KR102136269B1

KR102136269B1 - 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치

Info

Publication number: KR102136269B1
Application number: KR1020170118858A
Authority: KR
Inventors: 이성수; 박만식; 김준규; 김정환
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2020-07-21
Also published as: KR20190031036A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 용액 성장법을 사용하여 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에서, 용융액이 장입되는 도가니를 포함하는 주챔버, 상기 주챔버와 연결되며 일정한 분위기를 유지하는 보조 챔버, 그리고 상기 보조 챔버 내에 위치하는 복수의 샤프트를 포함한다.

Description

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 관한 것이다.

실리콘카바이드(SiC) 단결정은 내마모성 등의 기계적 강도와 내열성 및 내부식성이 우수하여 반도체, 전자, 자동차, 기계 분야 등의 부품소재로 많이 사용되고 있다.

통상적으로 실리콘카바이드 단결정의 성장을 위해서는, 예를 들어, 탄소와 실리카를 2000도(℃) 이상의 고온 전기로에서 반응시키는 애치슨 방법, 실리콘카바이드를 원료로 하여 2000도(℃) 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법, 결정 인상법(crystal pulling method)을 응용한 용액 성장법 등이 있다. 이외에도, 기체 소스를 사용하여 화학적으로 증착시키는 방법이 사용되고 있다.

그러나 애치슨 방법은 고순도의 실리콘카바이드 단결정을 얻기가 매우 어렵고, 화학적 기상 증착법은 박막 수준으로 두께가 제한될 수 있다. 이에 따라 고온에서 실리콘카바이드를 승화시켜 결정을 성장시키는 승화법에 대한 연구에 집중되어 왔다. 그런데 승화법 역시 일반적으로 2400℃ 이상의 고온에서 이루어지고, 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 여러 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있다.

본 발명은 연속적인 공정을 통해 공정에 소요되는 시간 및 비용의 절감이 가능한 실리콘카바이드의 제조 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 복수의 샤프트 중 적어도 하나는 실리콘카바이드 종결정과 연결될 수 있다.

상기 복수의 샤프트 중 적어도 하나는 원료 장입이 가능한 로딩 부재와 연결될 수 있다.

상기 주챔버와 상기 보조 챔버는 개폐 부재를 통해 분리될 수 있다.

상기 보조 챔버와 연결된 진공 펌프, 상기 보조 챔버에 형성된 가스 주입부 및 가스 배출부, 그리고 상기 보조 챔버에 대한 가열부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 복수의 샤프트 중 어느 하나에 연결되어 상기 주챔버를 향해 상하 운동하는 샤프트 이동 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 보조 챔버 내에 위치하는 제3 보조 챔버를 더 포함하고, 상기 복수의 샤프트 중 적어도 하나는 상기 제3 보조 챔버 내에 위치할 수 있다.

상기 제3 보조 챔버 내에 위치하는 가열부, 진공 펌프, 가스 주입부 및 가스 배출부 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 샤프트는 상기 보조 챔버 내부에 연결된 샤프트 교환축과 연결될 수 있다.

상기 샤프트 이동 부재는 상기 보조 챔버 내의 상단에 위치하는 제1 위치, 그리고 상기 보조 챔버 내의 하단에 위치하는 제2 위치 사이를 상하 이동하고, 상기 제1 위치에서 복수의 샤프트 중 적어도 하나와 결합될 수 있다.

본 발명에 의하면 장치의 냉각 공정 또는 종료 공정 없이도 실리콘카바이드 단결정의 연속적인 성장 공정이 가능할 수 있다. 특히 수득 공정의 분위기가 제어된 상태에서 소정의 조성을 가지는 용융액을 연속적으로 실시간 제공하거나 추가 실리콘카바이드 종결정의 실시간 제공을 통해 연속적으로 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있다. 또한 이러한 제조 장치에 따라 수득된 실리콘카바이드 단결정은 고품질일 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 단면도이다.
도 2, 도 3 및 도 4는 샤프트 교환에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 단면도이다.
도 6은 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 원료를 장입하는 도가니(500)가 내부에 배치된 주챔버(300), 주챔버(300)와 연결되며 소정의 분위기가 유지되는 보조 챔버(200)를 포함한다. 보조 챔버(200) 내부에는 주챔버(300) 내부로 연장되는 복수의 샤프트(400)가 위치할 수 있다. 이하에서 주챔버(300) 및 보조 챔버(200)를 기준으로 보다 상세하게 살펴본다.

