KR101882318B1 - 잉곳 제조 장치 - Google Patents

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    • H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy

Abstract

실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 원료를 수용하는 도가니; 상기 원료 상에 위치하는 가이드 부재; 및 상기 원료 상에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더를 포함하고, 상기 홀더 및 상기 가이드 부재가 체결된다.

Description

잉곳 제조 장치{APPARATUS FOR FABRICATING INGOT}
본 기재는 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기, 전자 산업분야 및 기계부품 분야에 있어서의 소재의 중요도는 매우 높아 실제 최종 부품의 특성 및 성능지수를 결정하는 중요한 요인이 되고 있다.
SiC는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한, SiC는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열 전도도를 가지고 있으며, 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있다. 특히, SiC 단결정 성장 기술이 현실적으로 가장 안정적으로 확보되어, 기판으로서 산업적 생산 기술이 가장 앞서있다.
SiC의 경우, 종자정을 사용하여 승화재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법이 제시되어 있다. 원료가 되는 탄화규소 분말을 도가니 내에 수납하고 그 상부에 종자정이 되는 탄화규소 단결정을 배치한다. 상기 원료와 종자정 사이에 온도구배를 형성함으로써 도가니 내의 원료가 종자정 측으로 확산되고 재결정화되어 단결정이 성장된다.
그러나 이러한 SiC 성장 시, 종자정을 고정하는 종자정 홀더의 중심 부분과 가장자리 부분에 온도차가 발생한다. 이에 따라, 종자정으로부터 성장하는 단결정에도 영향이 미쳐 단결정의 중심 부분이 볼록한 형상을 가지게 된다. 또한, 이러한 온도차로 인해 단결정의 가장자리 부분에 결함이 발생할 수 있다.
또한, 종자정과 가이드 부재 간의 열팽창 계수 차이에 따라 성장하는 단결정에 변형 및 결함이 발생할 수 있다.
실시예는 고품질의 잉곳을 성장할 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 원료를 수용하는 도가니; 상기 원료 상에 위치하는 가이드 부재; 및 상기 원료 상에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더를 포함하고, 상기 홀더 및 상기 가이드 부재가 체결된다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 가이드 부재 및 종자정 홀더를 포함하고, 상기 가이드 부재 및 상기 종자정 홀더는 체결된다.
상기 가이드 부재 및 상기 종자정 홀더가 일체형으로 구비됨으로써, 상기 가이드 부재 및 상기 종자정 홀더 간의 열팽창 계수 차이에 따른 단결정의 변형 및 결함을 줄일 수 있다.
상기 가이드 부재는 상기 도가니의 열이 상기 종자정 홀더 및 상기 종자정의 가장자리에 미치는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 가이드 부재는 상기 종자정으로부터 성장하는 단결정의 가장자리에 열이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
이를 통해, 상기 종자정의 중심 부분과 상기 종자정의 가장자리 부분의 온도차를 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 종자정의 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 종자정의 가장자리 부분의 응력 및 결함을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 종자정의 중심 부분과 상기 종자정의 가장자리 부분의 온도차에 의해 상기 종자정으로부터 성장한 단결정의 중심 부분이 볼록한 형상을 가지는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 상기 단결정을 더 효율적으로 이용할 수 있다.
상기 종자정 및 상기 가이드 부재 사이에 버퍼층이 더 위치할 수 있다. 상기 버퍼층의 기공율이 크기 때문에, 물리적 강도 또한 약하다. 따라서, 상기 버퍼층을 통과하는 상기 단결정은 직경이 확장된 상태에서 안정적으로 성장할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층을 통해, 상기 단결정의 직경 확장으로 인해 단결정의 가장자리에 집중된 응력을 최소화할 수 있다. 즉, 단결정 성장 시, 상기 집중된 응력으로부터 발생할 수 있는 결함을 방지할 수 있다. 또한, 단결정 성장 이후 냉각 시, 상기 가이드 부재 및 단결정의 열팽창 계수 차이를 줄여 상기 단결정에 손상을 주지 않고 안정적으로 냉각할 수 있다. 이를 통해, 상기 단결정의 품질을 확보할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층은 상기 종자정 홀더 및 상기 가이드 부재를 결합하여 단결정 성장 시, 단결정 영역을 확보할 수 있고 단결정의 직경을 효과적으로 확장할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 포함되는 종자정 홀더, 가이드 부재 및 버퍼층을 도시한 단면도이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 포함되는 종자정 홀더, 가이드 부재 및 버퍼층을 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 도가니(100), 가이드 부재(120), 상부 덮개(140), 종자정 홀더(170), 단열재(200), 석영관(400) 및 발열 유도부(500)를 포함한다.
