KR20070072670A - Monocrystalline Growth Apparatus and Monocrystalline Growth Method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부에 종자정과 단결정 원료가 마련되는 단결정 원료 도가니, 상기 단결정 원료 도가니와 연결되고, 내부에 불순물이 마련되는 불순물 도가니 및 상기 단결정 원료 도가니 및 상기 불순물 도가니의 외부에 각각 형성된 제 1 및 제 2 가열 수단을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 가열 수단은 소정 간격 이격되어 독립적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치를 제공한다. 상기 제 1 및 제 2 가열 수단은 고주파 유도 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention provides a single crystal raw crucible having seed crystals and a single crystal raw material therein, an impurity crucible connected to the single crystal raw crucible, an impurity crucible provided with impurities therein, and a first and a first crucible formed outside the single crystal raw crucible and the impurity crucible, respectively. And two heating means, wherein the first and second heating means are independently operated at predetermined intervals. The first and second heating means are characterized in that they comprise a high frequency induction coil.
본 발명은 탄화규소 단결정의 제조 공정 시 단결정 원료와 불순물의 가열 및 공급을 독립적으로 제어함으로써, 다결정의 형성을 방지하고 불순물 함량이 균일한 탄화규소 단결정을 성장시켜 품질을 향상시킬수 있다. 또한, 탄화규소 단결정의 제조가 용이하여, 특히 고체 물질인 p형 불순물을 사용하는 경우에도 용이하게 제조할 수 있어, 작업 능률 및 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다. In the present invention, by independently controlling the heating and supply of the single crystal raw material and the impurity in the production process of the silicon carbide single crystal, it is possible to prevent the formation of polycrystals and grow the silicon carbide single crystal with a uniform impurity content to improve the quality. In addition, since the silicon carbide single crystal is easy to manufacture, especially when using a p-type impurity, which is a solid material, it can be easily manufactured, thereby improving work efficiency and efficiency.
Description
도 1 및 도 2는 종래 단결정 성장 장치를 도시한 개략단면도.1 and 2 are schematic cross-sectional views showing a conventional single crystal growth apparatus.
도 3은 종래 종자정 상에 다결정이 형성되는 경우를 도시한 사진.3 is a photograph showing a case in which a polycrystal is formed on a conventional seed crystal.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 성장 장치를 도시한 개략단면도. 4 is a schematic cross-sectional view showing a single crystal growth apparatus according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 단결정 원료 도가니 20 : 도가니 뚜껑10: single crystal raw crucible 20: crucible lid
30 : 종자정 40 : 불순물 도가니30: seed crystal 40: impurity crucible
50 : 불순물 가스 공급관 60 : 캐리어 가스 공급관50 impurity
70 : 단열재 80 : 이중 석영관70: heat insulating material 80: double quartz tube
90, 100 : 고주파 유도 코일90, 100: high frequency induction coil
본 발명은 단결정 성장 장치 및 단결정 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 승화 재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키기 위한 단결정 성장 장치 및 단결정 성장 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a single crystal growth apparatus and a single crystal growth method, and more particularly, to a single crystal growth apparatus and a single crystal growth method for growing a silicon carbide single crystal by a sublimation recrystallization method.
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 재료로는 SiC, GaN, AIN, ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 유망한 것으로 기대되고 있다. 특히, 탄화규소(SiC)는 1500℃ 이하에서 열적 안정성이 우수하고 산화성 분위기에서의 안정성도 뛰어나며, 4.6W/cm℃ 정도의 큰 열전도도를 갖고 있기 때문에, 고온에서 장시간 안정성이 요구되는 환경하에서 GaAs 또는 GaN와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 훨씬 유용할 것으로 기대된다. 탄화규소(SiC)는 전자 이동도가 비록 실리콘에 비해 작으나, 밴드갭은 실리콘의 2, 3배 정도로 동작 한계 온도가 650℃이며, 따라서 동작 한계 온도가 200℃ 이하인 실리콘에 비해 매우 높은 동작 한계 온도를 갖는 장점이 있다. 또한 화학적 및 기계적으로 강하기 때문에 극한 환경에서도 사용할 수 있는 소자로 제작 가능하다. Since the 1960s to date, silicon (Si), which has been used as a representative semiconductor device material, has revealed physical limitations, and various compound semiconductor materials have been studied as a new semiconductor device material to overcome this problem. Next-generation semiconductor device materials are expected to be promising broadband semiconductor materials such as SiC, GaN, AIN, and ZnO. In particular, silicon carbide (SiC) has excellent thermal stability at 1500 ° C or lower, excellent stability in an oxidizing atmosphere, and has a large thermal conductivity of about 4.6W / cm ° C. Or more useful than Group III-V compound semiconductors such as GaN. Although silicon carbide (SiC) has a smaller electron mobility than silicon, its bandgap is twice or three times that of silicon, and its operating limit temperature is 650 ° C. Thus, it has a much higher operating limit temperature than silicon having an operating limit temperature of 200 ° C or less. There is an advantage to having. It is also chemically and mechanically strong, making it a device that can be used in extreme environments.