주챔버(300)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이고 그 내부가 일정한 압력 등의 분위기로 유지될 수 있다. 도시되지 않았으나 주챔버(300)에는 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크가 연결될 수 있다. 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크를 이용하여 주챔버(300) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 기체와 같은 비활성 기체를 충전할 수 있다.

주챔버(300)는 개폐 부재(310)를 통해 보조 챔버(200)와 연결될 수 있다. 개폐 부재(310)가 열린 상태에서는 샤프트(400)가 개폐 부재(310)를 관통하여 주챔버(300) 내의 도가니(500)에 인접하게 위치할 수 있다. 개폐 부재(310)가 닫힌 상태에서는 샤프트(400)가 보조 챔버(200) 내에 위치할 수 있다.

샤프트(400)에는 지지 부재(410)를 통해 실리콘카바이드 종결정(420) 또는 로딩 부재(430)가 연결될 수 있다.

실리콘카바이드 종결정(420)은 실리콘카바이드 단결정으로 이루어진다. 실리콘카바이드 종결정(420)의 결정 구조는 제조하려는 실리콘카바이드 단결정의 결정 구조와 같다. 예를 들어, 4H 다형의 실리콘카바이드 단결정을 제조하는 경우, 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(420)을 이용할 수 있다. 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(420)을 이용하는 경우, 결정 성장면은 (0001)면 또는 (000-1)면이거나, (0001)면 또는 (000-1)면으로부터 8도 이하의 각도로 경사진 면일 수 있다.

로딩 부재(430)는 도가니(500) 내에 추가 원료를 장입할 수 있다. 실리콘, 탄소, 또는 금속 첨가물 등의 추가 장입이 가능한 어떠한 부재도 가능할 수 있다.

지지 부재(410)는 실리콘카바이드 종결정(420)과 샤프트(400)를 연결하거나 로딩 부재(430)와 샤프트(400)를 연결할 수 있다. 지지 부재(410)의 일단은 샤프트(400)에 연결되고 타단은 종결정(420) 또는 로딩 부재(430)에 연결될 수 있다.

본 명세서는 지지 부재(410) 및 샤프트(400)가 종결정(420) 또는 로딩 부재(430)와 연결되는 실시예에 대해 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 주챔버(300) 내측으로 제공될 수 있는 어떠한 부재와도 연결될 수 있음은 물론이다.

샤프트 이동 부재(240)는 샤프트(400)와 연결된다. 샤프트 이동 부재(240)는 이동 부재(240)에 연결된 샤프트(400)를 주챔버(300) 내에 위치시키거나 보조 챔버(200) 내에 위치시킬 수 있다. 샤프트 이동 부재(240)는 보조 챔버(200) 내부의 상단에 위치하거나(제1 위치) 보조 챔버(200) 내부의 하단에 위치할 수 있다(제2 위치). 샤프트 이동 부재(240)가 제1 위치에 위치하는 경우 샤프트 이동 부재(240)에 연결된 샤프트(400)는 보조 챔버(200) 내에 위치할 수 있으며, 샤프트 이동 부재(240)가 제2 위치에 위치하는 경우 샤프트 이동 부재(240)에 연결된 샤프트(400)는 주챔버(300) 내에 위치할 수 있다.

샤프트 이동 부재(240)는 주챔버(300) 및 보조 챔버(200)의 높이 방향을 따라 상하 방향으로 이동할 수 있다. 샤프트 이동 부재(240)가 상하 방향으로 이동함에 따라, 샤프트 이동 부재(240)에 연결된 샤프트(400)는 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정을 위해 도가니(500) 내측으로 이동되거나 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정이 종료된 이후 도가니(500) 외측으로 이동될 수 있다. 또한 샤프트(400)의 교체가 필요한 경우에도 도가니(500) 외측, 보조 챔버(200) 내로 이동될 수 있다.

또한 일 실시예에 따른 샤프트 이동 부재(240)는 도가니(500) 내에서 일 방향으로 회전할 수 있다. 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 공정에서 실리콘카바이드 종결정(420)은 샤프트 이동 부재(240)과 연결된 회전 운동을 통해 수득 효율을 높일 수 있다.

샤프트 이동 부재(240)는 상하 방향으로 이동하거나 일 방향으로 회전하기 위한 공지의 수단을 포함할 수 있다.

