KR101819140B1

KR101819140B1 - Method for growing silicon carbide single crystal ingot with high quality

Info

Publication number: KR101819140B1
Application number: KR1020160174594A
Authority: KR
Inventors: 최정우; 김정규; 구갑렬
Original assignee: 에스케이씨 주식회사
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-01-16

Abstract

Prior to growth of a SiC monocrystalline ingot in a seed crystal from a silicon carbide (SiC) raw material, SiC raw material is heated under higher temperature and pressure conditions, compared to the temperature and pressure conditions for the growth of SiC monocrystalline ingot, to remove impurities simply and effectively, thereby growing SiC monocrystalline ingot with high-quality from a low-quality SiC raw material.

Description

METHOD FOR GROWING SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL INGOT WITH HIGH QUALITY [0002]

실시예는 탄화규소(SiC) 원료 물질로부터 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 실시예는 저품질의 SiC 원료 물질로부터 종자정에 고품질의 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 관한 것이다.
An embodiment relates to a method of growing a SiC single crystal ingot from a silicon carbide (SiC) raw material. More specifically, the embodiment relates to a method for growing a high-quality SiC single crystal ingot in a seed crystal from a low-quality SiC raw material.

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.A single crystal such as silicon carbide (SiC), silicon (Si), gallium nitride (GaN), sapphire (Al ₂ O ₃ ), gallium arsenide (GaAs), aluminum nitride (AlN) Demand in the industrial sector is increasing due to unexpected characteristics.

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. Particularly, a single crystal SiC has a large energy band gap, a maximum breakdown voltage and thermal conductivity superior to silicon (Si). The carrier mobility of the single crystal silicon carbide is comparable to that of silicon, and the saturation drift rate and the breakdown voltage of electrons are also large. Due to such characteristics, the single crystal silicon carbide is expected to be applied to semiconductor devices which require high efficiency, high voltage and large capacity.

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.Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2001-114599 discloses a method of producing such a single crystal by heating a seed in a vacuum container (heating furnace) into which argon gas can be introduced by a heater, And a single crystal ingot is grown on the seed crystal by keeping the temperature at 100 占 폚 low.

일본 공개특허공보 제2001-114599호 (2001.04.24.)Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-114599 (Apr. 24, 2001)

SiC 원료 물질로부터 종자정에 SiC 단결정 잉곳을 고품질로 성장시키기 위해서는, 고순도의 SiC 원료 물질을 사용하는 것이 필수적이었다. 그러나 고순도의 SiC 원료 분말은 확보하기 어렵고 또한 가격이 비싼 문제가 있다.In order to grow high-quality SiC single crystal ingot seed crystals from SiC raw material, it was essential to use high purity SiC raw material. However, SiC raw material powder of high purity is difficult to obtain and is also expensive.

이에 따라 저순도의 SiC 원료 분말을 재결정화, 파쇄, 세정 등의 공정을 수회 반복하여 순도를 높인 후, 비로소 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 방법이 시도되고 있으나(도 4 참조), 이 역시 많은 비용과 시간이 요구되는 문제가 있다.Accordingly, attempts have been made to increase the purity of the SiC raw material powder by repeating the steps of recrystallization, crushing and washing several times and then growing the SiC single crystal ingot (see FIG. 4) There is a problem that time is required.

따라서, 실시예는 저품질의 SiC 원료 분말로부터 간단하고도 효과적인 방식에 의해 고품질의 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 방법을 제공하고자 한다.Therefore, the embodiment intends to provide a method of growing a high-quality SiC single crystal ingot from a low-quality SiC raw material powder by a simple and effective method.

일 실시예에 따르면, (1) 반응용기에 탄화규소(SiC) 원료 물질을 장입하는 단계; (2) 상기 반응용기에 종자정을 장착하는 단계; (3) 상기 SiC 원료 물질의 불순물을 제거하는 단계; 및 (4) 상기 종자정에 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 SiC 단결정 잉곳의 성장 방법으로서, 상기 단계 (3)의 불순물 제거가, 상기 단계 (4)에서의 SiC 단결정 잉곳 성장을 위한 온도 및 압력 조건과 대비하여, 30~200℃ 만큼 더 높은 온도 및 600~800 torr 만큼 더 높은 압력 조건에서 상기 SiC 원료 물질을 가열하여 행해지는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법이 제공된다.According to one embodiment, there is provided a process for preparing a silicon carbide (SiC) comprising: (1) charging a silicon carbide (SiC) raw material into a reaction vessel; (2) attaching a seed tablet to the reaction vessel; (3) removing impurities of the SiC raw material; And (4) growing a SiC single crystal ingot on the seed crystal, wherein the impurity removal in the step (3) is carried out at a temperature for the SiC single crystal ingot growth in the step (4) And a method of growing an SiC single crystal ingot is performed by heating the SiC raw material at a higher temperature of 30 to 200 DEG C and a higher pressure of 600 to 800 torr in comparison with a pressure condition.

상기 실시예에 따르면, 저품질의 SiC 원료 물질을 이용할 경우에도 간단한 방식에 의해 고품질의 SiC 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다. According to this embodiment, even when a low-quality SiC raw material is used, a high-quality SiC single crystal ingot can be grown by a simple method.

