KR102553771B1 - Manufacturing apparatus for silicon carbide single crystal and manufacturing method of silicon carbide single crystal - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 챔버, 상기 챔버 내에 위치하는 도가니, 상기 도가니 내로 이동하는 종결정, 상기 도가니 외주면에 위치하는 가열부, 그리고 상기 챔버 내에 위치하는 원료 공급부를 포함하며, 상기 원료 공급부는, 원료가 장입되는 제1 용기, 그리고 상기 제1 용기와 연결되며 상기 원료가 이동하는 유입관을 포함하고, 상기 유입관의 일부는 상기 가열부와 중첩한다. An apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment of the present invention includes a chamber, a crucible located in the chamber, a seed crystal moving into the crucible, a heating unit located on the outer circumferential surface of the crucible, and a raw material supply unit located in the chamber. The raw material supply unit includes a first container into which the raw material is charged, and an inlet pipe connected to the first container and through which the raw material moves, and a part of the inlet pipe overlaps the heating unit.
Description
본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a single crystal of silicon carbide and a method for manufacturing a single crystal of silicon carbide.
실리콘카바이드(SiC) 단결정은 내마모성 등의 기계적 강도와 내열성 및 내부식성이 우수하여 반도체, 전자, 자동차, 기계 분야 등의 부품소재로 많이 사용되고 있다.Silicon carbide (SiC) single crystal has excellent mechanical strength such as wear resistance, heat resistance, and corrosion resistance, and is widely used as a component material in semiconductors, electronics, automobiles, and machinery fields.
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. For the growth of silicon carbide single crystal, for example, the Acheson method in which carbon and silica are reacted in a high-temperature electric furnace of 2000 degrees (℃) or higher, sublimation in which silicon carbide is used as a raw material and sublimed at a high temperature of 2000 degrees (℃) or higher to grow a single crystal method, a solution growth method using a crystal pulling method, and the like. In addition, a method of chemically depositing using a gas source has been used.
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.However, the Acheson method is very difficult to obtain a high-purity silicon carbide single crystal, and the chemical vapor deposition method may be able to grow only to a limited level of thin film thickness. Accordingly, research on a sublimation method for growing a crystal by sublimating silicon carbide at a high temperature has been focused. However, the sublimation method is also generally performed at a high temperature of 2400 ° C. or higher, and there is a high possibility of occurrence of various defects such as micropipes and stacking faults, so there is a limit in terms of production cost.
본 발명은 제조 공정 중에 액체 상태의 추가 원료를 공급하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하고자 한다. The present invention is to provide an apparatus and method for manufacturing a silicon carbide single crystal for supplying an additional raw material in a liquid state during the manufacturing process.
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.In addition, the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned above will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 챔버, 상기 챔버 내에 위치하는 도가니, 상기 도가니 내로 이동하는 종결정, 상기 도가니 외주면에 위치하는 가열부, 그리고 상기 챔버 내에 위치하는 원료 공급부를 포함하며, 상기 원료 공급부는, 원료가 장입되는 제1 용기, 그리고 상기 제1 용기와 연결되며 상기 원료가 이동하는 유입관을 포함하고, 상기 유입관의 일부는 상기 가열부와 중첩한다. An apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment of the present invention includes a chamber, a crucible located in the chamber, a seed crystal moving into the crucible, a heating unit located on the outer circumferential surface of the crucible, and a raw material supply unit located in the chamber. The raw material supply unit includes a first container into which the raw material is charged, and an inlet pipe connected to the first container and through which the raw material moves, and a part of the inlet pipe overlaps the heating unit.
상기 유입관은, 제1 영역, 그리고 상기 가열부와 중첩하는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역은 상기 도가니의 외주면과 중첩할 수 있다. The inlet pipe may include a first region and a second region overlapping the heating unit, and the second region may overlap an outer circumferential surface of the crucible.
상기 원료 공급부는 필터를 더 포함할 수 있다. The raw material supply unit may further include a filter.
상기 필터는 상기 제2 영역에 위치할 수 있다. The filter may be located in the second region.
상기 제1 용기는 상기 가열부와 중첩하지 않을 수 있다. The first container may not overlap the heating unit.
상기 제1 용기는 제1 주입구를 포함하고, 상기 제1 주입구는 깔때기 형상을 가질 수 있다. The first container may include a first inlet, and the first inlet may have a funnel shape.
