KR102479333B1 - 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 도가니, 상기 도가니 내부로 연장되는 실리콘카바이드 종결정, 상기 실리콘카바이드 종결정과 연결된 종결정축, 그리고 상기 종결정축에 연결된 떨림 방지 부재를 포함하며, 상기 종결정축의 일 지점으로부터 상기 종결정의 일면까지의 거리는, 상기 종결정축의 일 지점으로부터 상기 떨림 방지 부재의 일면까지의 거리보다 작다.

Description

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD OF SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘카바이드(SiC) 단결정은 내마모성 등의 기계적 강도와 내열성 및 내부식성이 우수하여 반도체, 전자, 자동차, 기계 분야 등의 부품소재로 많이 사용되고 있다.
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 두께 정도의 제한된 수준으로만 성장이 가능할 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 용액 성장법을 이용하며 균일한 품질을 가지는 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 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.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 도가니, 상기 도가니 내부로 연장되는 실리콘카바이드 종결정, 상기 실리콘카바이드 종결정과 연결된 종결정축, 그리고 상기 종결정축에 연결된 떨림 방지 부재를 포함하며, 상기 종결정축의 일 지점으로부터 상기 종결정의 일면까지의 거리는, 상기 종결정축의 일 지점으로부터 상기 떨림 방지 부재의 일면까지의 거리보다 작다.
상기 떨림 방지 부재는, 상기 종결정축과 연결되는 연결부, 그리고 상기 연결부와 연결되는 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 떨림 방지 부재는 복수의 연결부를 포함하고, 상기 플레이트는 상기 복수의 연결부와 결합될 수 있다.
상기 플레이트는 상기 플레이트 중앙에 위치하는 개구부를 포함할 수 있다.
상기 개구부의 지름은 상기 실리콘카바이드 종결정의 지름보다 클 수 있다.
상기 플레이트의 지름은 상기 도가니의 지름보다 작을 수 있다.
상기 연결부는 상기 플레이트를 관통할 수 있다.
상기 플레이트는 상기 연결부에 연결된 상태에서 상하 이동할 수 있다.
상기 떨림 방지 부재는 그라파이트를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 도가니 내에 용융액을 준비하는 단계, 상기 도가니 내부로 상기 종결정축을 제공하는 단계, 상기 종결정축에 연결된 떨림 방지 부재가 상기 용융액과 접촉하는 단계, 그리고 상기 종결정축을 하강시켜 실리콘카바이드 종결정과 상기 용융액을 접촉시키는 단계를 포함한다.
상기 종결정축을 제1 높이로 하강시켜 상기 떨림 방지 부재와 상기 용융액이 접촉하는 단계, 그리고 상기 종결정축을 제2 높이로 하강시켜 상기 종결정과 상기 용융액이 접촉하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 떨림 방지 부재는, 상기 종결정축과 연결되는 연결부, 그리고 상기 연결부에 연결되는 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 플레이트는 상하 이동 가능하며 상기 종결정축이 하강하는 단계에서 상기 플레이트는 상기 용융액 표면 상에 위치할 수 있다.
본 발명에 의하면 균일한 품질을 가지는 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 실리콘카바이드 종결정과 떨림 방지 부재를 포함하는 일부 구성요소에 대한 사시도이다.
도 3 및 도 4 각각은 실리콘카바이드 단결정의 제조 공정에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 일부 구성요소에 대한 개략적인 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 6은 실리콘카바이드 종결정과 떨림 방지 부재를 포함하는 일부 구성요소에 대한 사시도이다.
도 7 및 도 8 각각은 실리콘카바이드 단결정의 제조 공정에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 일부 구성요소에 대한 개략적인 단면도이다.
도 9는 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 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 1 및 도 2를 참조하여 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 설명한다. 도 1은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 개략적인 단면도이고, 도 2는 종결정 및 떨림 방지 부재를 포함하는 일부 구성요소에 대한 사시도이다.
우선 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 도가니(300), 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400), 도가니(300)를 회전시키는 회전 부재(500) 및 떨림 방지 부재(600)를 포함한다.
