 수 있는데, 이러한 산화막은 후속 공정에서 단결정 잉곳이 성장할 때 종자정이 이탈되거나 결함을 발생시킬 수 있으므로 세정으로 미리 제거하는 것이 바람직하다. 상기 세정은 아세톤, 알코올, 증류수, 산 용액 등을 이용하여 수행될 수 있으며, 초음파 처리 또는 침지 등에 의해 수행될 수 있고, 1회 또는 2회 이상 수행될 수 있다.

이후 상기 종자정의 후면에 코팅이 수행된다.

상기 코팅은 스핀 코팅, 테이핑 등의 통상적인 코팅 방식을 이용할 수 있다.

또한 상기 코팅은 10~2000 ㎛의 두께 범위, 또는 20~1500 ㎛의 두께 범위로 수행될 수 있다. 코팅 두께가 상기 바람직한 범위에 비하여 너무 작은 경우 열처리 후 보호막의 역할을 못할 가능성이 있고, 반대로 너무 큰 경우 열처리 시에 기포 함유, 크랙, 코팅 박리(peel off) 등이 발생할 수 있다.

이후 상기 코팅막을 300℃ 이상, 예를 들어 300~2200℃의 온도에서 열처리하여 탄소계 보호막을 얻는다.

상기 조성물에 함유된 바인더 수지는, 상기 열처리에 의해 탄화(carbonization)되어 탄소계 보호막으로 형성되거나 흑연화(graphitization)되어 흑연화계 보호막으로 형성된다. 또한 상기 코팅막 내의 필러는 열처리 시에 발생할 수 있는 크랙을 방지하고 탄화 내지 흑연화를 촉진시킬 수 있다.

상기 열처리 온도는 보다 구체적으로 400℃ 이상, 500℃ 이상, 또는 600℃ 이상일 수 있으며, 예를 들어 400~1500℃, 500~1000℃, 1500~2500℃, 또는 2000~2500℃일 수 있다. 또한, 상기 열처리는 1~10 시간, 또는 1~5 시간 동안 수행될 수 있다.

일 구체예로서, 상기 열처리는 0.5~5℃/min의 승온 속도 및 500℃ 이상 또는 600℃ 이상의 온도 조건에서 수행될 수 있으며, 예를 들어 500~1000℃의 온도까지 승온하고, 상기 온도를 유지하며 1~5시간 가열한 뒤, 0.5~5℃/min의 속도로 냉각함으로써 수행될 수 있다.

다른 구체예로서, 상기 열처리는 1~5℃/min의 승온 속도 및 1500℃ 이상 또는 2000℃ 이상의 온도 조건에서 수행될 수 있으며, 예를 들어 1500~2500℃의 온도 또는 2000~2500℃의 온도까지 승온하고, 상기 온도를 유지하며 1~5시간 가열한 뒤, 1~5℃/min의 속도로 냉각함으로써 수행될 수 있다.

상기 열처리는 불활성 가스 분위기에서 수행될 수 있고, 예를 들어 아르곤 가스 또는 질소 가스 분위기에서 수행될 수 있다.

상기 열처리는 유도가열로 수행되거나 저항가열로 수행될 수 있다. 즉, 상기 열처리는 유도가열 소성로에서 진행될 수도 있고, 저항가열 소성로에서 진행될 수도 있다.

상기 열처리를 거치면, 보호막이 구비된 종자정이 수득된다. 즉, 상기 보호막이 구비된 종자정은 SiC 단결정의 종자정, 및 상기 종자정의 후면에 형성된 탄소계 보호막을 포함하고, 이때 상기 탄소계 보호막이 필러를 함유한다.

이와 같이 열처리에 의해 형성된 보호막에 필러가 함유됨으로써 보호막의 강도를 향상시키고, 크랙 및 종자정 이탈을 방지할 수 있다.