상기 제1 영역이 가지는 제1 지름과, 상기 제2 영역이 가지는 제2 지름이 상이할 수 있다. A first diameter of the first region may be different from a second diameter of the second region.
상기 제2 지름은 상기 제1 지름보다 작을 수 있다. The second diameter may be smaller than the first diameter.
상기 제2 영역은 굴곡부를 포함할 수 있다. The second region may include a bent portion.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 도가니 내에 용융액을 준비하는 단계, 상기 도가니를 가열하는 단계를 포함하고, 그리고 상기 도가니 내부로 상기 종결정을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 도가니를 가열하는 단계에서, 상기 도가니와 이격된 원료 공급부의 일부 영역에 위치하는 고체 상태의 제1 원료가 가열 공정에 의해 액체 상태로 변한다. A method of manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment includes preparing a melt in a crucible, heating the crucible, and providing the seed crystal into the crucible, and heating the crucible. In the step of doing, the first raw material in a solid state located in a partial region of the raw material supply unit spaced apart from the crucible is changed into a liquid state by a heating process.
액체 상태의 상기 제1 원료는 필터를 통해 상기 도가니 내부로 제공될 수 있다. The first raw material in a liquid state may be provided into the crucible through a filter.
상기 도가니 및 상기 원료 공급부는 챔버 내에 위치할 수 있다. The crucible and the raw material supply unit may be located in a chamber.
본 발명에 의하면 제조 공정 중에 액체 상태의 원료를 제공할 수 있으므로 결정 성장이 이루어지는 용융액의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 이에 따르면 수득되는 실리콘카바이드 단결정의 품질이 우수할 수 있다. According to the present invention, since it is possible to provide raw materials in a liquid state during the manufacturing process, it is possible to maintain a constant temperature of the melt in which crystal growth occurs. According to this, the quality of the obtained silicon carbide single crystal can be excellent.
도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 원료 공급부의 확대도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 제조 공정 중의 원료 공급부에 대한 도면이다.
도 4 및 도 5 각각은 일 실시예에 따른 원료 공급부의 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment.
2 is an enlarged view of a raw material supply unit according to an embodiment.
3 is a diagram of a raw material supply unit during a manufacturing process according to an embodiment.
4 and 5 are cross-sectional views of a raw material supply unit according to an exemplary embodiment.
6 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment.
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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the present description, descriptions of already known functions or configurations will be omitted to clarify the gist of the present description.
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.In order to clearly describe the description, parts irrelevant to the description have been omitted, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present description is not necessarily limited to those shown.
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.In the drawings, the thickness is shown enlarged to clearly express the various layers and regions. Also, in the drawings, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated for convenience of explanation. When a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" or "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where there is another part in between.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 원료 공급부의 확대도이고, 도 3은 일 실시예에 따른 제조 공정 중의 원료 공급부에 대한 도면이다. Hereinafter, referring to FIGS. 1 to 3, a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus and a silicon carbide single crystal manufacturing method using the same according to an embodiment will be described. 1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment, FIG. 2 is an enlarged view of a raw material supply unit according to an embodiment, and FIG. 3 is a raw material supply unit during a manufacturing process according to an embodiment. It is a drawing for