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 실리콘카바이드 단결정이 성장되는 부분으로, 도가니(300) 내측의 상부 영역에 위치한다. 제조 공정에 따라 실리콘카바이드 종결정(210)의 하면은 도가니(300) 내부에 위치하는 용융액 표면과 접촉하도록 위치할 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.
종결정축(230)은 실리콘카바이드 종결정(210)의 상부면과 연결되도록 연장 형성되어 실리콘카바이드 종결정(210)을 지지하며 실리콘카바이드 종결정(210)이 도가니(300) 내측에 위치할 수 있도록 한다.
종결정축(230)은 종결정 회전봉(250)에 연결되어 함께 회전하도록 결합될 수 있으며, 종결정축(230)은 종결정 회전봉(250)에 의해 상하로 이동하거나 회전할 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. 그러나 전술한 형태에 제한 없이 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태도 가능함은 물론이며 제조 공정에 따라 상부면을 덮는 덮개 등을 포함할 수도 있다. 도가니(300)는 실리콘 또는 실리콘카바이드 분말과 같은 용융 원료가 장입되어 수용될 수 있다.
도가니(300)는 그라파이트, SiC와 같이 탄소를 함유하는 물질로 이루어질 수 있다. 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 도가니(300)의 외주면에 위치할 수 있으며, 일 예로 도가니(300)의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
가열 부재(400)는 저항식 발열 수단 또는 유도 가열식 발열 수단을 사용할 수 있다. 구체적으로 가열 부재(400) 자체가 발열하는 저항식으로 가열 수단이거나 가열 부재(400)가 인덕션 코일을 포함하고 인덕션 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(300)를 가열하는 유도 가열 방식으로 도가니(300)를 가열할 수도 있다. 그러나 전술한 방법에 제한되지 않고 어떠한 가열 부재도 사용될 수 있음은 물론이다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 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)의 회전을 통해 균일한 조성의 용융액 제공이 가능한 바 실리콘카바이드 종결정(210)에 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 제조 장치는 종결정축(230)에 연결되는 떨림 방지 부재(600)를 포함한다. 본 명세서는 떨림 방지 부재(600)가 종결정축(230)에 연결되는 실시예를 도시하였으나 이에 제한되지 않고 종결정 회전봉(250)에 연결되거나 다른 구성요소에 연결되는 실시예도 가능함은 물론이다. 일 실시예에 따른 떨림 방지 부재(600)는 그라파이트 재질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 떨림 방지 부재(600)는 종결정축(230)과 떨림 방지 부재(600)를 연결하는 연결부(610), 그리고 연결부(610)와 연결된 플레이트(620)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 연결부(610)는 종결정축(230)의 외주면과 플레이트(620)의 상부면을 연결할 수 있다. 연결부(610)는 종결정축(230)의 외주면으로부터 연장되어 상하 방향(D2) 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 그러나 연결부(610)의 형태는 도시된 형태에 제한되는 것이 아니라 플레이트(620)를 고정하기 위한 어떠한 형태도 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 떨림 방지 부재(600)는 복수의 연결부(610)를 포함할 수 있다. 상기 연결부(610)의 개수에는 제한이 없을 수 있다.
플레이트(620)는 도 2에 도시된 바와 같이 평면상 원 형태를 가질 수 있다. 또한 플레이트(620)는 플레이트(620)의 중앙에 위치하는 개구부(OP)를 포함할 수 있다. 종결정축(230) 및 떨림 방지 부재(600)가 용융액 내로 제공되는 경우 개구부(OP)를 통해 유입된 용융액이 종결정(210)과 접촉하여 실리콘카바이드 단결정이 수득될 수 있다.
플레이트(620)의 지름(d1)은 도가니(300)의 지름보다 작을 수 있다. 개구부(OP)의 지름(d2)은 종결정축(230) 또는 실리콘카바이드 종결정(210) 보다 클 수 있다. 또한 플레이트(620)의 두께(t1)는 약 1 mm 내지 약 10 mm 일 수 있으며, 이에 제한되지 않고 실시예에 따라 다양하게 변할 수 있다.