이와 같이 탄화규소(SiC)는 내열성 및 기계적 강도가 우수하고, 방사선에 강한 등의 물리적 및 화학적 성질로부터 내환경성 반도체 재료로서 주목받고 있다. 또한, 최근 청색으로부터 자외에 이르기까지의 단파장 광 디바이스 및 고주파 고내압전자 디바이스 등의 기판 웨이퍼로서의 SiC 단결정 웨이퍼의 수요가 높아지고 있다.Thus, silicon carbide (SiC) has attracted attention as an environmentally resistant semiconductor material from physical and chemical properties such as excellent heat resistance and mechanical strength, and strong against radiation. In addition, the demand for SiC single crystal wafers as substrate wafers, such as short wavelength optical devices and high frequency high breakdown voltage electronic devices, ranging from blue to ultraviolet light is increasing.
종래 상기 탄화규소 단결정의 제조를 위해 승화 재결정법(레일리법)을 사용하여 반도체 소자의 제작이 가능한 사이즈의 탄화규소 단결정을 얻고 있다. 그러나 이 방법은 이렇게 얻어진 단결정의 면적이 작고, 그 치수 및 형상을 고정밀도로 제 어하는 것이 곤란하다. 또한, 탄화규소가 갖는 결정다형 및 불순물 캐리어 농도의 제어도 용이하지 않다. Conventionally, silicon carbide single crystals having a size capable of manufacturing semiconductor devices have been obtained by using the sublimation recrystallization method (Railey method) for the production of the silicon carbide single crystal. However, this method has a small area of the single crystal thus obtained, and it is difficult to control its dimensions and shapes with high accuracy. In addition, it is not easy to control the crystal polymorph and impurity carrier concentration of silicon carbide.
또한, 화학 기상 성장법(CVD법)을 이용하여 규소(Si) 등의 이종 기판 상에 헤테로 에피택셜을 성장시킴으로써 입방정의 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법도 행해지고 있다. 이 방법에서는 대면적의 단결정은 얻어지지만, 기판과의 격자 부정합으로 인해 결함을 포함하는 탄화규소 단결정을 성장시키고, 고품질의 탄화규소 단결정을 얻는 것이 용이하지 않다. In addition, a method of growing a cubic silicon carbide single crystal by growing heteroepitaxial on a heterogeneous substrate such as silicon (Si) using a chemical vapor deposition method (CVD method). In this method, a large area single crystal is obtained, but it is not easy to grow a silicon carbide single crystal containing defects due to lattice mismatch with the substrate, and to obtain a high quality silicon carbide single crystal.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 탄화규소 단결정으로 이루어지는 [0001] 웨이퍼를 종자정(seed)으로 이용하여 승화 재결정을 행하는 개량형의 레일리법이 제안되어 있다. 이 방법은 종자정을 이용하기 때문에 단결정의 핵 형성 과정을 제어할 수 있다. 또한, 불활성 가스를 이용하여 분위기 압력을 제어함으로써, 단결정의 성장 속도 등을 재현성 좋게 조절할 수 있다.In order to solve this problem, an improved Rayleigh method of sublimation recrystallization using a wafer made of silicon carbide single crystals as seed crystals (seed) has been proposed. This method uses seed crystals to control the nucleation process of single crystals. In addition, by controlling the atmospheric pressure using an inert gas, the growth rate and the like of the single crystal can be controlled with good reproducibility.
이에 대해 간단히 설명하면, 원료가 되는 탄화규소 결정은 예를 들어 흑연제의 도가니 내에 수납하고 그 상부에 종자정이 되는 탄화규소 단결정을 배치한다. 온도 구배를 형성함으로써 도가니 내의 원료가 종자정 측으로 확산되고 재결정화되어 단결정이 성장된다. 이 때, 성장된 단결정의 저항율은 불순물을 일부 치환함으로써 제어하는 것이 가능하다. 탄화규소 단결정 중의 치환형 불순물로서 대표적인 것으로는 질소(n형), 붕소, 알루미늄(p형)이 있다.In brief, silicon carbide crystals, which are used as raw materials, are stored in a crucible made of graphite, for example, and silicon single crystals having seed crystals are disposed thereon. By forming a temperature gradient, the raw material in the crucible is diffused to the seed crystal side and recrystallized to grow a single crystal. At this time, the resistivity of the grown single crystal can be controlled by partially replacing impurities. Representative substitution type impurities in silicon carbide single crystals include nitrogen (n-type), boron, and aluminum (p-type).
이와 같은 불순물이 첨가된 단결정 성장은 탄화규소 결정 분말 중에 불순물 원소 또는 그 화합물을 혼합하거나, 불활성 가스 분위기 속에 불순물 가스를 첨가 함으로써 이루어질 수 있다. The single crystal growth in which such an impurity is added can be achieved by mixing an impurity element or a compound thereof in the silicon carbide crystal powder or adding an impurity gas in an inert gas atmosphere.
도 1 및 도 2는 종래 불순물이 첨가된 단결정 성장 공정을 설명하기 위해 도시된 성장 장치의 개략 단면도이다. 1 and 2 are schematic cross-sectional views of a growth apparatus illustrated to explain a single crystal growth process to which a conventional impurity is added.
