KR20060094769A

KR20060094769A - 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치

Info

Publication number: KR20060094769A
Application number: KR1020050016211A
Authority: KR
Inventors: 서수형; 김관모; 김재우; 송준석; 오명환
Original assignee: 네오세미테크 주식회사
Priority date: 2005-02-26
Filing date: 2005-02-26
Publication date: 2006-08-30

Abstract

대구경 탄화규소(SiC) 단결정 성장을 위한 방법으로, 그 목적은 공정 시간의 단축과 공정 비용이 절감된 대구경의 탄화규소 웨이퍼 제조 방법을 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 증기상태의 실리콘(silicon) 또는 실리콘 용액의 액적을 구멍이 있는 가열된 흑연으로 제작된 합성부에 주입하여 탄화규소 원료를 합성하는 부분과 합성된 탄화규소 원료를 다시 가열하여 승화 시켜 탄화규소 씨드(seed)에 단결정을 성장하는 부분으로 구성하는 것을 제안한다.

탄화규소, 단결정, 원료 합성부, 결정 성장부

Description

대구경 탄화규소 단결정 성장 장치 {Growing device for SiC single crystal of large diameter}

도 1은 기존의 탄화규소 단결정 성장 장치를 도시한 측면도 이고,

도 2는 본 발명에서 사용하는 결정 성장 장치를 도시한 측면도 이다.

도 3a은 본 발명에서 코일(coil)의 위치가 흑연 또는 탄소로 제작된 합성부를 가열하기 위하여 이동한 후의 측면도와 온도구배 이다.

도 3b는 합성된 탄화규소 원료를 다시 가열 승화시켜 씨드(seed)부분에 단결정을 성장하기 위해 코일을 이동한 후의 측면도 이고 그에 따른 온도구배 그림이다.

도 4는 본 발명에서 탄화규소 단결정 성장 장비 중 흑연으로 제작된 원료 합성부를 상부에서 본 형태를 표현한 평면도이다.

이하는 도면에 포함된 부호에 대한 설명이다.

10은 온도를 측정하기 위해 만들어 놓은 구멍이다.

11은 탄화규소 단결정 이며, 12은 단열재이다.

13은 석영(quartz)관으로 냉각수가 공급되도록 구성되었다.

14는 고주파 유도 코일이며, 15은 도가니와 탄소 reactor 이다.

16은 탄소 반응기에 만들어진 관(pipe)이다.

17은 외부에서 공급되는 실리콘 증기상 또는 실리콘 용액의 액적이다.

18은 탄화규소 원료이다.

본 발명은 실리콘 증기를 가열한 탄소 반응기에서 탄소와 합성하여 탄화규소 원료를 만들어 내는 합성 부분과 원료로 사용되는 합성된 탄화규소를 다시 가열하여 재증발 시켜 씨드부분에서 탄화규소 단결정을 성장하는 두개의 단계를 하나의 코일을 사용하여 조정함으로써 공정을 진행하는 방법이다.

1960년대 이후부터 현재까지 대표적인 반도체 소자 재료로 사용되어온 실리콘(Si)이 물리적 한계를 드러내게 되어 이를 극복하는 새로운 반도체 소자 재료로서 여러 가지 화합물 반도체 재료들이 연구되고 있다.

차세대 반도체 소자 재료로서는 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AIN), 산화아연(ZnO) 등의 광대역 반도체 재료가 유망한 것으로 기대되고 있다. 그러나, 이들 광대역 반도체 재료 중 현재 단결정 잉곳(ingot) 성장기술이 확보되어 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산이 가능한 것은 탄화규소 단결정 재료뿐 이다.

특히, 탄화규소는 1500℃ 이하에서 열적 안정성이 우수하고 산화성 분위기에서의 안정성도 뛰어나며, 4.6W/cm℃ 정도의 큰 열전도도를 갖고 있기 때문에, 고온에서 장시간 안정성이 요구되는 환경 하에서는 갈륨비소(GaAs) 또는 질화갈륨(GaN) 와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 훨씬 유용할 것으로 기대된다.

탄화규소는 비록 전자이동도가 실리콘에 비해 작으나, 밴드갭이 실리콘의 2-3배 정도이어서 동작 한계온도가 650℃이고 따라서 동작 한계온도가 200℃ 이하인 실리콘에 비하여 동작 한계온도가 훨씬 높다는 장점이 있다. 또한 화학적 및 기계적으로 강하므로 극한 환경에서도 사용할 수 있는 소자로 제작 가능하다.