실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 기준으로, 떨림 방지 부재(600)는 종결정(210)에 비해 상대적으로 아래쪽에 위치할 수 있다. 구체적으로 종결정축(230)의 일면을 기준으로 떨림 방지 부재(600)의 최하단에 위치하는 일면까지의 거리는 종결정축(230)의 일면을 기준으로 실리콘카바이드 종결정(210)의 최하단에 위치하는 일면까지의 거리보다 클 수 있다. 다시 말해 종결정축(230)의 일 지점을 기준으로 실리콘카바이드 종결정(210)은 떨림 방지 부재(600)보다 가까이 위치할 수 있다.
이하에서는 전술한 도 1 및 도 2에, 도 3 내지 도 4를 참조하여 전술한 실리콘카바이드 단결정 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법에 대해 설명한다. 도 3 및 도 4 각각은 실리콘카바이드 단결정의 제조 공정에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 일부 구성요소에 대한 개략적인 단면도이다.
우선, 실리콘 및 금속을 포함하는 초기 용융 원료를 그라파이트 재질의 도가니(300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
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 실리콘 및 금속을 포함하는 용융액(M)으로 변한다. 시간이 진행됨에 따라 용융액(M)은 도가니로부터 유입된 카본을 포함한다. 실시예에 따라 상기 초기 용융 원료는 카본을 포함할 수 있다.
가열된 용융액(M)의 표면은 평탄하지 않으며 찰랑임이 일 수 있다. 특히 가열 부재(400)가 유도 자기장을 이용하는 경우 용융액(M)의 찰랑임이 클 수 있다.
이후 도 3에 도시된 바와 같이 종결정축(230)을 하강시킴에 따라 떨림 방지 부재(600)가 용융액(M)과 접촉할 수 있다. 종결정축(230)은 떨림 방지 부재(600)와 용융액(M)이 접촉하는 높이까지 하강할 수 있으며, 이때 종결정(210)의 높이를 제1 높이(h1)라고 지칭한다. 떨림 방지 부재(600)와 접촉한 용융액(M)은 찰랑임이 감소될 수 있다. 용융액(M)과 접촉한 떨림 방지 부재(600)는 용융액(M)의 찰랑임을 물리적으로 제어할 수 있다.
이후 도 4에 도시된 바와 같이 종결정축(230)을 추가 하강시켜 종결정(210)이 용융액(M)과 접촉하도록 한다. 종결정축(230)은 종결정(210)이 용융액(M)과 접촉하는 높이까지 하강할 수 있으며 이때 종결정(210)의 높이를 제2 높이(h2)라고 지칭한다. 찰랑임이 제어된 용융액(M)은 균일한 표면을 가질 수 있으므로 종결정(210)은 용융액(M)과 균일한 접촉이 가능할 수 있다.
도가니(300)가 소정의 온도에 도달한 이후, 도가니(300)의 온도는 유지되며 종결정(210) 표면에서 실리콘카바이드 단결정이 석출될 수 있다. 이는 종결정(210)의 온도가 도가니(300) 내부의 용융액의 온도보다 낮은 것을 이용한다. 종결정(210) 부근에서 실리콘카바이드 과포화 상태가 되면, 이 과포화도를 구동력으로 하여 종결정(210) 상에 실리콘카바이드 단결정이 성장한다. 추가로 도가니(300)의 온도를 서서히 저하시키면서 결정 성장을 진행할 수도 있다.
한편 실리콘카바이드 단결정은 용융액(M)으로부터 실리콘 및 탄소를 취입하여 더욱 성장해간다. 이에 따라 용융액(M)에 포함되는 실리콘 및 탄소는 점차 감소하고 용융액(M)으로부터 실리콘카바이드를 석출하는 조건이 변할 수 있다. 이때 시간의 경과에 따라 용융액(M)의 조성에 맞도록 실리콘 및 탄소를 첨가하여 용융액(M)을 일정 범위 내의 조성으로 유지할 수 있다. 첨가되는 실리콘 및 탄소는 연속적으로 또는 비연속적으로 투입될 수 있다.
