KR20040018426A - 반도체결정들을 강성지지물로 탄소도핑과 저항률제어 및열경사도제어에 의해 성장하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

III-V, II-VI족과, 관련된 단결정성 화합물들은 밀봉된 앰풀의 강성지지물, 탄소도핑 및 저항률제어와, 결정성장로에서의 열경사도제어로 성장된다. 지지실린더가 밀봉된 앰풀 및 도가니의 조립체에 대한 구조적인 지지를 제공하면서도, 지지실린더 내의 저밀도절연재료는 대류와 전도 가열을 막는다. 저밀도절연재료를 관통하는 복사채널들은 결정성장도가니의 씨앗우물 및 전이영역들 밖으로의 복사가열의 통로를 제공한다. 절연재료에서 씨앗우물 바로 밑에 있는 중공코어는 성장하는 결정의 중앙에 냉각을 제공하고, 이는 결정잉곳의 균일하고 평평한 성장을 가능하게 하고 결정-용융물계면이 평평하게 하여, 결정웨이퍼가 균일한 전기적 특성을 가지게 한다.

Description

반도체결정들을 강성지지물로 탄소도핑과 저항률제어 및 열경사도제어에 의해 성장하기 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for growing semiconductor crystals with a rigid support with carbon doping and resistivity control and thermal gradient control}
전자 및 광전자 기기의 제조자들은 일상적으로 슬라이스로 잘라지고 연마된 상업적으로 성장된 크고 균일한 단일 반도체결정들을 필요로 하며, 이런 단일 반도체결정들은 마이크로전자기기 제조용의 기판들을 제공한다. 반도체결정의 성장은 다결정성 원료를 그것의 융점(1,200℃를 초과함)까지 가열하며, 용융물을 고품질의 씨앗(seed)결정에 접촉시키고, 용융물을 결정화하는 것에 관계된다. 이는 수직축을 따라 다결정성 원료 아래의 씨앗결정으로 본질적으로 원통형 결정의 성장을 가능케 한다. 반도체결정을 형성하는데 필요한 장비는 결정성장로(furnace), 앰풀(ampoule), 도가니, 및 도가니지지물을 구비한다. 도가니는 씨앗우물(seed well)이라 불리는 낮고 좁은 부분을 가진다.
기존의 결정성장공정 및 결정성장장비에는 몇 가지 문제들이 존재한다. 첫째, 탄소와 같은 도핑제의 제어식 혼입은 종종 반절연성 GaAs재료와 같은 반도체재료의 성공적인 성장에 열쇠가 되는 요소이다. GaAs와 같은 반도체결정을 성장하기 위한 기존의 기법들은 제어식 탄소혼입을 달성하는 것이 어렵다는 것을 입증한다. 이러한 기법들은 일반적으로 탄소함유도핑제를 GaAsd용융물 내에 위치시켜 용용된 충전물(charge)과 접촉되게 함으로써 GaAs의 도핑에 관계한다.
둘째, 결정성장장비는 극단적인 온도에 견딜 수 있어야 한다. 더구나, 이 장비의 구성요소들은 결정성장 동안 시스템 내에 가끔 존재하는 극단적인 난류 및 대류 상황에도 불구하고 여전히 도가니 및 성장하는 결정을 유지하는 강성(rigidity) 및 강도를 가지는 것이 필요하다. 결정성장장치의 구성요소의 자리이동(shift), 금감(crack), 또는 이동은 충전물이 부분적으로 또는 전체적으로 손실되게 한다. 열에 대한 보호 및 강성을 제공함에도 불구하고, 도가니지지물은 도가니로의 열전달을 실질적으로 차단할 수 없다. 사실, 도가니 내의 온도경사도의 정밀한 제어는 많은 결정성장기술들에 기본적이고, 도가니지지물은 도가니 충전물의 가열을 방해하거나 지체시키지 않아야 한다.
온도경사도제어는 이것이 성장과정에서의 고체-용융물계면의 편평도(flatness)에 영향을 주기 때문에 균일한 전기적 특성들을 가진 기판을 산출하는 결정의 제조 시에 중요하다. 균일한 전기적 특성들을 갖는 기판들을 산출하기 위해서는, 고체-용융물계면은 가능한 한 평평해야 한다. 충전물 및 장치의 외부부분들이 중앙보다 더 빨리 냉각되는 경향이 있기 때문에 평평한 계면을 유지하는 것은 곤란하다. 예를 들면, 고온에서는, 고체 GaAs의 낮은 열전도도(0.7W/㎝.k)는 액체-고체계면의 평탄성을 유지하는 것을 더욱 어렵게 하고, 더 낮은 성장속도가 요구된다. 도가니에 비해 낮은 열전도도의 액체 및 고체 GaAs 때문에, 도가니에 의해 잉곳의 주변부를 따라 전도된 열은 원뿔형 전이영역의 계면형상을 결정하는데 중요하다. 결정이 씨앗우물 쪽으로 목을 늘이고 축방향의 열전도에 이용가능한 단면이 줄어들 때, 방사상의 온도경사도가 나타나고 고체-용융물계면이 오목하게 된다. 도가니지지물의 이러한 방사상 열손실을 줄여 씨앗 바로 위쪽에 편평한 고체-용융물계면을 형성하는 방법이 필요하다.
제어식 온도경사도가 도가니의 하부의 좁은 부분을 통해 성공하지 않는 한, 핵형성(nucleation)결함, 어긋나기클러스터, 일렬정렬(lineages), 다결정 및 쌍둥이 결함이 전이영역에 형성되는 경향이 있다. 결정화가 충전물을 통해 위쪽으로 진행될수록 도가니의 하부부분에서 형성된 문제들은 결정을 통해 전파된다. 한편, 고품질의 결정성장이 도가니의 대직경의 부분 속으로 성공적으로 전개된다면, 결정결함이 형성되는 경향은 낮다. 그러므로, 도핑제의 혼입을 제어하는 능력, 온도제어의 품질, 수직온도경사도를 제어하고 장치의 바닥 근처에 평평한 등온선을 유지하는 능력은 전체 결정품질 및 결정생산수율에 직접 영향을 준다.
도가니지지물 및 온도제어경사도의 견지에서, 넓은 범위의 해결책이 업계에서 실용화되고 있다. 많은 기존의 도가니지지물의 해결책들은 대류 또는 전도에 의해 열전도를 촉진하도록 노출되어야 하는 고체세라믹구조에 관계가 있다. 일반적으로, 고체세라믹 도가니지지물들은 유효한 단열성을 제공하지만 도가니의 하부부분들에서 불량한 온도제어를 제공한다. 강도 및 안정성 요건들은 고체구조의 필요성을 제안하지만, 도가니 씨앗우물의 영역에서의 노(furnace)의 가열필요성은 다른 고려사항을 요구한다. 고체세라믹지지물은 이것이 팽창 및 수축할 때 금이 가거나 자리이동될 수 있기 때문에 본질적으로 불안정하다. 게다가, 도가니지지물은 원료 및 결정용융물로의 열에너지의 흐름을 막지 못한다. 고체도가니지지물은 노가열요소들로부터 앰풀로 및 전도에 의해 그것의 내용물로 열을 전달하는 것을 필요로 할 것이다. 불행히도, 전도가열은 고온에서 제어하기 어렵고, 실지로, 많은 결정성장기술들에 의해 요구된 바와 같은 정밀하고 평탄한 온도경사도를 만들어내는데는 역효과를 낳는다.
마찬가지로, 씨앗우물의 대류가열은 씨앗우물 온도의 불안전한 제어를 제공하고 그 결과, 도가니의 전이지대의 온도경사도의 정확도를 손상시키기도 한다. 기류대류에 의한 열전달을 강조하는 일부 종래의 도가지지지기법들은 다수의 조각들의 세라믹링들 및 스페이서들로부터 도가니지지물을 형성한다. 고체도가니지지물 설계가 온도제어를 나빠지게 하는 것처럼, 기체 또는 유체에 의한 대류가열에 기초한 기법은 수직경사동결(Vertical Gradient Freeze, VGF)과 같은 대부분의 결정성장기술들의 특정 온도경사도제어필요성에 부합하는데 마찬가지로 실패할 것이다.
대류 및 전도식의 열전달에 기초한 기존의 기법들은 씨앗우물의 정밀 제어 가열 뿐 아니라 대량의 결정생산에 적합한 신뢰성있는 물리적인 안정성 둘 다를 제공하는데 실패하였다.
본 발명은 대체로 III-V족, II-VI족과, 관련된 단결정성 화합물들의 성장에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 이러한 화합물들을 강체지지물, 탄소도핑 및 저항률제어, 열경사도제어로 성장하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, GaAs의 수직경사도동결("VGF")성장에서 흑연덩어리에 의한 비접촉 탄소도핑과 저항률제어를 제공하기 위한 시스템(100)을 보여주며;
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, GaAs의 수직경사도동결("VGF")성장에서 흑연덩어리에 의한 비접촉 탄소도핑과 저항률제어를 제공하기 위한 시스템(200)을 보여주며;
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, GaAs의 수직경사도동결("VGF")성장에서 흑연분말 및 흑연덩어리에 의한 비접촉 탄소도핑과 저항률제어를 제공하기 위한 시스템(300)을 보여주며;
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, GaAs의 수직경사도동결("VGF")성장에서 흑연뚜껑에 의한 비접촉 탄소도핑과 저항률제어를 제공하기 위한 시스템(400)을 보여주며;
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, GaAs의 수직경사도동결("VGF")성장에서 흑연막대에 의한 비접촉 탄소도핑과 저항률제어를 제공하기 위한 시스템(500)을 보여주며;
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 도가니지지물을 갖는 수직경사도동결("VGF")성장시스템의 단면도를 도시하며; 그리고
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 도가니지지물의 사시도를 도시한다.
본 발명의 양태들은 강체지지물, 탄소도핑 및 저항률제어와, 열경사도제어를 이용한 III-V, II-VI족 및 관련된 단결정성 화합물들의 성장에 관한 것이다. 일 실시예에서, 반절연성 갈륨비소(GaAs)재료는 도핑제(dopant)인 탄소의 제어식 혼입으로 성장된다. 씨앗영역/우물을 갖는 도가니와 하부영역 및 상부영역을 갖는 앰풀이 제공된다. 씨앗결정은 도가니 내의 씨앗영역/우물에 놓인다. GaAs원료와 산화붕소(B2O3)재료는 도가니 내에 적재된다. 그 후 씨앗결정, GaAs원료, B2O3재료를 담고 있는 도가니는 앰풀 속에 삽입되고, 고체(solid)탄소물질이 앰풀의 도가니 바깥 하부영역에 제공된다. 고체탄소물질 및 도가니를 담고 있는 앰풀은 진공 하에서 밀봉된다. 밀봉된 앰풀은 GaAs원료가 용융되게 하는 제어하는 방식으로 가열된다. 그 열은 고체탄소물질과 상호작용하여 GaAs용융물과는 B2O3재료를 통해 상호작용하는 탄소원자를 생성시킨다. 밀봉된 앰풀은 추가로 제어되는 방식으로 냉각된다.
다른 실시예에서, 도가니지지물이 결정성장을 위해 마련되어 강한 가열기간 전체에 걸쳐 노 내에 앰풀, 도가니, 그 내용물들을 유지하는 앰풀강도 및 안정성을 제공한다. 이러한 것은 씨앗우물의 정밀한 온도제어를 가능하게 한다. 예를 들면, VGF시스템의 밀봉된 석영앰풀에 대한 안정한 지지물이 얻어지면서도 열복사를 통한 씨앗우물 온도의 정밀한 제어가 가능하다. 일 실시예에서, 도가니지지를 제공하는 방법은 고체 박벽의 실린더를 VGF결정성장로의 바닥에 제공하는 단계, 실린더의 내부를 저밀도절연재료로 채우는 단계, 축상(axial)의 중공코어를 저밀도절연재료의 중앙에 제공하는 단계; 축상의 중공코어가 앰풀의 씨앗우물을 수용하고 앰풀이 실린더에 의해 지지되도록 도가니 내의 실린더의 상단에 밀봉된 앰풀을 설치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예는 대체로 강성지지물, 도핑 및 저항률제어와, 열경사도제어를 갖는 환경에서의 III-V, II-VI족 및 관련된 단결정성 화합물들의 성장에 관한 것이다. GaAs의 VGF성장은 도시하는 예에서처럼 사용되고, VGF성장공정에서의 탄소도핑 및 저항률제어의 방법 및 VGF성장로에 사용하기 위한 도가니지지물을 제공하는 방법의 실시예들이 이하에서 설명된다.
VGF는 결정성장기술, 장치, 및 공정들을 포괄하여, 대형의 단일결정잉곳들이 매우 높은 수준의 구조적 균일성 및 낮은 결함밀도로 성장된다. 일 실시예에서, 결정잉곳들은 본래 4인치를 넘는 직경 및 6인치를 넘는 길이의 실린더형이다. 이 본래 실린더형인 결정은 다결정성 원료 아래쪽의 씨앗결정으로 수직축을 따라 성장된다.
일 실시예에서, 반절연성 GaAs의 탄소레벨 및 저항률의 제어는 도핑제 재료들을 성장도가니 바깥에다 용융된 충전물과는 접촉하지 않게 둠으로써 달성된다. 도핑제재료들이 도가니의 용융물 또는 내부의 벽으로부터 분리되므로, 공정은 높은 단일결정성장 수율을 달성하는데 알맞다.
반절연성 GaAs재료의 성장에 탄소를 제어식으로 혼입하는 것을 달성하기 위한 공정은, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 수행되는 것으로, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다:
1. 탄소도핑원들이 제공된다. 이러한 도핑제들은 예컨대 도 1의 흑연덩어리(105), 도 2의 흑연분말(205), 도 3의 흑연덩어리(105) 및 흑연분말(205)의 결합물, 도 4의 흑연뚜껑(405), 도 5의 흑연막대(505), 및/또는 고순도의 벌크흑연의 다른 작은 조각들을 포함한다.
2. 도 1~5에서, 통상의 VGF성장에서와 같이, 합성된 GaAs원료들(110)의 초기충전물들은 열분해붕소질화물(pyrolytic boron nitride; PBN)도가니(115)에 적재된다. 일부 산화붕소("B2O3")(120)도 도가니(115) 속에 놓인다.
3. 위에서 설명된 다양한 탄소도핑원들이, 도 1~5에 보인 것처럼, 석영앰풀(130)의 하단부(125)에 대체로 다양한 위치들에 놓인다. 그 후 GaAs충전물들(110)을 갖는 PBN도가니(115)는 석영앰풀(130) 속에 적재된다.
4. 그 후 도핑제, PBN도가니(115), GaAs충전물(110) 및 B2O3(120)을 담고 있는 석영앰풀(130)은 배기되고 진공하에서 밀봉된다.
5. 충전물(110)을 용융한 다음 액체-고체계면을 제어함으로써 결정이 성장되어 PBN도가니(115)의 하단부에 있는 씨앗으로부터 충전물의 후미까지 이동해 간다.
6. 반절연성 GaAs의 저항률 및 탄소레벨은 사용되는 도핑제(105)의 량 및 이 도핑제의 온도에 의해 제어될 수 있다.
도 1~5에서, 탄소도핑원은 석영재료(SiO2)의 산소와 반응한다. 이 반응은 일산화탄소("CO")와 다른 탄소산화물들을 생성하고 이것들은 석영앰풀(130) 내에 효과적으로 밀봉된다. 그 후 탄소산화물은 B2O3(120)을 통해 상호작용할 수 있어, 결과적으로 탄소가 GaAs용융물(110) 속에 혼입되게 한다. 사용되는 탄소도핑제가 더 많을수록 그리고 탄소도핑제의 온도가 더 높을수록, 반응이 더욱 현저하고, 그래서 GaAs의 탄소도핑 및 저항률이 더 높게 된다.
이 접촉없는 탄소도핑은 GaAs의 반절연성 특성들을 재현하여 얻는데 사용될 수 있어, 6000㎠/V.s보다 높은 이동도와 1E6 내지 1E8 Ω-㎝의 범위의 저항률이 되게 한다. 이 기법은 수직브리지맨(Vertical Bridgeman; "VB")과 같은 밀봉된 환경에서의 다른 성장기법들에 적용될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 도가니지지물(2000)을 갖는 VGF성장시스템의 단면도를 도시한다. 도 1~5에 보인 도가니-앰풀결합물 또는 다른 종류의 도가니-앰풀결합물 중의 어느 것이나 도가니지지물(2000) 위에 놓일 것이다. 도가니지지물(2000)은 VGF노(1000) 내에 도시되어 있다. 도가니지지물(2000)은 열경사도제어를 위한 물리적인 지지를 제공하여 앰풀(4000)과, 원료(미도시), 씨앗결정(미도시) 및 도가니(3000)를 포함한 그것의 내용물들에 열경사제어를 할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 원료들이 용융되고 결정이 성장하는 도가니(3000)는 실린더형 결정성장지대(3010), 작은 직경의 씨앗우물실린더(3030) 및 테이퍼형 전이지대(3020)를 갖는 PBN구조이다. 결정성장지대(3010)는 도가니(3000)의 상단에서 개방되고 결정제품의 소망의 직경과 동일한 직경을 가진다. 현재의 업계표준직경들은 4 및 6인치 웨이퍼들이다. 도가니(3000)의 바닥에서, 씨앗우물실린더(3030)는 폐쇄된 바닥과 예컨대 약 6~25㎜의 고품질의 씨앗결정의 직경보다 약간 큰 직경, 및 30~100㎜ 정도의 길이를 가진다. 다른 치수들이 사용될 수도 있다. 주성장지대(3010)와 씨앗우물실린더(3030)는 직선형의 벽들을 가지거나 1 내지 수 도(각도) 정도 바깥쪽을 향하는 테이퍼를 가져 도가니(3000)로부터 결정의 제거를 용이하게 할 수도 있다. 성장지대(3010) 및 씨앗우물실린더(3030) 사이의 테이퍼형 전이지대(3020)는 성장지대벽에 연결되며 이 성장지대벽에 동일한 큰 직경 및 씨앗우물벽에 연결되며 이 씨앗우물벽에 동일한 좁은 직경을 가지며 대략 45도의 피치로 된 각이진 측벽을 가진다. 각이진 측벽은 45도보다 경사가 더욱 급하거나 덜 급하여도 좋다.
VGF결정성장로(1000)에 삽입하기 전에, 도가니(3000)에는 원료가 적재되며, 도가니뚜껑(3040)으로 덮어지고 앰풀(4000) 내에 삽입된다. 앰풀(4000)은 예를 들어 석영으로 만들어져도 좋다. 앰풀(4000)은 도가니(3000)의 형상과 유사한 형상을 가진다. 이것은 실린더형의 씨앗성장영역(4010)과 실린더형의 좁은 직경의 씨앗우물영역(4030)을 가지며, 두 영역들 사이에는 테이퍼형 전이영역(4020)을 가진다. 도가니(3000)는 앰풀(4000) 내부에 그것들 간에 좁은 여유를 가지고서 끼워맞춤된다. 앰풀(4000)은, 도가니처럼, 그것의 씨앗우물영역(4030)의 바닥이 폐쇄되어 있고, 도가니 및 원료들이 적재된 후 상단이 밀봉된다. 앰풀의 바닥은 도가니처럼 깔대기 모양을 가진다.
앰풀-도가니결합물이 깔대기모양을 가지므로, 도가니지지물(2000)은 이 깔대기모양을 수용하고 VGF로(1000) 내부에서 곧추선 앰풀(4000)을 안정적으로 유지하는데 필요하다. 다른 실시예에서, 앰풀-도가니결합물은 다른 형상으로 보유해도 좋고, 도가니지지물(2000)의 기본적인 구조는 다른 형상을 끼워맞춤하기 위해 변경될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 앰풀 및 그것의 내용물들에 대한 안정성 및 강도는 도가니지지물(2000)의 고체 박벽(thin-walled)실린더(2050)에 의해 제공된다. 고체박벽실린더(2050)는 앰풀구조(4000)의 깔대기끝을 수용한다. 일 실시예에서, 도가니지지실린더(2050)는 열전도성 재료, 바람직하게는 석영으로 만들어진다. 다른 실시예들에서, 실리콘카바이드, 및 세라믹이 도가니지지실린더(2050)를 형성하기 위해 사용되어도 좋다. 실린더(2050)는 앰풀(4000)과 접촉하는 원을 이루고, 실린더(2050)의 상부테두리는 앰풀의 테이형 영역(4020)의 어깨에 마주한다. 이러한 구성은 최소의 고체-고체접촉을 이끌어 내고, 이는 부적합하고 비교적 제어할 수 없는 열전도가 거의 또는 전혀 일어나지 않게 한다. 그 결과, 가열은 다른 모든 제어가능한 공정들에 의해 발생될 수 있다.
저밀도 절연재료(2060), 이를테면 세라믹섬유는, 지지실린더(2050)의 내부의 대부분을 채우고, 절연재료(2060)의 대략 중앙에 있는 중공의 축상코어(2030)만이 앰풀(4000)의 씨앗우물(4030)을 수납하도록 비워진 채로 있다. 다른 실시예에서, 저밀도절연재료는 알루미나섬유(1,800℃), 알루미나-실리카섬유(1,426℃), 및/또는 지르코니아섬유(2,200℃)를 포함해도 좋다. 절연재료(2060)는 도가니지지물(2000) 내에 조심스레 놓여진다. 앰풀(4000)의 무게는, 앰풀이 실린더(2050)의 상단에 자리잡을 때, 절연재료(2060)를 아래로 밀어 경사진 절연재료가장자리(2020)를 형성한다. 실린더 내부의 대부분을 저밀도절연물로 채우는 것은 공기의 흐름을 감소시키고, 이는 부적합하고 비교적 제어불가능한 대류흐름이 거의 또는 전혀 일어나지않게 한다. 전도와 마찬가지로, 대류는 VGF와 다른 결정성장공정의 손실에 대해 유효하게 작용하는 제어불가능한 열전달방법이다.
도 6의 실시예에서, 앰풀씨앗우물(4030)과 대략 동일한 직경을 갖는 중공코어(2030)는 앰풀씨앗우물(4030)의 바닥 아래에서 아래쪽으로 작은 거리로 연장한다. 다른 실시예에서, 중공코어(2030)는 씨앗우물의 바닥에서부터 노(furnace)장치(1000)의 바닥까지 도가니지지물을 통해 연장한다. 중공코어(2030)는 결정의 중앙으로부터 냉각통로를 제공한다. 이것은 씨앗우물과 성장하는 결정의 중앙의 냉각에 기여한다. 이 구조로, 열에너지는 고체결정 및 씨앗의 중앙을 통해, 결정지지물(2000) 내의 절연재료(2060)에 있는 중공코어(2030)를 통해 아래로 빠져나갈 수 있다.
중공코어(2030)가 없으면, 냉각하는 잉곳의 중앙의 온도는 자연히 외부표면에 더 가가운 결정재료보다 더 높을 것이다. 이 경우, 임의의 수평단면에서의 잉곳의 중앙은 그것의 주변이 고체화된 후 그 뒤에 결정화될 것이다. 균일한 전기적 특성들을 갖는 결정들은 이러한 상황 하에선 만들어질 수 없다. 중공코어(2030)가 결정지지법에 포함되도록 하면, 열에너지는 앰풀(4000)의 바닥과 중공코어(2030)를 통해 아래로 전도되어 중공코어(2030)로부터 복사채널들(2070)의 바깥으로 복사된다. 성장하는 결정의 중앙으로부터 열에너지를 줄여 등온(isothermal)층들이 결정의 직경을 가로질러 평평하게 유지되도록 하는 것이 중요하다. 평평한 결정-용융물계면을 유지하는 것은 균일한 전기적 물리적 특성들을 갖는 결정들의 생산을 가능하게 한다.
실린더(2050) 내의 저밀도절연재료(2060)는 씨앗우물영역(4030)에서 노의 가열요소들(1010)로부터 앰풀(4000)로의 열복사의 흐름을 막고, 그래서 이 방법은 절연재료(2060)를 통해 복수개의 수평복사채널들/개구들/터널들(2070)을 만드는 것을 필요로 한다. 복사채널들(2070)은 열복사출구들을 제공하기 위해 절연재료(2060)를 관통하여 노의 가열요소들(1010)로부터 앰풀씨앗우물(4030)로 열을 제어가능하게 전달하게 한다.
복사채널들(2070)의 개수, 형상 및 직경은 특정 조건들에 따라 변한다. 복사채널들은 경사지거나, 굽거나 파형이라도 좋다. 복사채널들은 반드시 연속적인 것이어야 하는 것은 아니며, 절연재료(2060)를 통해 부분적으로만 연장해도 좋다. 이는 대류흐름을 최소화하는데 도움을 준다. 일 실시예에서, 이러한 채널들의 직경은 연필의 폭 정도로 작고, 그래서 대기대류는 현저하지 않다. 평방인지 정도 이상의 단면적으로 구멍들을 크게한 것이 본 발명의 다른 실시예들에 따라 사용될 수도 있다. 절연재료(2060)를 통과하는 복사채널들(2070)은 절연재료(2060)의 중앙에 있는 중공코어(2030)와 연계하여 효과를 발휘하기도 하여 결정의 중앙으로부터 도출된 열에너지를 복사하고, 평탄한 등온선의 온도경사층들로 결정들을 냉각시킨다. 복사채널들(2070)은 온도제어를 할 수 있게 하고 결정성장수율에 직접 관련이 있다.
도 7은 본 발명에 따라 구성된 도가니지지물(2000)의 사시도를 도시한다. 도가니지지물(2000)의 외관은 지지실린더(2050), 지지실린더(2050)의 상부테두리(2100), 창들(2080), 절연재료(2060) 및 중공코어(2030)를 보여준다. 지지실린더(2050)는 앰풀에 대한 최소한의 접촉만으로 앰풀구조(미도시)에 대한 지지를 제공한다. 지지실린더(2050)의 상부테두리(2100)는 앰풀과 원형으로 접촉하여, 전도가열이 최소가 된다. 실린더는 공기흐름에 대한 장벽을 형성하여, 그렇지 않으면 창들(2080)로 이끄는 복사채널들(미도시)로 전개되어 복사되는 열을 차단하지 못할, 대류흐름을 차단한다. 다른 실시예들에서, 창들(2080)은 복사채널들의 끝부분들이 되어도 좋다. 복사채널들의 작은 직경은 도가니지지물(2000) 내의 대류공기흐름에 대한 다른 차단물이다.
따라서, 앰풀 및 그것의 내용물들을 지지실린더로 지지하는 것, 지지실린더를 그것의 중앙코어를 제외하고는 저밀도 절연재료로 채우는 것, 및 절연재료를 열복사채널들이 관통하게 하는 것은 결정성장공정들에서 열경사도제어를 할 수 있게 한다. 결정성장의 다른 단계들에서의 제어식 가열 및 평평한 온도경사도가 달성된다. 이 온도제어는, 결정성장영역과 도가니의 씨앗결정우물 둘 다에서 도가니의 전이영역의 온도경사도를 성립하고 제어하는데 중요하기 때문에, VGF와 다른 유형의 결정성장에 필수적이다. 도가니의 전이영역에서의 정밀한 온도경사도제어는 VGF와 다른 종류의 성장공정의 단일결정수율에 필수적이다.
본 발명의 방법으로 전도 및 대류가 최소화되므로, 이 방법 하에서는 노의 가열요소들로부터 VGF의 씨앗우물로 열에너지를 운반하는 작업은 주로 열복사에 맡겨진다. 열복사는 약 수백 내지 1,200℃보다 높은 결정성장로들의 온도범위에서 가장 효과적인 열전달방법이고, 열복사는 대류나 전도의 어느 것보다도 더욱 주의깊게 제어될 수 있으므로 앰풀 및 충전물을 가열하는 가장 바람직한 수단이다. 이 구성에서 채용된 지지실린더는 열복사를 통과시키고, 그래서 지지실린더는 대류기류의 감소에 고체장벽으로서 기여하면서도 복사되는 열의 전달에 영향을 미치지 않는다.
이 방법의 특징들 및 세세한 부분들의 상승적인(cumulative)효과의 점에서, 본 발명의 실시예들은 VGF앰풀, 도가니, 및 충전물에 매우 안정적으로 기여하는 도가니지지기법들을 포함하면서도, 앰풀의 씨앗우물의 효율적이며 정밀한 온도제어를 가능케 한다.
본 발명의 전술한 실시예들은 본 발명의 원리를 명확히 이해하기 위해 언급된 가능한 구현예들일 뿐이라는 것임을 명심해야 한다. 그것들은 본 발명을 개시되는 바로 그 형태들로 한정하거나 완전하게 하기 위해 의도된 것은 아니다. 본 발명의 사상 및 원리로부터 벗어남 없이 본 발명의 전술한 실시예들에 대해 개조들 및 변형들이 만들어질 수 있다. 예컨대, VGF성장공정과 유사하거나 등가의 형태에서 III-IV, II-VI족 및 관련된 단결정성 화합물들을 만드는 다른 결정성장공정들도 탄소도핑 및 저항률제어의 실시예들 및/또는 강성지지물의 온도경사도제어를 갖는 실시예들을 활용할 수 있다. 모든 그러한 변형들 및 개조들이 포함되도록 본 발명의 정신 및 범위 내에 들고 다음의 청구범위에 의해 보호되도록 의도되었다.

Claims (24)

  1. 반절연성 갈륨비소(GaAs)재료를 도핑제인 탄소기체의 제어식 혼입에 의해 성장시키는 방법에 있어서,
    씨앗영역을 갖는 도가니를 제공하는 단계;
    씨앗결정을 도가니 내의 씨앗영역에 놓는 단계;
    GaAs원료를 도가니 속에 적재하는 단계;
    산화붕소(B2O3)재료를 도가니 속에 적재하는 단계;
    하부영역 및 상부영역을 갖는 앰풀을 제공하는 단계;
    씨앗결정, GaAs원료, 및 B2O3재료를 담고 있는 도가니를 앰플 내에 제공하는 단계;
    고체탄소물질을 앰풀의 도가니 외부 하부영역에 제공하는 단계;
    고체탄소물질 및 도가니를 담고 있는 앰풀을 진공 하에서 밀봉하는 단계;
    밀봉된 앰풀을 제어하는 방식으로 가열하여, GaAs원류가 용융되게 하고, 열이 고체탄소물질과 상호작용하여 B2O3재료를 통해 GaAs용융물과 상호작용하는 탄소기체를 생성하게 하는 단계; 및
    밀봉된 앰풀을 제어하는 방식으로 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기설정된 량의 고체탄소물질을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연덩어리를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연분말을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연뚜껑(graphite cap)을 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연막대를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연 조각을 포함하는 방법.
  8. 반절연성 갈륨비소(GaAs)재료를 도핑제인 탄소기체의 제어식 혼입에 의해 성장시키는 장치에 있어서,
    씨앗영역을 갖는 도가니; 및
    하부영역 및 상부영역을 가지는 앰풀로서, 도가니가 앰풀 내에 제공되며, 고체탄소물질이 앰플의 도가니 바깥 하부영역에 제공되고, 고체탄소물질 및 도가니를 담고 있도록 진공 하에서 밀봉된 앰풀을 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연분말을 포함하는 장치.
  10. 제8항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연 조각을 포함하는 장치.
  11. 반절연성 갈륨비소(GaAs)재료를 도핑제인 탄소기체의 제어식 혼입에 의해 성장시키는 시스템에 있어서,
    씨앗결정을 내부에 가지는 씨앗영역을 갖는 도가니로서, GaAs원료와 산화붕소(B2O3)재료를 담고 있는 도가니;
    하부영역 및 상부영역을 가지는 앰풀로서, 도가니가 앰풀 내에 제공되며, 고체탄소물질이 앰플의 도가니 바깥 하부영역에 제공되고, 고체탄소물질 및 도가니를 담고 있도록 진공 하에서 밀봉된 앰풀; 및
    앰플을 위해 배치된 가열부를 포함하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연분말을 포함하는 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 고체탄소물질은 흑연 조각을 포함하는 시스템.
  14. 고체실린더를 VGF결정성장로의 바닥에 설치하는 단계;
    고체실린더를 저밀도절연재료로 채우는 단계;
    축상 중공코어를 저밀도절연재료의 중앙에 제공하는 단계; 및
    씨앗결정, 원료, 도가니, 및 석영실린더의 상단에 있는 도가니뚜껑을 담고 있는 밀봉된 석영앰풀을 축상의 중공코어가 앰플씨앗우물을 수용하고 도가니가 실린더에 의해 지지되도록 설치하는 단계를 포함하는 도가니 지지방법.
  15. 제14항에 있어서, 저밀도절연재료는 고체결정 속에 삽입되기 전에 복수개의 수평 방사상 열복사채널들에 의해 관통되는 도가니 지지방법.
  16. 제14항에 있어서, 수직고체실린더는 석영으로 이루어진 도가니 지지방법.
  17. 제14항에 있어서, 수직고체실린더는 실리콘탄화물로 이루어진 도가니 지지방법.
  18. 제14항에 있어서, 수직고체실린더는 세라믹은 도가니 지지방법.
  19. 제14항에 있어서, 저밀도절연재료는 세라믹섬유인 도가니 지지방법.
  20. 제14항에 있어서, 저밀도절연재료는 알루미나섬유(1,800℃)인 도가니 지지방법.
  21. 제14항에 있어서, 저밀도절연재료는 알루미나-실리카섬유(1,426℃)인 도가니지지방법.
  22. 제14항에 있어서, 저밀도절연재료는 지르코니아섬유(2,200℃)인 도가니 지지방법.
  23. 제15항에 있어서, 수평 방사상 열복사채널들은 1 평방인치의 단면적을 가지는 도가니 지지방법.
  24. VGF결정성장로의 바닥에 있는 고체실린더, 저밀도절연재료로 채워진 고체실린더, 저밀도절연재료의 중앙에 형성되어 앰풀의 씨앗우물을 수용하는 축상 중공코어, 및 중공를 포함하는 도가니 지지장치.
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