KR101857761B1 - SiC 성장장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SiC 성장장치 및 방법에 관한 발명으로 규소, 탄소를 포함하는 원료물질이 장입되는 도가니, 상기 도가니를 가열하여 상기 규소, 탄소를 포함하는 원료물질을 SiC용액으로 용융시키기 위한 제1발열수단, 상기 도가니의 상부에 위치하며 상하로 이동되는 탄소를 포함하는 장입부재, 상기 SiC용액으로 탄소를 주입하기 위해서, 상기 장입부재를 용융시키기 위한 제2발열수단, 상기 도가니의 상부에 위치하며 상하로 이동되고, 상기 SiC용액으로 주입하는 용융종자정 어댑터에 부착되어 상기 SiC용액에 성장면이 접하는 종자정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 적용하면, SiC 결정성장 시, SiC용액의 농도를 일정하게 유지하여, SiC 종자 결정 성장 속도를 일정하게 유지할 수 있고, 농도가 과포화로 인한 결정의 품질을 저해하는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

SiC 성장장치 및 방법{Apparatus and Method for Crystal Growth of SiC}

본 발명은 SiC 성장장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 SiC 성장의 용액의 농도를 일정하게 유지하여, 고품질 SiC를 성장하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

탄화규소(SiC)는 열적 및 화학적으로 안정적인 화합물 반도체의 1종이다. SiC는, 실리콘(Si)에 비해, 밴드 갭이 약 3배, 절연 파괴 전압이 약 10배, 전자 포화 속도가 약 2배, 열전도율이 약 3배 크다고 하는, 유리한 물성 상의 특징을 가진다.

이러한 뛰어난 특성으로부터, SiC는 차세대의 저손실 파워 디바이스 재료로서 주목받고 있다.

한편, 상기 디바이스의 제조에는, SiC 단결정 기판상에 디바이스 활성층이 되는 SiC막을 에피택셜 성장에 의해 형성한, SiC 에피택셜막 부착 SiC 단결정 웨이퍼가 필요하며, 실용화를 위해서는 웨이퍼 직경이 2인치 이상인 것이 요구된다.

아울러, SiC는 결정 다형(폴리 타입)을 나타내는 물질로서도 유명하며 이때, 결정 다형이란, 화학량론적으로는 같은 조성이면서 원자의 적층 양식이 c축 방향으로만 다른 많은 결정 구조를 취할 수 있는 현상이다.

SiC의 대표적인 결정 다형으로서는 6H형(6분자를 1주기로 하는 육방정계), 4H형(4분자를 1주기로 하는 육방정계), 3C형(3분자를 1주기로 하는 입방정계) 등이 있으며 파워 디바이스용으로는 특히 4H-SiC가 바람직하다.

한편, 기판과 에피택셜막의 어느 하나에 있어서도, 2종 이상의 결정형의 혼재는 디바이스의 성능에 악영향을 미치므로 결정형이 단일로(결정 다형의 혼재가 없고) 또한, 결정 결함이 적은 양질의 SiC 단결정이 필요하다.

이와 관련하여 종래 SiC 단결정 기판을 제조하기 위한 SiC 벌크 단결정의 제조 방법에는 승화 재결정화법과 용액 성장법이 있으며 SiC 에피택셜막의 성막 방법으로서는 화학 기상 퇴적(Chemical Vapor Deposition: CVD)법과 액상 에피택셜(Liquid Phase Epitaxy: LPE)법이 알려져 있다.

현재 시판되고 있는 에피택셜막 부착 SiC 단결정 웨이퍼는 거의 모두 기판부는 승화 재결정화법, 에피택셜막부는 CVD법에 따라 제작된 것이다.

즉, 어느 부분에 대해서도 기상으로부터의 결정 성장 방법이 채용되어 있다.

한편, 벌크 단결정의 제조 방법인 승화 재결정화법에서는, 원료의 SiC분말을 2200~2500℃의 고온으로 승화시키고 저온부에 배치한 SiC 단결정으로 이루어지는 종결정 상에 SiC의 단결정을 재결정화시킨다.

이 방법은 성장 속도가 크나 성장한 SiC 단결정에는 종결정으로부터 인계되는 전위나 마이크로 파이프 결함이 다수 포함되고 또한, 결정 성장 중에 발생했다고 생각되는 다수의 전위가 존재한다.

승화 재결정화법에서는 종결정을 큰 폭으로 웃도는 품질의 SiC 단결정을 얻는 것은 매우 곤란하다.

한편, 용액 성장법에 따른 SiC 벌크 단결정의 성장에서는 용매가 되는 Si 또는 Si 합금의 융액 중에 카본을 용해시켜 그 융액 중에 SiC가 용해되어 있는 용액을 조제한다.