또는 이에 제한되지 않고 탄소는 도가니로부터 계속해서 공급될 수 있다. 용융액이 포함하는 전이금속에 의해 도가니의 용해가 계속해서 진행되며 탄소가 계속해서 용융액으로 공급될 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 경우, 용융액 상에 떨림 방지 부재가 먼저 접촉함에 따라 용융액의 찰랑임을 저하시킬 수 있다. 이후 실리콘카바이드 종결정은 용융액의 일면이 평탄한 상태에서 접촉하므로 균일한 품질의 실리콘카바이드 단결정의 수득이 이루어 질 수 있으며, 수득된 실리콘카바이드 단결정의 표시 품질이 향상될 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 6을 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 설명한다. 도 5는 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이고, 도 6은 실리콘카바이드 종결정과 떨림 방지 부재를 포함하는 일부 구성요소에 대한 사시도이다. 전술한 실시예와 동일 유사한 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략할 수 있다.
우선 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 도가니(300), 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400), 회전 부재(500) 및 떨림 방지 부재(600)를 포함한다.
반응 챔버(100)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이고 그 내부가 일정한 압력 등의 분위기로 유지될 수 있다.
실리콘카바이드 종결정(210)은 실리콘카바이드 단결정이 성장되는 부분으로, 도가니(300) 내측의 상부 영역에 위치한다. 실리콘카바이드 종결정(210)의 하면은 도가니(300) 내부에 위치하는 용융액 표면과 접촉하도록 위치할 수 있다.
실리콘카바이드 종결정(210)은 실리콘카바이드 단결정으로 이루어진다. 실리콘카바이드 종결정(210)의 결정 구조는 제조하려는 실리콘카바이드 단결정의 결정 구조와 같다.
종결정축(230)은 실리콘카바이드 종결정(210)의 상부면과 연결되도록 연장 형성되어 실리콘카바이드 종결정(210)을 지지하며 실리콘카바이드 종결정(210)이 도가니(300) 내측에 위치할 수 있도록 한다.
종결정축(230)은 종결정 회전봉(250)에 연결되어 함께 회전하도록 결합될 수 있으며, 종결정축(230)은 종결정 회전봉(250)에 의해 상하로 이동하거나 회전할 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. 그러나 전술한 형태에 제한 없이 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태도 가능함은 물론이다.
도가니(300)는 그라파이트, SiC와 같이 탄소를 함유하는 물질로 이루어질 수 있다. 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.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 종결정축(230)에 연결되는 떨림 방지 부재(600)를 포함한다. 본 명세서는 떨림 방지 부재(600)가 종결정축(230)에 연결되는 실시예를 도시하였으나 이에 제한되지 않고 종결정 회전봉(250)에 연결되거나 다른 구성요소에 연결되는 실시예도 가능함은 물론이다. 일 실시예에 따른 떨림 방지 부재(600)는 그라파이트 재질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 떨림 방지 부재(600)는 종결정축(230)과 떨림 방지 부재(600)를 연결하는 연결부(610), 그리고 연결부(610)와 연결된 플레이트(620)를 포함할 수 있다.
연결부(610)는 종결정축(230)의 외주면과 플레이트(620)를 연결할 수 있다. 연결부(610)는 종결정축(230)의 외주면으로부터 연장되어 상하 방향(D2) 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 떨림 방지 부재(600)는 복수의 연결부(610)를 포함할 수 있다. 상기 연결부(610)의 개수에는 제한이 없을 수 있다.
플레이트(620)는 도 6에 도시된 바와 같이 평면상 원 형태를 가질 수 있다. 또한 플레이트(620)는 플레이트(620)의 중앙에 위치하는 개구부(OP)를 포함할 수 있다. 종결정축(230) 및 떨림 방지 부재(600)가 용융액 내로 제공되는 경우 개구부(OP)를 통해 유입된 용융액이 종결정(210)과 접촉하여 실리콘카바이드 단결정이 수득될 수 있다.
실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 기준으로, 떨림 방지 부재(600)는 종결정(210)에 비해 상대적으로 아래쪽에 위치할 수 있다. 구체적으로 종결정축(230)의 일면을 기준으로 떨림 방지 부재(600)의 최하단에 위치하는 일면까지의 거리는 종결정축(230)의 일면을 기준으로 실리콘카바이드 종결정(210)의 최하단에 위치하는 일면까지의 거리보다 클 수 있다. 다시 말해 종결정축(230)의 일 지점을 기준으로 떨림 방지 부재(600)는 실리콘카바이드 종결정(210)보다 멀리 위치할 수 있다.
