KR102302753B1 - 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 - Google Patents

실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102302753B1
KR102302753B1 KR1020180059815A KR20180059815A KR102302753B1 KR 102302753 B1 KR102302753 B1 KR 102302753B1 KR 1020180059815 A KR1020180059815 A KR 1020180059815A KR 20180059815 A KR20180059815 A KR 20180059815A KR 102302753 B1 KR102302753 B1 KR 102302753B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon carbide
single crystal
silicon
carbide single
melt
Prior art date
Application number
KR1020180059815A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190134325A (ko
Inventor
이호림
김정환
정찬엽
고정민
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020180059815A priority Critical patent/KR102302753B1/ko
Priority to CN201980003601.9A priority patent/CN110914485B/zh
Priority to US16/630,952 priority patent/US11873576B2/en
Priority to PCT/KR2019/006134 priority patent/WO2019225966A1/ko
Priority to JP2020501833A priority patent/JP6961893B2/ja
Priority to EP19807632.5A priority patent/EP3636806B1/en
Publication of KR20190134325A publication Critical patent/KR20190134325A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102302753B1 publication Critical patent/KR102302753B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B19/00—Liquid-phase epitaxial-layer growth
    • C30B19/02—Liquid-phase epitaxial-layer growth using molten solvents, e.g. flux
    • C30B19/04—Liquid-phase epitaxial-layer growth using molten solvents, e.g. flux the solvent being a component of the crystal composition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/36—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method characterised by the seed, e.g. its crystallographic orientation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B19/00—Liquid-phase epitaxial-layer growth
    • C30B19/06—Reaction chambers; Boats for supporting the melt; Substrate holders
    • C30B19/062—Vertical dipping system
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/36—Carbides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 용액 성장법에 이용되고, 실리콘(Si), 이트륨(Y) 및 철(Fe)를 포함하며 하기 식 (1)로 표현된다.
SiaYbFec (식 1)
상기 식 (1)에서 상기 a는 0.4 이상 0.8 이하이고, 상기 b는 0.15 이상 0.5 이하이고, 상기 c 는 0.05 이상 0.3 이하이다.

Description

실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법{SILICON BASED MELTING COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL USING THE SAME}
본 발명은 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.
전력 반도체 소자는 전기 자동차, 전력 시스템, 고주파 이동통신 등 전기 에너지를 사용하는 차세대 시스템에 있어서 핵심 소자이다. 이를 위해서는 고전압, 대전류, 고주파수 등에 적합한 소재의 선정이 필요하다. 실리콘 단결정이 전력 반도체 물질로 사용되어 왔으나 물성적인 한계로 인해, 에너지 손실이 적고 보다 극한 환경에서 구동될 수 있는 실리콘카바이드 단결정이 주목받고 있다.
실리콘카바이드 단결정의 성장을 위해, 일 예로 실리콘카바이드를 원료로 하여 2000도(℃) 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법, 결정 인상법을 응용한 용액 성장법, 그리고 기체 소스를 사용하는 화학적 기상 증착법 등이 사용되고 있다.
화학적 기상 증착법을 이용하는 경우 두께가 제한된 박막 수준으로 성장시킬 수 있으며, 승화법을 이용하는 경우 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있다. 결정 성장 온도가 승화법에 비해 낮고 대구경화 및 고품질화에 유리한 것으로 알려진 용액 성장법에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 불순물 석출을 억제하면서 장시간 안정적인 결정 성장 공정이 가능한 실리콘계 용융 조성물을 제공하고자 한다. 또한 우수한 품질의 실리콘카바이드 단결정을 제공할 수 있는 실리콘계 용융 조성물을 제공하고자 한다. 또한 전술한 실리콘계 용융 조성물을 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법을 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.
전술한 과제를 달성하기 위한 실리콘계 용융 조성물은 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 용액 성장법에 이용되고, 실리콘(Si), 이트륨(Y) 및 철(Fe)를 포함하며 하기 식 (1)로 표현된다.
SiaYbFec (식 1)
상기 식 (1)에서 상기 a는 0.4 이상 0.8 이하이고, 상기 b는 0.15 이상 0.5 이하이고, 상기 c 는 0.05 이상 0.3 이하이다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 실리콘카바이드 종결정을 준비하는 단계, 실리콘(Si), 이트륨(Y) 및 철(Fe)를 포함하며 하기 식 (1)로 표현되는 실리콘계 용융 조성물을 준비하는 단계, 상기 실리콘계 용융 조성물 및 탄소(C)를 포함하는 용융액을 형성하는 단계, 그리고 상기 용융액으로부터 상기 실리콘카바이드 종결정 상에 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 단계를 포함한다.
SiaYbFec (식 1)
상기 식 (1)에서 상기 a는 0.4 이상 0.8 이하이고, 상기 b는 0.15 이상 0.5 이하이고, 상기 c 는 0.05 이상 0.3 이하이다.
상기 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 단계에서 이트륨 실리사이드(Yttrium Silicide)가 석출되지 않을 수 있다.
상기 용융액을 형성하는 단계는, 상기 실리콘계 용융 조성물을 도가니에 장입하고 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가열하는 단계는, 상기 용융액이 1800도(℃)가 되도록 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 용융액은 탄소 용해도가 포화 상태일 수 있다.
상기 용융액의 표면을 기준으로 -20 ℃/cm의 온도 구배를 형성한 이후 상기 실리콘카바이드 종결정을 상기 용융액의 표면에 접촉시킬 수 있다.
상기 실리콘카바이드 단결정의 성장 속도는 0.1 mm/h 이상일 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 결정 성장 공정이 진행되는 경우에도 균일한 조성을 제공할 수 있으며, 이를 통해 우수한 품질의 실리콘카바이드 단결정이 수득될 수 있다.
도 1은 실리콘카바이드 단결정을 성장시킬 때 사용되는 제조 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물을 이용하여 석출한 단결정 이미지이다.
도 3은 비교예에 따른 실리콘계 용융 조성물을 이용하여 석출한 단결정 이미지이다.
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 일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물에 대해 설명한다.
일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 실리콘(Si), 이트륨(Y) 및 철(Fe)을 포함할 수 있다. 실리콘계 용융 조성물은 하기 식 (1)로 표현될 수 있다.
SiaYbFec (식 1)
상기 식 (1)에서 상기 a는 0.4 이상 0.8 이하이고, 상기 b는 0.15 이상 0.5 이하이고, 상기 c 는 0.05 이상 0.3 이하이다. 또한 실시예에 따라 상기 식 (1)에서 상기 a는 0.6 이상 0.8 이하이고, 상기 b는 0.2 이상 0.3 이하이고, 상기 c는 0.1 내지 0.2 이하일 수 있다.
다시 말해, 실리콘계 용융 조성물에서 실리콘의 함량은 40 at% 이상 80 at% 이하이고, 이트륨(Y)의 함량은 15 at% 이상 50 at% 이하이고, 철(Fe)의 함량은 5 at% 이상 30 at% 이하이다. 실시예에 따라 실리콘계 용융 조성물에서 실리콘의 함량은 60 at% 이상 80 at% 이하이고, 이트륨(Y)의 함량은 20 at% 이상 30 at% 이하이고, 철(Fe)의 함량은 10 at% 이상 20 at% 이하일 수 있다.
이트륨(Y)이 실리콘계 용융 조성물에 포함되는 경우, 용융액에 대한 탄소의 용해도를 증가시킬 수 있다. 이트륨(Y)은 상대적으로 저온(일 예로 1800도)에서도 높은 실리콘카바이드 단결정의 성장 속도를 가질 수 있다. 따라서 이트륨을 포함하는 경우 낮은 온도에서 단결정 성장 공정이 이루어질 수 있다. 또한 이트륨(Y)은 실리콘카바이드 단결정 내로의 혼입이 적어 고순도의 실리콘카바이드 단결정 성장에 유리할 수 있다.