상기 필러는 앞서 예시한 바와 같이 카본계 필러, 금속계 필러, 또는 이들의 복합 필러일 수 있다. 또한, 상기 필러는 상기 탄소계 보호막의 중량을 기준으로 5~95 중량%, 50~95 중량%, 또는 70~90 중량%의 양으로 함유될 수 있다. 탄소계 보호막 내의 필러 함량이 상기 바람직한 범위 내일 때, 보호막의 강도 향상 및 크랙이나 종자정 이탈을 방지하는데 보다 유리할 수 있다.

또한 상기 탄소계 보호막은 탄화된 바인더 수지를 포함하며, 이때 상기 바인더 수지의 종류는 앞서 예시한 바와 같다.

상기 탄소계 보호막은 결정화되지 않은 탄소 또는 결정화된 탄소(예를 들어 흑연화된 탄소)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 탄소계 보호막은 탄화물 또는 흑연화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소계 보호막은 페놀 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 피치계 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아크릴산 수지, 푸란계 수지, 에폭시계 수지 및 이들의 혼합 수지의 탄화물 또는 흑연화물을 포함할 수 있다.

상기 탄소계 보호막의 두께는 예를 들어 1~1500㎛의 범위, 또는 5~1000 ㎛의 범위, 또는 20~500 ㎛의 범위일 수 있다.

(3) 종자정의 배치 단계

상기 단계 (3)에서는, 상기 종자정을 홀더에 부착하지 않으면서 반응용기 내에 배치한다. 또한 반응용기 내부의 하단에 원료 물질을 장입한 뒤, 반응용기를 밀폐시킬 수 있다.

일례로서, 도 1을 참조하여, 상기 반응용기(200)는 상부 내벽에 거치대(210)를 구비하고, 상기 종자정은 상기 거치대에 접착 없이 올려져 배치될 수 있다. 이때 상기 종자정은 상기 SiC 원료 물질에 대해 종자정의 전면이 향하도록 배치될 수 있다. 즉 상기 종자정의 전면(성장면)이 도가니의 하부를 향하도록, 종자정의 후면(보호막이 구비된 면)이 도가니의 상부를 향하도록 배치될 수 있다. 상기 거치대는 그 형상에 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 평평한 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 거치대는 상기 반응용기의 상부 내벽 중 일부가 돌출되는 방식으로 형성될 수 있다.

다른 예로서, 도 2를 참조하여, 상기 반응용기(200)는 홈이 패인 거치대(210)를 상부에 구비하고, 상기 종자정은 상기 거치대의 홈에 접착 없이 끼워져서 배치될 수 있다. 이때 상기 종자정은 상기 SiC 원료 물질에 대해 종자정의 전면이 향하도록 배치될 수 있다. 즉 상기 종자정의 전면(성장면)이 도가니의 하부를 향하도록, 종자정의 후면(보호막이 구비된 면)이 도가니의 상부를 향하도록 배치될 수 있다. 상기 거치대는 그 형상에 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 단면 상 "ㄷ"자형으로 홈이 패인 형상을 가질 수 있다. 또한 상기 거치대는 상기 반응용기의 상부 내벽 중 일부가 돌출되는 방식으로 형성될 수도 있다. 또는 상기 거치대는 반응용기의 뚜껑의 일부를 구성하도록 형성되거나 또는 뚜껑에 매달려 구비될 수 있으며, 이때 뚜껑은 개방형으로 구성되면서 거치대의 홈에 끼워지는 종자정에 의해 밀폐되는 방식을 채용할 수도 있다.

상기 반응용기는 도가니일 수 있고, SiC의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작된다. 예를 들어 상기 반응용기는 탄소계 성분, 구체적으로 그라파이트로 제작될 수 있다. 또한, 상기 거치대도 상기 반응용기의 성분과 같거나 다른 탄소계 성분으로 이루어질 수 있다.

이후 상기 반응용기를 단열재로 에워싸고, 가열수단을 구비하는 반응챔버(석영관 등) 내에 넣을 수 있다. 이때 상기 가열수단은 예를 들어 유도가열 코일 또는 저항가열 수단일 수 있다.

