KR102058873B1 - 대구경 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따르면, 종자정의 표면에 직접 보호막을 형성하지 않고, 시트 형태의 보호막을 미리 성형한 뒤 종자정과 부착시킴으로써, 보호막의 형성이 용이하고 균일한 두께 및 막질 구현이 가능하다. 특히 이와 같은 공정으로 종자정보다 직경이 큰 보호막을 형성할 수 있으며, 그 결과 반응용기 내 종자정의 배치 시에 보호막의 돌출부를 지지대로 활용하여, 종자정 홀더에 부착하는 종래의 방식을 이용하지 않고도, 종자정 홀더를 이용하는 것과 유사한 효과를 가지면서도 SiC 단결정 잉곳 성장 시 직경 축소를 방지하여 대구경의 잉곳을 얻을 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 6을 참조하여, 종자정 홀더(190)와 종자정(110) 사이에 접착제(150)를 도포하고 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)
종래에 종자정을 반응용기 상부의 홀더에 접착하는 방식에서는, 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.
또한, 실시예는 상기 방법에 사용되는 보호막이 구비된 종자정 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따르면, (1) 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정의 후면에 보호막을 형성하는 단계; (2) 반응용기의 하부에 SiC 원료 물질을 장입하고, 반응용기의 상부에 상기 종자정을 접착 없이 배치하는 단계; 및 (3) 상기 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정의 전면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖고, 상기 보호막의 돌출부를 상기 반응용기의 상부에 거치시켜 상기 종자정이 배치되는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법이 제공된다.
다른 실시예에 따르면, (a) 바인더 수지를 포함하는 조성물을 시트 형상으로 성형하여 보호막을 제조하는 단계; (b) 상기 보호막을 재단하고 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정의 후면에 가압을 통해 부착하는 단계; 및 (c) 상기 종자정에 부착된 보호막을 경화 및 탄화시키는 단계를 포함하고, 상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖는, 보호막이 구비된 종자정의 제조방법이 제공된다.
또 다른 실시예에 따르면, 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정, 및 상기 종자정의 후면에 형성된 보호막을 포함하고, 상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖는, 보호막이 구비된 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.
또한, 실시예에 따르면 종자정의 후면에 탄소질 보호막을 형성하기 때문에, 성장을 위한 가열 중에 발생할 수 있는 종자정 후면의 손실을 방지할 수 있다. 특히 실시예에 따르면, 종자정의 표면에 직접 보호막을 형성하지 않고, 시트 형태의 보호막을 미리 성형한 뒤 종자정과 부착시킴으로써, 보호막의 형성이 용이하고 균일한 두께 및 막질 구현이 가능하다.
특히 이와 같은 공정으로 종자정보다 직경이 큰 보호막을 형성할 수 있으며, 그 결과 반응용기 내 종자정의 배치 시에 보호막의 돌출부를 지지대로 활용하여, 종자정 홀더에 부착하는 종래의 방식을 이용하지 않고도, 종자정 홀더를 이용하는 것과 유사한 효과를 가지면서도 SiC 단결정 잉곳 성장 시 직경 축소를 방지하여 대구경의 잉곳을 얻을 수 있다. 또한, 실시예 방식에 따르면 종자정이 발열체인 반응용기와 직접적으로 접촉하지 않으므로 종자정 손실이나 오염을 억제할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 보호막이 구비된 종자정의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 실시예에 따라 보호막을 제조하는 공정을 도시한 것이다.
도 3은 실시예에 따라 종자정에 보호막을 부착하는 공정을 도시한 것이다.
도 4는 실시예에 따라 SiC 단결정 잉곳을 제조하는 공정을 도시한 것이다.
도 5는 SiC 단결정 잉곳을 제조하기 위한 반응용기의 다른 구성 예를 도시한 것이다.
도 6는 종래의 방식에 따라 SiC 단결정 잉곳을 제조하기 위한 반응용기의 구성이다.
도 7은 실시예에서 제조한 보호막의 표면 및 단면의 이미지이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 및 비교예에서 제조한 SiC 단결정 잉곳의 이미지이다.
이하의 설명에서 참조하는 도면들은 이해를 돕기 위해 크기나 간격 등이 과장되어 표시될 수 있으며, 또한 이 기술분야에 속하는 통상의 기술자에게 자명한 내용은 도시가 생략될 수 있다.