특히 상기 실시예에 따르면 고순도의 원료를 이용하지 않고도 투명하고 높은 비저항 값을 갖는 SiC 단결정 잉곳 성장이 가능하여 제조 원가를 낮출 수 있다. 또한 상기 실시예에 따르면 필요에 따라 질소를 도입하여 SiC 단결정 잉곳의 비저항 값을 용이하게 조절할 수 있다.Particularly, according to the embodiment, it is possible to grow a SiC single crystal ingot which is transparent and has a high specific resistance value without using a raw material of high purity, thereby reducing manufacturing cost. According to the above-described embodiment, the resistivity value of the SiC single crystal ingot can be easily adjusted by introducing nitrogen as necessary.

따라서, 상기 실시예에 따른 방법은 LED, GaN 소자의 제조 등 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있다.
Therefore, the method according to the embodiment can be utilized in various fields such as LED and GaN device manufacturing.

도 1은 실시예의 SiC 단결정 잉곳의 제조방법에서 시간에 따른 온도 및 압력 곡선을 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 SiC 단결정 잉곳의 제조방법에서 시간에 따른 온도 및 압력 곡선을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예의 SiC 단결정 잉곳의 제조방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
도 4는 종래의 SiC 단결정 잉곳의 제조방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
도 5a 내지 5c는 각각 실시예 1 내지 3에서 얻은 SiC 단결정 잉곳의 기판 및 비저항 측정 이미지를 나타낸 것이다.
1 is a graph showing a temperature and a pressure curve over time in a method of manufacturing an SiC single crystal ingot of the embodiment.
2 is a graph showing a temperature and a pressure curve over time in a conventional method for producing a SiC single crystal ingot.
Fig. 3 shows a process flow chart of the method for producing the SiC single crystal ingot of the embodiment.
Fig. 4 is a flow chart of a process for producing a conventional SiC single crystal ingot.
5A to 5C show the substrate and resistivity measurement images of the SiC single crystal ingots obtained in Examples 1 to 3, respectively.

실시예에 따른 탄화규소(SiC) 단결정 잉곳의 성장 방법은, (1) 반응용기에 SiC 원료 물질을 장입하는 단계; (2) 상기 반응용기에 종자정을 장착하는 단계; (3) 상기 SiC 원료 물질의 불순물을 제거하는 단계; 및 (4) 상기 종자정에 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 SiC 단결정 잉곳의 성장 방법으로서, 상기 단계 (3)의 불순물 제거가, 상기 단계 (4)에서의 SiC 단결정 잉곳 성장을 위한 온도 및 압력 조건과 대비하여, 30~200℃ 만큼 더 높은 온도 및 600~800 torr 만큼 더 높은 압력 조건에서 상기 SiC 원료 물질을 가열하여 행해진다.
A method of growing a silicon carbide (SiC) single crystal ingot according to an embodiment includes: (1) charging a SiC raw material into a reaction vessel; (2) attaching a seed tablet to the reaction vessel; (3) removing impurities of the SiC raw material; And (4) growing a SiC single crystal ingot on the seed crystal, wherein the impurity removal in the step (3) is carried out at a temperature for the SiC single crystal ingot growth in the step (4) And by heating the SiC raw material at a higher temperature of from 30 to 200 DEG C and a pressure of from 600 to 800 torr, as opposed to a pressure condition.

도 3은 실시예에 따른 SiC 단결정 잉곳의 제조방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.Fig. 3 shows a process flow chart of a method for producing an SiC single crystal ingot according to an embodiment.

이하 각 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.
Each step will be described in more detail below.

(1) SiC 원료 물질의 장입(1) Loading of SiC raw material

상기 단계 (1)에서는 반응용기에 SiC 원료 물질을 장입한다.In the step (1), SiC raw material is charged into the reaction vessel.

상기 반응용기는 도가니일 수 있고, SiC의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작되는데, 예를 들어 그라파이트로 제작될 수 있다.The reaction vessel may be a crucible and is made of a material having a melting point higher than the sublimation temperature of SiC, for example, graphite.

상기 SiC 원료 물질은 상기 반응용기 내의 하단에 장입될 수 있다.The SiC raw material may be charged to the lower end of the reaction vessel.

실시예에 따르면 저품질의 SiC 원료 물질도 사용 가능하다.According to the embodiment, a low-quality SiC raw material can also be used.

예를 들어 상기 SiC 원료 물질은 90~98%의 순도를 가질 수 있다.For example, the SiC raw material may have a purity of 90 to 98%.

상기 SiC 원료 물질은 예를 들어 SiC 분말일 수 있으며, 구체적으로 저품질의 SiC 분말일 수 있다.
The SiC raw material may be, for example, a SiC powder, and specifically a low-quality SiC powder.

(2) 종자정의 장착(2) Seed definition mounting

상기 단계 (2)에서는 반응용기에 종자정을 장착한다.In step (2), a seed crystal is mounted on the reaction vessel.

예를 들어, 반응용기의 내부 상단에 종자정을 장착할 수 있다.For example, a seed tablet may be mounted on the inner top of the reaction vessel.