종래에는 불순물이 첨가된 단결정을 제조하기 위해, 도 1에 도시한 바와 같은 일반적인 단결정 성장 장치를 이용하여 도가니(1) 내부에 단결정 원료(A)와 불순물(B)을 일정한 비율로 섞은 혼합물을 장입한 후 승화시켜 단결정을 성장시키는 방법을 사용하였다. 도 1을 참조하면, 단결정 성장 장치는 그 상부, 즉, 도가니 뚜껑(2)에 종자정(3)이 부착되고 내부에 단결정 원료(A)가 장입되는 도가니(1)와, 상기 도가니(1)를 둘러싸는 단열재(4) 및 석영관(5)과, 그 외부에 상기 도가니(1)를 가열하기 위한 고주파 유도 코일(6)을 포함한다.Conventionally, in order to manufacture a single crystal added with impurities, a mixture of single crystal raw material (A) and impurities (B) is charged into the crucible 1 in a constant ratio using a general single crystal growth apparatus as shown in FIG. And then sublimed to grow single crystals. Referring to FIG. 1, the single crystal growth apparatus includes a crucible 1 having a
그러나 이와 같은 경우 상대적으로 낮은 승화 온도를 갖는 대부분의 불순물(B)이 단결정 원료(A)보다 낮은 온도에서 먼저 승화되기 때문에, 성장 초기에는 불순물의 승화가 과도하게 일어나다가 성장이 진행될수록 불순물이 급격히 감소하는 현상이 발생한다. 그리하여 성장된 단결정의 불순물의 치환이 균일하지 못한 문제점이 있다. 더욱이 단결정 원료보다 먼저 승화된 불순물이 상기 종자정(3)을 도포함으로써, 도 3에서 볼 수 있듯이 다결정(C)을 형성시킬 수 있다. However, in this case, since most of the impurities (B) having a relatively low sublimation temperature are first sublimed at a lower temperature than the single crystal raw material (A), excessive sublimation of impurities occurs at the beginning of growth, and the impurities rapidly increase as the growth proceeds. A decrease occurs. Thus, there is a problem that the substitution of impurities in the grown single crystal is not uniform. Furthermore, the sublimed impurities prior to the single crystal raw material can apply the
이러한 문제점을 해결하기 위해 단결정 원료와 불순물을 혼합하지 않고, 도 2에 도시한 바와 같은 단결정 성장 장치를 이용하여 불순물(B)을 반응 가스로 주입함으로써, 승화된 단결정 원료(A)와 불순물 가스(B)를 반응시켜 단결정을 성장시키는 방법이 제시되었다. 도 2를 참조하면, 단결정 성장 장치는 상술한 도 1의 단결 정 성장 장치와 거의 동일하되, 도가니(1)의 하부로부터 상기 단결정 원료(A)가 장입되는 도가니(1)의 하면을 관통하여 도가니(1)의 내부로 연장 형성된 불순물 가스 공급관(7)을 더 포함한다. 상기 불순물 가스 공급관(7)을 통해 불순물 가스(B)가 공급되고, 이는 상기 도가니(1) 내부로 이송되어 도가니(1) 내에서 승화된 단결정 원료와 반응함으로써, 상기 종자정(3) 상에 불순물이 첨가된 단결정이 성장된다. 그리하여 균일하게 불순물이 첨가된 단결정을 성장시킬 수 있으며, 다결정이 형성되는 현상을 방지할 수 있다. 그러나 이와 같은 방법은 p형 불순물 탄화규소 단결정을 제조하기에는 적당하지 않은 단점이 있다. 즉, 대표적 p형 불순물인 붕소(B) 또는 알루미늄(Al)은 고체 물질이므로, 이를 반응 가스를 사용하는 방식에 적용하는 것을 용이하지 않기 때문이다. In order to solve this problem, the single crystal raw material A and the impurity gas (sublimation) are injected by injecting the impurity B into the reaction gas using a single crystal growth apparatus as shown in FIG. 2 without mixing the single crystal raw material and impurities. A method of growing single crystals by reacting B) has been proposed. Referring to FIG. 2, the single crystal growing apparatus is substantially the same as the single crystal growing apparatus of FIG. 1 described above, but the crucible is passed through the lower surface of the crucible 1 into which the single crystal raw material A is charged from the bottom of the crucible 1. It further includes an impurity
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄화규소 단결정의 제조 공정 시 단결정 원료와 불순물의 가열 및 공급을 독립적으로 제어함으로써, 다결정의 형성을 방지하고 불순물 함량이 균일한 탄화규소 단결정을 성장시켜 품질을 향상시킬수 있는 단결정 성장 장치 및 단결정 성장 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the above problems, by independently controlling the heating and supply of the single crystal raw material and impurities in the manufacturing process of silicon carbide single crystal, to prevent the formation of polycrystals and to grow a silicon carbide single crystal with a uniform impurity content An object of the present invention is to provide a single crystal growing apparatus and a single crystal growing method capable of improving quality.