(4) SiC 단결정 잉곳의 성장 단계

상기 단계 (4)에서는, 앞서와 같이 준비된 반응용기를 이용하여 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정의 전면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시킨다.

상기 SiC 단결정 잉곳의 성장은 상기 원료 물질을 승화시켜 상기 종자정 상에 성장시키는 것일 수 있다.

상기 SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 온도 및 압력 조건은, 예를 들어, 상기 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계는 2000~2500℃ 및 1~200 torr 범위의 조건, 2200~2400℃ 및 1~150 torr 범위의 조건, 2200~2300℃ 및 1~100 torr 범위의 조건, 또는 2250~2300℃ 및 1~50 torr의 범위의 조건으로 가열하여 수행될 수 있다.

그러나, SiC 단결정 잉곳의 성장은 SiC 원료 물질이 고온에서 SiC 가스로 승화되고, 이후 감압 조건에서 SiC 가스가 종자정 상에서 단결정 잉곳으로 성장하는 원리를 이용한 것이므로, SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 온도 및 압력 조건은 SiC 원료 물질이 승화되는 온도 및 압력 조건 대비 감압 조건이라면 특별한 제한 없이 채용될 수 있다.

즉 앞서 구체적인 수치 범위로 예시한 온도 및 압력 조건은, 이보다 높은 온도 조건에서 수행할 경우, 이에 비례하여 적절히 높은 압력 조건으로 조절함으로써, 동일한 효과를 도모할 수 있다.

이와 같이 성장을 위한 가열 시에 종자정도 함께 가열되는데, 이때 보호막이 구비되지 않는다면 종자정의 일부가 승화에 의해 손실될 우려가 있다. 즉, 종자정의 전면(성장면)에는 원료 물질로부터 승화된 SiC 가스가 계속적으로 공급되므로 문제가 없더라도, 종자정의 후면은 가열에 영향을 받게 된다. 그러나 실시예에 따르면 종자정의 후면에 탄소계 보호막이 형성되므로, 가열로 인한 종자정 후면의 손실을 방지할 수 있다.

이상의 실시예의 방법에 따르면 종자정을 홀더에 부착하지 않기 때문에 SiC 단결정 잉곳을 대구경으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따라 성장 단계를 거친 후의 SiC 단결정 잉곳은 2인치 이상, 3인치 이상, 4인치 이상, 5인치 이상, 나아가 6인치 이상의 구경을 가질 수 있다. 일례로서, 실시예에 따라 제조된 SiC 단결정 잉곳은 2~10 인치, 2~8 인치, 4~8 인치, 또는 4~6 인치의 범위의 구경을 가질 수 있다.

또한, 실시예의 방법에 따르면 종자정에 접착제를 도포하지 않기 때문에 SiC 단결정 잉곳을 고품질로 제조할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따라 제조된 SiC 단결정 잉곳은 99% 이상, 99.5% 이상, 나아가 99.9% 이상의 순도를 가질 수 있다.

이하, 보다 구체적인 실시예들을 예시적으로 설명한다.

아래 실시예 1에서 사용한 재료는 다음과 같다:

- 액상 페놀 수지: 페놀수지/메틸알콜/물 = 58~62 : 36~41 : 0~4 (중량비), Neolite KC-4703, 강남화성주식회사

- 인상흑연: 평균 입도(D50) 2.5㎛

- 탄화규소 종자정: 직경 4~6 인치, 두께 500~1200㎛, 결정 구조 3C, 4H, 6H, 15R 단결정 기판.

실시예 1-1: 보호막이 구비된 종자정의 제조

액상 페놀 수지에 필러로서 인상흑연을 7:3의 중량비로 혼합하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 습윤분산제, 소포제 등의 첨가제를 3 중량부 이내로 더 혼합하고 분산시켜 조성물을 얻었다. 상기 조성물을 탄화규소 종자정의 일면 상에 스핀 코팅하여 0.5mm 두께의 코팅막을 얻었다. 상기 코팅된 종자정을 가열기에 넣고 1℃/min의 속도로 승온하여 600℃에 도달한 후 2시간 동안 열처리하여 코팅막을 탄화시켰다. 이후 1℃/min의 속도로 냉각하여, 일면에 탄소계 보호막을 구비한 종자정을 얻었다.

