KR102228134B1 - 온도 및 압력 제어가 용이한 단결정 성장 용기 및 이를 이용한 단결정 성장 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하측에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에 사용되는 단결정 성장 용기에 있어서, 단결정 성장의 원료를 수용하는 공간을 제공하는 하부 용기와, 상기 하부 용의 상부를 밀폐하고 종자결정을 수용하는 공간을 제공하는 상부 용기와, 상기 상부 용기에 결합되어 있고 상기 종자결정을 부착시키기 위한 종자결정 고정 구조물을 포함하고, 상기 상부 용기 내에 위치된 상기 종자결정 고정 구조물에 상기 종자결정을 부착시켜 단결정을 성장시키며, 상기 단결정 성장 용기에는 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 배출될 수 있는 내부가스 배출용 통로가 구비되어 있고, 상기 하부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로와 상기 상부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로가 서로 대응되게 합쳐져서 상기 내부가스 배출용 통로를 구성하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 용기 및 이를 이용한 단결정 성장 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 단결정 성장 동안에 발생하는 내부 가스가 외부로 일정하게 배출될 수 있게 하여 단결정 성장 과정에서의 온도 및 압력 등을 일정하게 제어할 수 있다.

Description

온도 및 압력 제어가 용이한 단결정 성장 용기 및 이를 이용한 단결정 성장 방법{Vessel for growing a single crystal and growing method of single crystal using the vessel}

본 발명은 단결정 성장 용기 및 단결정 성장 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하부에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에서 단결정 성장 동안에 발생하는 내부 가스가 외부로 일정하게 배출될 수 있게 하여 단결정 성장 과정에서의 온도 및 압력 등을 일정하게 제어할 수 있는 단결정 성장 용기 및 단결정 성장 방법에 관한 것이다.

단결정 성장법으로 승화법(sublimation), 용액성장법(liquid phase epitaxy; LPE), 고온 화학기상증착법(high temperature chemical vapor deposition; HTCVD) 등이 있다.

단결정 성장법 중에서 PVT(physical vapor transport)법은 일반적으로 알려져 있는 승화법을 개량한 방법이다. PVT법은 단결정 성장시 단결정이 원하는 크기로 쉽게 성장시키기 위해서는 성장시키기 전에 단결정 성장 용기(도가니) 안에 종자결정(seed crystal)을 부착하는데, 일반적으로 도가니 하부에 단결정 성장의 원료가 되는 분말을 넣고 도가니 상단에 종자결정을 부착하게 된다.

성장 공정 동안의 성장조건에서 견딜 수 있도록 도가니에 종자결정을 부착할 필요가 있으며, 그렇지 않을 경우에는 성장 공정 동안 부착 위치의 변형 등으로 종자결정이 해당 위치를 그대로 유지하지 않고 성장 과정에서 그 위치를 이탈하는 경우가 발생하여 공정의 결과에 악영향을 주기도 한다. 그러한 이유로 성장 공정 전에 종자결정의 부착 과정은 필수적인 준비 과정이었다.

PVT법을 이용하여 단결정 성장시 성장될 종자결정을 도가니의 내부에 위치시켜 가열을 통해 증발된 원료가 종자결정 쪽으로 이동하여 성장하는데, 종자결정을 상부에 고정시키고 원료를 하부에 넣어 하부에서 증발된 원료가 온도차에 의해 상부로 이동하면서 성장되는 물리적 원리를 이용하게 된다.

단결정 성장 용기 내부에서 발생하는 단결정 성장용 원료 가스는 성장 과정 중 증발하여 용기 내부에 분포하게 되는데, 용기의 내부 용적이 한정되어 일정한 가스압력을 넘어가게 되면 내부에서 외부로 빠져나오게 되고 용기의 구조에 따라 불규칙한 방향으로 분산되어 때로는 성장 과정의 온도, 압력 등의 주요 요소를 제어하는데 방해가 되고 성장되는 과정상 조건의 변화를 주어 성장 결정이 정상적인 성장이 되지 않게 한다.

본 발명의 발명자들은 용기의 내부와 외부를 통하는 가스 통로를 구성해 놓아 잉여 가스가 요구되는 방향으로 규칙적으로 이동하게 함으로써 성장 과정에서의 온도, 압력 및 이의 제어에 있어서 일관된 제어가 될 수 있도록 하여 결정 성장이 획일적이고, 반복성이 있도록 해주는 방안을 연구하였다.

대한민국 등록특허공보 제10-1747685호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하부에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에서 단결정 성장 동안에 발생하는 내부 가스가 가스가 외부로 일정하게 배출될 수 있게 하여 단결정 성장 과정에서의 온도 및 압력 등을 일정하게 제어할 수 있는 단결정 성장 용기 및 단결정 성장 방법을 제공함에 있다.