이트륨(Y)이 실리콘계 용융 조성물에 15 at% 미만으로 포함되는 경우 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소 용해도가 낮아지므로 실리콘 카바이드 단결정의 성장 속도가 현저히 감소할 수 있다. 또한 이트륨(Y)이 실리콘계 용융 조성물에 50 at% 초과로 포함되는 경우 지나치게 높은 탄소 용해도로 인해 실리콘카바이드의 다결정화가 일어나 실리콘카바이드 결정의 품질이 저하될 수 있다. 실리콘카바이드 단결정의 안정적인 성장이 어려우므로 석출 효율이 감소할 수 있다.
철(Fe)은 본원 실리콘계 용융 조성물에 포함되는 경우 이트륨에 의한 불순물 석출을 저감시킬 수 있다. 다시 말해 철(Fe)은 이트륨 실리사이드의 석출을 억제할 수 있으며 장시간 안정적으로 실리콘카바이드 단결정이 석출되도록 할 수 있다.
실리콘계 용융 조성물이 실리콘 및 이트륨만을 포함하는 경우, 용융액 표면에서 고상의 이트륨 실리사이드가 생성될 수 있으며 생성된 이트륨 실리사이드에 의해 용융액 내의 실리콘과 이트륨의 농도가 변화한다. 이로 인해 결정성장 영역인 용융액 표면의 탄소 용해도가 급변하여 실리콘카바이드 다결정이 석출되거나 성장된 종결정이 재용해 되는 문제가 발생할 수 있어 장기적으로 안정적인 결정성장 공정을 진행하는데 어려움이 있다.
일 실시예에 따라 실리콘계 용융 조성물이 철을 포함하는 경우 이트륨실리사이드의 석출을 억제할 수 있다. 단결정 성장 공정이 진행되더라도 용융액의 조성이 일정하게 유지될 수 있으므로 안정적으로 단결정을 수득할 수 있다.
철(Fe)은 실리콘계 용융 조성물에 5 at% 미만으로 포함되는 경우 이트륨 실리사이드의 석출을 억제하는 기능을 효과적으로 수행하기 어려울 수 있다. 또한 철(Fe)이 실리콘계 용융 조성물에 30 at% 초과로 포함되는 경우 이트륨(Y)에 의한 탄소 용해도 증가 효과를 과도하게 억제하여 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소 용해도가 상당히 낮을 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 실리콘(Si), 용융액에 대한 탄소 용해도를 증가시키고 저온에서도 단결정 수득이 용이한 이트륨(Y) 및 이트륨을 포함하는 불순물 석출을 억제하는 철(Fe)을 포함함으로써, 보다 우수한 품질의 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있다. 또한 일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 지속적인 단결정 성장 조건을 제공할 수 있다.
이하에서는 전술한 실리콘계 용융 조성물을 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법에 대해 도 1의 제조 장치를 참조하여 설명한다. 도 1은 실리콘카바이드 단결정을 성장시킬 때 사용되는 제조 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 도가니(300), 도가니(300) 내부로 연장되는 종결정(210), 종결정(210)과 연결되는 종결정 지지부(230), 이동 부재(250) 및 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400)를 포함할 수 있다.
반응 챔버(100)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이고 그 내부가 일정한 압력 등의 분위기로 유지될 수 있다. 도시되지 않았으나 반응 챔버(100)에 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크가 연결될 수 있다. 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크를 이용하여 반응 챔버(100) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 기체와 같은 비활성 기체를 충전할 수 있다.
실리콘카바이드 종결정(210)은 종결정 지지부(230) 및 이동 부재(250)에 연결되어 도가니(300) 내측으로 위치할 수 있으며 특히 도가니(300) 내부에 제공되는 용융액과 접촉하도록 배치될 수 있다. 이러한 용융액은 전술한 실리콘계 용융 조성물을 포함할 수 있으며 동일한 설명은 생략하기로 한다.