상기 SiC 용액에 SiC 종결정을 침지하고 적어도 종결정 근방의 용액을 과냉각 상태로 함으로써 SiC의 과포화 상태를 만들어 내고 SiC 단결정을 종결정 상에 성장시킨다.

SiC 용액 성장 시 성장 속도를 제어하는 것은 규소, 탄소와 용제(Flux)간의 용해도 차이이다. 하지만, 용제에 SiC 농도가 낮은 경우 종자 결정에 성장이 늦어지거나 녹는 현상이 있으며, 과포화 되는 경우 종자결정이 급성장을 통해 쌍정계 또는 다결정 등 결정의 품질을 저해하는 현상이 일어난다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, SiC의 지속 성장을 위해서 규소 또는 탄소가 지속 공급이 필요하며, 그 중에서도 성장 속도를 좌우하는 탄소의 공급을 용이하도록 제어하는 장치 및 방법 제공을 목적으로 한다.

한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 상술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예로 SiC 성장장치는 규소, 탄소를 포함하는 원료물질이 장입되는 도가니; 상기 도가니를 가열하여 상기 규소, 탄소를 포함하는 원료물질을 SiC용액으로 용융시키기 위한 제1발열수단; 상기 도가니의 상부에 위치하며 상하로 이동되는 탄소를 포함하는 장입부재; 상기 SiC용액으로 탄소를 주입하기 위해서, 상기 장입부재를 용융시키기 위한 제2발열수단; 상기 도가니의 상부에 위치하며 상하로 이동되고, 상기 SiC용액으로 주입하는 용융종자정 어댑터에 부착되어 상기 SiC용액에 성장면이 접하는 종자정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1발열수단은 저항식 발열체이고, 상기 제2발열수단은 고주파 발열체인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 장입부재는 중앙에 비어있는 원통형상으로, 상기 종자정은 상기 장입부재의 중심부를 지나가는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 종자정 어댑터와 상기 장입부재의 상하이동 및 상기 제1발열수단과 제2발열수단의 온도를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 본 발명의 상술한 목적을 달성하기 위하여, SiC 성장방법은 도가니에 규소, 탄소를 포함하는 원료물질을 장입하는 단계; 제1발열수단을 이용하여 상기 원료물질을 용융시켜서 SiC용액을 생성하는 단계; 상기 도가니의 상부에 위치한 종자정을 상기 SiC용액의 성장면에 접하도록 아래로 이동시키는 단계; 상기 종자정을 회전시키면서 위로 이동시키는 단계; 상기 종자정을 이동시키면서, 결정을 생성시키는 단계; 상기 결정을 생성시키는 단계 과정에서, SiC용액의 농도를 측정하여 소정의 농도 이하일 경우, 상기 도가니의 상부에 위치하며, 탄소를 포함한 장입부재를 가열하여, SiC용액의 농도를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 SiC 결정성장 시, SiC용액의 농도를 일정하게 유지하여, SiC 종자 결정 성장 속도를 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 농도가 과포화 되는 경우 결정의 품질을 저해하는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1 본 발명의 SiC 성장장치의 구성을 도시한 개념도(측면 컷).
도 2 본 발명의 SiC 성장장치의 구성을 도시한 개념도(상부 컷).

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 SiC 성장장치 및 성장방법에 대해 상세하게 설명한다.

도 1과 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 SiC 성장장치의 구성을 도시한 개념도이다.

SiC 성장장치(100)는 고온에 견딜 수 있는 다양한 내화재료로 이루어진 도가니(110)를 포함한다.

상기 도가니(110)에 규소, 탄소, 용제(Flux)를 포함하는 원료물질를 장입후, 제1발열수단(120)을 통해서 가열하여, 상기 원료물질을 SiC용액(160)으로 용융시킨다.

아울러, 상기 도가니(110)의 외부는 도가니(110) 내부온도 유지를 위해 별도로 구비되는 단열재(도시되지 않음)로 감싸질 수 있다.

상기 제1발열수단(120)은 다양한 발열체가 사용될 수 있고, 도가니(110)의 옆면만을 감싸는 타입으로 형성될 수 있고, 도가니(110)의 전체면을 감싸는 타입 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.

다만, 도가니(110) 내의 용액의 온도를 오랜시간 일정하게 유지시키기 위해서, 상기 제1발열수단(120)은 저항식 발열체인 것이 바람직하다.

상기 도가니(110)의 내에 결정성장을 위한 조건에 맞는 SiC용액(160)이 준비 되면, 종자정 어댑터에 결합되어 있는 종자정(150)을 SiC용액의 성장면에 접하도록 이동시킨다.

