KR102122739B1 - 단결정 성장을 위하여 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용액성장용 도가니로서, 상기 도가니의 내면에는 내부 방향으로 돌설되는 돌설부가 마련되되, 상기 돌설부는 그 상단부에 이르기까지 용액에 침잠되는 것을 특징으로 하는 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니를 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 탄소의 용해도를 제고할 수 있으므로, 단결정 성장속도를 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Description

단결정 성장을 위하여 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니{A crucible designed with protrusion for crystal growth using solution}

본 발명은 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용액성장용 도가니로서, 상기 도가니의 내면에는 내부 방향으로 돌설되는 돌설부가 마련되되, 상기 돌설부는 그 상단부에 이르기까지 용액에 침잠되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장을 위하여 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니를 제공한다.

SiC(Silicon Carbide) 단결정은 우수한 기계적, 전기적 물성을 갖고 있어 전기, 전자재료로서 유망한 재료이다. SiC는 고온 안정성과 절연파괴 강도가 높고, 이러한 특징으로 인해 이를 소자에 적용할 때, 그 두께를 Si 보다 얇게 만들 수 있으며, 도핑 수준을 제고할 수 있는 장점이 존재한다. 결국 이것은 전기저항성을 낮추기 때문에 에너지 손실을 줄일 수 있다.

대개 SiC 단결정은, 물리적 기상 운송법(Physical vapor transport, PVT)을 이용하여 제작하는데, 이는 상당히 높은 온도의 공정이며, 현재 BPD(basal plane dislocation)의 수를 조절하는데 있어서 한계가 있다.

이에 반하여 용액성장법(Top seed solution growth)은, 액상의 실리콘을 이용하여 탄소를 용해시키고 그 포화도를 조절하여 SiC 단결정을 성장시키는 방법이다. 이 방법은 PVT 법보다 공정온도가 500 ~ 700℃정도 낮고 BPD의 개수를 현저히 감소시켰다는 보고가 있다.

SiC 단결정을 제조하기 위한 용액성장법은 도가니로부터 용액으로 탄소를 녹여내는 고온부(용액 하단 영역)와 종자결정을 담금하여 결정성장을 진행하는 저온부(용액 상단 영역)의 제어가 핵심 요소이다.

이 때, 두 영역간의 온도구배가 지나치게 크다면 결정성장속도가 과하게 증가하여 제어력을 상실하여 결정질의 급격한 저하 및 다결정이 발생할 수 있으며, 혹은 온도구배가 역전되는 현상(종자결정-고온, 용액하단-저온)이 발생한다면 탄소공급이 원활하게 이뤄지지 않아서 결정이 제대로 성장하지 못하게 되는 문제가 발생한다.

대한민국등록특허 제10-0845946호 대한민국공개특허 제10-2017-0068554호 대한민국공개특허 제10-2017-0128527호

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소의 용해도를 제고할 수 있으므로, 단결정 성장속도를 향상시킬 수 있는 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종자결정으로 탄소를 보다 용이하게 공급할 수 있는 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단일 시간동안 성장된 단결정의 두께가 종래의 도가니에 비하여 더 두껍고 결정의 품질도 더욱 균일하고 양호해지는 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니를 제공하는 것이다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 용액성장용 도가니로서, 상기 도가니의 내면에는 내부 방향으로 돌설되는 돌설부가 마련되되, 상기 돌설부는 적어도 일부가 용액에 침잠되는 것을 특징으로 하는 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니를 제공한다.

상기 돌설부는 단면이 상광 하협의 구조를 이루는 것이 바람직하다.

상기 돌설부의 상면은 도가니의 벽면에 수직인 상태로 돌설되는 것이 바람직하다.

상기 돌설부의 하면은 테이퍼 형상인 것이 바람직하다.