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 가열부(400), 도가니(300)를 회전시키는 회전 부재(500) 및 원료 공급부(600)를 포함한다. First, referring to FIG. 1, an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment includes a
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.The
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. The silicon
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. The silicon carbide seed crystal 210 is made of a single crystal of silicon carbide. The crystal structure of the silicon
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. The
종결정축(230)은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 상하 방향으로 이동할 뿐만 아니라 회전할 수도 있다. The
도가니(300)는 반응 챔버(100) 내부에 구비되며 상측이 개방된 용기 형태일 수 있다. 도가니(300)는 상부면을 제외한 외주면 및 하부면을 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. The
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. The
가열부(400)는 도가니(300)를 가열하여 도가니(300)에 수용된 물질을 용융시키거나 가열할 수 있다. 가열부(400)는 도가니(300)의 외주면에 위치할 수 있으며, 일 예로 도가니(300)의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 본 명세서는 가열부(400)가 챔버(100) 외측에 위치하면서 도가니(300)를 감싸는 실시예를 도시하였으나 이에 제한되지 않고 챔버(100) 내에 위치할 수도 있음은 물론이다. The
가열부(400)는 저항식 발열 수단 또는 유도 가열식 발열 수단을 사용할 수 있다. 구체적으로 가열부(400) 자체가 발열하는 저항식으로 가열 수단이거나 가열부(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. The
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.An apparatus for manufacturing a single crystal of silicon carbide according to an embodiment may further include a rotating
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 원료 공급부(600)를 더 포함할 수 있다. 원료 공급부(600)는 챔버(100) 내에 위치할 수 있다. An apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment may further include a raw
원료 공급부(600)는 제1 원료가 장입되는 제1 용기(610), 제1 용기(610)와 연결되며 상기 제1 원료가 이동하는 통로인 유입관(620), 그리고 필터(630)를 포함할 수 있다. The raw
제1 용기(610)는 초기 상태의 제1 원료가 장입되는 공간이다. 제1 용기(610)에는 고체 상태의 제1 원료가 장입될 수 있으며 제1 용기(610)는 가열부(400)와 중첩하지 않는 위치에 배치될 수 있다. 구체적으로 제1 용기(610)는 가열부(400)에 의한 가열 효과가 미치지 않는 위치에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따라 단열 재질을 포함하는 챔버(100)는 칸막이와 같은 기능을 하는 돌출부를 포함할 수 있으며, 제1 용기(610)는 돌출부 상에 위치할 수 있다. 단열이 가능한 돌출부에 의해 제1 용기(610)는 가열부(400)에 의한 영향을 거의 받지 않을 수 있으며, 제1 용기(610) 내에 장입된 제1 원료는 고체 상태를 유지할 수 있다. 일 예로 제1 용기(610)가 배치된 위치는 약 1000 도(℃) 내지 약 1200도(℃)의 온도를 가질 수 있다. The
일 실시예에 따른 제1 용기(610)는 실리콘카바이드 재질을 포함할 수 있다. 실리콘카바이드 단결정의 제조 공정은 약 1800 도(℃) 내지 약 2000 도(℃)에서 진행될 수 있으며, 실리콘카바이드 재질은 약 2730 도(℃)의 녹는점을 가진다. 실리콘카바이드 재질의 제1 용기(610)는 제1 용기(610)에 장입된 원료와 반응하지 않을 수 있다. The
제1 용기(610)는 제1 주입구(610a)를 포함할 수 있다. 제1 주입구(610a)는 제1 용기(610)에 장입된 제1 원료를 유입관(620)으로 제공할 수 있다. 제1 주입구(610a)는 고체 상태의 제1 원료를 유입관(620)으로 제공하기 위한 어떠한 형태도 가질 수 있으나, 일 예로 제1 주입구(610a)는 깔때기 형상을 가질 수 있다. 이때 제1 주입구(610a)는 제1 지름(D1) 및 제2 지름(D2)을 가질 수 있으며 유입관(620)을 향해 갈수록 지름이 작아지는 형태를 가질 수 있다. 제1 지름(D1)은 제2 지름(D2) 보다 클 수 있다. The