본 발명의 다른 목적은 탄화규소 단결정의 제조가 용이하여, 특히 고체 물질인 p형 불순물을 사용하는 경우에도 용이하게 제조할 수 있어, 작업 능률 및 효율성을 높일 수 있는 단결정 성장 장치 및 단결정 성장 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to prepare a single crystal growth apparatus and a single crystal growth method that can be easily manufactured, especially in the case of using a p-type impurity, which is a solid material, to increase the work efficiency and efficiency. To provide.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에 종자정과 단결정 원료가 마련되는 단결정 원료 도가니, 상기 단결정 원료 도가니와 연결되고, 내부에 불순물이 마련되는 불순물 도가니 및 상기 단결정 원료 도가니 및 상기 불순물 도가니의 외부에 각각 형성된 제 1 및 제 2 가열 수단을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 가열 수단은 소정 간격 이격되어 독립적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치를 제공한다. 상기 제 1 및 제 2 가열 수단은 고주파 유도 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a single crystal raw crucible having seed crystals and single crystal raw materials therein, an impurity crucible connected to the single crystal raw crucible, and provided with impurities therein, and the single crystal raw material crucible and the impurity crucible. It includes a first and second heating means formed respectively on the outside, the first and second heating means provides a single crystal growth apparatus, characterized in that the independent operation by spaced apart. The first and second heating means are characterized in that they comprise a high frequency induction coil.
본 발명의 단결정 성장 상치는 상기 불순물 도가니로부터 상기 단결정 원료 도가니로 상기 불순물 가스를 이송하기 위한 불순물 가스 공급관을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 단결정 원료 도가니는 상기 불순물 도가니의 상부에 구비되고, 상기 불순물 가스 공급관은 상기 불순물 도가니의 상면으로부터 상기 단결정 원료 도가니의 하면을 관통하여 내부 공간으로 연장 형성될 수 있다. The single crystal growth phase of the present invention may include an impurity gas supply pipe for transferring the impurity gas from the impurity crucible to the single crystal raw material crucible. Here, the single crystal raw crucible may be provided at an upper portion of the impurity crucible, and the impurity gas supply pipe may extend from an upper surface of the impurity crucible to an internal space through a lower surface of the single crystal raw crucible.
또한 상기 불순물 도가니의 내부로 캐리어 가스를 주입하기 위한 캐리어 가스 공급관을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 캐리어 가스 공급관은 상기 불순물 도가니의 외부로부터 상기 불순물 도가니의 하면을 관통하여 내부 공간으로 연장 형성될 수 있다. 형성될 수 있다. It may also include a carrier gas supply pipe for injecting a carrier gas into the impurity crucible. Here, the carrier gas supply pipe may extend from the outside of the impurity crucible to the inner space through the lower surface of the impurity crucible. Can be formed.
또한 본 발명의 단결정 성장 상치는 상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 상기 단열재 외부를 둘러싸는 냉각용 이중 석영관을 더 포함하고, 상기 이중 석영관 외부에 상기 가열 수단이 구비될 수 있다. In addition, the single crystal growth lettuce of the present invention may further include a heat insulating material surrounding the crucible and a double quartz tube for cooling surrounding the outside of the heat insulating material, and the heating means may be provided outside the double quartz tube.
상기 도가니의 상부 또는 하부에 온도 측정 장치를 더 포함할 수 있으며, 상 기 단결정 원료 도가니는 다공성 흑연인 뚜껑을 포함하는 것을 특징으로 한다. The upper or lower portion of the crucible may further include a temperature measuring device, the single crystal raw crucible is characterized in that it comprises a lid which is porous graphite.
본 발명은 상면에 종자정이 부착되고 그 내부에 단결정 원료가 장입된 단결정 원료 도가니를 마련하는 단계, 상기 단결정 원료와 연결되고 내부에 불순물이 장입된 불순물 도가니를 마련하는 단계 및 상기 단결정 원료 도가니와 상기 불순물 도가니를 독립적으로 가열함으로써 단결정 원료와 불순물을 동시에 승화시켜 상기 종자정 상에 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는 단결정 성장 방법을 제공한다. The present invention provides a single crystal raw crucible having a seed crystal attached to an upper surface thereof and a single crystal raw material charged therein, preparing an impurity crucible connected to the single crystal raw material and having an impurity loaded therein, and the single crystal raw crucible and the It provides a single crystal growth method comprising the step of simultaneously subliming the single crystal raw material and impurities by heating the impurity crucible independently to grow a single crystal on the seed crystal.
상기 단결정을 성장시키는 단계는, 대기압을 유지하며 상기 단결정 원료 도가니를 성장 온도로 가열하는 단계, 성장 압력으로 감압하며 동시에 상기 불순물 도가니를 가열하여 상기 불순물을 승화시키는 단계 및 상기 종자정 상에 승화된 단결정 원료 가스와 불순물 가스를 반응시켜 재결정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 불순물을 승화시키는 단계 이후에, 승화된 불순물 가스를 상기 단결정 원료 도가니로 이송하는 캐리어 가스를 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 비반응 가스를 이용하여 상기 도가니 내부를 퍼징하는 단계를 더 포함할 수 있다. The growing of the single crystal includes maintaining the atmospheric pressure and heating the single crystal raw crucible to a growth temperature, depressurizing to a growth pressure and simultaneously heating the impurity crucible to sublimate the impurity and sublimation on the seed crystal. And reacting the single crystal source gas with the impurity gas to recrystallize it. After subliming the impurity, the method may further include injecting a carrier gas transferring the sublimed impurity gas into the single crystal raw material crucible. In addition, the method may further include purging the inside of the crucible using an unreacted gas.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Like numbers refer to like elements in the figures.