본 발명은, 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하측에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에 사용되는 단결정 성장 용기에 있어서, 단결정 성장의 원료를 수용하는 공간을 제공하는 하부 용기와, 상기 하부 용의 상부를 밀폐하고 종자결정을 수용하는 공간을 제공하는 상부 용기와, 상기 상부 용기에 결합되어 있고 상기 종자결정을 부착시키기 위한 종자결정 고정 구조물을 포함하고, 상기 상부 용기 내에 위치된 상기 종자결정 고정 구조물에 상기 종자결정을 부착시켜 단결정을 성장시키며, 상기 단결정 성장 용기에는 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 배출될 수 있는 내부가스 배출용 통로가 구비되어 있고, 상기 하부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로와 상기 상부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로가 서로 대응되게 합쳐져서 상기 내부가스 배출용 통로를 구성하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 용기를 제공한다.

상기 종자결정 고정 구조물의 높이를 조절하여 상기 종자결정이 안착되는 위치를 조절할 수 있다.

상기 단결정 성장 용기를 감싸는 단열재가 구비되어 있을 수 있고, 상기 내부가스 배출용 통로가 상기 단열재 내부를 향하게 구비되어 상기 내부가스 배출용 통로로부터 배출된 배출가스가 상기 단열재를 통과하여 상기 성장챔버로 배출되게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로는 복수 개 구비될 수 있고, 복수 개의 내부가스 배출용 통로는 여러 방향으로 서로 분산되게 구비되는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로와 접하는 상기 단열재의 부분은 다른 영역의 단열재보다 두껍게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로와 상기 단열재가 마주하는 영역은 빈 공간이 형성되게 하는 것이 바람직하다.

상기 단결정 성장 용기 내부의 온도 구배를 하부에서 상부 방향으로 하여 단결정을 성장시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하측에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에서 단결정을 성장시키는 방법에 있어서, 단결정 성장의 원료를 수용하는 공간을 제공하는 하부 용기와, 상기 하부 용의 상부를 밀폐하고 종자결정을 수용하는 공간을 제공하는 상부 용기와, 상기 상부 용기에 결합되어 있고 상기 종자결정을 부착시키기 위한 종자결정 고정 구조물을 포함하는 단결정 성장 용기를 준비하는 단계와, 상기 상부 용기 내의 상기 종자결정 고정 구조물에 단결정 성장을 위한 종자결정을 부착시키는 단계와, 단결정 성장의 원료를 상기 하부 용기에 위치시키는 단계와, 상기 하부 용기와 상부 용기를 결합시켜 밀폐하여 단결정을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 단결정 성장 용기에 구비된 내부가스 배출용 통로를 통해 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 배출될 수 있게 하고, 상기 하부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로와 상기 상부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로가 서로 대응되게 합쳐져서 상기 내부가스 배출용 통로를 구성하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 방법을 제공한다.

상기 단결정을 성장시키는 단계에서, 상기 단결정 성장 용기의 하부를 가열하여 상기 단결정 성장 용기의 상부 온도보다 하부 온도를 높여 온도의 구배가 하부에서 상부로 낮아지도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 단결정 성장 용기를 감싸는 단열재가 구비되어 있을 수 있고, 상기 내부가스 배출용 통로가 상기 단열재 내부를 향하게 구비되어 상기 내부가스 배출용 통로로부터 배출된 배출가스가 상기 단열재를 통과하여 상기 성장챔버로 배출되게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로는 복수 개 구비될 수 있고, 복수 개의 내부가스 배출용 통로는 여러 방향으로 서로 분산되게 구비되는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로와 접하는 상기 단열재의 부분은 다른 영역의 단열재보다 두껍게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로와 상기 단열재가 마주하는 영역은 빈 공간이 형성되게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하부에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에서 단결정 성장 동안에 발생하는 내부 가스가 외부로 일정하게 배출될 수 있게 하여 단결정 성장 과정에서의 온도 및 압력 등을 일정하게 제어할 수 있다. 단결정 성장 동안에 발생되는 가스를 원하는 방향으로만 이동시킴으로써 온도를 컨트롤하기 위한 광 고온계의 온도 측정 통로를 보장하여 측정된 온도의 신뢰성을 높이고, 또한 단결정 성장 용기 내에 증발된 가스로 인해 변화하는 단결정 성장 용기 내의 압력을 성장과정 동안 지속적으로 동일한 압력으로 만들어 줌으로써 결정 성장의 신뢰성과 재현성을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 일 예에 따른 단결정 성장 용기를 도시한 단면도이다.
도 2는 일 예에 따른 단결정 성장 용기와 단열재를 도시한 단면도이다.
도 3은 원료가 위치되는 하부 용기를 보여주는 도면이다.
도 4는 종자결정이 위치되는 상부 용기를 보여주는 도면으로서 단결정 성장이 이루어진 모습을 보여주는 도면이다.
도 5는 상부 용기와 하부 용기가 결합된 모습을 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

주요한 단결정 성장법은 승화법(sublimation), 용액성장법(liquid phase epitaxy; LPE), 고온 화학기상증착법(high temperature chemical vapor deposition; HTCVD) 등이 있다.