상기 도가니(100)는 원료(130)를 수용할 수 있다.
상기 도가니(100)는 상기 원료(130)를 수용할 수 있도록 원통형의 형상을 가질 수 있다.
상기 도가니(100)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 도가니(100)는 그라파이트로 제작될 수 있다.
또한, 도가니(100)는 그라파이트에 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 그라파이트 재질 상에 도포되는 상기 물질은, 탄화규소 단결정이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물로는 금속 질화물을 이용할 수 있다. 특히, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 탄소를 포함하는 탄화물이 도포될 수 있다. 또한, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 질소를 포함하는 질화물이 도포될 수 있다.
상기 원료(130)는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 더 구체적으로는, 상기 원료(130)는 탄화규소 화합물을 포함할 수 있다. 상기 도가니(100)는 탄화규소 분말(SiC powder) 또는 폴리카보실란(polycarbosilane) 을 수용할 수 있다.
이어서, 상기 가이드 부재(120)는 상기 도가니(100) 내부에 배치될 수 있다. 상기 가이드 부재(120)는 상기 원료(130) 상에 위치할 수 있다. 상기 가이드 부재(120)는 상기 도가니(100)의 길이방향으로 연장될 수 있다.
상기 가이드 부재(120)는 상기 도가니(100)의 내측면을 따라 위치할 수 있다.
상기 가이드 부재(120)는 상기 종자정 홀더(170)를 둘러쌀 수 있다. 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 가이드 부재(120)가 체결될 수 있다. 구체적으로, 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 가이드 부재(120)는 나사 결합할 수 있다.
상기 가이드 부재(120)는 제1 체결부(121) 및 가이드부(122)를 포함한다.
상기 제1 체결부(121)는 상기 가이드 부재(120)의 상부에 위치한다. 상기 제1 체결부(121)는 상기 종자정 홀더(170)와 체결될 수 있다. 상기 제1 체결부(121)는 상기 종자정 홀더(170)와 나사 결합할 수 있도록 나사선을 포함할 수 있다.
상기 가이드부(122)는 상기 제1 체결부(121)의 하부에 위치할 수 있다. 상기 가이드부(122)는 상기 원료(130)로부터 승화된 가스를 가이드할 수 있다. 상기 가이드부(122)는 상기 원료(130)의 상면으로부터 경사지는 경사면을 포함한다. 상기 경사면을 통해 승화된 탄화규소 가스를 가이드할 수 있다. 즉, 상기 가이드 부재(120)는 승화된 탄화규소 가스의 이동통로를 좁게 하여 승화된 탄화규소 가스의 확산을 상기 종자정(160)으로 집속시킬 수 있다. 이를 통해 단결정의 성장률을 높일 수 있다.
상기 가이드 부재(120)는 기공을 포함한다. 상기 가이드 부재(120)는 다공질일 수 있다. 상기 가이드 부재(120)의 기공율이 30 % 내지 70%일 수 있다. 상기 가이드 부재(120)의 기공율이 30 % 미만일 경우, 단열하는 역할을 하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 가이드 부재(120)의 기공율이 70 % 초과할 경우, 상기 가이드 부재(120)의 내구성이 떨어질 수 있다.
상기 가이드 부재(120)는 고온에서 견딜 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 이는 상기 가이드 부재(120)가 상기 도가니(100)내에 위치하기 때문이다. 일례로, 상기 가이드 부재(120)는 그라파이트를 포함할 수 있다.
상기 가이드 부재(120)는 상기 도가니(100)의 열이 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 종자정(160)의 가장자리에 미치는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 가이드 부재(120)는 상기 종자정(160)으로부터 성장하는 단결정의 가장자리에 열이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
이를 통해, 상기 종자정(160)의 중심부(CA)와 상기 종자정(160)의 외곽부(EA)의 온도차를 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 종자정(160)의 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 종자정(160)의 외곽부(EA)의 응력 및 결함을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 종자정(160)의 중심부(CA)와 상기 종자정(160)의 외곽부(EA)의 온도차에 의해 상기 종자정(160)으로부터 성장한 단결정의 중심 부분이 볼록한 형상을 가지는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 상기 단결정을 더 효율적으로 이용할 수 있다.
