KR20070088988A - 탄화규소 단결정 성장장치 - Google Patents

Abstract

고품질의 탄화규소 단결정을 성장하는 새로운 장비에 관한 것으로, 그 목적은 공정시간을 단축시키고 공정 비용이 절감된 고품질의 탄화규소 웨이퍼 제조 방법을 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 도가니에 탄화규소 원료를 공급하는 부분과 탄화규소 씨드(seed)를 도가니 하부에 배치시키는 단계 및 탄화규소 원료를 가열하여 씨드에 탄화규소 단결정을 성장시키는 부분을 포함하여 고품질의 탄화규소 단결정을 성장하는 새로운 장비를 제안한다.

탄화규소, 단결정, 씨드, 흑연 도가니

Description

고품질 탄화규소 단결정 성장 장치 {Growing device for high quality SiC single crystal growth}

도 1은 기존의 탄화규소 단결정 성장 장치를 도시한 측면도 이며,

도 2a는 본 발명에서 사용하는 새로운 결정 성장 장비를 도시한 측면도 이며,

도 2b는 본 발명에서 사용하는 새로운 결정 성장 장비의 길이방향에 대한 온도 구배를 나타낸 도식이며,

도 3a와 3b는 도 2의 도가니 하부에 위치한 흑연 튜브를 나타낸 도면 으로 씨드로부터 기울어진 각도가 서로 다른 튜브이다.

<도면에서 기호 표현>

11: 고밀도 Graphite 도가니 (가열부) 12: 단열재

13: 탄화규소 원료 14: 탄화규소 단결정 씨드

15: 고품질 탄화규소 단결정 16: 흑연 튜브

17: 탄화규소 단결정 성장 공간 18: 고밀도 Graphite 통로

본 발명은 가열된 탄화규소 원료 부에서 증발된 원료가스를 도가니 상부에 장착된 일정한 길이의 고밀도 graphite 통로를 통과시켜 원하지 않는 carbon particle이 없는 탄화규소 원료가스로 만든 후 도가니 하부에 놓여 있는 탄화규소 씨드로 이동하여 고품질의 탄화규소 단결정이 만들어지는 성장 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.

이러한 소자에 사용되기 위해서는 탄화규소 단결정의 균일하고도 고품질이 중요한 사항이다. 그런데 기존에 사용되는 일반적인 방법에서는 탄화규소 씨드를 도가니 상부에 장착하여 생기는 접착의 문제를 해결하지 못하여 발생하는 다량의 polytype 탄화규소 결정 생성과 여러 결함 발생을 억제하지 못하여 고품질의 단결정 성장이 어려우며, 도가니 하부에 탄화규소 씨드를 장착하는 방법에서는 원료가스의 통로로 사용되는 porous한 graphite foam을 장착하여 공정도중 발생하는 원하지 않는 탄소 입자의 유입을 억제할 수 없었다.

이러한 문제를 동시에 해결하기 위한 새로운 장치에 대한 개발을 제안 하고자 한다.

본 발명에서는 탄화규소 원료를 도가니 상부에 배치하고, 탄화규소 씨드를 하부에 장착하는 방법으로써 가열된 탄화규소에서 승화되어 나오는 원료가스를 중력 방향으로 도가니 하부로 이동하여 탄화규소 단결정을 성장하는 장치이다.

이것은, 기존 방법에서 사용하는 탄화규소 씨드를 상부에 장착하여 발생하는 접착의 문제를 해결하여 다량의 polytype 탄화규소 결정 생성을 억제하여 고품질의 단결정 성장이 가능하고, 도가니 상부에 원료를 놓은 부분과 결정이 성장되는 공간에 좁고 긴 고밀도의 graphite 통로를 만들어 놓아 기존의 porous한 graphite foam을 사용하여 공정도중 발생하는 원하지 않는 탄소 입자의 유입을 억제할 수 있다.

그리고, 도가니 하부에 장착된 탄화규소 씨드 주변에 원통형 graphite tube를 만들어, 원하는 직경의 탄화규소 단결정을 성장할 수 있도록 하였다.

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 탄화규소 원료를 공급하는 부분과 탄화규소 씨드(seed)를 도가니 하부에 배치시키는 단계 및 탄화규소 원료를 가열하여 씨드에 탄화규소 단결정을 성장시키는 부분으로 구성되어지는 고품질의 탄화규소 단결정을 성장하는 새로운 장비이다.

이때 사용되는 도가니는 graphite 또는 탄소이며 모두 고밀도로 만들어 내열성이 강해야 한다.

도가니 상부에 탄화규소 결정이 성장되지 않도록 온도구배가 하부에서 상부로 올라갈수록 온도 역시 증가해야 한다.

도가니 하부의 graphite tube는 원하는 직경의 탄화규소 단결정을 성장할 때마다 재사용이 가능하도록 만들어 진다.

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

도가니의 주변을 둘러싸도록 단열재가 설치될 수 있다.

도가니의 상부와 하부의 온도를 측정할 수 있도록 상하부에 온도를 측정할 수 있는 장치가 설치될 수 있다

탄화규소 원료를 증발시키는 도가니 상부의 온도는 2100 ~ 2500℃으로 하며, seed 부분의 하부 온도는 1900 ~ 2300℃로 조절하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 장비를 만들어 하부에 탄화규소 씨드를 장착하 여 성장하면, 도가니 상부의 탄화규소 원료로 부터 승화된 원료가스가 도가니 하부로 이동하여 고품질의 탄화규소 단결정이 성장된다.

이러한 본 발명의 장비를 사용하면 기존의 상부에 씨드를 장착하는 방법보다 발생하는 탄화규소 결정 다형 성장을 억제하는 효과가 있다.

그리고, 기존의 장비에서 원료가스가 통과하는 porous graphite foam 대신에 고밀도의 graphite 통로를 사용하여 성장 중에 원하지 않는 탄소 입자의 유입을 억제하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 도가니에 탄화규소 원료를 가열하여 원료를 승화시키는 단계;

   승화된 원료가스가 graphite 통로를 통과하는 단계;

   graphite tube를 사용하여 원하는 결정의 직경을 정하는 단계;

   도가니 하부에 장착된 탄화규소 씨드에 고품질의 단결정을 성장시키는 단계;를 포함하는 새로운 탄화규소 단결정 성장 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   탄화규소 원료가스가 통과하는 graphite 통로는 고밀도의 graphite를 사용.
3. 제 1 항에 있어서,

   도가니 하부의 graphite tube는 언제나 재사용과 교체가 가능하도록 구성.
4. 제 1 항에 있어서,

   탄화규소 원료 가열부의 온도는 2100 - 2500℃ 사이로 구성.
5. 제 1 항에 있어서,

   도가니 하부에 장착된 씨드에 탄화규소 단결정을 성장시키는 부분의 온도는 1900 - 2300℃ 사이에서 구성.
6. 제 2 항에 있어서,

   도가니 상부에 위치한 고밀도 graphite 통로의 입구 크기는 1-10mm 사이로 구성.
7. 제 1 항에 있어서,

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

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