본 발명은 승화법을 개량한 PVT(physical vapor transport)법을 이용하여 단결정을 제조하고자 하는데 적용할 수 있는 단결정 성장 용기 및 단결정 성장 방법을 제시한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장 용기는, 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하측에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에 사용되는 단결정 성장 용기에 있어서, 단결정 성장의 원료를 수용하는 공간을 제공하는 하부 용기와, 상기 하부 용의 상부를 밀폐하고 종자결정을 수용하는 공간을 제공하는 상부 용기와, 상기 상부 용기에 결합되어 있고 상기 종자결정을 부착시키기 위한 종자결정 고정 구조물을 포함하고, 상기 상부 용기 내에 위치된 상기 종자결정 고정 구조물에 상기 종자결정을 부착시켜 단결정을 성장시키며, 상기 단결정 성장 용기에는 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 배출될 수 있는 내부가스 배출용 통로가 구비되어 있고, 상기 하부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로와 상기 상부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로가 서로 대응되게 합쳐져서 상기 내부가스 배출용 통로를 구성한다.

상기 종자결정 고정 구조물의 높이를 조절하여 상기 종자결정이 안착되는 위치를 조절할 수 있다.

상기 단결정 성장 용기를 감싸는 단열재가 구비되어 있을 수 있고, 상기 내부가스 배출용 통로가 상기 단열재 내부를 향하게 구비되어 상기 내부가스 배출용 통로로부터 배출된 배출가스가 상기 단열재를 통과하여 상기 성장챔버로 배출되게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로는 복수 개 구비될 수 있고, 복수 개의 내부가스 배출용 통로는 여러 방향으로 서로 분산되게 구비되는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로와 접하는 상기 단열재의 부분은 다른 영역의 단열재보다 두껍게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로와 상기 단열재가 마주하는 영역은 빈 공간이 형성되게 하는 것이 바람직하다.

상기 단결정 성장 용기 내부의 온도 구배를 하부에서 상부 방향으로 하여 단결정을 성장시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장 방법은, 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하측에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에서 단결정을 성장시키는 방법에 있어서, 단결정 성장의 원료를 수용하는 공간을 제공하는 하부 용기와, 상기 하부 용의 상부를 밀폐하고 종자결정을 수용하는 공간을 제공하는 상부 용기와, 상기 상부 용기에 결합되어 있고 상기 종자결정을 부착시키기 위한 종자결정 고정 구조물을 포함하는 단결정 성장 용기를 준비하는 단계와, 상기 상부 용기 내의 상기 종자결정 고정 구조물에 단결정 성장을 위한 종자결정을 부착시키는 단계와, 단결정 성장의 원료를 상기 하부 용기에 위치시키는 단계와, 상기 하부 용기와 상부 용기를 결합시켜 밀폐하여 단결정을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 단결정 성장 용기에 구비된 내부가스 배출용 통로를 통해 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 배출될 수 있게 하고, 상기 하부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로와 상기 상부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로가 서로 대응되게 합쳐져서 상기 내부가스 배출용 통로를 구성한다.

상기 단결정을 성장시키는 단계에서, 상기 단결정 성장 용기의 하부를 가열하여 상기 단결정 성장 용기의 상부 온도보다 하부 온도를 높여 온도의 구배가 하부에서 상부로 낮아지도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 단결정 성장 용기를 감싸는 단열재가 구비되어 있을 수 있고, 상기 내부가스 배출용 통로가 상기 단열재 내부를 향하게 구비되어 상기 내부가스 배출용 통로로부터 배출된 배출가스가 상기 단열재를 통과하여 상기 성장챔버로 배출되게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로는 복수 개 구비될 수 있고, 복수 개의 내부가스 배출용 통로는 여러 방향으로 서로 분산되게 구비되는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로와 접하는 상기 단열재의 부분은 다른 영역의 단열재보다 두껍게 하는 것이 바람직하다.

상기 내부가스 배출용 통로와 상기 단열재가 마주하는 영역은 빈 공간이 형성되게 하는 것이 바람직하다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장 용기 및 이를 이용한 단결정 성장 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장 용기는 PVT(physical vapor transport)법이라고 불리는 기상법을 이용하여 AlN, GaN, SiC 등의 단결정을 성장시키는 장치에 사용될 수 있다.

AlN, GaN, SiC와 같은 단결정은 PVT(Physical Vapor Transport)법을 이용하여 성장시킬 수 있다. PVT 장치에서 단결정 성장시 단결정을 원하는 크기로 쉽게 성장시키기 위해서는 성장시키기 전에 단결정 성장 용기(도가니) 안에 원료와 종자결정(seed crystal)을 위치시킨다. 종자결정은 단결정 성장 용기 상측에 위치시킨다.