이어서, 상기 도가니(100)의 상부에 상부 덮개(140)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 그라파이트를 포함할 수 있다.
상기 상부 덮개(140)의 하단부에 종자정 홀더(170)가 위치한다. 상기 종자정 홀더(170)는 종자정(160)을 고정시킬 수 있다. 상기 종자정 홀더(170)는 고밀도의 그라파이트를 포함할 수 있다.
상기 종자정 홀더(170)는 제2 체결부(171) 및 종자정 고정부(172)를 포함한다.
상기 제2 체결부(171) 상기 종자정 고정부(172) 상에 위치할 수 있다. 상기 제2 체결부(171)는 상기 가이드 부재(120)와 체결될 수 있다. 상기 제2 체결부(171)는 상기 가이드 부재(120)와 나사 결합할 수 있도록 나사선을 포함할 수 있다.
즉, 상기 제1 체결부(121) 및 상기 제2 체결부(171)가 체결될 수 있다. 상기 제1 체결부(121) 및 상기 제2 체결부(171)가 서로 대응될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 체결부(121) 및 상기 제2 체결부(171)는 서로 대응되는 나사선을 포함할 수 있다.
상기 종자정 고정부(172)는 상기 제2 체결부(171)의 하부에 위치할 수 있다. 상기 종자정 고정부(172)에 상기 종자정(160)이 고정될 수 있다.
상기 가이드 부재(120) 및 상기 종자정 홀더(170)가 일체형으로 구비됨으로써, 상기 가이드 부재(120) 및 상기 종자정 홀더(170) 간의 열팽창 계수 차이에 따른 단결정의 변형 및 결함을 줄일 수 있다.
상기 종자정(160)은 상기 종자정 홀더(170)에 부착된다. 상기 종자정(160)이 상기 종자정 홀더(170)에 부착됨으로써, 성장된 단결정이 상기 상부 덮개(140)에까지 성장되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 종자정(160)은 상기 상부 덮개(140)에 직접 부착될 수 있다.
이어서, 상기 버퍼층(150)은 상기 종자정(160) 및 상기 가이드 부재(120) 사이에 위치할 수 있다.
상기 버퍼층(150)은 상기 종자정(160) 하면의 일부를 노출하는 오픈 영역(OA)을 포함할 수 있다. 상기 오픈 영역(OA)을 통해 상기 종자정(160)으로부터 단결정이 성장할 수 있다. 상기 종자정(160)은 중심부(CA) 및 상기 중심부(CA)를 둘러싸는 외곽부(EA)를 포함하고, 상기 오픈 영역(OA)은 상기 종자정(160)의 중심부(CA)와 대응될 수 있다. 즉, 상기 버퍼층(150)은 상기 외곽부(EA)에 위치할 수 있다.
상기 버퍼층(150)은 그라파이트를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 버퍼층(150)은 다공질의 그라파이트를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 버퍼층(150)의 기공률은 기공률은 25 % 내지 50 %일 수 있다.
상기 버퍼층(150)의 기공율이 크기 때문에, 물리적 강도 또한 약하다. 따라서, 상기 버퍼층(150)을 통과하는 상기 단결정은 직경이 확장된 상태에서 안정적으로 성장할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(150)을 통해, 상기 단결정의 직경 확장으로 인해 단결정의 가장자리에 집중된 응력을 최소화할 수 있다. 즉, 단결정 성장 시, 상기 집중된 응력으로부터 발생할 수 있는 결함을 방지할 수 있다. 또한, 단결정 성장 이후 냉각 시, 상기 가이드 부재(120) 및 단결정의 열팽창 계수 차이를 줄여 상기 단결정에 손상을 주지 않고 안정적으로 냉각할 수 있다. 이를 통해, 상기 단결정의 품질을 확보할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(150)은 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 가이드 부재(120)를 결합하여 단결정 성장 시, 단결정 영역을 확보할 수 있고 단결정의 직경을 효과적으로 확장할 수 있다.