일 실시예에 따른 연결부(610)는 플레이트(620)를 관통할 수 있다. 연결부(610)는 플레이트(620)의 일면을 기준으로 상측에 위치하는 제1 영역(610a) 및 플레이트(620)의 일면을 기준으로 하측에 위치하는 제2 영역(610b)을 포함할 수 있다. 플레이트(620)은 연결부(610)에 연결되어 D2 방향을 따라 아래 위로 이동할 수 있다. 이때 제1 영역(610a) 및 제2 영역(610b)의 길이는 가변할 수 있으며, 제1 영역(610a) 및 제2 영역(610b)의 길이의 합은 동일할 수 있다.
플레이트(620)는 연결부(610)의 개수와 동일한 개수의 개구부를 포함할 수 있다. 개구부를 통해 연결부(610)는 플레이트(620)를 관통하도록 연결될 수 있다.
이하에서는 전술한 도 5 내지 도 6에, 도 7 내지 도 8을 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 7 및 도 8 각각은 실리콘카바이드 단결정의 제조 공정에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 일부 구성요소에 대한 개략적인 단면도이다. 전술한 설명과 동일 유사한 설명은 생략할 수 있다.
우선, 실리콘 및 탄소를 포함하는 초기 용융 원료를 도가니(300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
초기 용융 원료를 실장하고 있는 도가니(300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 가열 부재(400)를 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니(300) 내의 초기 용융 원료는 탄소 및 실리콘을 포함하는 용융액(M)으로 변한다. 실시예에 따라 상기 용융액(M)은 금속을 포함할 수 있다.
이후 도 7에 도시된 바와 같이 종결정축(230)을 하강시킴에 따라 떨림 방지 부재(600)가 용융액(M)과 접촉할 수 있다. 떨림 방지 부재(600)와 접촉한 용융액(M)은 찰랑임이 감소될 수 있다.
이후 도 8에 도시된 바와 같이 종결정축(230)을 추가 하강시켜 종결정(210)이 용융액(M)과 접촉하도록 한다. 이때 상하 방향으로 이동 가능한 플레이트(620)는 용융액(M)의 부력에 의해 용융액(M)의 상단, 특히 용융액(M)의 표면 근처에 위치할 수 있다. 종결정축(230)이 하단으로 이동하더라도 떨림 방지 부재(600)의 플레이트(620)는 계속해서 용융액(M)의 표면 상에 위치하면서 용융액(M)의 떨림을 제어할 수 있다.
다음 도가니(300)가 소정의 온도에 도달한 이후, 도가니(300)의 온도는 유지되며 종결정(210) 표면에서 실리콘카바이드 단결정이 석출될 수 있다. 이는 종결정(210)의 온도가 도가니(300) 내부의 용융액의 온도보다 낮은 것을 이용한다. 종결정(210) 부근에서 실리콘카바이드 과포화 상태가 되면, 이 과포화도를 구동력으로 하여 종결정(210) 상에 실리콘카바이드 단결정이 성장한다. 이에 제한되지 않고 도가니(300)의 온도를 서서히 저하시키면서 결정 성장을 진행할 수도 있다.
일 실시예에 따라 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 경우, 용융액 상에 떨림 방지 부재가 먼저 접촉함에 따라 용융액의 찰랑임을 저하시킬 수 있다. 이후 실리콘카바이드 종결정은 용융액의 일면이 평탄한 상태에서 접촉하므로 균일한 수득이 이루어 질 수 있으며, 수득된 실리콘카바이드 단결정의 표시 품질이 향상될 수 있다.
이하에서는 도 9를 참조하여 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 살펴본다. 도 9는 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 개략적인 단면도이다.
비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 도가니(300), 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400), 회전 부재(500)를 포함한다. 또한 종결정 회전봉(250)에 연결된 종결정축(230) 및 종결정(210)을 포함한다.