상기 종자정은 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC 또는 15R-SiC 등 성장시키고자 하는 결정의 종류에 따라 다양한 결정구조를 갖는 종자정을 사용할 수 있다.The seed crystals may be seed crystals having various crystal structures depending on the kinds of crystals to be grown, such as 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC or 15R-SiC.

종자정의 장착이 완료되면 반응용기를 밀폐시킬 수 있다.When the seed definition attachment is completed, the reaction vessel can be sealed.

또한 상기 반응용기를 단열재로 에워싸고, 가열수단을 구비하는 반응챔버(석영관 등) 내에 넣을 수 있다. The reaction vessel may be surrounded by a heat insulating material and placed in a reaction chamber (quartz tube or the like) provided with a heating means.

상기 단열재 및 반응챔버는 반응용기의 외부에 마련되며, 반응용기의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 단열재는 SiC의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에 그라파이트 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 그라파이트 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 단열재는 복수의 층으로 형성되어 도가니를 둘러쌀 수도 있다. 또한 상기 가열수단은 반응챔버 외부에 마련된다. 상기 가열수단은 예를 들어 유도가열 코일 또는 저항가열 수단일 수 있고, 예를 들어 고주파 유도 코일이 이용될 수 있다. 상기 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니를 가열하고, 원료 물질을 원하는 온도로 가열할 수 있다.
The heat insulating material and the reaction chamber are provided outside the reaction vessel to maintain the temperature of the reaction vessel at the crystal growth temperature. Since the crystal growth temperature of SiC is very high, the heat insulator can use a graphite felt produced in a tubular cylindrical shape with a certain thickness by pressing the graphite fiber. Further, the heat insulating material may be formed of a plurality of layers to surround the crucible. Further, the heating means is provided outside the reaction chamber. The heating means may be, for example, an induction heating coil or resistance heating means, for example a high frequency induction coil may be used. By flowing a high-frequency current through the high-frequency induction coil, the crucible can be heated and the raw material can be heated to a desired temperature.

(3) SiC 원료 물질의 불순물 제거(3) Removal of impurities from SiC raw material

상기 단계 (3)에서는 SiC 원료 물질의 불순물을 제거한다.In the step (3), impurities of the SiC raw material are removed.

실시예에 따른 SiC 원료 물질의 불순물 제거는, SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 온도 및 압력 조건과 대비하여 보다 더 높은 온도 및 압력 조건으로 SiC 원료 물질을 가열함으로써 수행된다.The impurity removal of the SiC raw material according to the embodiment is performed by heating the SiC raw material at higher temperature and pressure conditions as compared with the temperature and pressure conditions for the growth of the SiC single crystal ingot.

상기 불순물 제거 단계에서 SiC 원료 물질의 불순물들이 승화하여 제거될 수 있다. 또한 상기 불순물 제거 단계는, 반응용기(도가니 등)에 존재하던 불순물들도 승화하여 제거되는 부수적인 효과도 가질 수 있다.Impurities of the SiC raw material can be sublimated and removed in the impurity removing step. Further, the impurity removing step may also have a side effect in which impurities present in the reaction vessel (crucible, etc.) are also sublimated and removed.

특히, 상기 불순물 제거 단계는 감압 조건(즉 성장 압력 조건)에서 수행되지 않으므로 종자정에 불순물이 달라붙거나 SiC 단결정 잉곳이 성장하는 것이 방지된다. 즉, 상기 단계 (3)에서 SiC 단결정 잉곳의 성장이 이루어지지 않을 수 있다.
Particularly, since the impurity removing step is not performed under a reduced pressure condition (i.e., a growth pressure condition), it is prevented that impurities stick to the seed crystal or the SiC single crystal ingot grows. That is, the SiC single crystal ingot may not be grown in the step (3).

실시예에 따르면, 상기 단계 (3)의 불순물 제거는, 단계 (4)에서의 SiC 단결정 잉곳 성장을 위한 온도 및 압력 조건과 대비하여, 30~200℃ 만큼 더 높은 온도 및 600~800 torr 만큼 더 높은 압력 조건으로 SiC 원료 물질을 가열하여 행해진다.According to an embodiment, the impurity removal of the step (3) is performed at a temperature higher by 30 to 200 DEG C and a temperature of 600 to 800 torr for the SiC single crystal ingot growth in step (4) And the SiC raw material is heated under high pressure conditions.

구체적인 예로서, 상기 단계 (3)의 불순물 제거는, 단계 (4)에서의 SiC 단결정 잉곳 성장을 위한 온도 및 압력 조건과 대비하여, 50~100℃ 만큼 더 높은 온도 및 650~700 torr 만큼 더 높은 압력 조건에서 상기 SiC 원료 물질을 가열하여 행해질 수 있다.As a specific example, the impurity removal of the step (3) is carried out at a temperature higher by 50 to 100 DEG C and a temperature of 650 to 700 torr higher than the temperature and pressure conditions for the SiC single crystal ingot growth in the step (4) Can be performed by heating the SiC raw material under a pressure condition.