이러한 재료의 본질적 물성차이에 기인한 소자의 성능 한계는 JFOM, KFOM, BFOM 및 BHFFOM과 같은 여러 가지의 지표계수를 비교해 보면 쉽게 비교 가능하다. 예를 들어 높은 주파수와 대전력의 응용의 이점을 나타내는 JFOM은 트랜지스터의 전력과 주파수의 한계를 항복전압과 포화전자 이동속도로부터 유도한 비교계수로서 탄화규소가 실리콘에 비해 600배 이상이다.

이와 같이 우수한 물성을 가지는 탄화규소를 이용한 소자가 현재 하루가 다르게 발표되면서 탄화규소의 응용범위 및 그 파급효과가 매우 빠른 속도로 광범위해지고 있다.

예를 들면, 탄화규소는 자동차 또는 우주항공 등의 고온 집적회로, 내방사능 소자, Ⅲ-Ⅴ-Ⅳ-Ⅵ 연계소자, 초정밀 멤스(MEMS) 소자, 엑스레이 마스크, 자외선(UV) 탐지기, 청색 발광소자(LED) 등에 응용되고 있다.

본 발명에서는 고순도의 실리콘 증기상 또는 용액의 액적을 흑연으로 제작된 합성부에 흘려주어 원료로 사용하는 탄화규소를 도가니 안에서 직접 반응함으로써 원료 안에 포함된 불순물의 문제를 해결 하였고, 반응한 탄화규소 결정을 다시 가열 재승화하는 방법으로 도가니를 여러번 바꾸어 주지 않아도 됨으로써 비용을 절 약할 수 있다.

또한, 기존의 일회성 성장방법에서 일회에 한하는 탄화규소 원료 공급의 단점을 보완하여 연속 성장이 가능하게 하였고, 이러한 연속 성장이 가능한 이유는 외부로부터 실리콘를 포함한 기상 또는 용액의 액적을 지속적으로 공급 받음으로써 성장길이가 긴 탄화규소 단결정 제조가 가능하도록 한다.

그리고 실리콘을 포함한 기상을 직접 반응하여 결정을 성장하는 방법에서 자주 발생하는 과포화된 실리콘에 의한 탄화규소 다결정의 성장을 억제하고, 흑연 또는 탄소로 제작된 합성부에서 직접 탄화규소 원료를 합성한 후 바로 성장하는 방법을 사용하여 고순도의 탄화규소 단결정을 성장할 수 있다.

본 발명에서는 고순도의 실리콘 증기상 또는 용액의 액적을 흑연으로 제작된 합성부에 흘려주어 원료로 사용하는 탄화규소를 도가니 안에서 직접 반응함으로써 원료 안에 포함된 불순물의 문제를 해결 하였고, 반응한 탄화규소 결정을 다시 가열 재승화하는 방법으로 도가니를 여러번 바꾸어 주지 않아도 됨으로써 비용을 절약할 수 있다.

그리고 실리콘을 포함한 기상을 직접 반응하여 결정을 성장하는 방법에서 자 주 발생하는 과포화된 실리콘에 의한 탄화규소 다결정의 성장을 억제하고, 흑연 또는 탄소로 제작된 합성부에서 직접 탄화규소 원료를 합성한 후 바로 성장하는 방법을 사용하여 고순도의 탄화규소 단결정을 성장할 수 있다.

탄화규소 단결정은 승화법(sublimation), 화학기상증착법(CVD : chemical vapor deposition)중의 어느 한 방법에 의해 성장시킬 수 있다.　

SiC 단결정을 승화법에 의해 성장시킬 때, 씨드는 도가니의 커버 내면을 포함하여 도가니의 상부에 배치시키거나, 또는 도가니의 바닥면에 배치시킬 수 있으며 이 발명이 승화법의 한 종류에 해당한다.

SiC 단결정을 화학기상증착법에 의해 성장시킬 때, 씨드를 도가니의 상부, 하부 및 측부를 포함한 모든 내측 표면에 배치시킬 수 있다.

이하는 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에서는 도가니에 실리콘을 공급해 주는 단계와 가열된 탄소 반응기에 의하여 공급된 실리콘이 합성하는 단계; 합성되어 생성된 탄화규소가 재승화 되어 seed부에서 탄화구소 단결정이 성장하는 단계로 구성되어 있다.

이 때, 외부에서 공급된 실리콘이 포함된 증기상과 실리콘 용액의 액적은 공급되는 동안 외부에 노출되어 오염되는 것을 막아야 한다.

공급된 실리콘이 포함된 증기상 또는 실리콘 용액의 액적과 반응하는 합성부의 재질은 고순도의 흑연(graphite) 또는 탄소(carbon)로 제작하며, 실리콘이 포함된 증기상 또는 실리콘 용액의 액적이 흐를 수 있도록 관(pipe)이 생성되어 있어야 한다.

그 관의 지름은 가늘 수도 있고, 굵을 수도 있지만, 대략 0.2mm ~ 10mm를 넘지 않는 원형 또는 다각형인 것이 바람직하다.

우선 고주파 유도 가열법에 의하여 합성부가 가열되고, 그 후 외부에서 고순도의 실리콘이 포함된 증기상 또는 실리콘 용액의 액적이 흑연으로 제작된 합성부에 유입되어 탄화규소 결정이 합성된다.

그 후 합성된 탄화규소 원료는 합성부 표면에서 냉각되어 탄화규소 결정으로 생성된다. 이렇게 생성된 탄화규소는 씨드부에서 탄화규소 단결정으로 성장되기 위한 원료로 사용된다.

씨드부에 탄화규소 단결정을 성장하기 위해서는 코일(coil)을 다시 상부로 조정하여 합성부에서 생성된 탄화규소 원료를 가열하여 재승화 시키는 방법을 사용한다.

중요점은 원료로 사용하는 탄화규소를 가열하여 재승화 시킨 후 승화된 탄화규소 증기가 씨드부에 도달하기 위하여 도가니 안의 온도구배를 조절하여야 한다.

이 때, 씨드부의 온도는 가열된 탄화규소 원료의 온도보다 높지 않아야 한다.

탄화규소를 합성하는 단계에서의 온도는 1800 ~ 2500℃으로 하며, seed 부분의 온도는 1700 ~ 2400℃로 조절하는 것이 바람직하다.

사용되는 씨드의 결정다형은 3C, 4H, 6H, 15R이며, 성장되는 탄화규소 결정다형도 3C, 4H, 6H, 15R 이다.

도가니의 주변을 둘러싸도록 단열재가 설치될 수 있다.

도가니의 상부의 seed부 및 탄소 반응기의 온도를 측정할 수 있도록 단열재옆면에 구멍을 만들어 놓았으며, 그 구멍을 통하여 온도를 측정할 수 있는 장치가 설치될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 외부에서 공급되는 오염되지 않은 고순도의 실리콘이 포함된 증기상 또는 실리콘 용액의 액적을 가열된 합성부 안으로 유입시켜 주고, 합성부에서 합성된 탄화규소 결정을 가지고 원료로 사용하는 단계와 탄소 반응기에 의하여 합성된 탄화규소 결정을 가열하여 재승화 과정을 통하여 씨드부에 탄화규소 단결정이 성장되는 단계로 나누어져 있다.

첫 번째 단계에서는 탄화규소 원료를 직접 충진하는 일반적인 승화법에서 나타나는 문제점인 여러 불순물에 의한 저순도 원료의 문제점을 도가니 안에서 탄화규소를 합성함으로써 고순도의 탄화규소 원료를 얻을 수 있다.

Claims

외부에서 실리콘이 포함된 증기상 또는 용액의 액적을 공급하는 단계;

공급된 실리콘 이 포함된 증기상 또는 용액의 액적을 가열된 합성부에 유입하여 탄화규소 결정원료를 합성하는 단계;

흑연으로 제작된 합성부에 의하여 생성된 탄화규소 결정원료를 가열하여 재승화 함으로써 탄화규소 단결정 성장시 원료로 사용하는 단계;

씨드위에 대구경 탄화규소 단결정을 승화법 및 화학 기상법으로 성장하는 방법.
　　　　　　 제 1항에 있어서,

　　　　　　 외부로 공급되는 고순도 실리콘이 포함된 증기상 또는 용액의 액적을 사용.
제 1 항에 있어서,

합성부는 고순도의 탄소 또는 흑연으로 구성.
제 2 항에 있어서,

흑연으로 제작된 합성부의 관(pipe)의 지름은 0.2 ~ 10mm 사이의 원형 또는 다각형으로 구성.
제 1 항에 있어서,

외부에서 공급되는 실리콘이 포함된 증기상 또는 용액의 액적을 흑연으로 제작된 합성부에서 탄화규소 결정원료로 합성되는 온도는 1800-2500℃로 구성.
제 1 항에 있어서,

고주파 유도 가열 코일의 위치는 가변하여 단결정을 성장하는 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 탄화규소 단결정을 성장시키는 단계에서 탄화규소 단결정이 성장되는 씨드부의 온도는 1700-2400℃로 구성
제 7 항에 있어서,

성장에 사용되는 씨드는 3C, 4H, 6H, 15R 이며, 이것으로 성장하는 결정다형은 3C, 4H, 6H, 15R 이다.