PVT 장치는, 석영 등의 재질로 이루어진 성장챔버와, 상기 성장챔버를 지지하기 위한 성장챔버 지지부와, 상기 성장챔버 내에 구비되고 자체 가열원으로 작용하는 단결정 성장 용기(도가니)와, 상기 성장챔버의 둘레를 감싸게 구비되고 단결정 성장 용기를 고주파 유도가열 방식으로 가열하기 위한 가열수단을 포함한다.

상기 성장챔버는 화학적으로 안정하고 성장 온도 보다 높은 융점을 갖는 내열성의 투명한 석영(quartz) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 성장챔버에는 가스배출구가 구비되고, 상기 가스배출구에는 펌프(pump)와 같은 배기 장치가 설치되어 있을 수 있다. 상기 배기 장치에 의하여 성장챔버 내의 압력이 조절될 수 있다. 단결정 성장 전에 퍼지 가스(purge gas)를 사용하여 성장챔버 내에 존재하는 불순물 가스를 퍼지(purge)하여 상기 가스배출구를 통해 배기시킬 수 있다. 상기 배기 장치는 성장챔버 내부를 진공 상태로 만들거나 가스를 배기하기 위한 진공 펌프(vacuum Pump)와, 상기 진공 펌프에 의한 가스의 배기를 차단하거나 조절하기 위한 밸브들과, 성장챔버 내의 진공도를 측정하기 위한 진공 게이지 등을 포함할 수 있다.

상기 성장챔버의 둘레에는 냉각 실린더가 구비될 수 있고, 상기 냉각 실린더 내부를 흐르는 냉각수(cooling water; CW)에 의해 수냉시켜 성장챔버가 과열되는 것을 억제하고 빠르게 냉각시킬 수 있다. 냉각 실린더에는 냉각수 유입관(cooling water inlet; CWI)을 연결하여 냉각수를 공급하고, 공급된 냉각수는 냉각수 배출관(cooling water outlet; CWO)을 통해 배출되도록 하며, 냉각수가 냉각 실린더를 순환되게 하여 성장챔버가 전체적으로 골고루 냉각될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

성장챔버 내부에는 단결정 성장 용기가 위치되며, 상기 단결정 성장 용기는 그 자체가 물질의 합성을 위한 가열원으로 작용할 수 있다. 상기 단결정 성장 용기는 그 자체가 가열원으로 작용하기 때문에 높은 융점을 갖는 흑연(graphite), 카본(흑연을 제외한 카본), 텅스텐 또는 탄탈륨으로 이루어질 수 있다. 상기 단결정 성장 용기는 원통형 구조를 가질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 원하는 다양한 형태로 제작될 수도 있다. 상기 단결정 성장 용기(100)는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 상부가 개방된 하부 용기(110)와 상부 용기(120)를 포함하고, 개방된 하부 용기(110) 상부는 상부 용기(120)에 의해 밀폐될 수 있는 구조를 가질 수 있다.

단결정 성장 용기를 가열하여 성장챔버 내의 온도를 일정 값 이상으로 상승시켜 목표하는 성장 온도로 유지하기 위한 가열수단이 구비된다. 상기 가열수단은 단결정 성장 용기의 온도(또는 성장챔버의 내부 온도)를 목표 온도(예컨대, 1000∼2500℃)로 상승시키고 일정하게 유지하는 역할을 한다. 상기 가열수단은 고주파 유도가열 등의 방식을 이용할 수 있다. 상기 가열수단에 의해 성장챔버 내의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.

상기 가열수단으로 고주파(radio frequency; RF) 유도가열 방식을 이용하는 경우, RF 코일이 성장챔버 둘레를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 RF 코일은 고주파 발생기에 연결되어 있으며, 고주파 발생기에서 발생된 고주파 전력(RF power)이 RF 코일을 통하여 인가된다. 고주파 유도가열 방식을 이용하는 경우에는 단결정 성장 용기의 온도를 고온(예컨대, 1000∼2500℃)으로 설정이 가능한 장점이 있다.

본 발명에서 적용하는 PVT 장치의 경우, 석영 등의 재질로 이루어진 성장챔버가 구비되고, 성장챔버 내에 별도의 저항을 가진 단결정 성장 용기를 넣고, 성장챔버 내부를 일정한 압력과 일정한 온도로 유지시켜 놓고, 성장챔버의 외측에 일정한 간격으로 감아 놓은 RF(radio frequency) 코일을 장착하여 일정 주파수를 이용하여 전류를 흐르게 한 후, 흐르는 전류에 의해 자장이 발생하게 하고, 단결정 성장 용기 주변을 흐르는 자장에 의해 2차 유도된 전류가 발생하게 하여 단결정 성장 용기의 저항을 통해 스스로 발열하도록 만들며, 이렇게 발열된 열을 통해 단결정 성장 용기 안에 미리 넣어둔 단결정 성장의 원료가 가열되어 증발하고, 그 증발물질들이 하부 용기 상측에 위치된 종자결정에 증착되면서 단결정으로 재결정화 하는 방식을 이용한다.