도가니(500)는 주챔버(300) 내부에 구비되며 상측이 개방된 용기 형태일 수 있다. 도가니(500)는 상부면을 제외한 외주면 및 하부면을 포함할 수 있다. 도가니(500)는 전술한 형태에 제한 없이 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태도 가능함은 물론이다. 도가니(500)는 실리콘 또는 실리콘카바이드 분말과 같은 용융 원료가 장입되어 수용될 수 있다.

도가니(500)는 그라파이트, 실리콘카바이드와 같이 탄소를 함유하는 재질일 수 있다. 탄소를 함유하는 도가니(500) 자체는 탄소 원료의 공급원으로 활용될 수 있다. 이에 제한되지 않고 세라믹 재질의 도가니를 사용할 수 있으며, 이때 탄소를 제공할 물질 또는 공급원 별도로 제공할 수 있다.

주챔버 가열 부재(700)는 도가니(500)를 가열하여 도가니(500)에 수용된 원료를 용융시키거나 가열할 수 있다. 주챔버 가열 부재(700)는 저항식 발열 수단 또는 유도 가열식 발열 수단을 사용할 수 있다. 구체적으로 주챔버 가열 부재(700) 자체가 발열하는 저항식으로 형성되거나 주챔버 가열 부재(700)가 인덕션 코일로 형성되고 인덕션 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(500)를 가열하는 유도 가열 방식으로 형성될 수도 있다. 그러나 전술한 방법에 제한되지 않고 어떠한 가열 부재도 사용될 수 있음은 물론이다.

주챔버 가열 부재(700)와 도가니(500) 사이에 단열 부재(600)가 위치할 수 있다. 단열 부재(600)는 도가니(500)가 일정한 온도로 유지되게 할 수 있다.

단열 부재(600)는 본 명세서에 도시된 형태에 제한되지 않으며 도가니(500)를 감싸는 어떠한 형상도 가능할 수 있다. 일 예로 도가니(500)의 상부면을 덮는 뚜껑 형태를 가지거나 격벽 형태로 제공될 수 있다. 단열 부재(600)는 적어도 하나의 조립체를 포함할 수 있다.

도가니(500) 하부에는 회전 부재(900)가 위치할 수 있다. 회전 부재(900)는 도가니(500)의 하측면에 결합되어 도가니(500)를 회전시킬 수 있다. 도가니(500) 회전을 통해 균일한 조성의 용융액 제공이 가능한 바 실리콘카바이드 종결정(420)에서 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.

보조 챔버(200)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이다. 보조 챔버(200) 내부는 일정한 압력 및 온도로 유지될 수 있다. 보조 챔버(200)에는 일정한 분위기 유지를 위한 진공 펌프(100), 가스 주입부(220), 가스 배출부(221) 및 보조 챔버 가열 부재(210)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 진공 펌프(100), 가스 주입부(220), 가스 배출부(221) 및 보조 챔버 가열 부재(210) 중 적어도 어느 하나는 생략될 수 있다.

가스 주입부(220)에는 분위기 제어용 가스 탱크가 연결될 수 있다. 진공 펌프(100)를 이용하여 보조 챔버(200) 내부를 진공 상태로 만든 이후 가스 주입부(220)를 통해 비활성 기체 등을 주입할 수 있다.

보조 챔버 가열 부재(210)는 보조 챔버(200) 내부를 일정한 온도로 유지할 수 있다. 실시예에 따라서는 샤프트(400)에 연결된 실리콘카바이드 종결정(420) 또는 로딩 부재(430)에 장입된 원료를 가열하여 표면에 형성된 산화막 또는 불순물 등을 제거할 수 있다.

보조 챔버(200) 내부에 샤프트 교환축(230)이 위치한다. 샤프트 교환축(230)은 복수의 샤프트(400)와 각각 결합될 수 있다. 샤프트 교환축(230)은 회전을 통해 선택된 어느 하나의 샤프트(400)를 샤프트 이동 부재(240)와 결합시킬 수 있다.

샤프트 교환축(230)은 복수의 샤프트(400)와 결합되며 샤프트(400)가 탈착될 수 있는 샤프트 교환축(230)은 샤프트(400)를 샤프트 교환축(230)에 고정시키는 샤프트 지지축(231)을 포함할 수 있다. 샤프트 지지축(231)은 도시하지 않았으나 샤프트 고정부(미도시)를 포함할 수 있다.