보다 구체적인 예로서, 상기 단계 (3)의 불순물 제거는, 2200~2500℃의 온도 및 600~800 torr의 압력 조건, 2250~2450℃의 온도 및 650~760 torr의 압력 조건, 또는 2300~2400℃의 온도 및 700~760 torr의 압력 조건에서 상기 SiC 원료 물질을 가열하여 행해질 수 있다.As a more specific example, the impurity removal in the step (3) may be performed at a temperature of 2200-2500 캜 and a pressure of 600-800 torr, a temperature of 2250-2450 캜 and a pressure of 650-760 torr, And a pressure of 700 to 760 torr.

그러나 상기 불순물 제거 단계에서의 가열 조건은, SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 온도 및 압력 조건 대비 더 높은 온도 및 압력 조건으로 수행되어, SiC 단결정 잉곳의 성장이 억제되면서 불순물이 제거되는 조건이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 앞서 구체적인 수치 범위로 예시한 온도 및 압력 조건과 비교하여, 이보다 높은 온도 조건에서 수행할 경우 이에 비례하여 적절히 높은 압력 조건으로 조절함으로써, 동일한 효과를 도모할 수 있다
However, if the heating conditions in the impurity removal step are performed under higher temperature and pressure conditions relative to the temperature and pressure conditions for growing the SiC single crystal ingot so that the growth of the SiC single crystal ingot is suppressed and the impurities are removed, It does not. For example, when the temperature and pressure conditions are higher than the temperature and pressure conditions exemplified in the above-mentioned specific numerical range, the same effect can be achieved by adjusting the pressure condition to a suitably high pressure condition in proportion thereto

실시예와 달리, 상기 SiC 원료 물질의 가열을 SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 온도 조건 대비 더 낮은 온도에서 수행할 경우(예를 들어 1300~1500℃), 도가니 내벽에 존재하는 불순물들은 어느 정도 제거될 수 있으나, SiC 원료 물질에 존재하는 불순물까지 제거되기는 어렵다.Unlike the embodiment, when the SiC raw material is heated at a temperature lower than the temperature condition for growing the SiC single crystal ingot (for example, 1300 to 1500 ° C), the impurities existing in the inner wall of the crucible are removed to some extent It is difficult to remove impurities present in the SiC raw material.

또한, 상기 SiC 원료 물질의 가열을 SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 압력 조건 대비 동일하거나 그다지 높지 않은 압력 조건에서 수행할 경우(예를 들어 100~300 torr), SiC 종자정에 단결정 잉곳의 성장이 일어나 품질을 저하시킬 우려가 있다. In addition, when the SiC raw material is heated at a pressure condition (for example, 100 to 300 torr) equal to or less than the pressure condition for growing the SiC single crystal ingot, the growth of the monocrystalline ingot occurs in the SiC seed crystal There is a fear that the quality is deteriorated.

또한, 상기 SiC 원료 물질의 가열을 SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 온도 및 압력 조건 대비 너무 높은 온도 또는 압력 조건에서 수행할 경우, SiC 종자정을 비롯한 내부의 물질들이 고온 및 고압을 견디지 못하고 변형될 수 있다.
In addition, when the SiC raw material is heated at a temperature or a pressure which is too high as compared with the temperature and pressure conditions for growing the SiC single crystal ingot, internal materials including SiC seed crystals can not withstand high temperature and high pressure, have.

상기 SiC 원료 물질의 불순물을 제거하기 위한 가열 시간은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 단계 (3)에서 상기 SiC 원료 물질의 가열은, 1~5 시간 동안 수행될 수 있다.The heating time for removing impurities from the SiC raw material is not particularly limited. For example, in step (3), heating of the SiC raw material may be performed for 1 to 5 hours.

보다 구체적으로, 상기 단계 (3)에서 상기 SiC 원료 물질의 가열은, SiC 원료 물질 1000g 당 1~10 시간 동안, 또는 2~5 시간 동안 행해질 수 있다.
More specifically, the heating of the SiC raw material in the step (3) may be performed for 1 to 10 hours or for 2 to 5 hours per 1000 g of the SiC raw material.

상기 SiC 원료 물질은, 상기 불순물을 제거하는 단계를 거침으로써 매우 높은 순도 및 비저항을 가질 수 있다.The SiC raw material can have a very high purity and resistivity by removing the impurities.

예를 들어, 상기 SiC 원료 물질은, 상기 불순물을 제거하는 단계를 거친 후에 99% 이상, 99.5% 이상, 나아가 99.9% 이상의 순도를 가질 수 있다.For example, the SiC raw material may have a purity of 99% or more, 99.5% or more, and further 99.9% or more after the step of removing the impurities.

또한 상기 SiC 원료 물질은, 상기 불순물을 제거하는 단계를 거친 후에, 1 내지 1×10¹² Ω㎝의 비저항(resistivity)을 가질 수 있고, 보다 구체적으로 1 내지 1×10⁸ Ω㎝, 1 내지 1×10³ Ω㎝, 1000 내지 4000 Ω㎝, 1500 내지 3500 Ω㎝, 또는 2000 내지 3000 Ω㎝의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다.
Further, the SiC raw material may have a resistivity of 1 to 1 x 10 < ¹² > OMEGA cm after the step of removing the impurities, more specifically, 1 to 1 x 10 < ⁸ & Cm ³ , 1000 to 4000? Cm, 1500 to 3500? Cm, or 2000 to 3000? Cm.