AlN, GaN, SiC 등은 고체에서 기체로 바로 승화하는 성질이 있어 원료가 분해 증발한 후 재결정화하게 된다. 단결정 성장시 단결정 성장 용기의 내부 상측에 종자결정을 미리 장착하면 결정의 생성 원리상 미리 장착된 종자결정에 증착되어 단결정의 생성이 용이해질 수 있다.

그러나, AlN, GaN, SiC와 같은 종자결정을 위치시키는 데에는 몇 가지 문제가 발생할 수 있다. 결정 성장 동안에 불순물이 단결정에 함유되어 순도가 낮아지는 문제가 있으며, 단결정 성장 동안에 단결정 성장 용기 내부의 온도는 대략 1000∼2500℃ 내외가 되는데 성장 동안에 종자결정의 위치가 변경되어서는 안 되고, 그 부착 위치로부터 이탈해서도 안 된다.

본 발명에서 적용하는 유도가열법은 일반적으로 전류가 흐르는 RF 코일로 구성된 장치의 중앙에 RF 코일에 의해 자장을 형성시키고 이 자장이 발생된 중앙부에 전기 저항을 가진 단결정 성장 용기를 넣어 자장에 의해 발생된 전류를 이용하여 스스로 발열하게 구성하고 해당 열을 이용하여 온도를 올려 반응하고자 하는 물질을 해당 용기 내에서 반응시키는 방법이다.

PVT(Physical Vapor Transport)법은 컨트롤 되는 조건 내에서 액화되지 않고 고체에서 기체로 바로 승화하는 물질을 승화시켜 물리적인 증발 물질의 분압 및 온도차에 의해 승화 온도에서 원료를 승화시키고 이렇게 승화된 가스들을 온도가 약간 낮은 재결정(고화) 온도에서 다시 결정화 되는 위치로 이동시켜 결정을 성장시키는 방법이다.

이러한 PVT법을 이용할 경우 대부분 고온의 온도를 이용하게 되는데, AlN 물질을 이용하는 경우 대략 1800∼2300℃의 온도대를 사용하게 되어 비교적 높은 온도를 사용하게 되므로 성장 과정 중에 해당 온도를 측정하고 컨트롤 하기 위해서는 일반적인 고온용 온도 측정방법인 써모커플(thermocouple)과 같은 범용의 접촉 방법을 사용할 수는 없고 비접촉시 온도계인 IR(적외선) 감지 방식 온도계를 사용하게 된다.

비접촉식 온도계를 사용하려면 충분히 온도가 낮은 위치에 온도계를 장착하고 멀리서 측정하고자 하는 부위에서 발생하는 광의 파장을 분석하여 이를 온도로 환산하는 방법을 사용하는데, 대부분의 반응 환경이 N₂ 가스나 Ar 가스와 같은 불활성 가스의 환경에서 사용하므로 온도계와 온도 부위와의 사이에는 성장챔버에 설치된 밀폐용 광투과 석영 재질의 창과 단열재의 구멍이 있어 이 두 곳을 통과하는 광을 이용하여야만 한다.

AlN과 같은 승화 물질의 단결정을 성장시키기 위해 구성되는 단결정 성장 용기, 단열재, 성장챔버는 성장 중 단결정 성장 용기에서 발생되는 증발 가스의 외부 유출의 불규칙성 때문에 온도를 측정하는 광의 통과 구멍이 막히거나 흐려지는 현상이 발생한다.

본 발명에서는 이렇게 발생되어 유출되는 가스를 원하는 방향으로 획일적인 양이 이동하게 하여 유출 가스가 온도를 측정하는 광이 지나가는 통로를 막지 않도록 하기 위해 구조적으로 내부에서 외부로 통하는 통로를 구성시켜 해당 위치로만 이동시킬 수 있도록 하는 단결정 성장 용기를 제시한다.

발생되는 가스를 원하는 방향으로만 이동시킴으로써 온도를 컨트롤하기 위한 광 고온계의 온도 측정 통로를 보장하여 측정된 온도의 신뢰성을 높이고, 또한 단결정 성장 용기 내에 증발된 가스로 인해 변화하는 단결정 성장 용기 내의 압력을 성장과정 동안 지속적으로 동일한 압력으로 만들어 줌으로써 결정 성장의 신뢰성과 재현성을 확보할 수 있게 된다.