이어서, 상기 단열재(200)는 상기 도가니(100)를 둘러싼다. 상기 단열재(200)는 상기 도가니(100)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 단열재(200)는 탄화규소의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 그라파이트 펠트를 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 단열재(200)는 그라파이트 섬유를 압착시켜 일정 두께의 원통형으로 제작된 그라파이트 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 단열재(200)는 복수의 층으로 형성되어 상기 도가니(100)를 둘러쌀 수 있다.
이어서, 상기 석영관(400)은 상기 도가니(100)의 외주면에 위치한다. 상기 석영관(400)은 상기 도가니(100)의 외주면에 끼워진다. 상기 석영관(400)은 상기 발열 유도부(500)에서 단결정 성장장치의 내부로 전달되는 열을 차단할 수 있다. 상기 석영관(400)은 내부가 빈 중공형의 관일 수 있다. 상기 석영관(400)의 내부 공간에 냉각수가 순환될 수 있다.
상기 발열 유도부(500)는 상기 도가니(100)의 외부에 위치한다. 상기 발열 유도부(500)는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 도가니(100) 및 상기 도가니(100)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 도가니(100)에 수용되는 상기 원료를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
상기 발열 유도부(500)에서 유도 가열되는 중심 영역이 상기 도가니(100)의 중심부보다 낮은 위치에 형성된다. 따라서, 상기 도가니(100)의 상부 및 하부에 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 즉, 발열 유도부(500)의 중심부인 핫존(hot zone, HZ)이 상기 도가니(100)의 중심에서 상대적으로 낮은 위치에 형성되어, 핫존(HZ)을 경계로 상기 도가니(100)의 하부의 온도가 상기 도가니(100) 상부의 온도보다 높게 형성된다. 또한, 상기 도가니(100)의 내부 중심부에서 외곽 방향을 따라 온도가 높게 형성된다. 이러한 온도구배로 인하여 탄화규소 원료(130)의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(170)의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정(I)으로 성장된다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 원료를 수용하는 도가니;
    상기 원료 상에 위치하는 가이드 부재;
    상기 원료 상에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더; 및
    상기 종자정 및 상기 가이드 부재 사이에 위치하는 버퍼층을 포함하고,
    상기 가이드 부재는 상기 원료로부터 승화된 가스를 가이드하는 가이드부를 포함하고,
    상기 홀더 및 상기 가이드 부재가 체결되고,
    상기 종자정은 상기 버퍼층에 의해 상기 가이드 부재와 이격되어 배치되고,
    상기 버퍼층은 상기 종자정의 폭보다 큰 폭을 가지며 상기 종자정을 감싸며 배치되고,
    상기 버퍼층은 상기 종자정 하면의 일부를 노출하는 오픈 영역을 포함하며, 상기 버퍼층의 상기 오픈 영역의 폭은 상기 종자정 하면에서부터 상기 원료 방향으로 갈수록 증가하고,
    상기 가이드부는 상기 원료의 상면으로부터 경사지는 경사면을 포함하고,
    상기 버퍼층은 상기 오픈 영역에서 상기 종자정 하면에 대해 경사진 내측면을 포함하고,
    상기 가이드부의 상기 경사면은 상기 버퍼층의 상기 내측면과 동일 선상에 배치되고,
    상기 가이드 부재 및 상기 버퍼층 각각은 기공을 포함하고, 상기 가이드 부재의 기공율은 30% 내지 70%이고, 상기 버퍼층의 기공율은 25% 내지 50%인 잉곳 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 부재는 상기 홀더를 둘러싸는 잉곳 제조 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 그라파이트를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 종자정은 중심부 및 상기 중심부를 둘러싸는 외곽부를 포함하고, 상기 오픈 영역은 상기 종자정의 중심부와 대응되는 잉곳 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 외곽부에 위치하는 잉곳 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 홀더 및 상기 가이드 부재는 나사 결합하는 잉곳 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 부재는 상기 홀더와 체결되는 제1 체결부를 더 포함하는 잉곳 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 가이드 부재와 체결되는 제2 체결부 및 상기 종자정이 위치하는 종자정 고정부를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 체결부 및 상기 제2 체결부가 체결되는 잉곳 제조 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 체결부 및 상기 제2 체결부가 서로 대응되는 잉곳 제조 장치.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 부재는 그라파이트를 포함하는 잉곳 제조 장치.
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