일 실시예에 따르면 실리콘카바이드 종결정(210)의 표면과 용융액 사이에 메니스커스가 형성될 수 있다. 메니스커스란 실리콘카바이드 종결정(210)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 종결정(210)은 실리콘카바이드 단결정으로 이루어진다. 실리콘카바이드 종결정(210)의 결정 구조는 제조하려는 실리콘카바이드 단결정의 결정 구조와 같다. 예를 들어, 4H 다형의 실리콘카바이드 단결정을 제조하는 경우, 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(210)을 이용할 수 있다. 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(210)을 이용하는 경우, 결정 성장면은 (0001)면 또는 (000-1)면이거나, (0001)면 또는 (000-1)면으로부터 8도 이하의 각도로 경사진 면일 수 있다.
종결정 지지부(230)는 실리콘카바이드 종결정(210)과 이동 부재(250)를 연결한다. 종결정 지지부(230)의 일단은 이동 부재(250)에 연결되고 타단은 종결정(210)에 연결될 수 있다.
종결정 지지부(230)는 이동 부재(250)에 연결되어 도가니(300)의 높이 방향을 따라 상하 방향으로 이동할 수 있다. 구체적으로 종결정 지지부(230)는 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정을 위해 도가니(300) 내측으로 이동되거나 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정이 종료된 이후 도가니(300) 외측으로 이동될 수 있다. 또한 본 명세서는 종결정 지지부(230)가 상하 방향으로 이동하는 실시예를 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 어떠한 방향으로도 이동하거나 회전할 수 있으며, 이를 위한 공지의 수단을 포함할 수 있다.
종결정 지지부(230)는 이동 부재(250)에 탈착될 수 있다. 실리콘카바이드 단결정을 수득하기 위해 이동 부재(250)에 결합되어 도가니(300) 내측으로 제공될 수 있으며, 단결정의 성장 공정이 종료된 이후에는 이동 부재(250)로부터 분리될 수 있다.
이동 부재(250)는 구동부(미도시)에 연결되어 챔버(100) 내부를 이동하거나 회전할 수 있다. 이동 부재(250)는 상하 이동하거나 회전하기 위한 공지의 수단을 포함할 수 있다.
도가니(300)는 반응 챔버(100) 내부에 구비되며 상측이 개방된 용기 형태일 수 있으며 상부면을 제외한 외주면(300a) 및 하부면(300b)을 포함할 수 있다. 도가니(300)는 전술한 형태에 제한 없이 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태도 가능함은 물론이다. 도가니(300)는 실리콘 또는 실리콘카바이드 분말과 같은 용융 원료가 장입되어 수용될 수 있다.
도가니(300)는 그라파이트, 실리콘카바이드와 같이 탄소를 함유하는 재질일 수 있으며, 이와 같은 재질의 도가니(300) 자체는 탄소 원료의 공급원으로 활용될 수 있다. 또는 이에 제한되지 않고 세라믹 재질의 도가니를 사용할 수 있으며, 이때 탄소를 제공할 물질 또는 공급원 별도로 제공할 수 있다.
가열 부재(400)는 도가니(300)를 가열하여 도가니(300)에 수용된 물질을 용융시키거나 가열할 수 있다. 가열 부재(400)는 저항식 발열 수단 또는 유도 가열식 발열 수단을 사용할 수 있다. 구체적으로 가열 부재(400) 자체가 발열하는 저항식으로 형성되거나 가열 부재(400)가 인덕션 코일로 형성되고 인덕션 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(300)를 가열하는 유도 가열 방식으로 형성될 수도 있다. 그러나 전술한 방법에 제한되지 않고 어떠한 가열 부재도 사용될 수 있음은 물론이다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 제조 장치는 회전 부재(500)를 더 포함할 수 있다. 회전 부재(500)는 도가니(300)의 하측면에 결합되어 도가니(300)를 회전시킬 수 있다. 도가니(300) 회전을 통해 균일한 조성의 용융액 제공이 가능한 바 실리콘카바이드 종결정(210)에서 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
이하에서는 전술한 실리콘계 용융 조성물 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 대해 설명한다.