이렇게 단결정 성장 용기 내부와 외부를 통하는 통로를 단결정 성장 용기 자체에 하부 용기와 상부 용기를 이용하여 만들어 주는 경우, 단결정 성장 용기와 단열재의 바깥으로 바로 보낼 경우 방향에 따라 역시 온도를 감지하는 통로상의 공간으로 가스가 퍼져서 방해할 수 있어서 단결정 성장 용기를 빠져나간 가스가 바로 성장챔버로 빠져나가지 않고 단열재의 일부를 통과하고 빠져나감으로써 가스가 단열재 부분에 필터링이 될 수 있도록 통로의 방향을 구성한다.

또한, 단결정 성장 동안에 발생한 가스를 단열재 부분으로 통과시키기 위해 단일 방향으로만 유도시킬 경우, 단열재의 일부가 손상되어 해당 부분의 단열 능력을 상실할 수가 있어서 여러 방향으로 분산시키는 방법으로 구성하거나 해당 부분의 단열재를 두껍게 하거나, 단결정 성장 용기로부터 나온 배출가스가 모이는 부분에 빈 공간을 만드는 방식으로 하는 것이 바람직하다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

도 1은 일 예에 따른 단결정 성장 용기를 도시한 단면도이고, 도 2는 일 예에 따른 단결정 성장 용기와 단열재를 도시한 단면도이며, 도 3은 원료가 위치되는 하부 용기를 보여주는 도면이고, 도 4는 종자결정이 위치되는 상부 용기를 보여주는 도면으로서 단결정 성장이 이루어진 모습을 보여주며, 도 5는 상부 용기와 하부 용기가 결합된 모습을 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 단결정 성장 용기(100)는 단결정 성장의 원료를 수용하는 공간을 제공하는 하부 용기(110)와, 하부 용기(110)의 상부를 밀폐하고 종자결정(20)을 수용하는 공간을 제공하는 상부 용기(120)을 포함하며, 단결정 성장 용기(100)에는 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 유출될 수 있는 내부가스 배출용 통로(140)가 구비되어 있다.

하부 용기(110)는 단결정 성장의 원료(10)를 수용할 수 있는 공간을 제공한다. 하부 용기(110)는 가혹한 성장 조건에서도 견딜 수 있는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 가혹한 성장 조건에서도 견딜 수 있는 재질로 흑연(graphite), 카본(흑연을 제외한 카본), 텅스텐, 탄탈륨 등을 그 예로 들 수 있다. 가혹한 성장 조건에도 견딜 수 있는 재질을 이용함으로써 단결정 성장 용기(100) 내부의 온도와 분위기에서 견딜 수 있게 된다.

단결정 성장의 원료(10)는 AlN, GaN, SiC 등과 같이 승화하는 물질의 분말일 수 있다.

하부 용기(110)의 상부에는 상부 용기(120)가 구비되고, 단결정 성장 용기(100)는 상부 용기(120)에 의해 밀폐될 수 있다. 상부 용기(120)는 가혹한 성장 조건에서도 견딜 수 있는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 가혹한 성장 조건에서도 견딜 수 있는 재질로 흑연(graphite), 카본(흑연을 제외한 카본), 텅스텐, 탄탈륨 등을 그 예로 들 수 있다. 가혹한 성장 조건에도 견딜 수 있는 재질을 이용함으로써 단결정 성장 용기(100) 내부의 온도와 분위기에서 견딜 수 있게 된다. 상부 용기(120)는 종자결정(20)을 수용하는 공간을 제공한다.

종자결정(20)은 종자결정 고정 구조물(130)에 고정된다. 종자결정 고정 구조물(130)은 상부 용기(120) 내의 하측에 위치되고 상부 용기(120)의 내경보다 작게 구비되며 종자결정(20)이 부착된다. 종자결정 고정 구조물(130)의 전체적인 형태는 원기둥 형태일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 사각기둥, 육각기둥 등의 다양한 형태를 가질 수 있음은 물론이다. 종자결정 고정 구조물(130)은 가혹한 성장 조건에서도 견딜 수 있는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 종자결정 고정 구조물(130)은 상부 용기(120)에 분리가 가능하게 구비될 수 있으나, 상부 용기(120)에 일체형으로 결합되어 있는 것이 바람직하다.

종자결정 고정 구조물(130)의 두께(높이)를 조절하여 종자결정(20)의 위치를 결정할 수 있다. 종자결정(20)의 위치를 조절하기 위해 종자결정 고정 구조물(130)은 다양한 두께의 것을 사용할 수 있다. 예컨대, 종자결정 고정 구조물(130)의 두께가 큰 것을 사용하는 경우에는 종자결정 고정 구조물(130)의 두께가 작은 것을 사용하는 경우에 비하여 종자결정(20)이 하부 용기(110) 쪽으로 위치하게 된다.