종결정(210)이 D2 방향을 따라 하강하여 도가니(300) 내에 위치하는 용융액(M)과 접촉하고, 이를 통해 실리콘카바이드 단결정이 수득될 수 있다.
다만 이 경우 도 9의 우측에 도시된 바와 같이 실리콘카바이드 종결정(210)의 일면과 용융액(M) 사이에는 빈 공간(A)이 생길 수 있다. 빈 공간(A)은 분위기 가스가 포집된 영역이거나 버블이 형성된 영역일 수 있다. 용융액(M)의 찰랑임에 의해 용융액(M)과 실리콘카바이드 종결정(210) 사이에 분위기 가스가 포집될 수 있다. 이와 같이 용융액(M)과 실리콘카바이드 종결정(210)이 균일하게 접촉하지 않는 경우 수득되는 실리콘카바이드 단결정은 결함을 포함할 수 있으며 품질이 하락하는 문제가 있다.
또한 도 9의 좌측에 도시한 바와 용융액(M)의 찰랑임에 의해 용융액은 실리콘카바이드 종결정(210) 뿐만 아니라 종결정축(230)과도 접촉할 수 있다. 그라파이트 재질을 포함하는 종결정축(230)과 용융액(M)이 접촉하는 경우 접촉면에서 실리콘카바이드 다결정(B)이 석출될 수 있다. 실리콘카바이드 단결정의 수득을 방해하고 품질을 저하시킬 수 있다.
그러나 전술한 일 실시예에 따르면 종결정(210)이 제공되는 공정에서 떨림 방지 부재(600)가 용융액과 먼저 접촉함에 따라 용융액의 찰랑거림을 방지하여 종결정(210)이 균일한 상태의 용융액과 접촉하여 향상된 품질의 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 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.
230: 종결정축
300: 도가니
600: 떨림 방지 부재

Claims (15)

  1. 도가니,
    상기 도가니 내부로 연장되는 실리콘카바이드 종결정,
    상기 실리콘카바이드 종결정과 연결된 종결정축, 그리고
    상기 종결정축에 연결된 떨림 방지 부재를 포함하며,
    상기 종결정축의 일면을 기준으로 상기 실리콘카바이드 종결정의 일면까지의 거리는,
    상기 종결정축의 일면을 기준으로 상기 떨림 방지 부재의 일면까지의 거리보다 작은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 떨림 방지 부재는,
    상기 종결정축과 연결되는 연결부, 그리고
    상기 연결부와 연결되는 플레이트를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 떨림 방지 부재는 복수의 연결부를 포함하고,
    상기 플레이트는 상기 복수의 연결부와 결합되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 플레이트는 상기 플레이트 중앙에 위치하는 개구부를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 개구부의 지름은 상기 실리콘카바이드 종결정의 지름보다 큰 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  6. 제2항에서,
    상기 플레이트의 지름은 상기 도가니의 지름보다 작은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  7. 제2항에서,
    상기 연결부는 상기 플레이트를 관통하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 플레이트는 상기 연결부에 연결된 상태에서 상하 이동하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 떨림 방지 부재는 그라파이트를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  10. 도가니 내에 용융액을 준비하는 단계,
    상기 도가니 내부로 종결정축을 제공하는 단계,
    상기 종결정축에 연결된 떨림 방지 부재가 상기 용융액과 접촉하는 단계, 그리고
    상기 종결정축을 하강시켜 실리콘카바이드 종결정과 상기 용융액을 접촉시키는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 종결정축을 제1 높이로 하강시켜 상기 떨림 방지 부재와 상기 용융액이 접촉하는 단계, 그리고
    상기 종결정축을 제2 높이로 하강시켜 상기 종결정과 상기 용융액이 접촉하는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 떨림 방지 부재는,
    상기 종결정축과 연결되는 연결부, 그리고
    상기 연결부에 연결되는 플레이트를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 플레이트는 상하 이동 가능하며
    상기 종결정축이 하강하는 단계에서 상기 플레이트는 상기 용융액 표면 상에 위치하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 연결부는 상기 플레이트를 관통하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  15. 제10항에서,
    상기 떨림 방지 부재는 그라파이트를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
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