실시예 1-2: 보호막이 구비된 종자정의 제조

액상 페놀 수지에 필러로서 인상흑연을 95:5의 중량비로 혼합하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 습윤분산제, 소포제 등의 첨가제를 3 중량부 이내로 더 혼합하고 분산시켜 조성물을 얻었다. 상기 조성물을 탄화규소 종자정의 일면 상에 스핀 코팅하여 0.5mm 두께의 코팅막을 얻었다. 상기 코팅된 종자정을 가열기에 넣고 1℃/min의 속도로 승온하여 600℃에 도달한 후 2시간 동안 열처리하여 코팅막을 탄화시켰다. 이후 1℃/min의 속도로 냉각하여, 일면에 탄소계 보호막을 구비한 종자정을 얻었다.

실시예 1-3: 보호막이 구비된 종자정의 제조

액상 페놀 수지에 필러로서 인상흑연을 5:95의 중량비로 혼합하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 습윤분산제, 소포제 등의 첨가제를 3 중량부 이내로 더 혼합하고 분산시켜 조성물을 얻었다. 상기 조성물을 탄화규소 종자정의 일면 상에 스핀 코팅하여 0.5mm 두께의 코팅막을 얻었다. 상기 코팅된 종자정을 가열기에 넣고 1℃/min의 속도로 승온하여 600℃에 도달한 후 2시간 동안 열처리하여 코팅막을 탄화시켰다. 이후 1℃/min의 속도로 냉각하여, 일면에 탄소계 보호막을 구비한 종자정을 얻었다.

실시예 1-4: 보호막이 구비된 종자정의 제조

폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 용매로서 DMSO 및 필러로서 인상흑연을 3:5:2 중량비로 혼합하고 분산시켜 조성물을 얻었다. 상기 조성물을 탄화규소 종자정의 일면 상에 스핀 코팅하여 0.5mm 두께의 코팅막을 얻었다. 상기 코팅된 종자정을 가열기에 넣고 0.5℃/min의 속도로 승온하여 600℃에 도달한 후 2시간 동안 열처리하여 코팅막을 탄화시켰다. 이후 1℃/min의 속도로 냉각하여, 일면에 탄소계 보호막을 구비한 종자정을 얻었다.

실시예 1-5: 보호막이 구비된 종자정의 제조

폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 용매로서 DMSO 및 필러로서 인상흑연을 3:5:2 중량비로 혼합하고 분산시켜 조성물을 얻었다. 상기 조성물을 탄화규소 종자정의 일면 상에 스핀 코팅하여 0.5mm 두께의 코팅막을 얻었다. 상기 코팅된 종자정을 가열기에 넣고 1℃/min의 속도로 승온하여 2200℃에 도달한 후 2시간 동안 열처리하여 탄화를 거쳐 코팅막을 흑연화시켰다. 이후 1℃/min의 속도로 냉각하여, 일면에 흑연화된 탄소계 보호막을 구비한 종자정을 얻었다.

비교예 1-1: 보호막이 구비된 종자정의 제조 (필러 미첨가)

액상 페놀수지에 필러를 혼합하지 않고, 탄화규소 종자정의 일면 상에 스핀 코팅하여 0.4mm 두께의 코팅막을 얻었다. 상기 코팅된 종자정을 가열기에 넣고 1℃/min의 속도로 승온하여 600℃에 도달한 후 2시간 동안 열처리하여 코팅막을 탄화시켰다. 이후 1℃/min의 속도로 냉각하고 코팅막을 관찰한 결과, 코팅막의 수축으로 인해 크랙이 발생하고, 코팅이 벗겨지는 것이 확인되었다.