본 발명의 단결정 성장은 종자정(seed)으로 이용한 탄화규소(SiC) 단결정 상에 원료인 탄화규소 분말을 승화 재결정화시킴으로써 행해진다. 이 때, 소정의 불순물이 첨가되는 단결정의 성장을 위해, 상기 탄화규소 분말의 승화와 동시에 불순물을 승화시키고, 종자정 상에 반응시켜 재결정화시킨다. The single crystal growth of the present invention is carried out by sublimation recrystallization of silicon carbide powder as a raw material on silicon carbide (SiC) single crystals used as seed crystals. At this time, in order to grow a single crystal to which a predetermined impurity is added, the silicon carbide powder is sublimed at the same time as the sublimation, and the seed crystal phase is reacted to recrystallize.
이러한 단결정 성장을 위한 단결정 성장 장치에 있어서, 본 발명은 단결정 원료 도가니와 불순물 도가니를 별도로 구비하고 각 도가니를 가열하는 수단을 형성함으로써, 단결정 원료와 불순물의 가열 및 공급을 독립적으로 제어할 수 있도록 한다. 즉, 승화 온도가 다른 단결정 원료와 불순물의 승화 시점을 동일하게 하여 단결정 원료 및 불순물 가스가 종자정 상에 일정하게 공급되고, 이로 인해 불순물 함량이 균일한 단결정을 성장시킬 수 있다. In the single crystal growth apparatus for single crystal growth, the present invention provides a single crystal raw crucible and an impurity crucible separately and forms a means for heating each crucible so that the heating and supply of the single crystal raw material and impurities can be controlled independently. . That is, the single crystal raw material and the impurity gas are uniformly supplied on the seed crystal by making the same sublimation point of the single crystal raw material having different sublimation temperature and the impurity, thereby growing a single crystal having a uniform impurity content.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view showing a single crystal growth apparatus according to the present invention.
도면을 참조하면, 단결정 성장 장치는 그 상부에 종자정(30, seed)이 부착되고 내부에 단결정 원료(A)가 장입되는 단결정 원료 도가니(10)와, 상기 단결정 원료 도가니(10)에 연결되어 불순물 원료(B)가 장입되는 불순물 도가니(40)와, 상기 도가니(10, 40)를 둘러싸는 단열재(70) 및 석영관(80)과, 그 외부에 상기 단결정 원료 도가니(10)와 불순물 도가니(40)를 각각 가열하기 위한 제 1 및 제 2 가열 수단(90, 100)을 포함한다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 가열 수단을 독립적으로 작동시키기 위한 제어 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. Referring to the drawings, the single crystal growth apparatus is connected to the single crystal
상기 불순물 도가니(40)로부터 상기 단결정 원료 도가니(10)로 승화된 불순물 가스를 이송시키기 위한 불순물 가스 공급관(50)을 더 포함하며, 불순물 가스의 이송을 원활하게 하기 위한 캐리어 가스를 주입하는 캐리어 가스 공급관(60)을 더 포함한다. A carrier gas further includes an impurity
상기 도가니(10, 40)의 상부 및 하부에는 온도를 측정할 수 있는 장치를 더 포함할 수 있다. Upper and lower portions of the
또한, 단결정 성장 장치는 퍼징 공정을 위한 퍼징 가스를 주입하는 공급관을 더 포함할 수 있으며, 성장 공정시 장치 내부의 압력을 성장 압력으로 감압하기 위한 감압 수단을 더 포함할 수 있다. In addition, the single crystal growth apparatus may further include a supply pipe for injecting a purging gas for the purging process, and may further include a pressure reducing means for reducing the pressure inside the apparatus to the growth pressure during the growth process.