단결정 성장 용기(100)에는 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 유출될 수 있는 내부가스 배출용 통로(140)가 구비되어 있다. 하부 용기(110)에는 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 유출될 수 있는 내부가스 배출용 경로(140a)가 구비되어 있고, 상부 용기(120)에도 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 유출될 수 있는 내부가스 배출용 경로(140b)가 구비되어 있다. 하부 용기(110)에 구비된 내부가스 배출용 경로(140a)와 상부 용기(120)에 구비된 내부가스 배출용 경로(140b)가 서로 대응되게 구비되고, 내부가스 배출용 경로(140a)와 내부가스 배출용 경로(140b)가 합쳐져서 내부가스 배출용 통로(140)를 구성한다.

유출되는 가스를 원하는 방향으로 획일적인 양이 이동하게 하여 유출 가스가 온도를 측정하는 광이 지나가는 통로(200)를 막지 않도록 하기 위해 구조적으로 내부에서 외부로 통하는 내부가스 배출용 통로(140)를 구성하여 해당 위치로만 이동시킬 수 있도록 한다.

단결정 성장 동안에 발생되는 가스를 원하는 방향으로만 이동시킴으로써 온도를 컨트롤하기 위한 광 고온계의 온도 측정 통로(200)를 보장하여 측정된 온도의 신뢰성을 높이고, 또한 단결정 성장 용기(100) 내에 증발된 가스로 인해 변화하는 단결정 성장 용기(100) 내의 압력을 성장과정 동안 지속적으로 동일한 압력으로 만들어 줌으로써 결정 성장의 신뢰성과 재현성을 확보할 수 있게 된다.

이렇게 단결정 성장 용기(100) 내부와 외부를 통하는 내부가스 배출용 통로(140)를 하부 용기(110)와 상부 용기(120)를 이용하여 만들어 주는 경우, 단결정 성장 용기(100)의 바깥으로 바로 보낼 경우 방향에 따라 역시 온도를 감지하는 통로(200)로 가스가 퍼져서 방해할 수 있어서 단결정 성장 용기(100)를 빠져나간 가스가 바로 성장챔버로 빠져나가지 않고 단열재(300)의 일부를 통과하고 빠져나감으로써 가스가 단열재(300)에서 필터링이 될 수 있도록 내부가스 배출용 통로(140)의 방향을 구성한다.

또한, 단결정 성장 동안에 발생한 내부가스를 단열재 부분으로 통과시키기 위해 단일 방향으로만 유도시킬 경우, 단열재(300)의 일부가 손상되어 해당 부분의 단열 능력을 상실할 수가 있어서 여러 방향으로 분산시키는 방법으로 구성하거나, 해당 부분의 단열재(300)를 두껍게 하거나, 상기 내부가스 배출용 통로(140)로부터 나온 배출가스가 모이는 영역(내부가스 배출용 통로와 단열재가 마주하는 영역)에 빈 공간(310)을 두는 방식으로 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 적용하는 단결정 성장 방법은, 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기(100)의 하부 용기(110)에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기(100)의 상부 용기(120)에 종자결정(20)을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에서 단결정을 성장시키는 방법으로서, 더욱 구체적으로는 단결정 성장을 위한 종자결정(20)을 상부 용기(120) 내의 종자결정 고정 구조물(130)에 부착시키고, 단결정 성장을 위해 단결정 성장의 원료를 하부 용기(110)에 위치시키고, 하부 용기(110)와 상부 용기(120)를 결합시켜 밀폐하여 단결정을 성장시키는 것이다.

단결정 성장의 원료(10)의 증발 조건보다 낮은 온도를 갖는 위치에 증발 물질들이 도달하게 되면, 재결정 조건이 되어 증착되게 되고, 이 증착 물질들의 증착 속도나 증착 조건의 조절을 통해 단결정이 되도록 만든다.

상기 단결정을 성장시키는 동안에, 단결정 성장 용기(100)의 하부를 가열하여 단결정 성장 용기(100)의 상부 온도보다 하부 온도를 높여 온도의 구배가 하부에서 상부로 낮아지도록 구성하는 것이 바람직하다.

단결정 성장 용기(100) 내부에서 가장 온도가 높은 곳에 단결정 성장의 원료(10)를 두어 증발하게 하고, 증발 조건보다 낮은 온도의 부분에 종자결정(20)을 위치시켜 증발 물질들이 증착되어 재결정화되게 단결정 성장 용기(100)의 내부를 구성한다.

상기 단결정 성장 용기(100)를 감싸는 단열재(300)가 구비되어 있을 수 있고, 내부가스 배출용 통로(140)가 단열재(300) 내부를 향하게 구비되어 내부가스 배출용 통로(140)로부터 배출된 배출가스가 단열재(300)를 통과하여 상기 성장챔버로 배출되게 하는 것이 바람직하다.

내부가스 배출용 통로(140)는 복수 개 구비될 수 있고, 복수 개의 내부가스 배출용 통로(140)는 여러 방향으로 서로 분산되게 구비되는 것이 바람직하다.