전술한 실리콘계 용융 조성물을 포함하는 초기 용융 원료를 도가니(300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 도가니(300)가 탄소 재질을 포함하는 경우 초기 용융 원료는 탄소를 별도로 포함하지 않을 수 있으나, 이에 제한되지 않고 초기 용융 원료는 탄소를 포함할 수도 있다.
초기 용융 원료를 실장하고 있는 도가니(300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 가열 부재(400)을 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니(300) 내의 초기 용융 원료는 탄소(C), 실리콘(Si), 이트륨(Y) 및 철(Fe)을 포함하는 용융액으로 변한다.
용융액은 소정의 온도(일 예로 1800도)에 도달하도록 가열될 수 있으며, 소정의 온도에서 용융액 내의 탄소 용해도는 포화 상태일 수 있다. 이후 도가니(300) 내의 용융액의 온도는 서서히 저하되어 가고 용융액 내의 탄소의 용해도가 작아진다. 종결정(210) 부근에서 실리콘카바이드 과포화 상태가 되면, 이 과포화도를 구동력으로 하여 종결정(210) 상에 실리콘카바이드 단결정이 성장한다.
실리콘카바이드 단결정이 성장함에 따라 용융액으로부터 실리콘카바이드를 석출하는 조건이 변할 수 있다. 이때 시간의 경과에 따라 용융액의 조성에 맞도록 실리콘 및 탄소를 첨가하여 용융액을 일정 범위 내의 조성으로 유지할 수 있다. 첨가되는 실리콘 및 탄소는 연속적으로 또는 비연속적으로 투입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물을 이용하는 경우, 용융액에 대한 탄소 용해도를 증가시키고 저온에서도 단결정 수득이 용이할 수 있으며 이트륨을 포함하는 불순물 석출이 억제되므로, 우수한 품질의 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있다.
이하에서는 표 1과 함께 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 실리콘계 용융 조성물을 이용하여 석출한 단결정에 대해 살펴본다. 도 2는 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물을 이용하여 석출한 단결정 이미지이고, 도 3은 비교예에 따른 실리콘계 용융 조성물을 이용하여 석출한 단결정 이미지이다.
우선 결정 성장로에 비교예 1 내지 8 및 실시예 1 내지 3 각각에 해당하는 원료를 흑연 도가니에 넣고 진공 배기 후 1 기압의 Ar 기체를 주입하였다. 그 후 성장온도인 1800 도(℃)까지 가열하여 용융액을 제조한 이후 온도를 유지시켜 용융액 내부의 탄소 농도가 포화 상태에 도달할 때까지 대기하였다. 그 후 용융액의 표면을 기준으로 아래 방향을 따라 -20 ℃/cm의 온도 구배를 형성하고 4H의 SiC 종결정을 용융액 표면을 향해 서서히 하강시킨 이후 접촉하게 하여 12시간 동안 단결정 성장을 진행하였다. 결정 성장이 완료된 이후 종결정을 용융액으로부터 인상하고 냉각시켜 단결정의 성장 속도, 이트륨 실리사이드(Yttrium Silicide)의 석출 여부와 단결정의 표면 상태를 비교하였다. 탄소 용해도는 열역학 시뮬레이션인 Factsage를 통해 계산하였다.
