KR102665190B1 - 단결정 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조 방법은 시드축 하단에 구비된 종결정 성장면에 보호막을 형성하는 단계, 상기 보호막이 형성된 종결정이 도가니 내부의 용융액 위에 위치하도록 상기 시드축을 이동하는 단계, 상기 도가니 내에 실리콘을 포함하는 원재료와 메탈 솔벤트를 넣은 상태에서, 상기 도가니를 가열하는 단계, 및 상기 용융액과 상기 종결정이 만나 결정 성장 공정을 진행하는 단계를 포함하고, 상기 보호막을 형성하는 물질의 녹는점은 섭씨 2100도 이상이다.
Description
본 발명은 단결정 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 종결정의 손상을 방지하는 단결정 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘 카바이드(SiC) 단결정은 내마모성 등의 기계적 강도와 내열성 및 내부식성이 우수하여 반도체, 전자, 자동차, 기계 분야 등의 부품소재로 많이 사용되고 있다.
실리콘 카바이드 단결정 제조 방법으로는, 탄소와 실리카를 섭씨 2000도 이상의 고온 전기로에서 반응시키는 애치슨 방법, 화학적 기상 증착법, 실리콘 카바이드를 원료로 하여 섭씨 2000도 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법, 결정 인상법(crystal pulling method)을 응용한 용융액법 등이 있다.
그러나 애치슨 방법은 고순도의 실리콘 카바이드 단결정을 얻기가 매우 어렵고, 화학적 기상 증착법은 박막 수준으로 두께가 제한되는 문제가 있다. 승화법 역시 일반적으로 섭씨 2400도 이상의 고온에서 이루어지고, 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 여러 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있는바, 상기와 같은 한계가 없는 용융액법으로, 실리콘 카바이드 용융액법에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
실리콘 카바이드 용융액법은 도가니에 담긴 실리콘, 탄소가 포함된 액상의 원료에서 고상의 단결정을 뽑아내는 방법이다. 이 중 TSSG(Top Seeded Solution Growth) 방식을 이용한 실리콘 카바이드 용융액법은 많이 알려져 있는데, 용융액의 상부 표면에 실리콘 카바이드 종결정을 접촉시켜 실리콘 카바이드 결정 성장을 하도록 하는 방법이다.
도 1은 종래 도가니 내부의 시드 및 시드 홀더를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 종래에는 도가니(10)의 내부에 원판 형태의 시드 홀더(35)에 시드(30)를 접합하고, 풀링 샤프트(50)에 연결된 시드축(40)을 하강시켜 시드(30)와 용융액(40)을 닿게 하여 단결정을 성장시킬 수 있다. 이때, 용융액(50)의 증발 및 응결로 인한 시드(30)의 표면 오염 및 변형이 발생하였다.
다시 말해, TSSG 방식을 이용하기 위해서는 원재료와 용매가 녹아 있는 고온의 용융 용액에 실리콘 카바이드 종결정을 접촉시킬 필요가 있는데, 가열이 진행되는 동안 액상의 용융액 증발이 일어나게 된다. 이때, 증발된 원재료가 기상과 액상으로 용융액 상부로 이동하다가, 비교적 온도가 낮은 시드 표면을 만나게 될 경우 응결이 일어나게 된다. 이 상태가 오래 지속되면 실리콘 카바이드는 응결된 원재료에 의해 용융되었다가 다시 응결되면서 시드(seed)와 다른 다결정 실리콘 카바이드가 형성될 수 있다. 이러한 결함에 의해 성질이 다른 다결정 타입의 실리콘 카바이드가 석출될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 원재료의 증발에 의한 종결정 손상과 다결정 타입의 실리콘 카바이드 생성을 억제하는 단결정 제조 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조 방법은 시드축 하단에 구비된 종결정 성장면에 보호막을 형성하는 단계, 상기 보호막이 형성된 종결정이 도가니 내부의 용융액 위에 위치하도록 상기 시드축을 이동하는 단계, 상기 도가니 내에 실리콘을 포함하는 원재료와 메탈 솔벤트를 넣은 상태에서, 상기 도가니를 가열하는 단계, 및 상기 용융액과 상기 종결정이 만나 결정 성장 공정을 진행하는 단계를 포함하고, 상기 보호막을 형성하는 물질의 녹는점은 섭씨 2100도 이상이다.
상기 단결정 제조 방법은 상기 시드축을 하강시켜 상기 보호막이 상기 용융액과 만나서 상기 보호막이 제거되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 보호막이 제거되는 단계는, 상기 보호막은 상기 용융액에 용해되어 상기 용융액과 혼합되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보호막은 상기 용융액과 마주보는 상기 종결정의 일면 또는 상기 종결정의 일면 및 측면에 형성될 수 있다.
상기 보호막은 상기 종결정 성장면을 완전히 덮을 수 있다.
상기 보호막은 상기 용융액에 녹는 물질로 형성될 수 있다.
상기 보호막은 전이 금속을 포함할 수 있다.
상기 보호막은 Mo, Ta, W, Nb 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 보호막을 형성하는 물질의 녹는점은 섭씨 2400도 이상일 수 있다.
상기 보호막의 두께는 1 마이크로미터 이하일 수 있다.
상기 보호막의 두께는 0.4 마이크로미터 이하일 수 있다.
실시예들에 따르면, 실리콘 카바이드 종결정 보호막을 형성함으로써, 용융액의 증발에 의해 생성된 응결물이 종결정에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다. 이후 종결정이 용융액에 닿을 경우, 보호막이 용융액에 녹아 용융액에 혼합되므로, 종결정 표면은 온전히 보호되어 표면 변화가 없는 상태에서 결정 성장 공정이 시작될 수 있다.
도 1은 종래 도가니 내부의 시드 및 시드 홀더를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 실리콘 카바이드에 함입되는 정도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막에 의해 시드 표면을 보호하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Mo로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Mo로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Nb로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Nb로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Ta로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Ta로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 W로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 W로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 실리콘 카바이드에 함입되는 정도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막에 의해 시드 표면을 보호하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Mo로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Mo로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Nb로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Nb로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Ta로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Ta로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 W로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 W로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 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 발명이 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.
또한, 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. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치는 용융액법을 이용한 단결정 성장 장치로서, 챔버(미도시), 상기 챔버 내부에 배치되는 도가니(100), 도가니(100)의 높이 방향을 따라 연장될 수 있는 풀링 샤프트(500), 및 풀링 샤프트(500)와 연결된 시드축(400), 시드축(400) 단부에 위치하는 시드 홀더(350)를 포함한다. 시드 홀더(300)에는 종결정(300)이 부착되어 있고, 종결정(300) 성장면에 위치하는 보호막(250)을 더 포함한다.
도가니(100)는 상측이 개방된 용기 형태일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 실리콘 카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태로도 가능하다. 도가니(100)에는 실리콘 카바이드 성장에 주입되는 용융 원료가 장입(charging)되어 수용될 수 있다.
도가니(100)를 가열시키면, 도가니(100) 내부에 담긴 용융액(200)은 탄소(C), 실리콘(Si)을 포함하는 용융액(200)으로 변하게 되며, 계속하여 도가니(100)를 가열시켜 용융액(200)이 과포화 상태가 되면, 용융액(200)과 접촉하는 종결정(300) 상에 실리콘 카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
풀링 샤프트(500)는 도가니(100)에 담긴 용융액(200)으로 종결정(300)을 주입하는 역할을 한다. 풀링 샤프트(500)가 시드축(400)에 연결되고, 시드축(400)의 단부에는 시드 홀더(350)가 형성되어 실리콘 카바이드 종결정(300)이 연결될 수 있으며, 풀링 샤프트(500)의 상하 이동을 통하여 종결정(300)이 도가니(100) 내부로 이동될 수 있다. 풀링 샤프트(500)는 도가니(100)의 높이 방향을 따라 연장된 원기둥 형상이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 시드축(400)은 고온의 금속 용융이 일어나는 부위에서 안정성을 확보하기 위해 세라믹 소결체를 사용할 수 있다.
도시하지 않았으나 단열부가 도가니(100)의 외주면에 배치될 수 있으며, 도가니(100)에서 방출되는 열을 차단하는 역할을 한다. 즉, 상기 단열부는 도가니(100) 내부의 온도를 단결정 성장 온도로 유지시키는 기능을 할 수 있다.
도시하지 않았으나 상기 단열부의 외측에 배치되어 도가니(100)를 가열시키는 발열부를 더 포함할 수 있다. 상기 발열부는 유도 코일일 수 있으며, 이 경우 유도 코일에 전류를 흘려 도가니(100)를 가열시킴으로써, 도가니(100) 내부에 장입된 용융액(200)을 가열시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조 방법은 상기 단결정 성장 장치를 사용하여, 시드축(400) 하단에 구비된 종결정(300) 성장면에 보호막(250)을 형성하는 단계, 보호막(250)이 형성된 종결정(300)이 도가니(100) 내부의 용융액(200) 위에 위치하도록 시드축(400)을 이동하는 단계, 도가니(100) 내에 실리콘을 포함하는 원재료와 메탈 솔벤트를 넣은 상태에서, 도가니(100)를 가열하는 단계, 및 용융액(200)과 종결정(300)이 만나 결정 성장 공정을 진행하는 단계를 포함한다. 이때, 용융액(200)과 종결정(300)이 만나 결정 성장 공정을 진행하는 단계에서 보호막(250)은 제거된 상태일 수 있다. 이를 위해, 시드축(400)을 하강시켜 보호막(250)이 용융액(200)과 만나서 보호막(250)을 이루는 물질이 용융액(200)에 용해되고, 용해된 보호막(250) 물질은 용융액(200)과 혼합될 수 있다.
본 실시예에 따른 보호막(250)은 가열 이후의 용융액(200)과 종결정(300)이 접촉하기 전까지 용융액(200)에 포함된 원재료의 증발에 의한 종결정(300)의 손상과 다결정 타입의 실리콘 카바이드 생성을 억제할 수 있다. 다시 말해, 용융액(200)이 가열되어 높은 온도 상태가 되면 용융액(200) 일부는 증발하게 되는데, 증발하여 종결정(300)에 부딪혀 종결정 표면에 증발된 원재료가 응결되면 종결정(300)이 용해될 수 있다. 하지만, 본 실시예에서는 보호막(250)에 의해 이러한 현상이 방지될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 보호막(250)은 용융액(200)과 마주보는 종결정(300)의 일면에 형성되거나, 종결정(300)의 일면 및 측면까지 형성될 수 있다. 이때, 보호막(250)은 종결정(300) 성장면을 완전히 덮을 수 있다.
이하에서는 용융액과 종결정의 접촉 전에 오염이 발생하는 형상을 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
용융액(200)이 가열되어 높은 온도 상태가 되면 용융액 내의 원재료가 증발되어 종결정을 녹이고, 재응고되면서 원래 형성되어야 하는 실리콘 카바이드 단결정과 다른 종류의 다결정 타입의 작은 돌기들을 형성할 수 있다. 이러한 돌기들에 의해 종결정 성장면은 표면 거칠기가 매우 크게 나타날 수 있고, 이로 인해 균일하게 결정 성장이 일어나는 것을 방해할 수 있다.
도 2를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 보호막(250)을 형성하는 물질의 녹는점은 대략 섭씨 2100도 이상일 수 있다. 워크 코일과 같은 발열부에 의해 도가니(100)와 용융액(200)에 포함된 원재료가 가열되면 종결정(300) 부분 또한 온도가 상승한다. 종결정(300)과 용융액(200)이 접촉하기 전까지 보호막(250)은 녹아서 액체가 되거나 종결정(300)으로부터 분리가 되지 않아야 한다. 만약, 보호막(250)이 녹는다면 고체에 비해 액체의 반응성이 더 크기 때문에 종결정(300) 표면을 용융시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 보호막(250)이 녹는다면 보호막(250)의 뭉침 현상에 의해 울퉁불퉁한 면이 생성되며, 종결정이 드러나서 증발물이 종결정과 만나는 등 결정 성장에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 보호막(250)을 형성하는 물질의 녹는점은 대략 섭씨 2100도 이상이어야 한다. 용융액(200)을 형성하는 물질의 조성의 예시는 Si56Cr40Al4 과 Si74Ti23Al3 을 예로 들 수 있다. Si-Cr-Al을 이용할 때 대략 섭씨 1900도의 온도에서 주로 결정 성장이 진행되며, Si-Ti의 조성에서는 대략 섭씨 1800도의 온도에서 결정 성장이 진행된다. 뿐만 아니라 Si-Cr-Al의 조성에서는 대략 섭씨 2050도에서 결정 성장이 진행될 수 있다.
본 실시예에 따른 보호막(250)은 전이 금속으로 형성될 수 있다. 전이 금속으로 형성된 보호막(250)은 실리콘 카바이드로 이루어진 종결정(300)에 거의 함입되지 않기 때문에 전기적 특성에 영향을 주지 않을 수 있다. 비교예로서 SiO2와 같이 금속 산화물을 사용하여 보호막을 형성하게 되면 용융시 용융액 내부에서 버블(Bubble)을 유발할 수 있지만, 본 실시예에 따른 보호막(250)은 금속 산화물을 사용하여 형성하는 것이 아니라 전이 금속으로 이루어지기 때문에 이러한 문제를 방지할 수 있다.
도 3은 실리콘 카바이드에 금속 성분이 함입되는 정도를 나타내는 그래프이다. 도 3은 Material Science Forum Vol. 897, pp 32-35에 개재된 내용으로, 도 3을 참고하면, SIMS(secondary ion mass spectroscopy) 분석 결과, Ti, V, Cr, 및 Hf를 제외하고 실리콘 카바이드 결정 내에 전이 금속의 농도는 매우 적거나 대부분 측정 불가할 정도의 농도를 가지는 것으로 나타난다. 이에 따라 본 실시예에 따른 보호막(250)은 전이 금속 중에서도 Mo, Ta, W, Nb 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
보호막(250)을 형성하는 상기 물질들은 용융액(200)에 녹는 물질일 수 있다. 용융액(200)과 종결정(300)이 만나 결정 성장 공정을 진행하는 단계 이전에 보호막(250)을 제거하기 위해, 일례로 시드축(400)을 하강시켜 보호막(250)이 용융액(200)과 만나서 보호막(250)을 이루는 물질이 용해된다.
하기 표 1을 살펴보면, 본 실시예에 따른 보호막(250)을 형성하기 위한 바람직한 물질의 예시로서 몰리브덴, 탄탈럼, 텅스텐 및 니오븀은 대략 섭씨 2400도 이상이다. 따라서, 본 실시예에 따른 보호막(250)을 형성하는 물질의 녹는점이 대략 섭씨 2400도 이상인 것이 바람직하다.
| 녹는점(℃) | |
| 몰리브덴(Mo) | 2623 |
| 탄탈럼(Ta) | 3017 |
| 텅스텐(W) | 2422 |
| 니오븀(Nb) | 2477 |
용융액(200)의 증발로 인해 생성된 응결물이 보호막(250) 표면에 맺히게 되면 보호막(250)을 형성하는 금속을 녹일 수 있다. 이때, 응결된 실리콘과의 반응이 빠르지 않아야 한다. 이와 관련하여 하기 표 2를 살펴보면, 섭씨 1900도에서 Si의 증발물이 응결되어 종결정 표면에 묻을 경우 보호막이 녹을 수 있는데, 그때의 중량비를 나타내고 있으며, 이를 해석할 때 Si에 대한 내구성은 Mo>W>Nb>Ta와 같은 순서를 갖는다.
| ~ 1900℃ | 금속(g) | Si(g) |
| 몰리브덴(Mo) | 31.89 | 68.11 |
| 탄탈럼(Ta) | 58.84 | 41.16 |
| 텅스텐(W) | 54.04 | 55.96 |
| 니오븀(Nb) | 54.93 | 45.07 |
이하에서는 도 4를 참고하여 본 실시예에 따른 보호막이 종결정 표면 결함을 방지하는 현상을 상세히 살펴보기로 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막에 의해 시드 표면을 보호하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참고하면, 용융액(200)이 가열되어 원재료 증발이 일어나는 단계에서 보호막(250)이 형성되어 있으면, Si 응결물이 보호막(250)에 의해 차단되어 종결정(300)에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
하기 표 3 및 표 4를 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 보호막(250)을 형성하는 금속 밀도값과 Si에 대한 내구성(g 비율)을 이용하여 4시간동안 섭씨 1900도로 가열한 경우에 Si에 대해 견디기 위한 조건(내구성)을 알아보기 위해, 보호막(250)의 부피를 계산하고 필요한 높이를 계산하였다. 이에 따르면, 필요한 보호막(250)의 두께는 대략 1 마이크로미터 이하인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 0.4 마이크로미터 이하일 수 있고, 좀 더 바람직하게는 0.2 마이크로미터 이하일 수 있다.
| (g/cm3) | 밀도 |
| Si | 2.33 |
| Mo | 10.28 |
| Nb | 8.57 |
| W | 19.25 |
| Ta | 16.69 |
| 높이(마이크로미터) | |
| Mo | 0.174 |
| Nb | 0.542 |
| W | 0.191 |
| Ta | 0.326 |
비교예로서, 본 실시예처럼 보호막(250)을 형성하는 것 대신에 종결정 표면을 용융액을 이용하여 녹여주고 매끈한 표면을 형성할 수 있다. 이후에 결정 성장 공정을 진행함으로써 결함이 없는 상태에서 결정 성장이 일어날 수 있다. 하지만, 이러한 방식에 따르면 성장된 실리콘 카바이드 결정의 두께가 감소하므로 공정상 불리한 점이 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Mo로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Mo로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Nb로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Nb로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Ta로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 Ta로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 W로 형성되는 경우에 SiC와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호막이 W로 형성되는 경우에 Si와의 반응성을 나타내는 상평형도를 나타내는 그래프이다.
본 실시예에 따른 보호막(250)은 SiC 시드와의 반응성이 낮아야 하고 이에 따라 액상 영역이 크지 않은 것이 바람직하다. 액상 영역에서는 고체 상태일 때 보다 반응성이 크기 때문이다. 도 5, 7, 9, 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 보호막(250)을 형성하는 물질의 상평형도에서 액상 영역의 크기를 통해 비교한 결과, Mo>Nb>Ta>W의 반응성 정도를 확인할 수 있다. Mo에 비해 Nb의 경우 액상 영역이 작고, Ta의 경우 Nb보다 더 작아지며, W의 경우에는 액상 영역이 없어 반응성이 가장 떨어진다.
도 6, 8, 10, 12를 참고하면, 온도에 해당하는 가로선을 그어볼 때, 질량분율(mass fraction)에 따라 만나는 부분이 있고, 보호막이 Si 용융액과 만날 때 질량분율에서 금속이 차지하는 부분이 많을수록 적은 양의 Si에도 금방 녹을 수 있어 Si에 대한 내구성이 약하다고 볼 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참고할 때 Si이 1.0이고, Mo이 0인 경우에는 Mo가 액체(liquid) 상태이지만, Si이 0.68이고, Mo이 0.32가 되는 경우부터는 액체 상태가 아닌 것을 볼 수 있다. 도 8을 참고할 때, Si이 1.0이고, Nb이 0인 경우에는 액체 상태이지만, Nb의 질량분율이 점차 증가하여 Si이 0.45이고, Nb이 0.55가 되는 경우까지만 액체 상태이고, Nb의 질량분율이 더 증가하여 Si이 0이고, Nb가 1.0이 되는 경우까지는 고체 상태임을 알 수 있다. 이때 Si와 금속의 비율은 앞서 표 2에 나타낸 바와 같다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 도가니
200: 용융액
250: 보호막
300: 종결정
350: 시드 홀더
400: 시드축
500: 풀링 샤프트
200: 용융액
250: 보호막
300: 종결정
350: 시드 홀더
400: 시드축
500: 풀링 샤프트
Claims (11)
- 시드축 하단에 구비된 종결정 성장면에 보호막을 형성하는 단계,
상기 보호막이 형성된 종결정이 도가니 내부의 용융액 위에 위치하도록 상기 시드축을 이동하는 단계,
상기 도가니 내에 실리콘을 포함하는 원재료와 메탈 솔벤트를 넣은 상태에서, 상기 도가니를 가열하는 단계, 및
상기 용융액과 상기 종결정이 만나 결정 성장 공정을 진행하는 단계를 포함하고,
상기 보호막은 Mo, Ta, W, Nb 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 보호막을 형성하는 물질의 녹는점은 섭씨 2400도 이상인 단결정 제조방법. - 제1항에서,
상기 시드축을 하강시켜 상기 보호막이 상기 용융액과 만나서 상기 보호막이 제거되는 단계를 더 포함하는 단결정 제조 방법. - 제2항에서,
상기 보호막이 제거되는 단계는, 상기 보호막은 상기 용융액에 용해되어 상기 용융액과 혼합되는 단계를 포함하는 단결정 제조 방법. - 제1항에서,
상기 보호막은 상기 용융액과 마주보는 상기 종결정의 일면 또는 상기 종결정의 일면 및 측면에 형성되는 단결정 제조 방법. - 제4항에서,
상기 보호막은 상기 종결정 성장면을 완전히 덮고 있는 단결정 제조 방법. - 제1항에서,
상기 보호막은 상기 용융액에 녹는 물질로 형성되는 단결정 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 보호막의 두께는 1 마이크로미터 이하인 단결정 제조 방법. - 제10항에서,
상기 보호막의 두께는 0.4 마이크로미터 이하인 단결정 제조 방법.
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