상기 돌설부의 테두리간 거리의 최소값은 종자결정의 크기보다 큰 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 탄소의 용해도를 제고할 수 있으므로, 단결정 성장속도를 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 종자결정으로 탄소를 보다 용이하게 공급할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 단일 시간동안 성장된 단결정의 두께가 종래의 도가니에 비하여 더 두껍고 결정의 품질도 더욱 균일하고 양호해지는 효과를 기대할 수 있다. 이는 돌설부 하부에서의 대류가 활발하며, 고온으로 유지되고 있어 탄소농도가 높고 균일하기 때문이며, 특히 이는 돌설부에 의해 가두어지는 용액내의 온도구배가 기존의 도가니에 비하여 작기 때문이다. 즉, 좁은 온도범위 내에서는 용액의 품질이 국부적으로 대체로 균일할 수 있으므로 성장된 결정의 품질도 균질하게 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 도가니의 단면(b)을 기존의 도가니의 단면(a)과 함께 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 도가니의 내부 대류 및 온도구배, 탄소농도분포 등(b)을 시뮬레이션 하여 기존의 도가니의 것(a)과 함께 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 도가니(우)와 기존의 도가니(좌)를 사용하여 각각 반응을 종료하고, 그 내부 결정상태를 전자현미경 사진으로 각각 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 도가니를 이용하여 성장시킨 단결정의 전자현미경에 의한 미세구조(우)를 기존의 도가니를 이용하여 성장시킨 단결정의 그것(좌)과 비교하여 나타낸 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명하도록 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 도가니의 단면을 기존의 도가니의 단면과 함께 나타낸 것이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 도가니의 내부 대류 및 온도구배, 탄소농도분포 등을 시뮬레이션 하여 기존의 도기나의 것과 함께 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 도가니와 기존의 도가니를 사용하여 각각 반응을 종료하고, 그 내부 결정상태를 전자현미경 사진으로 각각 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 도가니를 이용하여 성장시킨 단결정의 전자현미경에 의한 미세구조를 기존의 도가니를 이용하여 성장시킨 단결정의 그것과 비교하여 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본원발명의 도가니(110)는 용액(111)성장용 도가니(110)로서, 상기 도가니(110)의 내면에는 내부 방향으로 돌설되는 돌설부(160)가 마련되되, 상기 돌설부(160)는 적어도 일부가 용액(111)에 침잠되는 것을 특징으로 한다. 상기 돌설부(160)의 용도는 탄소의 용해도를 조절하고자 하는 것이며, 또한 종자결정(120)을 고온으로 유지함으로써 종자결정(120) 주위에 발생될 수 있는 다결정의 생성을 억제하기 위한 것이다.

이를 위하여 상기 돌설부(160)는 종자결정(120) 지지봉(130)의 인근에 위치하지 않고, 용액(111)에 의해 침잠될 수 있는 위치에 마련되어야 한다. 돌설부(160)가 용액(111)에 침잠되어야 본 발명이 추구하는 결과를 모두 도출할 수 있으며, 용액(111)에 침잠되지 않으면 돌설부(160)가 존재하지 않는 경우와 어느 정도 차별은 되겠지만 본원발명이 추구하는 바의 목적을 달성하는데 부족함이 있다. 따라서, 돌설부(160)의 적어도 일부는 반드시 용액(111)내에 침잠되어야 한다. 즉, 적어도 후술하는 바와 같이 돌설부(160)의 테이퍼 영역은 용액(111)내에 잠기는 것이 좋다.

또한, 돌설부(160)는 그 형태에 따라서 대류의 흐름을 제어한다. 본 발명에서는 돌설부(160)의 일부, 특히 하부에 테이퍼 형상이 마련되도록 함으로써 테이퍼 면을 따라서 대류가 원활히 이루어지도록 하고 있다. 이는 탄소 용해도 향상에 기여한다. 다만, 상기 돌설부(160)는 보다 포괄적으로는 상광하협의 단면형상을 지니도록 구성된다.

또한, 본 발명의 돌설부(160)는 직접 가열을 받는 도가니(110) 프레임에 해당되므로, 대략 사방에서 용액(111)을 가열할 수 있으며, 상부의 저온부로의 열 손실을 막아줄 수 있으므로, 탄소 용해도 증가에 기여할 수 있고, 활발한 대류를 유도할 수 있다. 또한, 고온상태로 유지하므로 종자결정(120)에서 성장하는 결정은 주로 단결정이 될 것이며, 기존의 도가니(110)를 이용하는 경우와 비교하여 다결정의 생성량을 크게 줄일 수 있다. 이는 도 4에서 도시된 바와 같이 실험적으로 증명될 수 있다.

상기 돌설부(160)의 상면은 도가니(110)의 벽면에 수직인 상태로 돌설되며, 가장 경제적인 형상이 된다.

한편, 상기 돌설부(160)의 테두리간 거리의 최소값은 종자결정(120)의 크기보다 크다. 이는 종자결정(120) 전체에 대하여 기체가 이동하여야 하기 때문이다.