조성 성장 온도
(°C)		 탄소
용해도
(%)		 결정성장 속도
(mm/h)		 이트륨 실리사이드
석출		 결정성장
결과
비교예 1 Si0.7Y0.3 1800 9.5 X 석출 표면 불량
비교예 2 Si0.6Y0.3Ni0.1 1800 4.8 X 석출 표면 불량
비교예 3 Si0.6Y0.3Al0.1 1800 4.5 X 석출 표면 불량
비교예 4 Si0.3Y0.6Fe0.1 1800 8.6 ~ 0.02 없음 성장 느림
비교예 5 Si0.8Y0.1Fe0.1 1800 2.8 ~ 0.01 없음 성장 느림
비교예 6 Si0.3Y0.3Fe0.4 1800 3.6 ~ 0.01 없음 성장 느림
비교예 7 Si0.6Y0.37Fe0.03 1800 15.3 X 석출 표면 불량
비교예 8 Si0.6Y0.1Fe0.3 1800 4.1 ~ 0.02 없음 성장 느림
실시예 1 Si0.6Y0.3Fe0.1 1800 14.5 0.40 없음 품질 양호
실시예 2 Si0.6Y0.25Fe0.15 1800 11.75 0.35 없음 품질 양호
실시예 3 Si0.6Y0.2Fe0.2 1800 9.8 0.21 없음 품질 양호
표 1을 참조하면 비교예 1과 같이 실리콘계 용융 조성물이 실리콘 및 이트륨만을 포함하는 경우 탄소 용해도는 상대적으로 높을 수 있으나(9.5%), 이트륨 실리사이드가 석출됨을 확인하였다. 이트륨 실리사이드가 석출되는 경우 단결정의 성장을 방해하게 되므로 결정 성장 결과가 표면 불량임을 확인하였다. 비교예 2 및 비교예 3과 같이 이트륨 실리사이드의 석출을 제어하기 위해 각각 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)을 첨가하였으나 여전히 이트륨 실리사이드가 석출됨을 확인하였다. 니켈 및 알루미늄의 경우 이트륨 실리사이드의 석출을 억제하지 못함을 확인하였다.
비교예 4, 비교예 5, 비교예 6 및 비교예 8의 경우 실리콘계 용융 조성물이 철을 포함함에 따라 이트륨 실리사이드가 석출되지 않음을 확인하였다. 철에 의해 이트륨 실리사이드의 석출이 억제됨을 확인하였으며 수득된 단결정에서 표면 불량은 관찰되지 않았다. 다만 비교예 4, 비교예 5, 비교예 6 및 비교예 8의 경우 포함되는 이트륨 및 철의 함량에 따라 결정 성장 속도가 현저히 느리게 관찰되었다.
비교예 5와 같이 이트륨이 10 at%로 포함되는 경우 이트륨이 상당히 적은 양으로 포함되므로 이트륨에 의한 탄소 용해도 증가 효과가 미미함을 확인하였다. 비교예 5의 경우 탄소 용해도가 약 2.8%로 상당히 낮음을 확인하였다.
비교예 6은 철이 40 at%로 포함되는 경우이며, 철은 이트륨에 의한 탄소 용해도 증가 효과를 억제하여 비교예 6의 경우에도 탄소 용해도가 약 3.6%로 상당히 낮은 결과를 나타냈다.
비교예 8은 이트륨이 10 at%로 포함되는 경우이다. 비교예 8은 이트륨이 탄소 용해도를 증가시키는 효과가 낮아지므로 탄소 용해도가 현저히 낮을 수 있으며(4.1%), 이에 따라 결정 성장이 느림을 확인하였다.
비교예 7은 철이 3 at%로 포함되는 경우이며, 이 경우 철이 이트륨 실리사이드 석출을 억제하는 효과가 미미함을 확인하였다. 실리콘계 용융 조성물이 철을 포함함에도 불구하고 이트륨 실리사이드가 석출되고 단결정의 표면이 불량으로 나타났다.
실리콘카바이드 단결정의 표면은 도 3에 도시된 바와 같이 비교예 1, 비교예 2, 비교예 4, 비교예 5 및 비교예 7 모두 표면 상태가 좋지 않음을 확인하였다.