본 명세서는 샤프트 교환축(230)이 2개의 영역에서 샤프트(400)와 연결되는 실시예를 설명하였으나 이에 제한되지 않고 샤프트 교환축(230)은 2 이상의 샤프트 고정부를 포함하고 2 이상의 샤프트와 연결될 수 있음은 물론이다.

이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법에 대해 설명한다.

우선 실리콘계 용융 조성물을 포함하는 초기 용융 원료를 도가니(500) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 도가니(500)가 탄소 재질을 포함하는 경우 초기 용융 원료는 탄소를 별도로 포함하지 않을 수 있으며 이에 제한되지 않고 초기 용융 원료는 탄소를 포함할 수도 있다.

초기 용융 원료를 실장하고 있는 도가니(500)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 주챔버 가열 부재(700)를 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니(500) 내의 초기 용융 원료는 탄소(C), 실리콘(Si) 및 금속을 포함하는 용융액으로 변한다.

도가니(500)가 소정의 온도에 도달한 이후, 도가니(500)의 특정 위치를 기준으로 한 공정온도는 일정한 온도로 유지된다. 다만 용융액은 도가니(500) 내의 위치별로 온도 편차를 가질 수 있다. 이러한 온도 편차에 따르면 용융액 위치에 따른 탄소 용해도 편차가 발생한다.

탄소가 녹아있는 용융액이 고온 영역에서 저온 영역으로 유동하는 경우 석출 구동력이 발생할 수 있다. 이때 종결정(420)의 온도를 가장 낮게 제어하여 종결정(420)에 인접한 영역에서 적절한 과포화 상태가 발생할 수 있다.

과포화도 상태에서는 종결정(420) 상에 실리콘카바이드 단결정이 성장한다.

일 실시예에 따르면 실리콘카바이드 종결정(420)의 표면과 용융액 사이에 메니스커스가 형성될 수 있다. 메니스커스란 실리콘카바이드 종결정(420)의 하부면이 용융액과 접촉한 이후 살짝 들어올려지면서 발생하는 표면 장력에 의해 용융액 상에 형성되는 곡면을 지칭한다. 메니스커스를 형성하여 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 경우 다결정의 발생을 억제하여 보다 고품질의 단결정을 수득할 수 있다.

실리콘카바이드 단결정이 성장함에 따라 용융액으로부터 실리콘카바이드를 석출하는 조건이 변할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 주챔버(300) 뿐만 아니라 보조 챔버(200) 역시 외부로부터 분리되어 있다. 보조 챔버(200)는 용융액에 첨가되는 실리콘, 탄소, 또는 금속 첨가물을 로딩 부재(430)에 장입하여 주챔버(300) 내의 도가니(500)로 제공할 수 있다. 도가니(500) 내에 추가 원료를 장입하여 소정의 조성을 만족시키는 용융액이 유지되게 할 수 있다.

구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이 실리콘카바이드 종결정(420)이 연결된 샤프트를 보조 챔버(200) 내측으로 이동시킨다. 그리고 나서 개폐 수단(310)을 이용하여 주챔버(300)와 보조 챔버(200)를 분리한다.

다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 샤프트 교환축(310)을 통해 샤프트 이동 부재(240)에 실리콘카바이드 단결정이 수득된 샤프트(400)를 분리하고 로딩 부재(430)가 연결된 샤프트(400)를 결합시킨다.

그리고 나서 도 4에 도시된 바와 같이 개폐 수단(310)을 개방하고 샤프트 이동 부재(240)를 하강시켜 용융액 내에 추가 원료를 장입한다. 실리콘 및 탄소는 연속적으로 또는 비연속적으로 투입될 수 있다.

이후 도가니(500) 내에 새로운 실리콘카바이드 종결정(420)의 제공을 위해 전술한 공정을 반복할 수 있다.

투입된 실리콘카바이드 종결정(420)에 상당량의 실리콘카바이드 단결정이 성장된 경우 실리콘카바이드 종결정(420)의 교체가 필요할 수 있다. 이 경우 보조 챔버(200)에서 이동 부재(240)에 결합되지 않은 나머지 샤프트(400)에 새로운 실리콘카바이드 종결정(420)을 연결한다. 보조 챔버(200)에서는 새로운 샤프트(400)에 대한 전처리 공정을 실시할 수 있다.