종자정(150)은 탄화규소인 것이 바람직하며, 상기 종자정(150)을 SiC용액의 성장면에 접한 후, 천천히 회전시키거나, 도가니(110)의 온도차를 이용해서 SiC용액을 대류시켜서, SiC결정을 성장시킨다. 이 과정에서 종자정(150)은 결정성장 조건에 따라, 위 방향으로 이동되며, 이동속도에 따라 SiC결정을 크기, 두께 등이 결정된다.

다만, 결정을 성장을 시킬 때, 일정한 속도 등이 유지되어야지만 좋은 품질의 결정이 성장되는데, SiC의 농도, 특히, 탄소의 농도가 시간이 지남에 따라 낮아져서, 종자결정 성장이 늦어지거나, 결정이 녹는 현상이 발생한다.

또한, 농도가 과포화 되는 경우에는 종자가 빠른 속도로 성장을 하게 되는데, 이 때, 결정은 쌍정계 또는 다결정 등이 되어 결정의 품질을 저해하게 된다.

따라서 농도를 조절하기 위해서, 본 발명은 탄소를 포함하는 장입부재(140)를 추가적으로 부가하여, SiC농도를 조절한다.

상기 장입부재(140)는 중앙이 비어있는 원통형상이 바람직하며, 둘레가 다른 깔대기 형상, 막대형상 등 다양한 형상으로 형성할 수 있으며, 위치는 도가니(110)의 상부에 위치하는 것이 바람직하며, SiC용액(160)의 수위에 따라 상하로 이동할 수 있다. 상기 장입부재(140)의 위치는 SiC용액(160)의 최상위 표면에 닿을 수도 있고, 소정의 높이만큼 거리를 두고 위치시킬 수 있다.

상기 장입부재(140)의 비어있는 중앙으로 종자정(150)을 위치시키며, 종자정(150)에서 형성된 결정이 장입부재(140)와 만나지 않도록 장입부재(140)의 둘레를 최종결정 크기를 고려하여 결정해야 한다.

상기 장입부재(140)의 둘레에는 상기 장입부재(140)을 용융시킬 수 있는 제2발열수단(130)을 형성한다.

상기 제2발열수단(130)은 제1발열수단(120)과 같이 다양한 발열체를 이용하여 상기 장입부재(140)을 전체를 가열할 수 있도록 구성할 수 있지만, 빠른 농도 조절을 위해서 상기 장입부재(140)의 국부 가열을 통해 쉽게 SiC용액(160)에 녹아 들어갈 수 있는 고주파 발열체인 것이 바람직하다.

상기 제2발열수단(130)을 동작시키기 위해서는 SiC용액의 농도를 확인하는 것이 바람직하다. SiC 농도의 확인은 SiC용액과 도가니의 사이의 전위차를 측정하여 확인한다.

상기 전위차 측정, 상기 제1,2 발열수단의 온도 제어, 장입부재(140)의 이동제어, 종자정(150)의 위치제어 등을 하는 제어부(미도시) 및 SiC성장장치(100)의 다양한 정보를 표시할 수 있는 표시부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

도 1과 2의 개념도에는 원형모양으로 도시하였지만, 다양한 모양으로 형성할 수 있고, 도시하지 않은 부가적인 구성요소는 통상의 기술자가 설계 상 필요 시 부가할 수 있다.

100 SiC 성장장치
110 도가니
120 제1발열수단
130 제2발열수단
140 장입부재
150 종자정
160 SiC용액

Claims (5)

1. 규소, 탄소를 포함하는 원료물질이 장입되는 도가니;
   상기 도가니를 가열하여 상기 규소, 탄소를 포함하는 원료물질을 SiC용액으로 용융시키기 위한 제1발열수단;
   상기 도가니의 상부에 위치하며 상하로 이동되는 탄소를 포함하는 장입부재;
   상기 SiC용액으로 탄소를 주입하기 위해서, 상기 장입부재를 용융시키기 위한 제2발열수단;
   상기 도가니의 상부에 위치하며 상하로 이동되고, 상기 SiC용액으로 주입하는 용융종자정 어댑터에 부착되어 상기 SiC용액에 성장면이 접하는 종자정을 포함하며,
   상기 제1발열수단은 저항식 발열체이고,
   상기 제2발열수단은 고주파 발열체이며,
   상기 장입부재는 중앙이 비어 있는 형상이고,
   상기 장입부재의 중심부에는 상기 종자정이 지나가며,
   상기 SiC용액의 SiC농도를 상기 SiC용액과 상기 도가니 사이의 전위차를 측정하여 상기 제2발열수단에 의해서 상기 장입부재를 용융시켜서 상기 SiC용액의 탄소 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 SiC 성장장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 장입부재는 원통형상인 것을 특징으로 하는 SiC 성장장치.
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