상기 불순물을 제거하는 단계는 1회만 수행되거나, 또는 2회 이상 반복하여 수행될 수 있다.The step of removing the impurities may be performed only once, or may be repeated at least twice.

예를 들어, 상기 단계 (3)을 2~3회 반복 수행한 뒤, 후속하는 단계 (4)를 수행할 수 있다. 이때 상기 반복 수행되는 각 불순물을 제거하는 단계 사이에 아르곤 가스와 같은 불활성 기체로 퍼징하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.For example, the step (3) may be repeated two to three times, followed by the subsequent step (4). In this case, it is preferable to further include purging with an inert gas such as argon gas during the step of removing each of the impurities repeatedly performed.

이와 같이 불순물을 제거하는 단계를 추가적으로 더 수행할 경우, 최종 SiC 단결정 잉곳의 품질을 더욱 높일 수 있다.
If the step of removing impurities is further performed in this way, the quality of the final SiC single crystal ingot can be further improved.

앞서의 불순물 제거 단계는 반응용기에 SiC 원료 물질을 장입하고 종자정을 장착한 뒤 수행되기 때문에, 후속하는 SiC 단결정 잉곳의 성장 단계를 장치 구성의 변화 없이 곧바로 수행할 수 있다. 즉, 앞서의 불순물 제거 단계에서 사용되었던 것과 동일한 반응용기에서, 일부 조건 만을 변화시켜(예를 들어 온도 및/또는 압력을 낮추어), 곧바로 SiC 단결정 잉곳을 성장시킴으로써 공정 효율을 높일 수 있다.Since the above-described impurity removal step is carried out after the SiC raw material is loaded into the reaction vessel and the seed crystal is mounted, the subsequent growth step of the SiC single crystal ingot can be carried out directly without changing the apparatus configuration. That is, in the same reaction vessel used in the impurity removing step, the SiC single crystal ingot is grown immediately by changing only a part of the conditions (for example, by lowering the temperature and / or the pressure).

또한 상기 불순물 제거 단계와 후속하는 단결정 잉곳 성장 단계 사이에, 불활성 가스로 도가니 내를 퍼징하는 단계를 추가함으로써 불순물 제거율을 더욱 높일 수 있다.
Further, by adding a step of purging the crucible with an inert gas between the impurity removing step and the succeeding single crystal ingot growing step, the impurity removing rate can be further increased.

(4) SiC 단결정 잉곳의 성장(4) Growth of SiC single crystal ingot

상기 단계 (4)에서는 종자정에 SiC 단결정 잉곳을 성장시킨다.In step (4), a SiC single crystal ingot is grown on seed crystal.

상기 SiC 단결정 잉곳의 성장은 상기 원료 물질을 승화시켜 상기 종자정 상에 성장시키는 것일 수 있다.The SiC single crystal ingot may be grown by sublimating the raw material to grow the seed crystal.

상기 SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 온도 및 압력 조건은, 앞서 설명한 바와 같이, 특별히 한정되지 않는다.The temperature and pressure conditions for growing the SiC single crystal ingot are not particularly limited as described above.

예를 들어, 상기 SiC 단결정 잉곳의 성장을 위한 온도 및 압력 조건은 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 조건일 수 있다.For example, the temperature and pressure conditions for the growth of the SiC single crystal ingot are in the range of 2000 to 2500 ° C and 1 to 200 torr, 2200 to 2400 ° C and 1 to 150 torr, 2200 to 2300 ° C, 100 torr, or a range of 2250 to 2300 ° C and 1 to 50 torr.

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.Since the growth of the SiC single crystal ingot is based on the principle that the SiC raw material is sublimated into the SiC gas at a high temperature and then the SiC gas is grown from the seed crystal to the single crystal ingot under the reduced pressure, the temperature and pressure conditions for growing the SiC single crystal ingot are The SiC raw material can be employed without particular limitation as long as it is in a reduced pressure relative to the temperature and pressure conditions at which the raw material is sublimated.

즉 앞서 구체적인 수치 범위로 예시한 온도 및 압력 조건과 비교하여, 이보다 높은 온도 조건에서 수행할 경우 이에 비례하여 적절히 높은 압력 조건으로 조절함으로써, 동일한 효과를 도모할 수 있다.
That is, when the temperature and pressure conditions are higher than the temperature and pressure conditions exemplified above in the specific numerical range, the same effect can be achieved by appropriately controlling the pressure conditions in proportion to the temperature and pressure conditions.

다른 실시예에 따르면, 상기 성장 단계 중에 질소 가스를 추가로 주입하여, SiC 단결정 잉곳에 질소를 도핑할 수 있다. According to another embodiment, a nitrogen gas may be further injected during the growth step to dope the SiC single crystal ingot with nitrogen.

즉 질소 분위기 하에서 SiC 단결정 잉곳을 성장시킴으로써, 최종 제조되는 SiC 단결정 잉곳의 질소 함량을 조절할 수 있다.That is, the SiC single crystal ingot is grown under a nitrogen atmosphere, whereby the nitrogen content of the finally produced SiC single crystal ingot can be controlled.