그리고 나서 새로운 실리콘카바이드 종결정(420)이 연결된 샤프트 이동 부재(240)가 보조 챔버(200) 하단으로 이동함에 따라 새로운 실리콘카바이드 종결정(420)을 도가니(500) 내의 용융액에 제공할 수 있다. 전술한 공정과 동일한 순서에 따라 제공될 수 있다.

즉 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 사용하는 경우, 추가 원료의 장입 또는 새로운 실리콘카바이드 종결정을 제공하는 공정에서 외부에 대한 개방 없이 공정의 연속성이 유지될 수 있다. 이를 통해 실리콘카바이드 수득 공정에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 또한 용융액의 바람직한 조성을 연속적으로 유지할 수 있으므로 고품질의 실리콘카바이드 단결정의 수득이 가능할 수 있다.

이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 설명한다. 도 5는 다른 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 단면도이다. 전술한 실시예와 다른 구성요소에 대해 설명하고, 동일 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.

도 5를 참조하면, 보조 챔버(200) 내에 제3 보조 챔버(800)가 위치한다.

제3 보조 챔버(800)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이다. 본 명세서는 도시하지 않았으나 보조 챔버(200)와 제3 보조 챔버(800) 사이의 개폐를 제어하는 수단을 더 포함할 수 있다.

제3 보조 챔버(800)의 내부는 일정한 압력 및 온도로 유지될 수 있다. 제3 보조 챔버(800)는 보조 챔버(200)와는 별개의 일정한 분위기의 유지를 위한 진공 펌프(100), 가스 주입부(820) 및 가스 배출부(821), 그리고 제3 보조 챔버 가열 부재(810)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는 진공 펌프(100), 가스 주입부(820), 가스 배출부(821) 및 가열 부재(810) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.

가스 주입부(820)에는 분위기 제어용 가스 탱크가 연결될 수 있다. 진공 펌프(100)를 이용하여 제3 보조 챔버(800) 내부를 진공 상태로 만든 이후 가스 주입부(820)를 통해 비활성 기체 등을 주입할 수 있다.

제3 보조 챔버 가열 부재(810)는 제3 보조 챔버(800) 내부를 일정한 온도로 유지할 수 있다. 실시예에 따라서는 샤프트(400)에 연결된 실리콘카바이드 종결정 또는 원료 등에 포함된 불순물 및/또는 산화막을 제거할 수 있다.

실시예에 따라 제3 보조 챔버(800) 내에 샤프트(400)와 연결된 실리콘카바이드 종결정(420) 또는 로딩 부재(430)가 위치할 수 있다. 실리콘카바이드 종결정(420) 또는 로딩 부재(430)는 소정의 분위기에서 준비될 수 있다.

제조 공정에 따라 주챔버(300) 내부에 위치하는 샤프트(400)가 교체되어야 하는 경우 제3 보조 챔버(800)에서 준비된 실리콘카바이드 종결정(420) 또는 로딩 부재(430)는 샤프트 교환축(230)에 의해 샤프트 이동 부재(240)에 연결될 수 있다. 샤프트 이동 부재(240)에 장착된 새로운 샤프트(400)는 다시 주챔버(300) 내로 이동될 수 있다.

본 명세서는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치가 샤프트 회전축을 포함하고, 이에 연결된 복수의 샤프트가 샤프트 이동 부재에 교체되는 구성을 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 수동식으로 교체될 수 있음은 물론이다.

이하에서는 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 살펴보고, 본 발명의 실시예에 따른 장치의 효과에 대해 설명한다. 도 6은 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 단면도이다.

비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 보조 챔버에 하나의 샤프트가 위치하고, 보조 챔버는 분위기 제어를 위한 별도의 진공 펌프 내지 가스 주입구 등을 포함하지 않는다.

비교예에 따른 제조 장치는 실리콘카바이드 단결정의 수득을 위해 도가니(500) 내에 실리콘카바이드 종결정(420)을 위치시킬 수 있다. 단결정 성장이 완료된 이후 새로운 실리콘카바이드 종결정의 제공을 위해 주챔버는 냉각될 수 있다.

이후 냉각된 챔버를 개방하여 기존 샤프트(400)를 탈착하고 새로운 샤프트(400)를 이동 부재(240)에 결합한다. 이후 주챔버(300)의 분위기를 다시 설정 및 제어하고 새로운 샤프트(400)를 도가니(500) 내의 용융액과 접촉하도록 위치시킨다.