보호막이 구비된 종자정의 제조방법
실시예에 따른 보호막이 구비된 종자정의 제조방법은, (a) 바인더 수지를 포함하는 조성물을 시트 형상으로 성형하여 보호막을 제조하는 단계; (b) 상기 보호막을 재단하고 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정의 후면에 가압을 통해 부착하는 단계; 및 (c) 상기 종자정에 부착된 보호막을 경화 및 탄화시키는 단계를 포함하고, 상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖는다.
도 2는 실시예에 따라 보호막을 제조하는 공정을 도시한 것이다.
도 3은 실시예에 따라 종자정에 보호막을 부착하는 공정을 도시한 것이다.
이하 도면을 참조하여 각 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.
(a) 보호막의 시트상 성형
상기 단계 (a)에서는 바인더 수지를 포함하는 조성물을 시트 형상으로 성형하여 보호막을 제조한다.
상기 바인더 수지는 보호막의 제조를 위한 조성물의 주성분을 이룬다. 상기 바인더 수지는 예를 들어 페놀 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 피치계 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아크릴산 수지, 푸란계 수지, 에폭시계 수지, 또는 이들의 혼합 수지일 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.
또한, 상기 바인더 수지는 경화성 수지인 것이 바람직하며, 예를 들어 열경화성 수지일 수 있다.
상기 조성물은 바인더 수지 외에 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 필러는 조성물의 코팅 이후 열처리 시에 탄화를 촉진시키고 과도한 수축을 막아 크랙 형성을 억제할 수 있다.
상기 필러는 예를 들어, 탄소질 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 바인더 수지 100 중량부 대비 10~200 중량부, 또는 30~150 중량부로 상기 조성물에 포함될 수 있다. 필러의 함량이 상기 바람직한 범위 내일 때, 코팅 막의 형성 이후 열처리 시에 발생할 수 있는 수축이나 크랙 등을 방지하여 우수한 표면의 보호막을 형성하는데 보다 유리할 수 있다.
보다 구체적인 일례로서, 상기 바인더 수지로서 페놀 수지를 사용하고, 상기 필러로서 인상 흑연을 사용하며, 상기 조성물은, 상기 바인더 수지 100 중량부 대비 50~120 중량부로 상기 필러를 포함할 수 있다.
상기 조성물은 성형 시의 점도 조절을 위해 용매를 더 포함할 수 있다.
예를 들어 상기 조성물은 에탄올, 메탄올, 아세톤, 디메틸폼아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 등의 용매를 함유할 수 있다. 이때 상기 조성물의 고형분 함량은 10~90 중량%, 또는 20~50 중량%일 수 있다.
상기 조성물에는 그 외에도 습윤분산제, 소포제 등이 더 함유될 수 있다.
이와 같이 제조된 조성물은 시트 형태로 성형되어 보호막으로 제조된다. 상기 성형은 롤 코팅, 콤마 코팅, 딥 코팅 등의 공정을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 시트상 성형은 10~3000 ㎛의 두께 범위, 또는 100~1000 ㎛의 두께 범위로 수행될 수 있다. 성형된 두께가 상기 바람직한 범위에 비하여 너무 작은 경우 인장강도가 약하고 열처리 후 보호막의 역할을 못할 가능성이 있고, 반대로 너무 큰 경우 열처리 시에 기포 함유, 크랙, 코팅 박리(peel off) 등이 발생할 수 있다.
또한 상기 조성물로부터 시트 형태로 성형된 보호막 양면에 이형 필름이 합지되도록 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 이형 필름은 성형 공정 중에 보호막의 표면이 오염되거나 아직 건조되지 않은 조성물이 장비와 접촉하여 공정성을 저하시키는 문제를 방지할 수 있다.
바람직한 일례로서, 상기 보호막의 제조는 롤 코팅으로 수행되고, 이때 상기 보호막의 양면에 이형 필름이 부착되어 성형되며, 상기 이형 필름은 후속하는 경화 또는 탄화 공정 이전에 제거될 수 있다.
상기 이형 필름은 통상적인 이형 필름일 수 있으며, 예를 들어 실리콘 코팅된 PET 필름, 실리콘 코팅된 종이 필름 등일 수 있다. 상기 이형 필름은 25~100 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한 상기 이형 필름은 3~30 gf/inch의 박리강도를 가질 수 있다.
상기 보호막의 성형은 단층 또는 다층으로 수행될 수 있다.
단층 성형의 경우, 상기 조성물만을 이용하여 시트 형태로 성형함으로 보호막을 제조할 수 있다.