반면 실시예 1 내지 3 의 경우 소정의 이트륨을 포함함으로써 탄소 용해도가 각각 14.5%, 11.75% 및 9.8%로 나타났으며 이는 비교예들 대비 상대적으로 높은 수치이다. 결정 성장 속도 역시 각각 0.40 mm/h, 0.35 mm/h, 0.21 mm/h로 빠른 결정 성장이 이루어짐을 확인하였다. 본 발명의 일 실시예에 따르는 경우 단결정의 성장 속도는 약 0.1 mm/h 이상일 수 있다.
또한 적정량의 철(Fe)을 포함함으로써 이트륨 실리사이드의 석출이 억제되고 도 2에 도시된 바와 같이 단결정의 품질이 양호함을 확인할 수 있었다.
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.
100: 챔버
210: 종결정
300: 도가니
400: 가열 부재
500: 회전 부재

Claims (8)

  1. 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 용액 성장법에 이용되고,
    실리콘(Si), 이트륨(Y) 및 철(Fe)를 포함하며 하기 식 (1)로 표현되는 실리콘계 용융 조성물:
    SiaYbFec (식 1)
    상기 식 (1)에서 상기 a는 0.5 이상 0.7 이하이고, 상기 b는 0.2 이상 0.3 이하이고, 상기 c 는 0.1 이상 0.2 이하이다.
  2. 실리콘카바이드 종결정을 준비하는 단계,
    실리콘(Si), 이트륨(Y) 및 철(Fe)를 포함하며 하기 식 (1)로 표현되는 실리콘계 용융 조성물을 준비하는 단계,
    상기 실리콘계 용융 조성물 및 탄소(C)를 포함하는 용융액을 형성하는 단계, 그리고
    상기 용융액으로부터 상기 실리콘카바이드 종결정 상에 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법:
    SiaYbFec (식 1)
    상기 식 (1)에서 상기 a는 0.5 이상 0.7 이하이고, 상기 b는 0.2 이상 0.3 이하이고, 상기 c 는 0.1 이상 0.2 이하이다.
  3. 제2항에서,
    상기 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 단계에서 이트륨 실리사이드(Yttrium Silicide)가 석출되지 않는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 용융액을 형성하는 단계는, 상기 실리콘계 용융 조성물을 도가니에 장입하고 가열하는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 가열하는 단계는, 상기 용융액이 1800도(℃)가 되도록 가열하는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  6. 제4항에서,
    상기 용융액은 탄소 용해도가 포화 상태인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 용융액의 표면을 기준으로 -20 ℃/cm의 온도 구배를 형성한 이후 상기 실리콘카바이드 종결정을 상기 용융액의 표면에 접촉시키는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 실리콘카바이드 단결정의 성장 속도는 0.1 mm/h 이상인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
KR1020180059815A 2018-05-25 2018-05-25 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 KR102302753B1 (ko)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180059815A KR102302753B1 (ko) 2018-05-25 2018-05-25 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
CN201980003601.9A CN110914485B (zh) 2018-05-25 2019-05-22 基于硅的熔融组合物和使用其的碳化硅单晶的制造方法
US16/630,952 US11873576B2 (en) 2018-05-25 2019-05-22 Silicon based melting composition and manufacturing method for silicon carbide single crystal using the same
PCT/KR2019/006134 WO2019225966A1 (ko) 2018-05-25 2019-05-22 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
JP2020501833A JP6961893B2 (ja) 2018-05-25 2019-05-22 シリコン系溶融組成物およびこれを用いるシリコンカーバイド単結晶の製造方法
EP19807632.5A EP3636806B1 (en) 2018-05-25 2019-05-22 Silicon based melting composition and manufacturing method for silicon carbide single crystal using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180059815A KR102302753B1 (ko) 2018-05-25 2018-05-25 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190134325A KR20190134325A (ko) 2019-12-04
KR102302753B1 true KR102302753B1 (ko) 2021-09-14

Family

ID=68617328

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180059815A KR102302753B1 (ko) 2018-05-25 2018-05-25 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11873576B2 (ko)
EP (1) EP3636806B1 (ko)
JP (1) JP6961893B2 (ko)
KR (1) KR102302753B1 (ko)
CN (1) CN110914485B (ko)