비교예에 따르면 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 장치와는 달리 복수의 샤프트를 하나의 공정에서 실시간으로 교환하기 어려울 수 있다. 또한 샤프트의 교환을 위해서는 장치의 개방이 필요하여 제어된 분위기 유지가 어려운 문제가 있다.

상기와 같은 문제는 2회 이상의 공정을 지속 수행함에 있어 전체 공정에 소요되는 시간 증가 등의 문제로 나타날 수 있다.

구체적으로, 실리콘카바이드 단결정이 성장됨에 따라 도가니 내의 용융액 조성이 변경될 수 있다. 예를 들어 용융액 내에 포함되는 실리콘(Si)의 함량이 감소할 수 있다. 이 경우 실리콘카바이드 단결정의 성장 속도가 지나치게 빨라질 수 있으며 빠른 성장 속도에서 수득된 실리콘카바이드 단결정은 상당수의 결함을 포함한다. 따라서, 소정의 함량을 만족시키는 용융액을 각 공정별 안정적으로 제공하기 위해 도가니의 냉각 공정, 조성이 제어된 원료의 투입 및 주챔버의 분위기 제어를 위한 공정단계가 추가로 필요할 수 있다. 그러나 이러한 공정 단계가 추가됨에 따라 전체 공정에 소요되는 시간이 증가하는 등 전체 공정 효율이 낮아지는 문제가 발생 할 수 있다. 도 6에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치와 유사하나 별도의 보조 챔버를 포함하지 않는 경우에는 상술한 공정상의 문제가 더욱 심하게 나타날 수 있다.

도가니(500)의 냉각 공정에서는 용융액의 팽창에 따른 도가니 파손이 발생할 수 있다. 또한 용융액 내에 포함되는 금속의 냉각 중 분리 석출(segregation) 현상은 응고물의 영역별 조성편차를 발생시킨다. 이 때문에 냉각된 응고물을 정확한 조성 컨트롤 하에 다시 사용하는 것도 쉽지 않다. 이는 원료 손실, 추가 원료 및 도가니 준비에 따른 공정 시간 증가의 원인으로 작용해 공정원가 상승 요소로 작용한다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따라 연속적인 수득 공정이 가능한 경우, 공정에 소요되는 시간 및 비용을 절감함은 물론 고품질의 실리콘카바이드 단결정을 제공할 수 있는 이점이 있다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

200: 보조 챔버
300: 주챔버
400: 샤프트

Claims

용액 성장법을 사용하여 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에서,
용융액이 장입되는 도가니를 포함하는 주챔버,
상기 주챔버와 연결되며 일정한 분위기를 유지하는 보조 챔버, 그리고
상기 보조 챔버 내에 위치하는 복수의 샤프트를 포함하고,
상기 보조 챔버는 샤프트 교환축 및 샤프트 이동 부재를 포함하고,
상기 샤프트 이동 부재는 상기 복수의 샤프트 중 어느 하나와 연결되고,
상기 샤프트 이동 부재에 연결된 샤프트는 상기 샤프트 교환축의 회전에 따라 교체되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 복수의 샤프트 중 적어도 하나는 실리콘카바이드 종결정과 연결된 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 복수의 샤프트 중 적어도 하나는 원료 장입이 가능한 로딩 부재와 연결된 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 주챔버와 상기 보조 챔버는 개폐 부재를 통해 분리되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 보조 챔버와 연결된 진공 펌프, 상기 보조 챔버에 형성된 가스 주입부 및 가스 배출부, 그리고 상기 보조 챔버에 대한 가열부 중 적어도 하나를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 샤프트 이동 부재는 상기 복수의 샤프트 중 어느 하나에 연결되어 상기 주챔버를 향해 상하 운동하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 보조 챔버 내에 위치하는 제3 보조 챔버를 더 포함하고,
상기 복수의 샤프트 중 적어도 하나는 상기 제3 보조 챔버 내에 위치하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제7항에서,
상기 제3 보조 챔버 내에 위치하는 가열부, 진공 펌프, 가스 주입부 및 가스 배출부 중 적어도 하나를 더 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 복수의 샤프트는 상기 보조 챔버 내부와 연결된 상기 샤프트 교환축에 탈부착되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제6항에서,
상기 샤프트 이동 부재는 상기 보조 챔버 내의 상단에 위치하는 제1 위치, 그리고 상기 보조 챔버 내의 하단에 위치하는 제2 위치 사이를 상하 이동하고,
상기 제1 위치에서 복수의 샤프트 중 적어도 하나와 연결되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.