다층 성형의 경우, 상기 조성물을 코어층(별도의 기재) 상에 코팅하여 시트 형태로 성형함으로 보호막을 제조할 수 있다.
바람직한 일례에 따르면, 상기 조성물을 섬유 소재로 이루어진 코어층의 양면에 코팅하여 시트 형상으로 성형하여 보호막을 제조할 수 있다.
이와 같이 섬유 소재의 코어층을 이용함으로써, 두꺼운 보호막의 형성이 용이하고 균일한 두께 및 막질 구현이 보다 유리할 수 있다. 또한 섬유 소재의 코어층을 이용함으로써, 보호막의 강도를 강화시켜 단결정 잉곳 성장 시에 종자정이 소멸하거나 박리하는 것을 방지하고, 보호막의 수축 억제를 통해 종자정 변형을 방지하는데 보다 효과적일 수 있다.
이때 상기 섬유 소재의 코어층은 보다 구체적으로 셀룰로오스, 레이온, 카본섬유 등을 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 코어층이 셀룰로오스 섬유로 구성될 수 있다.
상기 코어층은 보호막의 인장강도를 높여주어 SiC 잉곳 성장을 위해 반응용기에 종자정을 거치 시에 지지력을 향상시킬 수 있다.
구체적인 일례에 따르면, 도 2의 (a)를 참조하여, 상기 보호막의 제조가 롤 코팅으로 수행되고, 이때 상기 조성물(121)을 섬유 소재로 이루어진 코어층(130)의 양면에 코팅하고 시트 형상으로 성형하여 보호막(120)을 제조할 수 있다. 또한 상기 보호막(120)의 양면에 제 1 이형 필름(141) 및 제 2 이형 필름(142)이 부착되어 성형되며, 상기 제 1 이형 필름(141) 및 제 2 이형 필름(142)은 후속하는 경화 또는 탄화 공정 이전에 제거될 수 있다.
(b) 보호막의 종자정 부착
상기 단계 (b)에서는, 상기 보호막을 재단하고 SiC 단결정의 종자정의 후면에 가압을 통해 부착한다.
앞서 얻은 보호막은 특별한 형태가 없는 시트 형태이기 때문에, 종자정의 후면에 부착하기 위해 재단하는 것이 필요하다.
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.
구체적으로, 상기 종자정의 후면의 형태가 일반적으로 원형이기 때문에, 상기 보호막을 원형의 형태로 재단할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 보호막은 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖도록 재단된다.
예를 들어, 상기 보호막은 상기 종자정의 후면의 직경보다 0.1~4 인치, 또는 0.3~1 인치 더 큰 직경을 갖는 원의 형태로 재단될 수 있다.
이후 상기 재단된 보호막은 SiC 단결정의 종자정의 후면에 부착된다.
상기 종자정으로는, 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC 또는 15R-SiC 등 성장시키고자 하는 결정의 종류에 따라 다양한 결정 구조를 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.
또한, 상기 보호막과 상기 종자정의 후면이 직접 접촉되도록, 상기 종자정이 부착되는 영역의 이형 필름을 미리 제거한 후 가압을 통해 부착할 수 있다.
구체적으로, 시트상 성형된 보호막은 일면에 제 1 이형 필름이 합지되고 타면에 제 2 이형 필름이 합지된 구조를 가지는데, 도 2의 (b)에서 보듯이, 이와 같이 합지된 상태에서 종자정의 후면보다 큰 직경의 원의 형태(120')로 1차적으로 재단한 뒤, 종자정의 후면이 부착되는 영역(112')의 제 2 이형 필름(142)만을 2차적으로 재단할 수 있다.
그 결과, 도 2의 (c)에서 보듯이, 상기 보호막(120)은 일면에 제 1 이형 필름(141)이 합지되고 타면에 제 2 이형 필름(142)이 합지된 구조로서, 보호막(120)에 종자정이 부착되는 영역의 제 2 이형 필름(142)이 제거되어 보호막(120)이 외부로 노출될 수 있다. 또한, 상기 보호막(120)은 섬유 소재의 코어층(130)을 구비하여 향상된 인장강도를 가질 수 있다.
이후, 도 3의 (a) 및 (b)에서 보듯이, 상기 재단된 보호막(120) 상에 SiC 단결정의 종자정(110)의 후면(112)이 접촉하도록 배치하고 가압(600)을 통해 보호막과 종자정을 부착할 수 있다. 바람직하게는, 상기 보호막(120)은 미경화된 바인더 수지를 포함하므로, 가압(600)을 통해 보호막과 종자정이 용이하게 부착될 수 있다.