종자정(30)의 탄화규소 단결정은 상기 단결정 원료 도가니의 뚜껑(20)의 내면에 부착되고, 단결정 원료(A)의 탄화규소 분말은 단결정 원료 도가니(10)의 내부에 장입된다. 상기 종자정(30)은 도가니 뚜껑(20)에 직접 부착될 수도 있고, 성장된 단결정이 상기 도가니 상부 뚜껑(20)에까지 성장되는 경우를 막기 위해 상기 종자정(30)은 별도의 종자정 홀더에 부착되어 도가니 뚜껑(20)에 부착될 수도 있다. 또한, 단결정(A)에 첨가되는 불순물(B)은 상기 단결정 원료 도가니(10)의 하부에 별도로 배치된 불순물 도가니(40)에 장입된다. The silicon carbide single crystal of the
상기 도가니(10, 40)는 일반적으로 원통형이나 반드시 원통형으로 한정되지 않고 다른 형상으로도 형성할 수 있다. 도가니(10, 40)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 이루어지고, 본 실시예는 흑연 도가니를 사용한다. 또는 흑연 재질 위에 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서 도포되는 물질은 탄화규소 단결정이 성장되는 온도에서 규소 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄 화물 또는 금속 질화물을 사용할 수 있으며, 특히 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 그리고 이 중에서 둘 이상의 혼합물과 탄소가 이루는 탄화물과, Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 그리고 이 중에서 둘 이상의 혼합물과 질소가 이루는 질화물을 사용할 수 있다. The
상기 단결정 원료 도가니의 뚜껑(20)은 다공성의 흑연을 사용한다. 또는 얇은 흑연판에 다량의 구멍을 뚫어 형성할 수도 있다. 이는 미반응된 불순물 가스 및 캐리어 가스를 외부로 배출하기 위한 것으로, 단결정 원료 도가니(10) 내부의 압력을 조절하는 역할을 한다. The
상기 불순물 도가니(40)로부터 상기 단결정 원료 도가니(10)로 불순물 가스를 이송하기 위한 불순물 가스 공급관(50)은 상기 불순물 도가니(40)의 상면을 관통하는 중공관이 그 상부로 연장되어 상기 단결정 원료 도가니(10) 하면을 관통하여 형성된다. 상기 불순물 가스 공급관(40)은 상기 단결정 원료 도가니(10) 내부에 장입되는 탄화규소 분말의 높이보다 더 높은 위치에까지 연장 형성되는 것이 바람직하다. The impurity
또한, 상기 불순물 가스의 이송을 원활하게 하기 위해 캐리어 가스를 주입하기 위한 캐리어 가스 공급관(60)은 상기 불순물 도가니(40)의 하부로부터 불순물 도가니(40)의 하면을 관통하여 형성된다. 마찬가지로, 상기 캐리어 가스 공급관(60)은 불순물 도가니(40)의 내부에 장입되는 불순물의 높이보다 더 높은 위치에까지 연장되는 것이 바람직하다. In addition, the carrier
불순물 가스 공급관(50)과 캐리어 가스 공급관(60)은 흑연관을 이용하여 형성할 수 있다. 불순물 도가니(40)에서 승화된 불순물 가스는 상기 캐리어 가스 공 급관(60)에서 주입된 캐리어 가스와 함께 상기 불순물 가스 공급관(50)을 통해 단결정 원료 도가니(10) 내부로 이송된다. 그리하여 승화된 탄화규소 가스와 상기 불순물 가스가 반응하여 종자정(30) 상에 불순물이 첨가된 단결정이 성장되는 것이다.The impurity
상기 도가니(10, 40) 외부에는 단열재(70)를 사용하여 결정 성장 온도를 유지하도록 한다. 이 때 사용되는 단열재(70)는 탄화규소의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용한다. 상기 원통형의 도가니(10, 40)의 주변을 단열재(70)가 여러층 형성되어 도가니(10, 40)를 둘러쌀 수도 있다. The outside of the crucible (10, 40) is used to maintain the crystal growth temperature by using a heat insulating material (70). In this case, since the crystal growth temperature of the silicon carbide is very high, the
상기 도가니(10, 40)의 상부 또는 하부에는 온도를 측정할 수 있는 장치를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도가니(10, 40)의 상면 또는 하면의 중앙부를 단열재(70)로 둘러싸지 않고 노출시켜, 이 노출된 부분을 통해 도가니(10, 40)의 상면 또는 하면의 온도를 측정할 수 있다. The top or bottom of the crucible (10, 40) may further include a device for measuring the temperature. For example, the center portion of the upper or lower surface of the
상술한 도가니(10, 40) 및 단열재(70)는 냉각용 이중 석영관(80) 내부에 배치된다. The
또한 상기 이중 석영관(80) 외부에는 도가니(10, 40)를 가열하기 위한 가열 수단으로 고주파 유도 코일(90, 100)이 설치되어 있다. 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 도가니(10, 40)를 가열하고 단결정 원료(A) 및 불순물(B)을 원하는 온도로 가열할 수 있다. 여기서, 단결정 원료 도가니(10)의 외부에 위치하여 단결정 원료(A) 및 종자정(3)을 가열하는 제 1 고주파 유도 코일(90)과, 불순물 도가니(40) 의 외부에 위치하여 불순물(B)을 가열하는 제 2 고주파 유도 코일(100)을 포함한다. 상기 제 1 고주파 유도 코일(90)과 제 2 고주파 유도 코일(100)은 서로 열적 교류가 일어나지 않도록 소정 간격 이격되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 고주파 유도 코일을 독립적으로 작동시키기 위한 제어 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. In addition, high frequency induction coils 90 and 100 are installed outside the double quartz tube 80 as heating means for heating the
이와 같이 단결정 원료 도가니(10)와 불순물 도가니(40)의 외부에 각각 고주파 유도 코일(90, 100)을 배치함으로써, 단결정 원료(A)와 불순물(B)의 가열 및 공급을 독립적으로 제어할 수 있다. 예를 들어 상대적으로 승화 온도가 높은 단결정 원료(A)를 먼저 가열하고 상대적으로 승화 온도가 낮은 불순물 원료(B)를 나중에 가열하여 서로 다른 승화 온도를 독립적으로 유지시켜줌으로써, 동시에 단결정 원료(A)와 불순물(B)을 승화시키는 것이 가능하다. As such, by placing the high frequency induction coils 90 and 100 outside the single crystal
본 실시예는 단결정 원료 도가니(10)와 불순물 도가니(40)를 상, 하부에 배치하여 연결하였으나, 각 도가니(10, 40)의 독립적인 가열 제어가 가능하고, 불순물 가스를 상기 불순물 도가니(40)로부터 단결정 원료 도가니(10)로 원활하게 이송할 수 있는 한, 이에 한정되지 않고 도가니(10, 40)의 배치 및 연결 구조는 다양하게 형성할 수 있다.In the present embodiment, the single crystal
이하, 상술한 단결정 성장 장치를 이용하여 단결정의 성장 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, the single crystal growth method will be described using the above-described single crystal growth apparatus.
먼저, 단결정 원료 도가니의 뚜껑(20) 내면에 종자정(30)을 부착하고, 단결정 원료 도가니(10)의 내부에 단결정 원료(A), 예를 들어 탄화규소 분말을 장입한 다. 상기 종자정(30)은 도가니 뚜껑(20)에 직접 부착할 수도 있고, 성장된 단결정이 상기 도가니 상부 뚜껑(20)에까지 성장되는 경우를 막기 위해 상기 종자정(30)을 별도의 종자정 홀더에 부착하여 도가니 뚜껑(20)에 부착할 수도 있다. 상기 단결정 원료 도가니의 뚜껑(20)은 다공성 흑연을 사용하거나 얇은 흑연판에 다량의 구멍을 형성함으로써, 미반응된 불순물 가스 및 캐리어 가스가 배출될 수 있는 통로를 포함하는 것이 바람직하다.First, the
또한, 상기 단결정 원료 도가니(10)와 연결된 불순물 도가니(40)에는 붕소(B), 알루미늄(Al) 등과 같은 불순물(B)을 장입한다. In addition, the
상기 단결정 원료 도가니(10)와 상기 불순물 도가니(40)를 단열재(70) 내부에 장착한 후, 이를 이중 석영관(70) 내부에 장착한다.The single crystal
다음으로, 비반응 가스를 이용하여 장치 내부를 퍼징한다. 이 때, 퍼징 가스로 불활성 가스를 사용할 수 있으며, 본 실시예는 아르곤(Ar) 가스를 사용한다. 장치 내부의 공기를 아르곤 가스로 퍼징함으로써, 도가니(10, 40) 내부와, 도가니(10, 40)와 단열재(70)의 사이 등에 남아있는 공기를 제거할 수 있다. Next, the inside of the apparatus is purged using unreacted gas. In this case, an inert gas may be used as the purging gas, and the present embodiment uses argon (Ar) gas. By purging the air inside the apparatus with argon gas, air remaining in the
이후, 원료의 열처리에 해당되는 원료 순화 공정을 시행한다. 이를 위해 대기압을 유지하며 상기 단결정 원료 도가니(10)를 둘러싼 제 1 고주파 유도 코일(90)을 통해 단결정 원료 도가니(10)를 2000℃ 내지 2300℃로 가열한다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위해서이다. 즉, 초기부터 감압하여 승온시키는 경우에, 성장 온도에 도달했을 때 원하지 않는 결정 다형이 성장될 수 있다.Thereafter, the raw material purification process corresponding to the heat treatment of the raw material is performed. To this end, the single crystal
그러므로 먼저 대기압을 유지하며 상기 단결정 원료 도가니(10)를 성장 온도까지 승온시킨 후, 장치 내부를 20mbar 내지 60mbar으로 감압하여 성장 압력으로 유지하여 단결정 성장을 개시한다. 이와 동시에, 상기 불순물 도가니(40)를 둘러싼 제 2 고주파 유도 코일(100)을 통해 불순물 도가니(40)를 20mbar 내지 60mbar의 압력 중에서, 1800℃에서 2000℃로 가열하여 불순물(B)이 승화되도록 한다.Therefore, the temperature of the single crystal
즉, 상대적으로 승화 온도가 높은 단결정 원료(A)를 먼저 가열한 후 불순물(B)을 가열함으로써, 상기 단결정 원료(A)와 상기 불순물(B)의 승화가 동시에 이루어지도록 한다. 또한 상기 불순물 도가니(40)의 온도를 상기 단결정 원료 도가니(10)와 다른 적절한 온도로 유지함으로써, 불순물이 지속적으로 균일하게 공급되도록 한다. That is, the single crystal raw material (A) having a relatively high sublimation temperature is first heated and then the impurities (B) are heated so that the single crystal raw material (A) and the impurity (B) can be simultaneously sublimed. In addition, by maintaining the temperature of the
상기 캐리어 가스 공급관(60)에 캐리어 가스, 예를 들면 아르곤 가스(Ar)를 주입하여 불순물 도가니(40)에서 승화된 불순물 가스를 불순물 가스 공급관(50)을 통해 상기 단결정 원료 도가니(10)로 이송시킨다. 그리하여 종자정(30)에 도착된 상기 단결정 원료 가스와 상기 불순물 가스가 종자정(30) 상에서 반응하여 재결정화함으로써 단결정 성장이 이루어진다. A carrier gas, for example argon gas (Ar), is injected into the carrier
이러한 단결정 성장 방법은 단결정 원료 도가니와 불순물 도가니의 가열을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에, 단결정 원료와 불순물의 온도를 서로 다른 온도로 유지할 수 있으며, 서로 다른 승화 온도를 갖는 단결정 원료와 불순물을 동시에 승화시키는 것이 가능하다. 따라서 종래의 성장 공정시 단결정의 성장 온도보다 상대적으로 낮은 승화 온도를 갖는 불순물이 성장 초기에는 과도하게 승화가 일어 나다가 성장이 진행될수록 불순물의 함량이 급격히 감소함으로써, 성장된 단결정의 불순물의 치환이 균일하지 못한 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 본 발명은 별도의 불순물 도가니를 독립적으로 적절한 온도로 유지함으로써, 일정한 함량의 불순물을 지속적으로 공급하여 성장되는 단결정 전체에 불순물이 균일하게 첨가된 단결정을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명은 단결정 원료와 불순물을 동시에 승화시킬 수 있으므로, 종래 불순물이 먼저 승화되어 종자정 상에 다결정이 형성되었던 현상을 방지할 수 있다. Since the single crystal growth method can independently control the heating of the single crystal raw material crucible and the impurity crucible, it is possible to maintain the temperature of the single crystal raw material and the impurity at different temperatures, and to simultaneously sublimate the single crystal raw material and the impurity having different sublimation temperatures. It is possible to let. Therefore, in the conventional growth process, impurities having a sublimation temperature relatively lower than the growth temperature of the single crystal are excessively sublimed at the beginning of the growth, and as the growth proceeds, the content of impurities rapidly decreases, thereby replacing the impurities of the grown single crystal. It can solve the problem of unevenness. That is, according to the present invention, by separately maintaining the impurity crucible at an appropriate temperature, it is possible to manufacture a single crystal in which impurities are uniformly added to the entire single crystal grown by continuously supplying a certain amount of impurities. In addition, the present invention can sublimate the single crystal raw material and the impurities at the same time, it is possible to prevent the phenomenon that the conventional impurities are first sublimed to form a polycrystal on the seed crystal.
반응되지 않은 불순물 가스와 캐리어 가스는 다공질 흑연으로 제조된 단결정 원료 도가니의 뚜껑(20)을 통해 외부로 배출된다. The unreacted impurity gas and the carrier gas are discharged to the outside through the
종자정(30) 상에 원하는 두께의 단결정이 성장한 후에는, 장치 내부를 다시 대기압으로 유지하여 단결정 성장 공정을 마무리한다. 또한 온도를 서서히 냉각시킨 후, 도가니(10, 40)를 장치에서 꺼낸다. After the single crystal of the desired thickness grows on the
이와 같이 본 발명에 따른 단결정 성장 방법은 단결정 원료와 불순물의 가열 및 공급을 독립적으로 제어함으로써, 단결정 원료와 불순물을 동시에 승화시키고 종자정 상에 단결정 원료 가스와 불순물 가스가 일정하게 공급되도록 한다. 그리하여 단결정 원료보다 불순물이 먼저 승화됨으로써 종자정 상에 다결정이 형성되는 종래의 문제점을 해결할 수 있으며, 불순물이 균일하게 첨가된 단결정을 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 고체 물질인 p형 불순물의 경우에도 용이하게 단결정을 성장시킬 수 있는 장점이 있다. As described above, the single crystal growth method according to the present invention independently controls the heating and supply of the single crystal raw material and the impurity so that the single crystal raw material and the impurity are simultaneously sublimed and the single crystal raw material gas and the impurity gas are constantly supplied on the seed crystal. Thus, the conventional problem that polycrystals are formed on seed crystals can be solved by the impurity sublimation prior to the single crystal raw material, and a single crystal in which impurities are added uniformly can be produced. In addition, according to the present invention, even in the case of a p-type impurity that is a solid material, there is an advantage that can easily grow a single crystal.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명 의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail using the preferable Example, the scope of the present invention is not limited to a specific Example and should be interpreted by the attached Claim. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
본 발명에 의한 단결정 성장 장치 및 단결정 성장 방법은 단결정의 성장 공정시 단결정 원료와 불순물의 가열 및 공급을 독립적으로 제어함으로써, 다결정의 형성을 방지하고 불순물 함량이 균일한 탄화규소 단결정을 성장시킬 수 있으며, 품질을 향상시킬수 있는 이점이 있다. The single crystal growth apparatus and the single crystal growth method according to the present invention can independently control the heating and supply of the single crystal raw material and the impurities during the single crystal growth process, thereby preventing the formation of polycrystals and growing silicon carbide single crystals having a uniform impurity content. This has the advantage of improving quality.
또한, 탄화규소 단결정의 제조가 용이하며, 특히 고체 물질인 p형 불순물을 사용하는 경우에도 용이하게 제조할 수 있어, 작업 능률 및 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다. In addition, the silicon carbide single crystal is easy to manufacture, and in particular, even when using a p-type impurity that is a solid material can be easily produced, there is an effect that can increase the work efficiency and efficiency.
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