상기 질소 가스는 도핑하려는 질소 양에 따라서 1~100 sccm 범위 내에서 조절하여 주입할 수 있다.
The nitrogen gas may be adjusted by controlling the amount of nitrogen to 1 to 100 sccm according to the amount of nitrogen to be doped.

이상의 실시예의 방법에 따라 제조된 SiC 단결정 잉곳은, 고품질의 특성을 갖는다. 예를 들어, 상기 SiC 단결정 잉곳은 99% 이상, 99.5% 이상, 나아가 99.9% 이상의 순도를 가질 수 있다.The SiC single crystal ingot produced according to the method of the above examples has high quality characteristics. For example, the SiC single crystal ingot may have a purity of 99% or more, 99.5% or more, and further 99.9% or more.

구체적으로, 상기 SiC 원료 물질이 90~98%의 순도를 갖고, 상기 단계 (4)에서 성장된 SiC 단결정 잉곳이 99.9% 이상의 순도를 가질 수 있다.Specifically, the SiC raw material has a purity of 90 to 98%, and the SiC single crystal ingot grown in the step (4) may have a purity of 99.9% or more.

또한, 상기 SiC 단결정 잉곳은 450nm 파장의 광에 대해 55% 이상, 60% 이상, 나아가 65% 이상의 투과율을 가질 수 있다.The SiC single crystal ingot may have a transmittance of 55% or more, 60% or more, and further 65% or more with respect to light having a wavelength of 450 nm.

또한, 상기 SiC 단결정 잉곳은 1 내지 1×10⁸ Ω㎝, 1 내지 1×10³ Ω㎝, 1000 내지 4000 Ω㎝, 1500 내지 3500 Ω㎝, 또는 2000 내지 3000 Ω㎝의 높은 비저항을 가질 수 있다.The SiC single crystal ingot may have a high resistivity of 1 to 1 x 10 ⁸ ? Cm, 1 to 1 x 10 ³ ? Cm, 1000 to 4000? Cm, 1500 to 3500? Cm, or 2000 to 3000? Cm .

한편, 상기 SiC 단결정 잉곳은 질소 도핑에 의해 비저항 값이 낮게 조절될 수 있다. 이에 따라 상기 단계 (4)에서 성장된 SiC 단결정 잉곳은 최소 1 Ω㎝의 비저항, 예를 들어 1 내지 1×10¹² Ω㎝, 또는 1 내지 1000 Ω㎝의 비저항을 가질 수 있다.
On the other hand, the SiC single crystal ingot can be controlled to have a low resistivity value by nitrogen doping. Accordingly, the SiC single crystal ingot grown in the step (4) may have a resistivity of at least 1? Cm, for example, 1 to 1x10 ¹² ? Cm, or 1 to 1000? Cm.

구체적인 일례에 따르면, 상기 단계 (3)의 불순물 제거가 2300~2400℃의 온도 및 700~760 torr의 압력 조건에서 상기 SiC 원료 물질을 가열하여 행해지고, 이때 상기 SiC 원료 물질의 가열이 상기 SiC 원료 물질 1000g 당 2~5 시간 동안 행해지며; 상기 단계 (3)에서 SiC 단결정 잉곳의 성장이 이루어지지 않고; 상기 SiC 원료 물질이 90~98%의 순도를 갖고, 상기 단계 (4)에서 성장된 SiC 단결정 잉곳이 99.9% 이상의 순도를 가질 수 있다.
According to a specific example, the impurity removal in the step (3) is performed by heating the SiC raw material at a temperature of 2300 to 2400 ° C and a pressure of 700 to 760 torr, wherein heating of the SiC raw material is performed by heating the SiC raw material For 2 to 5 hours per 1000 g; The SiC single crystal ingot is not grown in the step (3); The SiC raw material may have a purity of 90 to 98%, and the SiC single crystal ingot grown in the step (4) may have a purity of 99.9% or more.

이하, 보다 구체적인 실시예들을 예시적으로 설명한다.
Hereinafter, more specific embodiments will be described by way of example.

실시예 1: SiC 단결정 잉곳의 성장(불순물 제거 공정 1회 수행) Example 1: Growth of a SiC single crystal ingot (impurity removal step performed once)

그라파이트 도가니에 원료 물질로서 SiC 분말(순도 약 98%)를 장입하고, SiC 종자정을 도가니 상부에 장착하였다. 상기 도가니를 단열재로 에워싸고, 가열 코일이 구비된 반응챔버 내에 넣었다. 도가니 내를 진공 상태로 만든 뒤, 아르곤 가스를 서서히 주입하였다. 또한 이와 함께 도가니 내의 온도를 승온시켜 약 2350℃ 및 740 torr에 도달시켰다. 이후 상기 온도 및 압력 조건에서 5시간 동안 가열하여 SiC 분말 중의 불순물을 제거하였다. 불순물 제거 공정이 완료된 후, 압력을 유지한 채 온도를 약 2300℃로 낮추고 도가니 내부를 아르곤 가스로 퍼징하였다. 이후 압력을 점차 낮추어 30 torr에 도달시켰다. 상기 조건에서 50시간 동안 SiC 단결정 잉곳을 종자정에 성장시켰다.
SiC powder (purity: about 98%) was charged as a raw material to the graphite crucible, and the SiC seed crystal was mounted on the crucible top. The crucible was surrounded by a heat insulating material and placed in a reaction chamber provided with a heating coil. After the crucible was vacuumed, argon gas was slowly injected. In addition, the temperature in the crucible was raised to reach about 2350 ° C and 740 torr. Then, the impurities in the SiC powder were removed by heating under the above temperature and pressure conditions for 5 hours. After the impurity removal process was completed, the temperature was lowered to about 2300 DEG C while maintaining the pressure, and the inside of the crucible was purged with argon gas. The pressure was then gradually lowered to 30 torr. SiC single crystal ingots were grown in seed crystal under the above conditions for 50 hours.

실시예 2: SiC 단결정 잉곳의 성장(불순물 제거 공정 2회 수행) Example 2: Growth of a SiC single crystal ingot (impurity removal process twice)

상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하되, 상기 불순물 제거 공정 및 아르곤 퍼징을 1회 더 반복하였다. 총 2회의 불순물 제거 공정이 완료된 후, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 SiC 단결정 잉곳을 종자정에 성장시켰다.
The same procedure as in Example 1 was repeated except that the impurity removal step and argon purging were repeated one more time. After two impurity removal processes were completed in total, SiC single crystal ingots were grown in seed crystal under the same conditions as in Example 1 above.

실시예 3: SiC 단결정 잉곳의 성장(불순물 제거 공정 3회 수행 + 성장 중 질소 도입) Example 3: Growth of an SiC single crystal ingot (impurity removal process performed three times + nitrogen introduced during growth)

상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하되, 상기 불순물 제거 공정 및 아르곤 퍼징을 2회 더 반복하였다. 총 3회의 불순물 제거 공정이 완료된 후, 압력을 유지한 채 온도를 약 2300℃로 낮추고 도가니 내부를 아르곤 가스로 퍼징하였다. 이후 압력을 낮추고 질소 가스를 10 sccm으로 흘려보내면서 도가니 내의 압력이 30 torr가 유지되도록 하였다. 상기 조건에서 50시간 동안 SiC 단결정 잉곳을 종자정에 성장시켰다.
The same procedure as in Example 1 was repeated except that the impurity removal step and argon purging were repeated twice more. After three impurity removal processes were completed, the temperature was lowered to about 2300 DEG C while maintaining the pressure, and the inside of the crucible was purged with argon gas. The pressure was then lowered and nitrogen gas was flowed at 10 sccm to maintain the pressure in the crucible at 30 torr. SiC single crystal ingots were grown in seed crystal under the above conditions for 50 hours.

실시예 4: SiC 단결정 잉곳의 성장(불순물 제거 공정 1회 수행) Example 4: Growth of a SiC single crystal ingot (impurity removal step performed once)

그라파이트 도가니에 원료 물질로서 SiC 분말(순도 약 98%)를 장입하고, SiC 종자정을 도가니 상부에 장착하였다. 상기 도가니를 단열재로 에워싸고, 가열 코일이 구비된 반응챔버 내에 넣었다. 도가니 내를 진공 상태로 만든 뒤, 아르곤 가스를 서서히 주입하였다. 또한 이와 함께 도가니 내의 온도를 승온시켜 약 2400℃ 및 700 torr에 도달시켰다. 이후 상기 온도 및 압력 조건에서 3시간 동안 가열하여 SiC 분말 중의 불순물을 제거하였다. 불순물 제거 공정이 완료된 후, 압력을 유지한 채 온도를 약 2300℃로 낮추고 도가니 내부를 아르곤 가스로 퍼징하였다. 이후 압력을 점차 낮추어 30 torr에 도달시켰다. 상기 조건에서 50시간 동안 SiC 단결정 잉곳을 종자정에 성장시켰다.
SiC powder (purity: about 98%) was charged as a raw material to the graphite crucible, and the SiC seed crystal was mounted on the crucible top. The crucible was surrounded by a heat insulating material and placed in a reaction chamber provided with a heating coil. After the crucible was vacuumed, argon gas was slowly injected. In addition, the temperature in the crucible was raised to reach about 2400 ° C and 700 torr. Thereafter, the impurities in the SiC powder were removed by heating at the temperature and pressure conditions for 3 hours. After the impurity removal process was completed, the temperature was lowered to about 2300 DEG C while maintaining the pressure, and the inside of the crucible was purged with argon gas. The pressure was then gradually lowered to 30 torr. SiC single crystal ingots were grown in seed crystal under the above conditions for 50 hours.

시험예 1: 비저항(resistivity) 측정Test Example 1: Measurement of resistivity

상기 실시예 1 내지 3에서 얻은 SiC 단결정 잉곳에 대해, 비저항 측정기(LEHIGHTON Electonics社 LEI-1510EB Tripple Range)를 이용해 비접촉 방식으로 비저항을 측정하여 표 1 및 도 5a 내지 5c에 나타내었다.The resistivity of the SiC single crystal ingots obtained in Examples 1 to 3 was measured in a non-contact manner using a resistivity meter (LEH-1510EB Tripple Range, LEHIGHTON ELECTONICS), and the results are shown in Tables 1 and 5A to 5C.