실시예 2: 탄화규소 단결정 잉곳의 성장

상부 내벽에 거치대를 구비한 그라파이트 도가니를 준비하였다. 상기 도가니 내의 하부에 원료 물질로서 SiC 분말(순도 약 98%)를 장입하였다. 또한 상기 도가니 내의 상부 거치대에, 앞서 실시예 1-1에서 제조한 일면에 보호막이 구비된 종자정을 거치하였다(도 1 참조). 이때 종자정은 거치대와 아무런 접착을 수행하지 않았고 단지 거치대에 올려 놓았다. 또한 상기 보호막이 도가니 상부를 향하게 하였으며, 보호막이 구비되지 않은 면이 도가니 하부를 향하도록 하였다.

상기 도가니를 단열재로 에워싸고, 가열 코일이 구비된 반응챔버 내에 넣었다. 도가니 내를 진공 상태로 만든 뒤, 아르곤 가스를 서서히 주입하여 대기압에 도달한 뒤 서서히 감압시켰다. 또한 이와 함께 도가니 내의 온도를 2300℃까지 승온시켰다. 이후 2300℃ 및 20 torr의 조건에서 100시간 동안, 종자정의 보호막이 구비되지 않은 면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시켰다. 그 결과, 4인치 구경의 SiC 단결정 잉곳을 얻었다.

시험예 1: 보호막 표면 평가

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 보호막이 구비된 종자정에 대해, 육안 혹은 광학 현미경을 이용해 보호막 표면을 확대하여 확인한 결과, 실시예에서 제조한 보호막의 표면은 대체로 우수하였다. 특히 필러의 함량을 달리하여 제조한 실시예 1-1 내지 1-3 중에서는, 실시예 1-1의 경우에 보호막의 코팅이 수축되거나 벗겨지는 현상 없이 가장 우수하였다. 반면, 비교예 1의 경우 코팅막의 수축으로 인해 크랙이 발생하고, 코팅이 벗겨지는 것이 확인되었다.

시험예 2: 단결정 잉곳 표면의 크랙 평가

상기 실시예 2에서 얻은 SiC 단결정 잉곳에 대해, 육안 혹은 광학 현미경을 이용해 잉곳 표면의 크랙을 확대하여 확인하였다. 그 결과, 잉곳 표면에 크랙이 발견되지 않았다.

110: 종자정, 111: 종자정의 전면, 112: 종자정의 후면,
120': 코팅막, 120: 탄소계 보호막, 130: 접착제,
200: 반응용기, 210: 거치대, 220: 종자정 홀더,
300: 원료 물질.

Claims (14)

1. (1) 바인더 수지 및 필러를 함유하는 조성물을 제조하는 단계;
   (2) 상기 조성물을 탄화규소(SiC) 종자정의 후면에 코팅하고 300℃ 이상의 온도에서 열처리하여 탄소계 보호막을 형성하는 단계;
   (3) 반응용기의 하부에 SiC 원료 물질을 장입하고, 반응용기의 상부에 상기 종자정을 접착 없이 배치하는 단계; 및
   (4) 상기 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정의 전면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고,
   여기서 상기 반응용기가 종자정 홀더 없이 상부 내벽에 거치대를 구비하고, 상기 종자정이 상기 거치대에 접착 없이 올려져 배치되고,
   상기 탄소계 보호막이 5~1000㎛의 두께를 갖고, 카본계 필러, 금속계 필러, 또는 이들의 복합 필러를 탄소계 보호막의 중량을 기준으로 50~95 중량%의 양으로 함유하는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
   
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4. 제 1 항에 있어서,
   상기 거치대가 상기 반응용기의 성분과 같거나 다른 탄소계 성분으로 이루어지는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 종자정이 상기 SiC 원료 물질에 대해 종자정의 전면을 향하도록 배치되는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (4)에서 성장이, 상기 SiC 원료 물질을 2000~2500℃ 및 1~200 torr의 조건으로 가열하여 수행되는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (4)에서 성장된 SiC 단결정 잉곳이 2인치 이상의 구경을 갖는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
   
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