(c) 보호막의 경화 및 탄화
상기 단계 (c)에서는, 상기 종자정에 부착된 보호막을 경화 및 탄화시킨다.
예를 들어, 상기 보호막을 30~300℃의 온도, 또는 50~200℃의 온도에서 열처리함으로써, 건조 및 경화를 수행할 수 있다.
이후, 상기 경화된 보호막을 300℃ 이상, 예를 들어 300~2200℃의 온도에서 열처리함으로써, 탄화 내지 흑연화를 수행할 수 있다.
상기 보호막에 함유된 바인더 수지는, 상기 열처리에 의해 탄화(carbonization)되고 나아가 흑연화(graphitization)를 거쳐서 탄소질 보호막을 구성하게 된다. 또한 상기 보호막 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 탄화는 상기 보호막에 부착된 이형 필름이 모두 제거된 상태에서 수행하는 것이 바람직하다.
구체적인 예로서, 도 3의 (c)에서 보듯이, 상기 보호막(120)에서 종자정(110)이 부착되지 않은 면에 구비된 제 1 이형 필름(141)을 제거한 뒤 상기 경화 공정을 수행하는 것이 용매의 휘발이 용이한 점에서 바람직하다. 이때 상기 보호막(120)에서 종자정(110)이 부착된 면에 구비된 제 2 이형 필름(142)는 남겨 두는 것이 보호막의 처짐을 방지하고 융착을 억제하는데 유리하다. 경화 이후, 도 3의 (d)에서 보듯이, 상기 보호막(120)에서 제 2 이형 필름(142)까지 제거하고 나서 탄화를 수행할 수 있다.
이상의 공정을 거치면, 탄화된 보호막이 구비된 종자정이 수득된다. 상기 탄화된 보호막의 총 두께는 5~1500 ㎛, 10~1000 ㎛, 50~500 ㎛, 또는 50~2000 ㎛일 수 있다.
이상의 공정에 따르면, 종자정의 표면에 직접 보호막을 형성하지 않고, 시트 형태의 보호막을 미리 성형한 뒤 종자정과 부착시킴으로써, 보호막의 형성이 용이하고 균일한 두께 및 막질 구현이 가능하다. 특히 이와 같은 공정으로 종자정보다 직경이 큰 보호막을 형성할 수 있으며(종자정의 표면에 직접 보호막을 형성할 경우에는 어려운 과제임), 그 결과 반응용기 내 종자정의 배치 시에 보호막의 돌출부를 지지대로 활용하여, 종자정 홀더에 부착하는 종래의 방식을 이용하지 않고도, 종자정 홀더를 이용하는 것과 유사한 효과를 가지면서도 SiC 단결정 잉곳 성장 시 직경 축소를 방지하여 대구경의 잉곳을 얻을 수 있다. 또한, 실시예의 방식에 따르면 종자정이 발열체인 반응용기와 직접적으로 접촉하지 않으므로 종자정 손실이나 오염을 억제할 수 있다.
보호막이 구비된 종자정
실시예에 따른 보호막이 구비된 종자정은, 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정, 및 상기 종자정의 후면에 형성된 보호막을 포함하고, 상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖는다.
앞서의 공정에서 보듯이, 상기 보호막은 바인더 수지를 포함하는 조성물이 탄화 내지 흑연화된 것일 수 있다.
이에 따라 상기 보호막은 결정화되지 않은 탄소 또는 결정화된 탄소(예를 들어 흑연화된 탄소)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 보호막은 상기 바인더 수지의 탄화물 또는 흑연화물을 포함할 수 있다.
이때 상기 바인더 수지는 페놀 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 피치계 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아크릴산 수지, 푸란계 수지, 에폭시계 수지 및 이들의 혼합 수지일 수 있다. 또한, 상기 필러는 카본계 필러, 금속계 필러, 또는 이들의 복합 필러일 수 있다.
바람직하게는, 상기 보호막은 바인더 수지 및 필러를 포함하는 조성물이 탄화 내지 흑연화된 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 보호막은 상기 바인더 수지 100 중량부 대비 50~120 중량부의 필러를 포함하는 조성물이 탄화 내지 흑연화된 것일 수 있다. 보호막 내의 필러 함량이 상기 바람직한 범위 내일 때, 고온의 잉곳 성장 시에 보호막의 박리 및 크랙 등을 방지하는데 보다 유리할 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)는 실시예에 따른 보호막이 구비된 종자정의 단면을 도시한 것이다.
도 1의 (a)를 참조하여, 일 실시예에 따른 보호막이 구비된 종자정(10)은 SiC 단결정의 종자정(110), 및 상기 종자정(110)의 후면(111)에 형성된 보호막(120)을 포함한다.
도 1의 (b)를 참조하여, 다른 실시예에 따른 보호막이 구비된 종자정(10')은 SiC 단결정의 종자정(110), 및 상기 종자정(110)의 후면(111)에 형성된 보호막(120)을 포함하되, 상기 보호막(120)이 코어층(130)을 포함하고, 이때 상기 코어층(130)은 섬유 물질이 탄화되어 형성된 것일 수 있다.
특히, 이들 보호막(120)은 종자정(110)보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면(112)을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분(125)을 갖는다.
상기 돌출되는 부분(125)은 SiC 잉곳 성장을 위해 반응용기에 종자정을 거치 시에 지지부로서 활용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 보호막(120)의 단면에서 볼 때 상기 돌출되는 부분(125)은 0.1~4 인치의 범위, 또는 0.3~1.0 인치의 범위의 길이를 갖는 것이 종자정 표면의 열 충격 및 열 에칭 방지의 점에서 유리하다.
바람직한 일례로서, 상기 보호막이 50~2000 ㎛의 총 두께를 갖고, 상기 보호막의 단면에서 볼 때 상기 돌출되는 부분은 0.3~1 인치의 범위의 길이를 가질 수 있다.
SiC 단결정 잉곳의 성장 방법
실시예에 따른 보호막이 구비된 종자정의 제조방법은, (1) 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정의 후면에 보호막을 형성하는 단계; (2) 반응용기의 하부에 탄화규소(SiC) 원료 물질을 장입하고, 반응용기의 상부에 상기 종자정을 접착 없이 배치하는 단계; 및 (3) 상기 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정의 전면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖고, 상기 보호막의 돌출부를 상기 반응용기의 상부에 거치시켜 상기 종자정이 배치된다.
(1) 보호막이 구비된 종자정의 제조
상기 단계 (1)에서는, 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정의 후면에 보호막을 형성한다.
바람직한 일례로서, 상기 단계 (1)은 (a) 바인더 수지를 포함하는 조성물을 시트 형상으로 성형하여 보호막을 제조하는 단계; (b) 상기 보호막을 재단한 후 SiC 단결정의 종자정의 후면에 가압을 통해 부착하는 단계; 및 (c) 상기 종자정에 부착된 보호막을 경화 및 탄화시키는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 단계 (a)에서, 상기 조성물은 섬유 소재로 이루어진 코어층의 양면에 코팅되어 시트 형상으로 성형될 수 있다.
또한, 상기 탄화된 보호막은 50~2000 ㎛의 총 두께를 가질 수 있다. 그 외 상기 단계 (a) 내지 (c)의 구체적인 공정 조건들은 앞서 예시한 바와 같다.
또한 그에 따라 제조된 보호막이 구비된 종자정의 구체적인 구성은 앞서 예시한 바와 같다.
(2) SiC 원료 물질 장입 및 종자정의 배치
상기 단계 (2)에서는 반응용기의 하부에 탄화규소(SiC) 원료 물질을 장입하고, 반응용기의 상부에 상기 종자정을 접착 없이 배치한다.
이와 같이 실시예에 따른 방법은 종자정을 홀더에 접착하지 않는다. 바람직하게는 상기 반응용기에는 종자정의 접착을 위한 홀더가 구비되지 않는다.
일례로서, 도 4의 (a)를 참조하여, 상기 반응용기(200)는 상부 내벽에 거치대(250)를 구비하고, 상기 보호막(120)의 돌출부를 상기 거치대(250)에 거치시켜 상기 종자정(110)이 배치될 수 있다.
이때 상기 종자정(110)은 상기 SiC 원료 물질(300)에 대해 종자정의 전면이 향하도록 배치될 수 있다.
즉 상기 종자정(110)의 전면(성장면)이 반응용기의 하부를 향하도록, 종자정의 후면(보호막이 구비된 면)이 반응용기의 상부를 향하도록 배치될 수 있다.
상기 거치대(250)는 상기 보호막(120)의 돌출부를 거치시킬 수 있는 구조라면 그 형상에 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 거치대(250)는 단면에서 "ㄷ"자형으로 홈이 패인 형상을 가질 수 있고, 상기 보호막(120)의 돌출부가 상기 홈에 끼워져 거치될 수 있다.
이때 상기 반응용기는 개방형의 상부 구조를 가지고 상기 보호막에 의해 상기 반응용기가 밀폐되는 방식을 채용할 수도 있다. 예를 들어, 도 5의 (a) 및 (b)에서 보듯이, 상기 반응용기(200)에는 상부에 덮개가 없거나 또는 개방형의 덮개(220)를 구비하면서, 상기 거치대(250)의 홈에 끼워지는 보호막(120)에 의해 밀폐되는 방식을 채용할 수도 있다.
또는, 상기 거치대는 평평한 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 상기 거치대는 상기 반응용기의 상부 내벽 중 일부가 돌출되는 방식으로 형성될 수 있으며, 상기 보호막의 돌출부가 상기 거치대에 올려져 거치될 수 있다.
상기 반응용기(200)는 도가니일 수 있고, SiC의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작된다. 예를 들어 상기 반응용기는 탄소질 성분, 구체적으로 흑연 성분으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 거치대도 상기 반응용기의 성분과 같거나 다른 탄소질 성분으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 SiC 원료 물질은 예를 들어 SiC 분말일 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.
(3) SiC 단결정 잉곳의 성장
상기 단계 (3)에서는, 상기 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정의 전면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시킨다.
도 4의 (b)를 참조하여, 상기 잉곳 성장은 SiC의 원료 물질(300)을 승화시켜 상기 종자정(110) 상에 SiC 단결정의 잉곳(400)을 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 보호막이 형성되므로, 가열로 인한 종자정 후면의 손실을 방지할 수 있다.
또한, 실시예에 따르면 보호막이 종자정보다 직경이 커서 돌출되는 부분이 존재하고 이를 지지대로 활용함으로써(즉 종자정에는 거치되는 부분이 없으므로), 종자정 홀더에 부착하는 종래의 방식을 이용하지 않고도, 종자정 홀더를 이용하는 것과 유사한 효과를 가지면서도 SiC 단결정 잉곳 성장 시 직경 축소를 방지하여 대구경의 잉곳을 얻을 수 있다. 또한, 실시예 방식에 따르면 종자정이 발열체인 반응용기와 직접적으로 접촉하지 않으므로 종자정 손실이나 오염을 억제할 수 있다.
실시예에 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 성장시킬 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:
- 바인더 수지: 페놀 수지, KC-5536, 강남화성
- 필러: 인상흑연, 순도 80~99%, D50 2.5 ㎛
- 용매: 에탄올, OCI사
- 셀룰로오스 기재: 면직물, 60~100수, 평직, 두께 약 140 ㎛
- 이형 필름: 실리콘 코팅된 PET 필름, 두께 25~100 ㎛
- SiC 단결정 종자정: 직경 100~150mm, 결정구조 4H-SiC, 두께 350~1000 ㎛
- SiC 원료 분말: 순도 99.99% 이상, D50 100 ㎛
실시예 1: 보호막이 구비된 종자정의 제조
단계 (1): 코팅 조성물의 제조
바인더 수지를 용매와 혼합하여 고형분 농도 5~15 중량%의 용액을 제조한 후, 바인더 수지 100 중량부 대비 약 90 중량부의 필러를 첨가하고, 습윤분산제, 소포제 등의 첨가제를 5 중량부 이내로 더 첨가 및 분산하여 조성물을 얻었다.
단계 (2): 보호막의 제조
앞서 제조한 코팅 조성물을, 두께 약 140 ㎛의 셀룰로오스 기재의 양면에 롤 코팅 장비를 이용하여 총 2000 ㎛ 두께로 코팅하면서 시트상 성형하여 보호막을 제조하였다. 또한 성형 시에, 상기 보호막의 제 1 면 및 제 2 면에 각각 제 1 이형 필름 및 제 2 이형 필름이 합지되도록 하였다.
이후 상기 이형 필름이 부착된 보호막을 종자정의 치수에 맞게 재단하였다.
1차적으로, 제 1 이형 필름/보호막/제 2 이형 필름을, 추후 부착될 종자정의 직경에 비해 약 0.8 인치 큰 직경의 원의 형태로 재단하였다. 2차적으로, 제 2 이형 필름에서 종자정이 부착될 면의 형태 및 직경과 동일한 영역을 재단하여 제거하였다(도 2의 (b) 참조).
그 결과, 상기 보호막은 종자정보다 직경이 큰 원의 형태로 재단되었으며, 이때 보호막의 제 1 면은 제 1 이형 필름에 의해 모두 커버되고, 제 2 면은 종자정이 부착될 영역이 외부로 노출되고 그 외의 영역이 제 2 이형 필름에 의해 커버되었다(도 2의 (c) 참조).
단계 (3): 보호막에 종자정 부착
앞서 재단된 보호막의 제 2 면 중에서 제 2 이형 필름이 제거된 영역 상에 종자정의 후면(성장면의 반대면)이 접촉하도록 배치하였다. 이후 상기 보호막 상의 종자정을 25℃의 온도 및 0.5 kgf/inch의 압력 조건으로 가압하여, 보호막과 종자정을 합지하였다.
단계 (4): 보호막의 경화 및 탄화
상기 종자정에 합지된 보호막에서 제 1 이형 필름을 제거하고, 오븐에서 약 105℃로 1시간 동안 열처리하여 보호막을 건조 및 경화시켰다. 이후, 보호막에서 제 2 이형 필름을 제거하고 오븐에서 1℃/min의 속도로 승온하여 600℃에 도달한 후 2시간 동안 열처리하여 탄화시켰다.
그 결과 탄소질 보호막이 후면에 구비된 종자정을 수득하였으며, 이때 상기 보호막이 종자정보다 직경이 커서 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖게 되었다.
실시예 2: 탄화규소 단결정 잉곳의 성장
단계 (1): 종자정의 배치
상부 내벽에 거치대를 구비한 그라파이트 도가니를 준비하였다. 상기 도가니 내의 하부에 원료 물질로서 SiC 분말을 장입하였다. 또한 상기 도가니 내의 상부 거치대에, 앞서 실시예 1에서 제조한 보호막이 구비된 종자정을 거치하였다. 이때 보호막의 돌출부만을 거치대에 거치시킴으로써 종자정이 반응용기 또는 거치대와 접촉하지 않도록 하였다(도 4의 (a) 참조). 또한 상기 종자정에서 보호막이 구비된 면이 도가니 상부를 향하게 하였으며, 보호막이 구비되지 않은 면이 도가니 하부를 향하도록 하였다.
단계 (2): 단결정 잉곳의 성장
상기 도가니를 덮개로 덮고, 단열재로 에워싼 뒤, 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, 4~6 인치 구경의 SiC 단결정 잉곳을 얻었다.
시험예
(1) 보호막의 수축 평가
상기 실시예 1에서 보호막의 경화 및 탄화 시의 수축률을 평가하였다. 그 결과, 경화 후에 초기 대비 폭 방향으로 약 2% 이내의 수축률을 나타내었고, 탄화 시에 초기 대비 폭 방향으로 약 10% 이내의 수축률을 나타내는 것으로 측정되어, 수축률이 매우 적음을 확인하였다.
(2) 보호막의 표면 및 단면 평가
상기 실시예 1에서 제조한 보호막의 표면 및 단면을 관찰하였다. 그 결과 실시예 1에서 제조한 보호막은, 도 7의 (a)에서 보듯이 표면에 박리나 크랙이 발생하지 않아 우수하였으며, 도 7의 (b)에서 보듯이 단면에서 층상 구조가 명확히 확인되었다.
또한, 상기 실시예 2의 단결정 잉곳 성장 이후에, 종자정에 구비된 보호막의 표면을 관찰하였다. 그 결과, 단결정 잉곳 성장 이후에도 보호막에 홀 발생이나 소멸 등이 관찰되지 않았다.
(3) 성장 후 종자정과 잉곳의 품질 변화
상기 실시예 2에서 성장 이후에, 종자정에 대해 육안 혹은 광학 현미경을 이용해 품질을 확인한 결과, 종자정의 표면에 크랙이 발견되지 않았다.
종자정과 SiC 단결정 잉곳에 대해, 육안 혹은 광학 현미경을 이용해 품질을 확인하였다. 도 8의 (a)에서 좌측은 성장된 잉곳의 사진이고 우측은 이의 UV 이미지인데, 이와 같이 실시예 2에서 성장된 잉곳 표면에는 크랙이 발견되지 않았다.
또한 비교예로서 도 6에 나타난 종래의 방식을 이용(종자정을 홀더에 부착)하여 잉곳을 성장시키고, 육안 혹은 광학 현미경을 이용해 품질을 확인하였다. 도 8의 (b)에서 좌측은 성장된 잉곳의 사진이고 우측은 이의 UV 이미지인데, 이와 같이 비교예에 따라 성장된 잉곳 표면에는 내부 응력으로 인한 크랙(점선 부분)이 발생하였음을 확인할 수 있었다.
10, 10': 보호막이 구비된 종자정,
110: 종자정, 111: 종자정의 전면, 112: 종자정의 후면,
112': 재단선, 120: 보호막, 120': 재단선,
121: 보호막용 조성물, 125: 돌출부, 130: 코어층,
141: 제 1 이형 필름, 142: 제 2 이형 필름, 150: 접착제,
190: 종자정 홀더, 200: 반응용기, 210: 반응용기 몸체,
220: 개방형 덮개, 250: 거치대, 300: 원료 물질,
400: SiC 잉곳.

Claims (15)

  1. (1) 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정의 후면에 보호막을 형성하는 단계;
    (2) 반응용기의 하부에 SiC 원료 물질을 장입하고, 반응용기의 상부에 상기 종자정을 접착 없이 배치하는 단계; 및
    (3) 상기 SiC 원료 물질로부터 상기 종자정의 전면에 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고,
    여기서 상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖고, 상기 보호막의 돌출부를 상기 반응용기의 상부의 내벽에 구비된 거치대에 거치시켜 상기 종자정이 배치되는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (1)이
    (a) 바인더 수지를 포함하는 조성물을 시트 형상으로 성형하여 보호막을 제조하는 단계;
    (b) 상기 보호막을 재단한 후 SiC 단결정의 종자정의 후면에 가압을 통해 부착하는 단계; 및
    (c) 상기 종자정에 부착된 보호막을 경화 및 탄화시키는 단계를 포함하여 수행되는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 조성물은 섬유 소재로 이루어진 코어층의 양면에 코팅되어 시트 형상으로 성형되는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응용기가 개방형의 상부 구조를 가지고 상기 보호막에 의해 상기 반응용기가 밀폐되는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (3)에서 성장된 SiC 단결정 잉곳이 4인치 이상의 구경을 갖는, SiC 단결정 잉곳의 성장 방법.
  7. (a) 바인더 수지를 포함하는 조성물을 시트 형상으로 성형하여 보호막을 제조하는 단계;
    (b) 상기 보호막을 재단하고 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정의 후면에 가압을 통해 부착하는 단계; 및
    (c) 상기 종자정에 부착된 보호막을 경화 및 탄화시키는 단계를 포함하고,
    상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖고,
    상기 단계 (a)에서 보호막의 제조가 롤 코팅으로 수행되고, 이때 상기 보호막 양면에 이형 필름이 부착되어 성형되며,
    상기 이형 필름이 상기 단계 (c)의 경화 또는 탄화 공정 이전에 제거되는, 보호막이 구비된 종자정의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄화된 보호막은 50~2000 ㎛의 총 두께를 갖는, 보호막이 구비된 종자정의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 상기 조성물을 섬유 소재로 이루어진 코어층의 양면에 코팅하여 시트 형상으로 성형하는 것인, 보호막이 구비된 종자정의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 코어층이 셀룰로오스 섬유로 구성되는, 보호막이 구비된 종자정의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 상기 보호막과 상기 종자정의 후면이 직접 접촉되도록, 상기 종자정이 부착되는 영역의 이형 필름을 미리 제거한 후 가압을 통해 부착하는, 보호막이 구비된 종자정의 제조방법.
  13. 탄화규소(SiC) 단결정의 종자정, 및
    상기 종자정의 후면에 형성된 보호막을 포함하고,
    상기 보호막은 상기 종자정보다 직경이 커서 상기 종자정의 후면을 전부 커버하면서 가장자리 바깥으로 돌출되는 부분을 갖고,
    상기 보호막이 코어층을 포함하며,
    이때 상기 코어층은 섬유 물질이 탄화되어 형성된, 보호막이 구비된 종자정.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 보호막이 50~2000 ㎛의 총 두께를 갖고,
    상기 보호막의 단면에서 볼 때 상기 돌출되는 부분은 0.3~1 인치의 길이를 가지는, 보호막이 구비된 종자정.
  15. 삭제
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