구 분division 비저항(Ω㎝)Resistivity (Ω cm) 평균값medium 최소값Minimum value 최대값Maximum value 실시예 1Example 1 21002100 200200 37003700 실시예 2Example 2 25002500 16001600 39003900 실시예 3Example 3 6.956.95 0.550.55 21.6221.62

상기 표 1 및 도 5a 내지 5c에서 보듯이, 실시예 1과 같이 불순물 제거 공정을 거쳐 제조한 SiC 단결정 잉곳의 경우 매우 높은 비저항 값을 나타내었고, 실시예 2와 같이 불순물 제거 공정을 1회 더 반복할 경우 SiC 단결정 잉곳의 비저항 값을 더욱 상승시킬 수 있었다. 또한 실시예 3과 같이 성장 단계에서 질소를 도입할 경우에는 비저항 값을 현저히 낮출 수 있었다.As shown in Table 1 and FIGS. 5A to 5C, the SiC single crystal ingot produced through the impurity removing process as in Example 1 exhibited a very high specific resistance value, and the impurity removing process was repeated one more time as in Example 2 The resistivity of the SiC single crystal ingot could be further increased. Also, when nitrogen was introduced in the growth step as in Example 3, the resistivity value could be remarkably lowered.

또한, 상기 실시예 4에서 얻은 SiC 단결정 잉곳에 대해서도 동일한 방식으로 비저항을 측정한 결과 2000Ω㎝의 비저항 평균값을 갖는 것으로 측정되었다.The SiC single crystal ingot obtained in Example 4 was also measured to have a resistivity average of 2000? Cm as a result of measuring the resistivity in the same manner.

이를 볼 때, 실시예의 제조방법에 따르면, 간단한 방식에 의해, SiC 단결정 잉곳이 원하는 목적과 용도에 맞는 비저항 값을 갖도록 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
According to the manufacturing method of the embodiment, it can be seen that the SiC single crystal ingot can be adjusted to have a specific resistance value suitable for a desired purpose and use by a simple method.

시험예 2: 투명도 측정Test Example 2: Measurement of transparency

상기 실시예 1에서 얻은 SiC 단결정 잉곳에 대해, UN-VIS 분광기를 이용하여 450 nm 파장에 대한 투과도를 측정하였다. 그 결과 투과도 값이 약 62%로 측정되었다.The SiC single crystal ingot obtained in Example 1 was measured for transmittance to 450 nm wavelength using an UN-VIS spectrometer. As a result, the transmittance value was measured to be about 62%.

Claims

(1) charging silicon carbide (SiC) raw material into a reaction vessel;
(2) attaching a seed tablet to the reaction vessel;
(3) removing impurities of the SiC raw material; And
(4) A method for growing an SiC single crystal ingot including a step of growing an SiC single crystal ingot on the seed crystal,
The impurity removal of the step (3) is carried out at a temperature higher by 30 to 200 DEG C and a pressure higher by 600 to 800 torr than the temperature and pressure conditions for the SiC single crystal ingot growth in the step (4) Heating the SiC raw material,
In the step (3), the SiC single crystal ingot is not grown,
Wherein the SiC raw material has a purity of 99% or more after the step (3).

The method according to claim 1,
The impurity removal in the step (3)
Wherein the SiC raw material is heated by heating at a temperature higher by 50 to 100 DEG C and a pressure higher by 650 to 700 torr in comparison with the temperature and pressure conditions for the SiC single crystal ingot growth in the step (4) Growing method of SiC single crystal ingot.

The method according to claim 1,
The impurity removal in the step (3)
Wherein the SiC raw material is heated at a temperature of 2300 to 2400 占 폚 and a pressure of 700 to 760 torr to effect the growth of the SiC single crystal ingot.

The method according to claim 1,
Wherein the heating of the SiC raw material in the step (3) is performed for 1 to 10 hours per 1000 g of the SiC raw material.

delete

The method according to claim 1,
Wherein the SiC raw material is a SiC powder.

The method according to claim 1,
Wherein the step (3) is repeated 2-3 times, and then the step (4) is performed.

The method according to claim 1,
Wherein the temperature and pressure conditions for growing the SiC single crystal ingot in the step (4) are 2250 to 2300 ° C and 1 to 50 torr.

The method according to claim 1,
Wherein the SiC raw material has a resistivity of 2000 to 3000? Cm after the step (3).

10. The method of claim 9,
A method for growing an SiC single crystal ingot in which SiC single crystal ingots are further doped with nitrogen during growth of the SiC single crystal ingot in the step (4).

11. The method of claim 10,
Wherein the SiC single crystal ingot grown in the step (4) has a resistivity of 1 to 1000? Cm.

The method according to claim 1,
Wherein the SiC raw material has a purity of 90 to 98%
Wherein the SiC single crystal ingot grown in step (4) has a purity of 99.9% or more.

The method according to claim 1,
The impurity removal in the step (3) is performed by heating the SiC raw material at a temperature of 2300 to 2400 ° C and a pressure of 700 to 760 torr, wherein the heating of the SiC raw material is performed at 2 to 5 For a period of time;
Wherein the SiC raw material has a purity of 90 to 98%, and the SiC single crystal ingot grown in the step (4) has a purity of 99.9% or more.