또한, 도 2에서 도시된 바와 같이, 기존의 도가니(110)와 본 발명에 의한 돌설부(160)가 마련된 도가니(110)를 각각 이용하여 대류, 온도구배 및 탄소 농도 분포에 대한 시뮬레이션을 진행한 결과(사용 프로그램-CGSimTM, STR Group Ltd.), 도가니(110) 형태에 따른 유체흐름의 차이는 없었으나, 전반적인 용액(111) 온도 및 용해된 탄소 농도는 돌설부(160)가 마련된 도가니(110)의 경우에 있어서 다소간 더 높았으며, 본 발명의 도가니(110) 벽면(modified structure)을 따라, 즉, 종자결정(120) 가장자리 부근에서 용해된 탄소가 고농도로 분포하고 있음을 알 수 있었다. 특히, 기존의 도가니(110)의 경우, 용액(111)내 위치에 따른 탄소농도 분포가 불균일한 형태를 보이는데 반면, 본 발명의 도가니(110)의 경우, 종자결정(120) 표면에서부터 용액(111) 하단부에 이르기까지 전반적인 영역이 균일한 탄소농도 분포를 보이고 있으며, 이는 균질한 결정을 성장시킬 수 있는 조건으로 연결될 수 있다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 기존의 도가니(110)와 본 발명의 도가니(110)에서의 SiC 층의 두께는 본 발명의 도가니(110)에서 확연히 두꺼운 상태를 나타냈음을 알 수 있다.

즉, 기존의 도가니(110)와 본 발명의 도가니(110)를 각각 사용하여 동일한 조건에서 SiC 단결정 용액(111)성장을 진행 후, 사용한 도가니(110)를 단면가공하여 분석한 결과, 도가니(110)/용액(111) 계면에 형성된 SiC layer가 본 발명에 의한 경우, 종래의 도가니(110)에 의한 경우보다 3배 가량 두껍게 형성되었으며, 냉각 과정에서 용액(111)내에서 형성된 SiC particle의 크기 또한 본 발명에 의한 도가니(110)의 경우 더 크게 나타난 것으로 보아, 전반적인 탄소 용해도가 상당히 증가했음을 알 수 있으며, 이는 도 2와 같이 시뮬레이션한 결과와 경향성이 일치한다.

특히, SiC particle이 형성된다는 것은 용융된 탄소가 냉각 과정에서 Si 용액(111)과 반응, 즉, 결정화를 통해 고형으로 석출되는 것과 동일한 개념으로 볼 수 있는데, 기존의 도가니(110)는 대부분의 SiC particle이 도가니(110) 바닥에 분포되어 있으나, 본 발명에 의한 도가니(110)는 변형된 구조의 벽면을 따라 대부분의 SiC particle이 형성되어 있다. 따라서, 용융된 탄소가 대부분 본 발명의 도가니(110) 벽면을 따라 분포하고 있었음을 역으로 추정할 수 있으며, 이는 보다 수월하게 종자결정(120)으로 탄소를 공급할 수 있는 조건이라는 점을 시사하는 것이다.

또한, 도 4에서 도시된 바와 같이 위 두가지 도가니(110)를 이용하여 성장한 결정을 비교 분석한 결과, 육안으로 관측 가능한 규모의 결함을 포함하는 영역을 제외하면, 실제로 기존의 도가니(110)에서 성장된 결정층보다 본 발명의 돌설부(160)가 마련된 도가니(110)에서 성장된 결정층이 더 두텁고 균일함을 알 수 있다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 도가니 장치 110 : 도가니
111 : 용액 120 : 종자결정
130 : 지지봉 140 : 단열재
150 : 가열 코일 160 : 돌설부

Claims (5)

1. 용액성장용 도가니로서,
   상기 도가니의 내면에는 내부 방향으로 돌설되는 돌설부가 마련되되, 상기 돌설부는 적어도 일부가 용액에 침잠되며, 상기 돌설부는 상기 도가니와 일체로 형성되며,
   상기 돌설부는 단면이 상광 하협의 구조를 이루고, 돌설부의 하면은 테이퍼 형상을 이루며,
   상기 돌설부의 테두리간 거리의 최소값은 종자결정의 크기보다 커서 종자결정이 용액에 침잠되었을 때, 상기 돌설부의 상부가 종자결정의 주변부를 둘러싸도록 배치되고,
   상기 돌설부의 상면은 도가니의 벽면에 수직인 상태로 돌설되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장을 위하여 용액에 침잠되는 돌설부를 구비하는 도가니.
   
   
   
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