WO (1) WO2019225966A1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012046384A (ja) * 2010-08-27 2012-03-08 Sumitomo Metal Ind Ltd ＳｉＣ単結晶の製造方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2966989B2 (ja) * 1991-12-02 1999-10-25 本田技研工業株式会社 炭化珪素系セラミックス
JP4453348B2 (ja) 2003-11-25 2010-04-21 トヨタ自動車株式会社 炭化珪素単結晶の製造方法
JP4270034B2 (ja) 2004-06-14 2009-05-27 トヨタ自動車株式会社 ＳｉＣ単結晶の製造方法
WO2006025420A1 (ja) 2004-09-03 2006-03-09 Sumitomo Metal Industries, Ltd. 炭化珪素単結晶の製造方法
JP4934958B2 (ja) 2004-11-24 2012-05-23 住友金属工業株式会社 炭化珪素単結晶の製造方法
JP5434801B2 (ja) 2010-06-03 2014-03-05 トヨタ自動車株式会社 ＳｉＣ単結晶の製造方法
US10167573B2 (en) * 2010-11-26 2019-01-01 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Method of producing SiC single crystal
JP5273130B2 (ja) * 2010-11-26 2013-08-28 信越化学工業株式会社 ＳｉＣ単結晶の製造方法
JP5850490B2 (ja) 2011-09-08 2016-02-03 国立研究開発法人産業技術総合研究所 ＳｉＣ単結晶の製造方法
US9702057B2 (en) * 2012-12-28 2017-07-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method for producing an n-type SiC single crystal from a Si—C solution comprising a nitride
JP5854013B2 (ja) 2013-09-13 2016-02-09 トヨタ自動車株式会社 ＳｉＣ単結晶の製造方法
JP5905864B2 (ja) 2013-09-27 2016-04-20 トヨタ自動車株式会社 ＳｉＣ単結晶及びその製造方法
EP2881498B1 (en) 2013-12-06 2020-03-11 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Method for growing silicon carbide crystal
JP6259740B2 (ja) * 2014-09-11 2018-01-10 国立大学法人名古屋大学 炭化ケイ素の結晶の製造方法及び結晶製造装置
WO2018062689A1 (ko) 2016-09-29 2018-04-05 주식회사 엘지화학 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
KR102103884B1 (ko) * 2016-09-30 2020-04-23 주식회사 엘지화학 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012046384A (ja) * 2010-08-27 2012-03-08 Sumitomo Metal Ind Ltd ＳｉＣ単結晶の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3636806B1 (en) 2022-07-06
KR20190134325A (ko) 2019-12-04
JP6961893B2 (ja) 2021-11-05
CN110914485A (zh) 2020-03-24
US11873576B2 (en) 2024-01-16
CN110914485B (zh) 2021-10-29
WO2019225966A1 (ko) 2019-11-28
US20200224330A1 (en) 2020-07-16
EP3636806A4 (en) 2020-07-22
JP2020527529A (ja) 2020-09-10
EP3636806A1 (en) 2020-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5304792B2 (ja) ＳｉＣ単結晶膜の製造方法および装置
EP2484815B1 (en) METHOD FOR PRODUCING SiC SINGLE CRYSTAL
KR101976122B1 (ko) 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
EP2940196B1 (en) Method for producing n-type sic single crystal
KR102136269B1 (ko) 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치
KR102302753B1 (ko) 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
KR20180091344A (ko) 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
KR102142424B1 (ko) 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
KR102609883B1 (ko) 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
KR102158624B1 (ko) 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
KR20210004199A (ko) 실리콘카바이드 단결정 제조 장치
KR102673788B1 (ko) 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
KR102673789B1 (ko) 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
CN117305986B (zh) 单晶碳化硅长晶原料、单晶碳化硅长晶方法及单晶碳化硅
KR102060188B1 (ko) 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
WO2019088740A2 (ko) 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
KR20210004735A (ko) 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant