KR20050014821A - 단결정 실리콘 탄화물의 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 또는 다결정 형태로 존재할 수 있는, 부조합 증발을 갖는 단-결정 상태의 화합물 바디를 형성시키는 디바이스(10)에 관한 것으로, 상기 디바이스(10)는 상기 바디의 다결정 소스(source) 및 상기 화합물의 단결정 원(germ; 46)이 형성되는 기판(42)을 함유하는 제1챔버(20); 제2챔버(14), 여기서 상기 기판은 상기 2개의 챔버 사이에 배열됨; 상기 기판상에 상기 화합물을 다결정 형태로 증착시킬 수 있는 제2챔버 내에 상기 바디의 가스 전구체를 공급하는 수단(36); 및 상기 다결정 소스의 승화 및 상기 원 상에 상기 화합물의 단-결정 형태로의 증착을 일으키기 위하여 상기 원 온도를 초과하는 온도에서 상기 기판을 유지시키는 가열 수단(26)을 포함한다.

Description

단결정 실리콘 탄화물의 형성방법 {Formation of single-crystal silicon carbide}

본 발명은 특히 예를 들어, 입방체 또는 6방정계 결정형을 갖는 단-결정 SiC의 잉곳 또는 두터운 층을 형성하는데 적용된다. 이러한 잉곳 또는 두터운 층은 마이크로전자공학에 사용되는 기판 또는 반응성 층의 제조에 이용될 수 있다. 이러한 이용에서, 상기 단-결정 SiC는 우수한 결정성 및 양호하게 조절된 도펀트 비율을 나타내야 한다.

전자 품질(electronic quality)의 단-결정 SiC 잉곳을 제조하기 위한 첫번째 방법은 SiC 분말의 승화 및 단-결정 SiC 원(germ) 상에 형성된 증기의 응축에 기초한다. 이러한 방법을 실시하기 위한 디바이스는 일반적으로 SiC 잉곳을 형성하기에 적합한 단-결정 원 및 SiC 소스(source)를 형성하는 분말이 배열된 승화 봉합부와 경계를 이루는 흑연 도가니를 포함한다. 상기 SiC 분말 및 원은 각각 T₁및 T₂의 온도까지 가열되는데, 여기서 T₁은 T₂보다 크다.

전술한 승화방법은 몇가지 문제점을 가지고 있다.

즉, 가능한 정확하게 제조하는 경우에도, 상기 SiC 분말 내에 함유된 불순물이 얻어진 단-결정에 결함 및 바람직하지 않은 도핑을 일으킨다.

또한, 상기 승화방법은 상기 SiC 소스를 형성하는 분말의 양이 필수적으로 한정되기 때문에 거대한 단-결정으로 성장시킬 수 없다. 이는 상기 단-결정 SiC의 성장 조건을 상당히 방해하지 않고 상기 도가니에 SiC 분말을 연속적으로 공급하는 것이 실질적으로 불가능함을 의미한다. 또한, 상기 도가니 내에 다량의 분말을 위치시키는 것 또한 불가능하다. 따라서, 상기 SiC 승화는 적합치 않으며 탄소보다 많은 양의 실리콘이 상기 분말 승화에서 생성된다. 따라서, 상기 분말은 탄소로 적재되는 경향이 있다. 상기 승화로부터 초래되는 분말 및 증기의 조성을 변형시킴으로써 공정을 개선시키며, 따라서 이는 상기 단결정의 성장 조건의 변형을 초래한다.

단-결정 SiC 잉곳을 제조하기 위한 두번째 방법은 단-결정 SiC 원 상에 SiC를 고온의 화학기상증착(HTCVD)을 통해서 형성시키는 방법이다. 상기 승화방법에서 기술한 것과 유사한 도가니에서, 가스 실리콘 및 탄소 전구체, 예를 들어, 실란 및 프로판이 상기 원 상에 운반기체에 의해 공급되고 반응하여 상기 원 상에 단-결정 SiC 증착을 형성한다. 상기 화학기상증착법은 또한 반응성 층을 형성하는데 사용된다.

상기 화학기상증착법의 가장 큰 문제점은 특히 상기 가스 전구체의 무질서한 거동에 기인하여 단-결정의 성장을 조절하기가 극히 힘들다는 점이다.

또한, 반응성 층의 형성에 있어서, 상기 화학기상증착법은 시간당 20 내지 30㎛의 차수 이상으로 증착 속도를 초과할 수 없다.

본 발명은 부조합 증발을 가지며 단-결정 또는 다결정 형태로 존재하는 단-결정 화합물을 형성하는 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 후술되는 설명에서는 단-결정 실리콘 탄화물, SiC의 형성에의 적용을 일례로 들어 기술할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 단-결정 SiC 잉곳 또는 두터운 층을 제조하기 위한 디바이스를 나타낸 단면도이다.

도 2는 도 1의 디비이스의 변형을 나타낸 단면도이다.

본 발명의 목적은 전술한 방법의 문제점을 나타내지 않으며, 단-결정 SiC 원 상에 단-결정 SiC를 형성하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 수십 마이크로미터보다 큰 두께를 갖는 반응성 층, 또는 단-결정 SiC 잉곳을 제조하기 위한 디바이스를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 단-결정 또는 다결정 형태로 존재하는, 부조합 증발 화합물을 단-결정 상태로 형성하기 위한 디바이스가 제공된다. 상기 디바이스는 상기 바디의 다결정 소스(source) 및 상기 바디의 단결정 원(germ)이 형성되는 레벨에서 기판을 함유하는 제1봉합부; 제2봉합부, 여기서 상기 기판은 상기 2개의 봉합부 사이에 배열됨; 상기 기판상에 상기 바디를 다결정 형태로 증착시킬 수 있는 제2봉합부 내에 상기 바디의 가스 전구체를 공급하는 수단; 및 상기 다결정 소스의 승화 및 원 상에 상기 화합물의 단-결정 형태로의 증착을 일으키기 위하여 상기 원 온도를 초과하는 온도에서 상기 기판을 유지시키기 위한 가열 수단을 포함한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 바디는 실리콘 탄화물이다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 제1봉합부는 제1실린더형 벽, 상기 제1벽의 일 단부를 적어도 부분적으로 덮으며 상기 원이 부착되어 있는 커버, 및 상기 제1벽의 맞은편 단부를 적어도 부분적으로 덮으며 투과성을 갖는 기판과 경계를 이룬다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 제2봉합부는 상기 기판(42)의 측면상에서 제1실린더형 벽의 연장선상에 배열된 제2실린더형 벽과 경계를 이룬다. 상기 제1 및 제2실린더형 벽은 관형 홈에 의해 상기 제1 및 제2실린더형 벽과 경계를 이루는 관으로 둘러싸이고, 상기 제2봉합부는 상기 관형 홈과 연결된다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 디바이스는 상기 제2봉합부 내에 존재하는 가스를 배기시키기 위하여 상기 관형 홈 내에 가스 흐름을 생성시키기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 가열 수단은 상기 관을 감싸며 상기 관 내에만 유도 전류가 유도되도록 교류 전류를 통전시키기 위한 적어도 하나의 유도 나선을 포함한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 커버는 상기 제1실린더형 벽의 축을 따라서 상기 제1실린더형 벽에 대하여 이동가능하도록 조립된다.

본 발명은 또한 단-결정 또는 다결정 형태로 존재하도록 부조합 증발 화합물을 단-결정 상태로 형성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 제1 및 제2봉합부 사이에 배열된 투과 기판 상에 상기 제2봉합부에 공급되는 상기 바디의 가스 전구체를 화학기상증착시켜 상기 바디의 소스를 다결정 형태로 형성시키는 단계; 상기 소스의 일부를 승화시켜 상기 제1봉합부 내에 가스 바디를 형성시키는 단계; 및상기 제1봉합부 내에 배열된 원 상에 가스 바디를 응축시켜 상기 바디를 단-결정 형태로 형성시키는 단계를 연속적으로 수행한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 원은 단-결정 실리콘 탄화물의 형성에 따라 상기 기판으로부터 제거된다.

후술되는 본 발명의 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부되는 도면을 참조하여 하기 실시예를 통해서 좀 더 구체적으로 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 이하 공급 봉합부로 기술되는 제1봉합부(14)와 경계를 이루며 그 z축에 제1흑연 실린더형 벽(12)이 형성된 디바이스를 나타낸다. z축의 제2흑연 실린더형 벽(16)은, 예를 들어, 제1실린더형 벽(12)과 동일한 직경을 가지며, 실린더형 벽(16)의 일 단부가 커버(18) 솔리드로 밀폐되며, 상기 실린더형 벽(16)은 이후 승화 봉합부로 기술되는 제2봉합부(20)와 경계를 이룬다. 제2실린더형 벽(16)은 제1실린더형 벽(12)의 연장선상에 배열되며 도 1에 도시된 단일 스페이서와 같은 스페이서(22)로 분리된다. 스페이서(22)는 상기 2개의 봉합부(14, 20) 사이의 링-형상의 통로(24)와 실질적으로 경계를 이룬다. 예를 들어 수직축에 대응되는 z축으로공급 봉합부(14) 상에 승화 봉합부(20)가 배열된다.

z축의 흑연 실린더형 관(26)은 상기 2개의 실린더형 벽(12, 16)을 둘러싸며, 관형 홈(28)과 함께 경계를 이룬다.

2개의 봉합부(14, 20) 모두는 관(26) 주위에 배열된 z축상의 실린더형 벽(30)으로 형성된, 흑연 펠트로 제조된 분리 패키지(29) 내에 봉합되며, 실질적으로 원형 플레이트(32, 34)에 의해 양 단부가 밀폐된다.

가스 공급 덕트(36)는 플레이트(34)를 통해서 공급 봉합부와 연결된다. 천연 가스를 공급하는 덕트(38)가 공급 봉합부(14)의 측면상의 플레이트(34)를 통해서 관형 홈(28)과 연결된다. 가스 배출 덕트(40)는 플레이트(32)를 통해서 관형 홈(28)과 연결된다.

예를 들어, 다공성 폼(foam) 또는 소결된 SiC로 제조된 원형 기판(42)이 스페이서(22)에 의해 실린더형 벽(16)과 대치되도록 유지되어 있는 와셔(washer) 상에 놓인다. 기판(42)의 직경은 예를 들어 실린더형 벽(16)의 내직경에 실질적으로 상응한다. 그러나, 상기 기판(42)의 직경은 상기 실린더형 벽(16)의 내직경보다 작을 수 있고, 공급 봉합부(14)가 승화 봉합부(20)와 부분적으로 직접 연결될 수 있다. 기판(42)은 승화 봉합부(42)를 공급 봉합부(14)로부터 분리시킨다. 기판(42)은 SiC의 승화에 기인하여 가스에 대해서 투과성을 가지며, 적어도 상기 다결정성 SiC가 확산될 수 있다.

단-결정 실리콘 탄화물 원(46)은 커버(18) 상의 승화 봉합부(20) 내에 배열된다. 오프닝(50)이 원형 플레이트(32) 내에 형성되어 원(46) 레벨에서 커버(18)의 일부를 노출시킨다.

유도 나선(도시되지 않음)은 실질적으로 기판(42) 레벨에서 분리 패키지(29)의 실린더형 벽(30)을 둘러싼다. 유도 나선을 공급하는 전류의 빈도(frequency)는 단지 관(26)에만 유도 전류가 통전되도록 조절된다. 다음으로 관(26)에 의해 가열된 봉합부(14, 20)의 온도 분포는 봉합부(14, 20) 내에 존재하는 물질, 즉 봉합부(14, 20) 내에서 발생되는 화학적 현상과 실질적으로 관련성이 없다.

본 발명에 따른 SiC 제조방법은 다음과 같다.

디바이스(10)를 상기 디바이스를 형성하는 흑연의 연소 반응을 방지하기 위하여 부분적으로 진공하에서 또는 불활성 분위기의 챔버내에 위치시킨다. 온도 구배는 기판(42)의 T₁온도가 원(46)의 T₂온도 보다 크도록 상기 기판(42)과 원(46) 사이의 승화 봉합부(20) 내에 위치되도록 한다. 예를 들어, T₁온도가 2000℃ 내지 2400℃ 사이의 범이이고, T₂온도가 1900℃ 내지 2200℃ 사이의 범위이다. 분리 패키지(29)는 열 손실을 제한한다. 분리 패키지(29)의 오프닝(50)은 원(46)의 온도를 감소시키는 역할을 한다.

아르곤과 같은 천연 가수의 흐름은 공급 덕트(38)와 배기 덕트(40) 사이의 관형 홈(28)내에서 생성된다. 이러한 흐름은 통로(24)를 통해서 공급 봉합부(14) 내에 존재하는 가스와 함께 운반되어 이들을 희석시키는 경향이 있다.

공급 덕트(36) 수단에 의해서, 고온에서 반응하는 실리콘 및 탄소의 가스 전구체가 공급 봉합부(14) 내로 도입되어 기판(42)으로 향한다. 상기 가스 전구체는예를 들어, 아르곤 및 수소와 같은 하나 또는 수개의 운반가스와 함께 혼합될 수 있다. 가스 전구체, 예를 들어, 실란, 프로판 또는 예를 들어 SiCl₄와 같은 염화계 가스가 매우 고온에서 반응하여 기판(42) 상에 다결정 SiC를 형성한다. 다음으로, 총체적으로 또는 부분적으로 반응되는 가스 전구체와 운반 가스가 통로(24)를 경유하여 공급 봉합부(14)로부터 배기 및 운반되며 천연 가스의 흐름에 의해 관형 홈(28) 내에서 희석된다.

기판(42) 상에 형성된 다결정 SiC는 승화하여 승화 봉합부(20) 내에 가스 종을 형성하며 이는 단-결정 SiC를 성장시키기 위한 단-결정 원(46) 상에 응축된다.

본 발명의 방법은 1㎜/시간을 초과하여 도달할 수 있는 50㎛/시간 보다 큰 속도로 성장하는 단-결정 SiC 잉곳 또는 두터운 층을 형성시킬 수 있다.

도 2는 커버(18)가 z축을 따라 이동하는, 도 1의 디바이스의 변형을 나타낸 도면이다. 다음으로, 링-형상의 오프닝(52)이 실린더형 벽(16)으로부터 커버(18)를 분리시킨다.

흑연 펠트 내의 원형 플레이트(54)는 커버(18)를 덮고 원(46)의 레벨에서 형성된 오프닝(55)을 포함한다. z축의 흑연 펠트 링(56)은 실린더형 벽(30)과 원형 플레이트(54) 사이의 배면의 관형 홈(28)을 밀폐한다. 커버(18) 및 원형 플레이트(54)는 액츄에이터(도시되지 않음)에 의해 z축 방향을 따라 이동되어 기판(42)으로부터 멀리 이동될 수 있다.

상기 변형에 따른 디바이스(10)는 z축을 따라 두꺼운 두께의 단-결정 SiC 잉곳 또는 두터운 층을 형성시킬 수 있다. 즉, 커버(18)를 단-결정 SiC의 성장 속도와 실질적으로 동일한 속도로 기판(42)으로부터 멀리 이동시킴에 따라 형성된 단-결정 SiC의 프리 표면으로부터 기판을 분리시키는 거리가 대략 일정하게 유지될 수 있다. 얻어진 단-결정 SiC의 잉곳 또는 층은 z축을 따라 50㎜를 초과하는 두께에 다다를 수 있다. 커버(18)가 이동됨에 따라, 오프닝(52)이 넓어지는 경향이 있다. 본 출원인은 오프닝(52)에 의해 생성되는 가스의 무질서함이 상기 단-결정 SiC의 성장을 단지 약간 저해할 수 있다는 점을 발견하였다.

본 발명의 또 다른 변형에 따르면, 상기 승화 봉합부는 보조 실린더형 벽이 미끄러져 움직일 수 있는 메인(main) 실린더형 벽에 의해 형성된다. 상기 메인 실린더형 벽은 양 단부에서 열려 기판에 의해 상기 공급 봉합부로부터 분리된다. 상기 보조 실린더형 벽은 일 단부에서 열리고 상기 원을 지지하는 커버에 의해 일 단부에서 밀폐된다. 상기 원과 기판 사이의 거리는 상기 메인 벽에 대한 상기 보조 벽의 미끄러짐 정도에 의해 조절될 수 있다. 본 발명의 변형은 상기 승화 봉합부 내의 가스의 무질서함을 제한할 수 있다.

본 발명은 여러가지 이점을 갖는다.

첫째, 연속적으로 보충될 수 있는 다결정 SiC 소스의 승화 단계에 의해 단-결정 SiC를 형성할 수 있다는 점이다. 따라서, 승화 형성방법의 높은 성장률 특성과 함께 큰 디멘젼을 갖는 잉곳 또는 두터운 층을 형성할 수 있다.

둘째, 한편으로는 다결정 SiC의 화학기상증착을, 다른 한편으로는 다결정 층의 승화를 수행하도록 각각이 주어진 특정 형태의 반응에 관여하는 2개의 봉합부를형성함으로써, 단-결정 SiC의 성장을 방해하지 않고 상기 다결정 SiC 소스를 연속적으로 보충할 수 있다. 따라서, 우수한 품질의 결정성을 갖는 단-결정 SiC가 수득될 수 있다.

셋째, 본 발명은 상기 화학기상증착에 사용되는 가스 전구체가 쉽게 정제될 수 있어 매우 고순도의 다결정 실리콘 탄화질 소스를 형성시킬 수 있다. 따라서, 수득된 단-결정 SiC는 매우 고순도이다. 따라서, 상기 단-결정 SiC의 도핑은 상기 가스 전구체내로 도펀트의 도입을 통해서 매우 정밀하게 조절될 수 있다.

물론, 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 변형이나 개량이 용이하게 이루어질 수 있을 것이다. 특히, 로의 형상 및 디멘젼은 수득되는 단-결정 SiC 잉곳 또는 두터운 층에 따라 적합화되어야 한다. 또한, 본 발명에 따른 가열 디바이스는 SiC 이외에 다른 단-결정 화합물을 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 특히 광학전자(optoelectronic) 적용에 사용되는 알루미늄 니트라이드를 그 일례로 들 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. - 화합물의 다결정 소스(source) 및 상기 화합물의 단-결정 원(germ; 46)이 형성되는 레벨에서 기판(42)을 함유하는 제1봉합부(20);

   - 제2봉합부(14), 여기서 상기 기판은 상기 2개의 봉합부 사이에 배열됨;

   - 상기 기판상에 상기 화합물을 다결정 형태로 증착시킬 수 있는 제2봉합부 내에 상기 화합물의 가스 전구체를 공급하는 수단(36); 및

   - 상기 다결정 소스의 승화 및 상기 원 상에 상기 화합물의 단-결정 형태로의 증착을 일으키기 위하여 상기 원 온도를 초과하는 온도에서 상기 기판을 유지시키는 가열 수단(26);

   을 포함하며, 부조합(incongruent) 증발을 가지며 단-결정 또는 다결정 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 단-결정 상태의 화합물을 형성하는 디바이스(10).
2. 제1항에 있어서, 상기 화합물은 실리콘 탄화물인 것을 특징으로 하는 디바이스.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1봉합부(20)는 제1실린더형 벽(16), 상기 제1벽의 일 단부를 적어도 부분적으로 덮으며 상기 원(46)이 부착되어 있는 커버(18), 및 상기 제1벽의 맞은편 단부를 적어도 부분적으로 덮는 기판(42)과 경계를 이루며, 상기 기판은 투과성을 갖는 것을 특징으로 하는 디바이스.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2봉합부(14)는 상기 기판(42)의 측면상에서 제1실린더형 벽(16)의 연장선상에 배열된 제2실린더형 벽(12)과 경계를 이루며, 상기 제1실린더형 벽(16) 및 제2실린더형 벽(12)은 관형 홈(28)에 의해 상기 제1실린더형 벽 및 제2실린더형 벽과 경계를 이루는 관(26)으로 둘러싸이며, 상기 제2봉합부(14)는 상기 관형 홈과 연결된 것을 특징으로 하는 디바이스.
5. 제4항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 제2봉합부(14) 내에 존재하는 가스를 배기시키기 위하여 상기 관형 홈(28)내에 가스 흐름을 생성시키는 수단(38, 40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
6. 제5항에 있어서, 상기 가열 수단(26)은 상기 관(26)을 감싸며 상기 관 내에만 유도 전류가 유도되도록 교류 전류를 통전시키는 적어도 하나의 유도 나선을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
7. 제3항에 있어서, 상기 커버(18)는 상기 제1실린더형 벽(16)의 z축을 따라서 상기 제1실린더형 벽에 대하여 이동가능하도록 조립된 것을 특징으로 하는 디바이스.
8. 제1봉합부(20) 및 제2봉합부(14) 사이에 배열된 투과 기판(42) 상에 상기 제2봉합부에 공급되는 화합물의 가스 전구체를 화학기상증착시켜 상기 화합물의 소스를 다결정 형태로 형성시키는 단계;

   상기 소스의 일부를 승화시켜 상기 제1봉합부 내에 가스 화합물을 형성시키는 단계; 및

   상기 제1봉합부 내에 배열된 원(46) 상에 가스 화합물을 응축시켜 상기 화합물을 단-결정 형태로 형성시키는 단계;

   를 포함하며, 부조합 증발을 가지며 단-결정 또는 다결정 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 단-결정 상태의 화합물의 형성방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 화합물은 실리콘 탄화물인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 원(46)은 단-결정 실리콘 탄화물의 형성에 따라 상기 기판(42)으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.