내부가스 배출용 통로(140)와 접하는 단열재(300)의 부분은 다른 영역의 단열재(300)보다 두껍게 하는 것이 바람직하다.

내부가스 배출용 통로(140)와 단열재(300)가 마주하는 영역은 빈 공간이 형성되게 하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10: 단결정 성장의 원료
20: 종자결정
100: 단결정 성장 용기
110: 하부 용기
120: 상부 용기
130: 종자결정 고정 구조물
140: 내부가스 배출용 통로
200: 온도 측정 통로
300: 단열재

Claims (13)

1. 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하측에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에 사용되는 단결정 성장 용기에 있어서,
   단결정 성장의 원료를 수용하는 공간을 제공하는 하부 용기;
   상기 하부 용기의 상부를 밀폐하고 종자결정을 수용하는 공간을 제공하는 상부 용기; 및
   상기 상부 용기에 결합되어 있고 상기 종자결정을 부착시키기 위한 종자결정 고정 구조물을 포함하고,
   상기 상부 용기 내에 위치된 상기 종자결정 고정 구조물에 상기 종자결정을 부착시켜 단결정을 성장시키며,
   상기 단결정 성장 용기에는 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 배출될 수 있는 내부가스 배출용 통로가 구비되어 있고,
   상기 하부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로와 상기 상부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로가 서로 대응되게 합쳐져서 상기 내부가스 배출용 통로를 구성하며,
   상기 단결정 성장 용기를 감싸는 단열재가 구비되어 있고,
   상기 내부가스 배출용 통로가 상기 단열재 내부를 향하게 구비되어 상기 내부가스 배출용 통로로부터 배출된 배출가스가 상기 단열재를 통과하여 상기 성장챔버로 배출되게 하며,
   상기 내부가스 배출용 통로와 상기 단열재가 마주하는 영역은 빈 공간이 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 용기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 종자결정 고정 구조물의 높이를 조절하여 상기 종자결정이 안착되는 위치를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 용기.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 내부가스 배출용 통로는 복수 개 구비되고,
   복수 개의 내부가스 배출용 통로는 여러 방향으로 서로 분산되게 구비되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 용기.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 내부가스 배출용 통로와 접하는 상기 단열재의 부분은 다른 영역의 단열재보다 두껍게 하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 용기.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 단결정 성장 용기 내부의 온도 구배를 하부에서 상부 방향으로 하여 단결정을 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 용기.
   
8. 성장챔버 내에 장착되는 단결정 성장 용기 하측에 단결정 성장의 원료를 넣고 상기 단결정 성장 용기 내에 종자결정을 부착하여 단결정을 성장시키는 PVT 장치에서 단결정을 성장시키는 방법에 있어서,
   단결정 성장의 원료를 수용하는 공간을 제공하는 하부 용기와, 상기 하부 용기의 상부를 밀폐하고 종자결정을 수용하는 공간을 제공하는 상부 용기와, 상기 상부 용기에 결합되어 있고 상기 종자결정을 부착시키기 위한 종자결정 고정 구조물을 포함하는 단결정 성장 용기를 준비하는 단계;
   상기 상부 용기 내의 상기 종자결정 고정 구조물에 단결정 성장을 위한 종자결정을 부착시키는 단계;
   단결정 성장의 원료를 상기 하부 용기에 위치시키는 단계; 및
   상기 하부 용기와 상부 용기를 결합시켜 밀폐하여 단결정을 성장시키는 단계를 포함하며,
   상기 단결정 성장 용기에 구비된 내부가스 배출용 통로를 통해 단결정 성장 동안에 발생한 가스가 외부로 배출될 수 있게 하고,
   상기 하부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로와 상기 상부 용기에 구비된 내부가스 배출용 경로가 서로 대응되게 합쳐져서 상기 내부가스 배출용 통로를 구성하며,
   상기 단결정 성장 용기를 감싸는 단열재가 구비되어 있고,
   상기 내부가스 배출용 통로가 상기 단열재 내부를 향하게 구비되어 상기 내부가스 배출용 통로로부터 배출된 배출가스가 상기 단열재를 통과하여 상기 성장챔버로 배출되게 하며,
   상기 내부가스 배출용 통로와 상기 단열재가 마주하는 영역은 빈 공간이 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 단결정을 성장시키는 단계에서,
   상기 단결정 성장 용기의 하부를 가열하여 상기 단결정 성장 용기의 상부 온도보다 하부 온도를 높여 온도의 구배가 하부에서 상부로 낮아지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 방법.
   
10. 삭제
11. 제8항에 있어서, 상기 내부가스 배출용 통로는 복수 개 구비되고,
    복수 개의 내부가스 배출용 통로는 여러 방향으로 서로 분산되게 구비되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 방법.
    
12. 제8항에 있어서, 상기 내부가스 배출용 통로와 접하는 상기 단열재의 부분은 다른 영역의 단열재보다 두껍게 하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 방법.
13. 삭제

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