일 실시예에 따른 제1 주입구(610a)는 제1 주입구(610a)를 통과하는 고체 상태의 제1 원료를 일정한 속도로 유입관(620)에 제공할 수 있다. 제1 주입구(610a)가 가지는 제2 지름(D2), 투입되는 제1 원료의 밀도 및 지름 등에 의해 유입관(620)으로 제공되는 제1 원료의 충진 속도를 제어할 수 있다. 일 실시예에 따른 유입관(620)은 제1 영역(620a) 및 제2 영역(620b)을 포함할 수 있다. 제1 영역(620a)은 제1 용기(610)와 연결될 수 있으며 제1 용기(610)로부터 고체 상태의 제1 원료가 주입되는 영역일 수 있다. The
제2 영역(620b)은 제1 영역(620a)과 연결될 수 있으며, 제2 영역(620b)의 끝단은 필터(630)와 연결될 수 있다.The
제2 영역(620b)은 가열부(400)와 중첩할 수 있다. 일 예로 가열부(400)와 중첩하는 제2 영역(620b) 주변은 제조 공정 중에 약 1400도 (℃) 이상의 온도를 가질 수 있다. 제1 원료는 일 예로 실리콘(Si)일 수 있으며, 실리콘(Si)의 녹는점은 1400 도(℃)이므로, 제2 영역(620b)으로 유입된 실리콘은 액체 상태로 변할 수 있다. The
제1 영역(620a)을 통해 주입된 고체 상태의 제1 원료는 제2 영역(620b)과 중첩하는 가열부(400)에 의해 액체 상태의 제1 원료로 변할 수 있다. 액체 상태의 제1 원료는 제2 영역(620b)을 통해 필터(630)로 제공될 수 있다. The first raw material in a solid state injected through the
유입관(620)으로부터 도가니(300)에 공급되는 제1 원료의 공급 속도는 액체 상태의 제1 원료에 작용하는 정수압(hydrostatic pressure)에 의해 정해질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 제2 영역(620b)의 지름이 일정한 경우 제2 영역(620b)의 높이(L2)에 의해 추가되는 제1 원료의 공급 속도가 정해질 수 있다. A supply rate of the first raw material supplied from the
이하에서는 구체적으로 일 실시예에 따른 제1 주입구(610a)의 지름 및 제2 영역(620b)의 지름 등에 대해 살펴보기로 한다. Hereinafter, a diameter of the
우선 일 실시예와 같이 깔때기 형상을 가지는 제1 주입구(610a)를 통해 제1 영역(620a)으로 유입되는 제1 원료의 이동 속도(Wt)는 하기 식 (1)과 같을 수 있다. First, the movement speed (Wt) of the first raw material introduced into the
식 (1) Equation (1)
상기 식 (1)에서 ρ는 고체 상태의 제1 원료의 밀도이고, g는 중력 가속도이며, D2는 제1 주입구(610a) 끝단의 지름이며, d는 제1 원료의 직경이고, k는 1.3이고, K는 7이며, D2는 5d 보다 크다. In Equation (1), ρ is the density of the first raw material in a solid state, g is the gravitational acceleration, D 2 is the diameter of the tip of the
제1 주입구(610a)를 통해 제1 영역(620a)으로 유입되는 제1 원료의 주입 속도는 상기와 같은 식 (1)을 통해 정해질 수 있다. The injection rate of the first raw material introduced into the
한편 제2 영역(620b)은 액체 상태의 제1 원료가 차지하는 영역이며 제2 영역(620b)의 높이는 일정하게 유지될 수 있다. 이를 위해 고체 상태의 제1 원료의 주입 속도(Wt)는 액체 상태의 제1 원료가 도가니에 주입되는 속도(Q)보다 클 수 있다. Meanwhile, the
액체 상태의 제1 원료가 도가니에 주입되는 속도(Q)는 하기 식(2)로 표현될 수 있다. The rate Q at which the liquid first raw material is injected into the crucible may be expressed by Equation (2) below.
식 (2) Equation (2)
상기 식 (2)에서 △P는 ρ*g*h이고, h는 제2 영역(620b)의 높이이며, μ는 액체 상태의 제1 원료의 점도이고, Ld는 하기 식 (3)으로 나타날 수 있으며, D는 하기 식 (4)로 나타날 수 있다. In Equation (2), ΔP is ρ*g*h, h is the height of the
식 (3) Equation (3)
식 (4) Equation (4)
상기 식 (3) 및 식 (4)에서 D는 제2 영역의 지름이고, Vd는 하기 식 (5)로 나타낼 수 있으며, σ는 액체 상태의 제1 원료의 표면 장력이고, Dd는 제2 영역으로부터 방출되는 액체 상태의 제1 원료의 지름이다. In the above equations (3) and (4), D is the diameter of the second region, V d can be represented by the following equation (5), σ is the surface tension of the first raw material in a liquid state, and D d is the It is the diameter of the first raw material in liquid state discharged from area 2.
식 (5) Equation (5)
상기 식 (5)에서 Dd는 제2 영역으로부터 방출되는 액체 상태의 제1 원료의 지름이다. In Equation (5), D d is the diameter of the first raw material in a liquid state discharged from the second region.
상기 식들을 이용하면, SiC 단결정의 성장 속도에 따라 제2 영역으로부터 방출되는 액체 상태의 제1 원료의 주입 속도(Q)가 정해질 수 있다. 이때 주입 속도(Q)는 제2 영역의 지름을 조절하여 주입 속도(Q)를 조절할 수 있다. Using the above equations, the injection rate Q of the first raw material in a liquid state discharged from the second region may be determined according to the growth rate of the SiC single crystal. In this case, the injection rate Q may be adjusted by adjusting the diameter of the second region.
일 예로 제2 영역의 높이가 50 mm이며 D0/d가 10인 경우를 기준으로 설명한다. 하기 표 1에 첨부된 내용을 살펴보면, SiC 단결정의 성장 속도가 0.29 g/h 내지 29.26 g/h인 범위에서 제2 영역의 지름(D)을 0.2 mm 내지 0.5 mm로 조절함으로써 용융액 내에서 제1 원료 (특히 Si)의 소비 속도에 대응하여 제1 원료를 주입할 수 있다. 즉, 단결정의 성장 속도에 따라 제1 원료의 소비 속도가 결정되고, 소비 속도에 따라 제1 원료의 주입 속도가 결정되는데, 이때 결정된 주입 속도를 기준으로 상기 식들을 만족하는 범위에서 제1 주입구의 지름, 제2 영역의 지름 등을 조절할 수 있다. As an example, a case in which the height of the second region is 50 mm and D 0 /d is 10 will be described. Looking at the contents attached to Table 1 below, by adjusting the diameter (D) of the second region to 0.2 mm to 0.5 mm in the range of the growth rate of the SiC single crystal from 0.29 g / h to 29.26 g / h, the first in the melt The first raw material may be injected in response to the consumption rate of the raw material (particularly Si). That is, the consumption rate of the first raw material is determined according to the growth rate of the single crystal, and the injection rate of the first raw material is determined according to the consumption rate. The diameter, the diameter of the second region, and the like can be adjusted.
[표 1][Table 1]
필터(630)는 액체 상태로 녹지 않고 고체 상태로 존재하는 제1 원료가 도가니(300) 내로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 필터(630)는 액체 상태의 제1 원료는 통과시키면서 고체 상태의 제1 원료는 통과시키지 않을 수 있다. The
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 별도의 추가 열원을 포함하지 않으면서도 액체 상태의 추가 원료를 공급하는 것이 가능할 수 있다. 따라서 제조 공정이 단순화되면서도 많은 양의 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있다. 또한 고체 상태가 아닌 액체 상태의 추가 원료를 공급함에 따라 용융액이 일정 온도를 유지할 수 있어 우수한 품질의 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있다. An apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment may be able to supply an additional raw material in a liquid state without including a separate additional heat source. Therefore, while the manufacturing process is simplified, a large amount of silicon carbide single crystals can be obtained. In addition, since the melt can maintain a constant temperature by supplying an additional raw material in a liquid state rather than a solid state, a silicon carbide single crystal of excellent quality can be obtained.
이하에서는 전술한 도 1 및 도 2와, 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 대해 살펴본다. Hereinafter, a method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2 and FIG. 3 described above.
우선, 실리콘 및 금속을 포함하는 초기 용융 원료를 그라파이트 재질의 도가니(300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태 또는 청크 타입(chunk type)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한 일 실시예에 따른 제1 용기(610)에 고체 형태(일 예로 분말 형태)의 제1 원료를 투입한다. First, an initial molten raw material including silicon and metal is put into the
그리고 나서 초기 용융 원료를 실장하고 있는 도가니(300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 가열부(400)을 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니(300) 내의 초기 용융 원료는 실리콘 및 금속을 포함하는 용융액으로 변한다. 시간이 진행됨에 따라 용융액은 도가니로부터 유입된 카본을 포함한다. 실시예에 따라 상기 초기 용융 원료는 카본을 포함할 수 있다. Then, the
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. After the
실리콘카바이드 단결정은 용융액으로부터 실리콘 및 탄소를 취입하여 더욱 성장해간다. 이에 따라 용융액에 포함되는 실리콘 및 탄소는 점차 감소하고 금속은 거의 소모되지 않으므로 용융액으로부터 실리콘카바이드를 석출하는 조건이 변할 수 있다. The silicon carbide single crystal grows further by taking in silicon and carbon from the melt. Accordingly, since silicon and carbon contained in the melt are gradually reduced and almost no metal is consumed, conditions for precipitating silicon carbide from the melt may change.
이때 탄소는 도가니(300)로부터 계속해서 공급될 수 있다. 용융액이 포함하는 금속에 의해 도가니(300)의 용해가 계속해서 진행되며 탄소가 계속해서 용융액으로 공급될 수 있다. At this time, carbon may be continuously supplied from the
이러한 제조 공정에 따르면 용융액의 조성에서 실리콘이 부족해질 수 있다. 그러나 일 실시예에 따른 원료 공급부(600)를 통해 제조 공정 중에 실리콘을 연속적 또는 비연속적으로 투입할 수 있다.According to this manufacturing process, the composition of the melt may be deficient in silicon. However, silicon may be continuously or discontinuously introduced during the manufacturing process through the raw
구체적으로 제1 용기(610)에 투입된 고체 상태의 제1 원료는 주입구(610a)를 통해 제1 영역(620a) 및 제2 영역(620b)에 제공될 수 있다. 특히 도가니(300)를 가열하는 공정에서 고체 상태의 제1 원료는 가열부(400)의 가열에 의해 액체 상태로 변할 수 있다. 이와 같은 액체 상태의 제1 원료는 제2 영역(620b) 및 필터(630)를 지나 도가니(300)에 제공될 수 있다. Specifically, the first raw material in a solid state introduced into the
일 실시예에 따른 경우 제1 영역(620a)이 가지는 높이(L1)와 제2 영역(620b)이 가지는 높이(L2)는 원료의 공급 속도를 제어하기 위해 변경될 수 있다. 또한 제1 영역(620a)이 가지는 지름(D3)과 제2 영역(620b)이 가지는 지름(D4) 역시 원료의 공급 속도를 제어하기 위해 변경될 수 있음은 물론이다. According to an embodiment, the height L1 of the
일 실시예에 따른 원료 공급부(600)는 액체 상태의 제1 원료를 도가니(300) 내로 투입할 수 있다. 고체 상태의 제1 원료를 도가니(300) 내로 투입하는 경우, 투입된 고체 상태의 원료가 액체 상태의 원료로 변화함에 따라 흡열 반응이 발생할 수 있다. 이 경우 용융액의 온도가 국부적으로 변할 수 있으므로 안정적인 실리콘카바이드 단결정의 수득이 어려울 수 있다. The raw
또한 용융액 내에서 충분히 용해되지 못한 제1 원료는 단결정 성장의 핵으로 작용하여 실리콘카바이드 종결정이 아닌 미용해 실리콘에서 실리콘카바이드의 성장이 발생할 수 있고, 이와 같은 석출물이 실리콘카바이드 종결정에 붙어 실리콘카바이드 단결정의 품질이 저하될 수 있다. In addition, the first raw material that is not sufficiently dissolved in the melt acts as a nucleus for single crystal growth, so that silicon carbide can grow from undissolved silicon rather than silicon carbide seed crystals, and such precipitates adhere to the silicon carbide seed crystals The quality of the single crystal may deteriorate.
일 실시예에 따른 경우 별도의 가열부를 포함하지 않더라도 도가니를 가열하기 위한 가열부를 이용하여 액체 상태의 추가 원료를 도가니 내로 제공하는 것이 가능할 수 있다. 이에 따르면 용융액이 안정적인 온도를 유지할 수 있으므로 실리콘카바이드 단결정을 수득하기 위한 안정한 결정 성장 환경을 유지할 수 있다. According to an embodiment, it may be possible to provide an additional raw material in a liquid state into the crucible by using a heating unit for heating the crucible even if a separate heating unit is not included. According to this, since the melt can maintain a stable temperature, a stable crystal growth environment for obtaining a silicon carbide single crystal can be maintained.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하는 경우 성장 공정이 진행되는 경우에도 용융액이 일정한 조성을 유지하도록 추가 원료를 투입하는 것이 용이할 수 있다. 따라서 실리콘카바이드 단결정을 수득하기 위한 공정 시간이 증가할 수 있다. In the case of using the apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment, it may be easy to introduce additional raw materials so that the melt maintains a constant composition even when the growth process proceeds. Accordingly, a process time for obtaining a silicon carbide single crystal may increase.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치가 포함하는 원료 공급부에 대해 설명한다. 도 4 및 도 5 각각은 일 실시예에 따른 원료 공급부의 단면도이다. 전술한 도면에서 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 4 and 5, a raw material supply unit included in an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment will be described. 4 and 5 are cross-sectional views of a raw material supply unit according to an exemplary embodiment. Descriptions of the same elements as those described in the foregoing drawings will be omitted.
우선 도 4를 참조하면 일 실시예에 따른 제1 영역(620a)의 지름(D5)과 제2 영역(620b)의 지름(D6)은 상이할 수 있다. 일 예로 제1 영역(620a)의 지름(D5)은 제2 영역(620b)의 지름(D6) 보다 클 수 있다. 제1 영역(620a)에 유입되는 원료는 고체 상태이고 제2 영역(620b)에 유입되는 원료는 액체 상태일 수 있다. 제2 영역(620b)에 유입된 액체 상태의 원료는 도가니(300)로 투입되게 되는데, 도가니(300)에 투입되는 양의 미세한 조절을 위해 제2 영역(620b)의 지름(D6)은 제1 영역(620a)의 지름(D5) 보다 작을 수 있다. First of all, referring to FIG. 4 , the diameter D5 of the
다음 도 5를 참조하면 일 실시예에 따른 제2 영역(620b)은 연결부(620b1, 620b2) 및 굴곡부(620b3)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the
제1 영역(620a)과 연결되는 연결부(620b1, 620b2)에는 액체 상태의 제1 원료가 주입 및/또는 장입될 수 있다. 이와 같은 액체 상태의 제1 원료는 적어도 2회 굴곡된 형태를 가지는 굴곡부(620b3)로 유입될 수 있다. A first raw material in a liquid state may be injected and/or charged into the connection portions 620b1 and 620b2 connected to the
이때 굴곡부(620b3)에 유입되는 액체 상태의 제1 원료의 수위가 높아지는 경우 사이펀 원리에 의해 자연적으로 액체 상태의 제1 원료가 필터(630)를 향해 이동할 수 있으며 도가니(300)를 향해 배출될 수 있다. At this time, when the level of the liquid first raw material flowing into the bent portion 620b3 increases, the liquid first raw material may naturally move toward the
이하에서는 도 6을 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 설명한다. 도 6은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다. 전술한 실시예와 동일 유사한 구성에 대한 설명은 생략할 수 있다. Hereinafter, referring to FIG. 6, an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an exemplary embodiment will be described. 6 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment. A description of the same or similar configuration as the above-described embodiment may be omitted.
도 6을 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 복수의 원료 공급부(600)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6 , an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment may include a plurality of raw
상대적으로 큰 지름을 가지는 종결정(210)을 사용하거나 실리콘카바이드 단결정의 성장 속도를 높이는 조건에서 공정을 진행하는 경우 용융액의 소모 속도가 빠를 수 있다. 이때 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 복수의 원료 공급부(600)를 포함함에 따라 빠른 용융액의 소모 속도에도 불구하고, 용융액이 일정 조성을 유지할 수 있도록 추가 원료를 공급할 수 있다. In the case of using the
이하에서는 표 2를참조하여 실시예 및 비교예에 따른 용융액의 온도 변화에 대해 살펴본다. 열역학 프로그램 (FactSage)을 이용하여 얻은 계산 결과를 비교예와 실시예로 구분하여 하기 표 2에 첨부하였다. Hereinafter, with reference to Table 2, the temperature change of the melt according to Examples and Comparative Examples will be described. The calculation results obtained using the thermodynamics program (FactSage) are classified into comparative examples and examples and are attached to Table 2 below.
비교예 1 내지 비교예 5는 금속 용액(실시예에 따른 용융액)에 다양한 온도를 가지는 고체 상태의 Si을 첨가한 경우이다. 비교예 1 내지 비교예 5에 대한 금속 용액의 온도 변화에 대해 살펴보았다. 비교예 1 내지 5와 같이 다양한 온도에서 고체 상태의 Si을 첨가하면 금속 용액의 온도가 1749.6 도(℃)까지 떨어짐을 확인하였다. Comparative Examples 1 to 5 are cases in which Si in a solid state having various temperatures is added to a metal solution (a melt according to an embodiment). The temperature change of the metal solution for Comparative Examples 1 to 5 was examined. As in Comparative Examples 1 to 5, when solid state Si was added at various temperatures, it was confirmed that the temperature of the metal solution dropped to 1749.6 degrees (° C.).
반면 실시예 1 내지 4를 참조하면 소정의 온도를 가지는 액체 상태의 Si을 금속 용액에 첨가하는 경우 첨가량에 따른 금속 용액의 온도 변화가 거의 없으며, 추가 원료를 첨가한 이후에도 금속 용액의 온도가 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. On the other hand, referring to Examples 1 to 4, when Si in a liquid state having a predetermined temperature is added to the metal solution, there is almost no change in the temperature of the metal solution according to the amount added, and the temperature of the metal solution is almost constant even after adding the additional raw material. was found to be maintained.
즉, 비교예 1 내지 비교예 5와 같이 고체 상태의 추가 원료를 장입하는 경우 용융액의 온도가 크게 변할 수 있으며 이에 따라 수득되는 실리콘카바이드 단결정의 품질이 상당히 저하될 수 있다. 그러나 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하는 경우 액체 상태로 가열된 추가 원료를 장입할 수 있으므로 도가니 내에 장입된 용융액의 온도가 거의 일정하게 유지되고, 이로부터 우수한 품질의 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있음을 알 수 있다. That is, when the additional raw material in a solid state is charged as in Comparative Examples 1 to 5, the temperature of the melt may change significantly, and thus the quality of the obtained silicon carbide single crystal may be significantly deteriorated. However, in the case of using the apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment, since an additional raw material heated in a liquid state can be charged, the temperature of the melt charged into the crucible is maintained almost constant, and a silicon carbide single crystal of excellent quality is maintained therefrom. know that it can be obtained.
[표 2][Table 2]
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.In the foregoing, although specific embodiments of the present invention have been described and shown, the present invention is not limited to the described embodiments, and it is common knowledge in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Therefore, such modifications or variations should not be individually understood from the technical spirit or viewpoint of the present invention, and modified embodiments should fall within the scope of the claims of the present invention.
100: 챔버
210: 종결정
300: 도가니
400: 가열부
600: 원료 공급부100: chamber
210: seed crystal
300: crucible
400: heating unit
600: raw material supply unit
Claims (12)
상기 챔버 내에 위치하는 도가니,
상기 도가니 내로 이동하는 종결정,
상기 도가니 외주면에 위치하는 가열부, 그리고
상기 챔버 내에 위치하는 원료 공급부를 포함하며,
상기 원료 공급부는,
원료가 장입되는 제1 용기, 그리고
상기 제1 용기와 연결되며 상기 원료가 이동하는 유입관을 포함하고,
상기 유입관은 제1 영역, 및 상기 가열부와 중첩하는 위치에 배치되는 제2 영역을 포함하며,
상기 제2 영역은 상기 도가니의 외주면과 접하면서 위치하고,
상기 제2 영역은 필터와 연결되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치. chamber,
A crucible located in the chamber,
Seed crystals moving into the crucible,
A heating unit located on the outer circumferential surface of the crucible, and
A raw material supply unit located in the chamber,
The raw material supply unit,
A first container into which raw materials are charged, and
An inlet pipe connected to the first container and through which the raw material moves,
The inlet pipe includes a first region and a second region disposed at a position overlapping the heating part,
The second region is located in contact with the outer circumferential surface of the crucible,
The second region is a manufacturing device of a silicon carbide single crystal connected to the filter.
상기 제1 용기는 상기 가열부와 중첩하지 않는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치. In paragraph 1,
The first container is a silicon carbide single crystal manufacturing device that does not overlap with the heating unit.
상기 제1 용기는 제1 주입구를 포함하고,
상기 제1 주입구는 깔때기 형상을 가지는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치. In paragraph 1,
The first container includes a first inlet,
The first injection port is a manufacturing apparatus of a silicon carbide single crystal having a funnel shape.
상기 제1 영역이 가지는 제1 지름과, 상기 제2 영역이 가지는 제2 지름이 상이한 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치. In paragraph 1,
An apparatus for producing a silicon carbide single crystal in which a first diameter of the first region and a second diameter of the second region are different.
상기 제2 지름은 상기 제1 지름보다 작은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치. In paragraph 7,
The second diameter is a device for producing a silicon carbide single crystal smaller than the first diameter.
상기 제2 영역은 굴곡부를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치. In paragraph 1,
The second region is an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal including a bent portion.
상기 도가니를 가열하는 단계를 포함하고, 그리고
상기 도가니 내부로 종결정을 제공하는 단계를 포함하며,
상기 도가니를 가열하는 단계에서,
상기 도가니와 이격된 원료 공급부의 일부 영역에 위치하는 고체 상태의 제1 원료가 가열 공정에 의해 액체 상태로 변하고,
상기 제1 원료는 상기 원료 공급부와 연결된 필터를 통해 상기 도가니 내부에 액체 상태로 제공되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법. Preparing a melt in a crucible;
heating the crucible; and
Providing a seed crystal into the crucible,
In the step of heating the crucible,
A first raw material in a solid state located in a partial region of the raw material supply unit spaced apart from the crucible is changed into a liquid state by a heating process,
The first raw material is provided in a liquid state inside the crucible through a filter connected to the raw material supply unit.
상기 도가니 및 상기 원료 공급부는 챔버 내에 위치하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
In paragraph 10,
The crucible and the raw material supply method of manufacturing a silicon carbide single crystal located in the chamber.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |