KR20100100944A

KR20100100944A - 승화 및 응결 공정을 통한 대형의 균일한 실리콘 탄화물 주괴의 제조방법

Info

Publication number: KR20100100944A
Application number: KR1020107014917A
Authority: KR
Inventors: 마크 로보다; 승호 박; 빅터 토레스
Original assignee: 다우 코닝 코포레이션
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2010-09-15
Also published as: EP2245217A1; JP5524855B2; JP2011506253A; AU2008335680A1; RU2495163C2; TW200932964A; TWI441963B; CN101896646A; RU2010123917A; KR101566020B1; WO2009075935A1; AU2008335680B2; US8765091B2; US20120114545A1

Abstract

본 발명은 이하의 단계들을 포함하는, 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법에 관한 것이다: i) 폴리실리콘 금속 칩과 탄소 분말을 포함하는 혼합물을 마개가 달린 원통형 반응 셀에 도입하는 단계; ii) 상기 i) 단계의 원통형 반응 셀을 밀봉하는 단계; iii) 상기 ii) 단계의 원통형 반응 셀을 진공로(vacuum furnace)에 도입하는 단계; iv) 상기 iii) 단계의 진공로를 배기시키는 단계; v) 상기 iv) 단계의 진공로에 대기압 부근까지 실질적으로 불활성인 가스인 가스 혼합물을 충전시키는 단계; vi) 상기 v) 단계의 진공로 내의 상기 원통형 반응 셀을 1600℃ 내지 2500℃의 온도까지 가열시키는 단계; vii) 상기 vi) 단계의 원통형 반응 셀 내의 압력을 50torr 이하 0.05torr 이상까지 감압시키는 단계; 및 viii) 상기 vii) 단계의 원통형 반응 셀의 마개의 안쪽 상에 증기의 실질적인 승화 및 응결을 허용하는 단계.

Description

승화 및 응결 공정을 통한 대형의 균일한 실리콘 탄화물 주괴의 제조방법 {MATHOD TO MANUFACTURE LARGE UNIFORM INGOTS OF SILICON CARBIDE BY SUBLIMATION/CONDENSATION PROCESSES}

관련 출원에 관한 교차 참조

본 출원은 35 U.S.C. §199(e) 하에 미국 가특허출원 제61/013083호(출원일: 2007년 12월 12일)의 이득을 주장한다. 미국 가특허출원 제61/013083호는 본원에 참조로써 포함된다.

기술분야

본 발명은 대형의 실리콘 탄화물(SiC: Silicon Carbide) 주괴의 제조방법에 관한 것이다. 이 방법은 다결정 SiC 혹은 모든 폴리타입(polytype)의 결정성 SiC의 제조에 적합화될 수 있다.

결정성 실리콘 탄화물은 반도체 재료로써, 실리콘 혹은 갈륨 비화물과 같은 전통적인 반도체 결정성 재료와 비교할 때 보다 높은 전력과 보다 높은 온도에서 작동할 수 있는 실리콘 탄화물 디바이스의 제조에 유용하다.

대량의 결정성 SiC는, 성장 공정이 매우 높은 온도(1900-2500℃)를 필요로 하므로 성장시키기 어려운 재료이다. 대량의 결정성 SiC의 성장을 위한 가장 통상적인 방법은 승화이다.

상업적 응용에 있어서의 대량의 결정성 SiC의 성장을 위한 기준적 방법은 승화 방법을 기재한 Davis 등의 미국 특허 제RE34,861호의 방법이다. 이 방법은 이전에 Lely(미국 특허 제2,854,364호), Tairov(J. Crystal Growth, 52 (1981) pp.46 참조) 및 기타 많은 사람에 의해 보고된 방법에 대한 개량으로서 출현되었다.

대량의 결정성 SiC 성장을 위한 승화 반응은 통상 노(furnace) 내부에 배치되어 있는 밀폐된 원통형 반응 셀 내에서 행해진다. 상기 반응을 위한 열원은 저항성 가열이나 RF 유도 가열일 수 있다. 상기 반응 셀은 전형적으로 흑연으로 만들어진다. 종자 결정이 셀 내부, 통상 상부에 놓이고, 결정 성장을 위한 원료가 상기 종자의 반대편에 놓인다. 상기 반응 셀을 가열함에 따라서, 상기 원료가 기화되어 상기 종자 결정 상에 응결된다.

상기에 기술된 공정은 상상하기에는 비교적 간단하지만, 실제로 실현하기는 어렵다. 반응 제어 및 증기 이동이 다수의 변수에 의해 좌우되며, 이중 어떠한 변수도 공정 중 직접 사용자 제어하에 있지 않다. 공정이 밀폐된 불투명한 셀 내부에서 수행되므로, 실험의 현황이 관찰될 수 없다. 상기 원료로부터 상기 종자로의 증기 이동, 그리고, 그의 응축 및 결정화는 셀 내부의 온도 분포에 의해 상당히 영향을 받는다. 원료가 기화하여 원료 영역에서 종자 영역으로 이동함에 따라 온도 분포가 변화한다. 성공적인 결정 성장이 이루어지기 위해서는 이들 모든 변수가 사전에 조정될 필요가 있다.

전형적으로 분말형태의 실리콘 탄화물이 원료로서 사용된다. 분말 입자 크기의 선택과 이의 분포는 성장 과정에 영향을 끼친다. Davis 등은 분말이 "단일 폴리타입을 비롯한 일정 비율의 폴리타입으로 이루어진" 일정한 폴리타입 조성물로 이루어져야 한다고 교시하고 있다. 그리함으로써, 이것은 증기 조성물의 반복성을 최대화할 수 있다. Wang 등(J. Crystal Growth (2007) doi:10.1016/j.jcrysgro.2007.03.022) 및 그 속의 인용문헌에 따르면, SiC 분말 입자 크기의 기하학적 형태는 충전에 영향을 미치고, 상이한 SiC 입자 크기는 결정 성장률을 증가시키는 데 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다.

SiC 분말의 순도는 SiC 결정의 순도에 영향을 미칠 것이고, 그 결과, 그의 저항값과 전기 전도율에 영향을 끼친다. 저가의 고순도 실리콘 탄화물은 입수하기 쉽지 않다. 원료로부터 바람직하지 않은 불순물이 SiC 결정에 혼입되는 것을 제한하기 위해서는, 승화 SiC 결정 성장 과정 동안 반응 환경(온도, 압력 등)을 특별히 제어하는 것이 필요하다. 반도체 소자 응용에 쓰이는 SiC 결정 성장에 있어 우려되는 불순물의 예로는 붕소, 인, 질소, 알루미늄, 티타늄, 바나듐 및 철을 들 수 있다.

Ota 등(Materials Science Forum Vols. 457-460(2004) p.115)은 순수 실리콘과 탄소 분말의 혼합물을 이용한 고저항 SiC 결정의 성장이 분말 혼합물 내의 실리콘과 탄소의 상대적인 양을 변화시킴으로써 달성될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이들은 실리콘과 탄소 분말의 혼합물에 기초한 원료를 이용한 결과를 보고하고, 또 이들은 소결된 혼합물이 SiC 분말 원료에 비해서 더욱 양호한 결과를 나타낸다고 기술하고 있다. 실리콘과 탄소 분말 원료는 저감된 붕소 및 알루미늄의 혼입을 보여준다. 본 연구는 이들 방법의 반복성에 대한 식견을 제공하지 않는다.

SiC 결정 성장용 원료의 다른 변형예도 보고되어 있었다. Balakrishna 등(미국 특허 제5,985,024호)은 고순도 실리콘 금속을 고순도 탄화수소 가스의 존재 하에 기화시켜 실리콘 탄화물 성장용의 종들(species)을 전달하는 신규한 SiC 동일 용기내 공급원 방법(SiC in - situ source method)에 의해 SiC 결정 성장 시의 불순물 혼입을 줄이는 방법을 개발하였다. Maruyama 등(미국 특허 제7,048,798 B2호)은 유기실리콘 재료와 탄소 함유 수지의 반응에 의해 SiC 공급원 분말 재료를 형성하는 방법을 기술하고 있다.

SiC 분말의 크기와 충전의 제어 없이는, SiC 결정 성장의 반복성의 결여가 일어날 것이다. 고순도의 SiC 결정을 수득하기 위해서는 원료의 순도 제어가 중요하다. 불순물이 적고 SiC 결정의 성장에 유용한 통상의 SiC 분말에 대한 대체품을 작성하기 위해서는 더 많은 노력이 필요하다. 반도체 디바이스 응용에 사용하기에 적합한 SiC 결정을 성장시키는 반복 가능한 공정은 정교한 균형과 이 모든 변수의 통제를 필요로 한다.

본 발명의 제1실시형태는, 이하의 단계들을 포함하는, 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴(monolithic ingot)의 제조방법에 관한 것이다: i) 폴리실리콘 금속 칩과 탄소 분말을 포함하는 혼합물을 마개가 달린 원통형 반응 셀에 도입하는 단계; ii) 상기 i) 단계의 원통형 반응 셀을 밀봉하는 단계; iii) 상기 ii) 단계의 원통형 반응 셀을 진공로(vacuum furnace)에 도입하는 단계; ⅳ) 상기 iii) 단계의 진공로를 배기시키는 단계; ⅴ) 상기 ⅳ) 단계의 진공로에 대기압 부근까지 실질적으로 불활성인 가스인 가스 혼합물을 충전시키는 단계; vi) 상기 ⅴ) 단계의 진공로 내의 상기 원통형 반응 셀을 1600℃ 내지 2500℃의 온도까지 가열시키는 단계; vii) 상기 vi) 단계의 원통형 반응 셀 내의 압력을 50torr 이하 0.05torr 이상까지 감압시키는 단계; 및 viii) 상기 vii) 단계의 원통형 반응 셀의 마개의 안쪽 상에 증기의 실질적인 승화 및 응결을 허용하는 단계.

본 발명의 제2실시형태는 전술한 방법이 이하의 단계들을 추가로 포함할 수 있는 것에 관한 것이다; ix) 상기 viii) 단계의 생성물을, 마개의 내부면에 실리콘 탄화물 종자 결정이 위치되어 있는 제2의 원통형 반응 셀에 도입하는 단계; x) 상기 ix) 단계의 원통형 반응 셀을 밀봉하는 단계; xi) 상기 x) 단계의 원통형 반응 셀을 진공로 내에 도입하는 단계; xii) 상기 xi) 단계의 진공로를 배기시키는 단계; xiii) 상기 xii) 단계의 진공로에 대기압 부근까지 실질적으로 불활성인 가스인 가스 혼합물을 충전시키는 단계; xiv) 상기 xiii) 단계의 진공로 내의 상기 원통형 반응 셀을 1600℃ 내지 2500℃의 온도까지 가열시키는 단계; xv) 상기 xiv) 단계의 원통형 반응 셀 내의 압력을 50torr 이하 0.05torr 이상까지 감압시키는 단계; 및 xvi) 상기 xv) 단계의 원통형 반응 셀의 마개 안쪽 상에 증기의 실질적인 승화 및 응결을 허용하는 단계.

본 발명의 방법에서 폴리실리콘 금속 칩(이하, 간단히 "폴리실리콘 칩"이라고도 약칭함)은 전형적으로, Siemens 방법(W. O'Mara, R. Herring, L. Hunt; Handbook of Semiconductor Silicon Technology," Noyes Publications, Norwich, NY, 1990 ISBN 0-8155-1237-6의 챕터 1-2) 등과 같은 CVD 기반 성장 방법으로부터 얻어진다. 폴리실리콘 칩은 크기에 따라 분류되고 탄소 분말은 폴리실리콘의 크기 범위에 비해 상당히 작으면서 상이한 값까지 크기에 따라 분류된다. 폴리실리콘 금속 칩은 특수하게 제어된 크기 분포에 따라 선택된다. 폴리실리콘 칩은 하나의 주괴로서 반입되거나 또는 수개의 조각으로 분리될 수 있다. 대량의 고순도 폴리실리콘(> 99.99% 원자)은 전형적으로 수동의 기계적 공정에 의해 칩으로 토막난다. 폴리실리콘 금속 칩은 불규칙한 형상을 지닌다. 폴리실리콘 금속 칩은 최대 치수가 0.5㎜ 내지 10㎜, 또는 0.5㎜ 내지 3.5㎜, 혹은 1㎜ 내지 3.5㎜의 크기로 분류된다.

전형적으로, 탄소 분말은 폴리실리콘 금속 칩에 비해서 훨씬 작은 치수를 가진다. 탄소 분말은 전형적으로 5㎛ 내지 125㎛의 크기로 분류된다. 폴리실리콘 칩과 탄소 분말은 원통형 반응 셀 내에 반입된다. 폴리실리콘 칩/탄소 혼합물의 총 질량은 0.3㎏ 내지 2.0㎏이다. 폴리실리콘 금속 칩과 탄소 분말의 양은, 폴리실리콘 대 탄소의 몰비가 몰비 기준으로 0.9 내지 1.2가 되도록 한다. 원통형 반응 셀은, 총 반응 셀 부피의 30% 내지 60%, 혹은 총 반응 셀 부피의 35% 내지 50%를 차지하는 데 충분한 폴리실리콘 금속 칩과 탄소 분물의 혼합물로 충전된다.

원통형 반응 셀은 전형적으로 전도성인 흑연으로 구성되어 있다. 전도성 흑연으로 이루어진 원통형 반응 셀은 나사산이 형성된 마개를 지닌다. 해당 반응 셀의 높이와 직경은, 하단부에서 폴리실리콘 금속 칩과 탄소 분말을 포함하는 혼합물을 유지하는 체적을 허용하고 상부에 개방 공간을 제공하도록 설계되어 있다.

원통형 반응 셀은 입수가능한 공지된 어떠한 수법이라도 이용해서 밀봉될 수 있지만, 전형적으로, 원통형 반응 셀은 기계적인 방법에 의해 밀봉된다. 원통형 반응 셀은 정합하는 나사산이 형성된 마개를 해당 셀 상에 조임으로써 밀봉된다.

진공로는 상기 반응 셀을 유지하기에 충분히 큰 체적을 지닌 견고한 진공 챔버로 예시된다. 해당 진공로의 열 원료는 외부(RF 유도 시스템에서처럼), 혹은 내부(저항성 가열 시스템)로부터 편입될 수 있다.

상기 진공로는 0.05torr 이하의 압력을 달성할 수 있는 능력을 지닌 기계적인 유성 혹은 건식 펌핑 시스템에 의해 배기되고, 또한 저진공 상태(<1E-3 torr)를 얻기 위한 터보분자 펌프를 지닐 수도 있다.

대기압 부근까지 실질적으로 불활성인 가스인 가스 혼합물의 예로는 아르곤 가스나 헬륨 가스를 들 수 있다. 해당 가스 혼합물은 잔여 질소 가스나 산소를 추가로 포함할 수 있지만, 그 양은 전형적으로 총 가스 혼합물의 0.5% 미만이다.

원통형 반응 셀(즉, 원통형 반응 용기)의 가열은 전형적으로 RF 유도 가열에 의해 이루어진다.

원통형 반응 셀은 1600℃ 내지 2500℃ 혹은 1975℃ 내지 2200℃의 온도까지 가열된다. 압력은 대기압 부근(300-600 torr)으로 설정되며, 상기 셀은 점차로 대략 1600 내지 2500℃까지 가열된다. 고온 조건 하에서 폴리실리콘 금속 칩은 녹아서 탄소 분말과 반응할 것이다. 이들 조건은 약 10시간 내지 100시간 동안 유지되고 나서, 반응 셀이 냉각된다.

원통형 반응 셀 내부의 압력은 진공 펌프의 스로틀 밸브(throttle valve)를 개방하여 보다 고속의 펌핑 속도를 제공함으로써 감압된다. 이는 자동 압력 제어 시스템에 의해 수행된다. 압력은 50torr 미만 0.05torr 이상까지 감압되며, 30 내지 100시간 동안 유지된 후에 냉각된다.

원통형 반응 셀의 마개의 안쪽에 증기의 실질적인 승화 및 응결을 위한 시간은 전형적으로 24 내지 100시간이다.

상기 i)단계의 반응 셀은 그의 마개의 내부면에 위치된 실리콘 탄화물 종자 결정을 지닐 수도 있다. 상기 실리콘 탄화물 종자 결정의 예로는 연마된 실리콘 탄화물 원반이나 단일 결정 실리콘 탄화물의 웨이퍼를 들 수 있다. 상기 종자 결정의 폴리타입은 의도한 생성물 결정과 동일하다.

상기 셀이 개방되면, 대량의 다결정 실리콘 탄화물의 대형 원통형 주괴가 마개상에 형성되어 있다.

본 발명의 제2실시형태에 있어서, 상기에 기술된 방법은 이하의 단계들을 추가로 포함할 수 있다: ix) 상기 viii) 단계의 생성물을, 마개의 내부면에 실리콘 탄화물 종자 결정이 위치되어 있는 제2의 원통형 반응 셀에 도입하는 단계; x) 상기 ix) 단계의 원통형 반응 셀을 밀봉하는 단계; xi) 상기 x) 단계의 원통형 반응 셀을 진공로 내에 도입하는 단계; xii) 상기 xi) 단계의 진공로를 배기시키는 단계; xiii) 상기 xii) 단계의 진공로에 대기압 부근까지 실질적으로 불활성인 가스인 가스 혼합물을 충전시키는 단계; xiv) 상기 xiii) 단계의 진공로 내의 상기 원통형 반응 셀을 1600℃ 내지 2500℃의 온도까지 가열시키는 단계; xv) 상기 xiv) 단계의 원통형 반응 셀 내의 압력을 50torr 이하 0.05torr 이상까지 감압시키는 단계; 및 xvi) 상기 xv) 단계의 원통형 반응 셀의 마개 안쪽 상에 증기의 실질적인 승화 및 응결을 허용하는 단계.

상기 제2의 원통형 반응 셀, 실리콘 탄화물 종자 결정, 원통형 반응 셀의 밀봉 방법, 진공로, 진공로의 배기, 대기압 부근까지 비활성인 가스인 가스 혼합물, 원통형 반응 셀의 가열, 원통형 반응 셀을 가열하는 온도, 원통형 반응 셀 내의 감압 방법, 그리고 원통형 반응 셀의 마개 안쪽에 증기의 실질적인 승화 및 응결 시간은 모두 그의 바람직한 실시형태를 포함하는 본 발명의 제1실시형태에 대해서 위에서 설명된 것과 마찬가지이다.

본 발명의 방법을 이용함으로써, 실리콘 및 실리콘 탄화물 분말, 증기 조성물의 제어와 관련된 문제들이 방지되며, 반복가능한 실리콘 탄화물 결정 성장이 실현된다.

이들 모든 실시형태로부터 얻어지는 생성물은 SiC의 주괴이다. 만약 증기 이동 중에 종자 결정이 존재하지 않는다면, 얻어지는 주괴는 다결정일 것이다. 만약 종자 결정이 있다면, 얻어지는 주괴의 폴리타입은 해당 종자의 폴리타입에 의해 결정된다. 가장 통상적인 폴리타입은 3C, 4H 및 6H를 포함한다. SiC 원료의 원래의 질량이 목표하는 SiC 결정의 질량보다 크고, 원료 위의 흑연 셀(흑연 용기)의 높이가 결정의 예상 높이를 초과하는 한, 상기의 방법을 이용하여, 두께 1 내지 50㎜ 이상, 지름 50 내지 150㎜의 결정을 성장시키는 것이 가능하다.

이들 방법에 의해 제조된 SiC의 주괴는 기계가공되어 웨이퍼로 절단될 수 있다. 웨이퍼는 반도체 디바이스의 제조에 유용하다.

아르곤 이외에, 질소 혹은 인 등과 같은 도펀트를 함유하는 가스가 진공로 속으로 공급되면, SiC 물질의 성장은 n형으로 수행될 것이다. 아르곤 이외에, 붕소 혹은 알루미늄 등와 같은 도펀트를 함유하는 가스가 진공로 속으로 공급되면, SiC 물질의 성장은 p형으로 수행될 것이다. 도펀트는 진공로 압력이 대기압에서 목표 압력으로 감압되는 시기에 추가된다.

실시예

이하의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시형태를 입증하기 위하여 포함되어 있다. 당업자라면, 이하의 실시예에 개시된 기술들이 본 발명을 실행함에 있어서 충분히 기능하도록 본 발명자에 의해 발견된 기술들을 대표하며, 따라서, 그의 실시를 위한 바람직한 형태를 구성하는 것으로 간주될 수 있다는 것을 이해할 필요가 있다. 그러나, 당업자는, 본 발명의 개시내용에 비추어, 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어남이 없이, 많은 변화가 개시된 구체적인 실시형태에 있어서 행해질 수 있고, 여전히 비슷하거나 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 이해할 필요가 있다. 모든 백분율은 중량%이다.

실시예 1

높이 대략 20㎝, 내부 지름 대략 10㎝의 초고순도(UHP: ultra high purity) 원통형 흑연 반응 셀에 UHP 폴리실리콘 칩과 탄소 분말을 충전시켰다. 이 폴리실리콘 조각들은 최대 치수가 0.5㎜ 내지 3.5㎜의 크기 범위에 부합되었다. 탄소 분말의 입자 크기는 5㎛ 내지 125㎛였다. 폴리실리콘/탄소 혼합물의 총 중량은 대략 0.75㎏이었고, 이 중량의 70%는 폴리실리콘이었다. 상기 분말 혼합물은 셀 부피의 대략 45%만큼 충전된다. 상기 반응 셀을 흑연 마개로 밀봉하였다. 해당 셀을 흑연 단열재로 감싸고, 광학 고온계(optical pyrometer)를 이용해서 셀의 온도를 관찰할 수 있도록 하기 위하여 상기 단열재를 통해 포트를 설치하였다. 이어서, 상기 반응 셀을 진공로 내에 반입하였다. 해당 진공로의 챔버는 30mtorr 이하의 압력까지 배기시키고 나서, 350torr 이상의 압력이 될 때까지 아르곤을 충전시켰다. 상기 반응 셀의 온도를 2200℃까지 승온시켰다. 이 시점에서 압력을 5torr까지 감압시켰고, 해당 압력을 20시간 동안 일정하게 유지시켰다. 그 후 상기 셀을 실온까지 냉각시켰다. 상기 셀의 상부 공간에 다결정 SiC의 원통형 주괴가 형성되었다. 해당 다결정 SiC 주괴의 질량은 대략 600g이었다.

다결정 SiC 주괴를 높이 대략 20㎝, 내부 지름 대략 10㎝의 초고순도(UHP) 원통형 흑연 반응 셀의 하부 속으로 반입하였다. 4H SiC 결정을 흑연 마개의 안쪽에 탑재시키고 해당 마개를 이용해서 상기 반응 셀을 밀봉하였다. 상기 셀을 흑연 단열재로 감싼 후, 광학 고온계를 이용해서 해당 셀의 온도를 관찰할 수 있도록 하기 위하여 상기 단열재를 통해 포트를 설치하였다. 이어서, 상기 반응 셀을 진공로 속으로 반입하였다. 상기 진공로의 챔버를 배기시킨 후, 600torr의 압력까지 아르곤 가스를 충전시켰다. 3시간의 기간에 걸쳐서, 상기 반응 셀의 온도를 2180℃까지 승온시켰다. 이 시점에서 진공로 내의 압력은 2torr까지 감압시켰고, 아르곤과 질소 가스의 혼합물을 챔버 내부로 투입되었다. 이들 조건을 대략 80 시간 동안 유지시켰다. 4H SiC의 결정이 상기 반응 셀의 마개 안쪽에 형성되었다. 4H SiC의 공칭 저항은 약 0.025Ω-㎝인 것으로 측정되었고, 질소 농도는 7×10⁸ atoms/㎤였다. 얻어진 결정의 상반부로부터 웨이퍼를 잘라낸 후, 이차 이온 질량 분석기(SIMS: secondary ion mass spectroscopy)를 이용하여 불순물을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1에 기재되어 있다.

AI6018/BE6021의 시험 결과
원소	농도(atms/㎤)
P	1×10¹⁴ 미만*
B	1.6×10¹⁵
Al	5.9×10¹³
Ti	6×10¹² 미만*
V	2×10¹² 미만*
Fe	2×10¹⁴ 미만*
* 이것은 SIMS 분석의 검출 한계값이다.

실시예 2

높이 대략 20㎝, 내부 지름 대략 10㎝의 UHP 원통형 흑연 반응 셀에 UHP 폴리실리콘 칩과 탄소 분말의 혼합물을 충전시켰다. 이 폴리실리콘 조각들은 최대 치수가 0.5㎜ 내지 3.5㎜의 크기 범위에 부합되었다. 탄소 분말 입자 크기의 범위는 5㎛ 내지 125㎛였다. 폴리실리콘/탄소 혼합물의 총 중량은 약 0.75㎏이었고, 이 중량의 70%는 폴리실리콘이었다. 분말 혼합물로 셀 부피의 대략 45%까지 충전시켰다. 상기 반응 셀을 흑연 마개로 밀봉하였다. 해당 셀을 흑연 단열재로 감싼 후, 광학 고온계를 이용해서 해당 셀의 온도를 관찰할 수 있도록 하기 위하여 상기 단열재를 통해 포트를 설치하였다. 이어서, 해당 반응 셀을 진공로에 반입시켰다. 진공로 챔버를 30mtorr 이하의 압력까지 배기시키고 나서 350 torr 이상의 압력까지 아르곤 가스를 충전시켰다. 상기 반응 셀의 온도를 2000℃까지 승온시켰다. 이 시점에서 압력을 5torr까지 감압시켰고, 해당 압력을 20시간 동안 일정하게 유지시켰다. 그 후 상기 셀을 실온까지 냉각시켰다. 상기 셀의 상부 공간에 다결정 SiC의 원통형 주괴가 형성되었다. 해당 다결정 SiC 주괴의 질량은 대략 500g이었다.

다결정 SiC 주괴를 높이 대략 20㎝, 내부 지름 대략 10㎝의 초고순도(UHP) 원통형 흑연 반응 셀의 하부 속으로 반입하였다. 4H SiC 결정을 흑연 마개의 안쪽에 탑재시키고 해당 마개를 이용해서 상기 반응 셀을 밀봉하였다. 상기 셀을 흑연 단열재로 감싼 후, 광학 고온계를 이용해서 해당 셀의 온도를 관찰할 수 있도록 하기 위하여 상기 단열재를 통해 포트를 설치하였다. 이어서, 상기 반응 셀을 진공로 속으로 반입하였다. 진공로 챔버를 배기시킨 후, 600torr의 압력까지 아르곤을 충전시켰다. 3시간의 기간에 걸쳐서, 상기 반응 셀의 온도를 2180℃까지 승온시켰다. 이 시점에서 진공로 내의 압력은 2torr까지 감압시켰다. 이들 조건을 대략 80 시간 동안 유지시켰다. 4H SiC의 결정이 상기 반응 셀의 마개 안쪽에 형성되었다. 4H SiC의 공칭 저항은 약 1×10⁴Ω-㎝ 이상인 것으로 측정되었고, 질소 농도는 5×10¹⁶ atoms/㎤였다. 얻어진 결정의 상반부로부터 웨이퍼를 잘라낸 후 이차 이온 질량 분석기(SIMS)를 이용하여 불순물을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

AI6008/BE6008의 실험 결과
원소	농도(atms/㎤)
P	1×10¹⁴ 미만*
B	2.3×10¹⁵
Al	7.7×10¹³
Ti	6×10¹² 미만*
V	2×10¹² 미만*
Fe	2×10¹⁴ 미만*
* 이것은 SIMS 분석의 검출 한계값이다.

Claims

이하의 단계들을 포함하는, 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴(monolithic ingot)의 제조방법:
i) 폴리실리콘 금속 칩과 탄소 분말을 포함하는 혼합물을 마개가 달린 원통형 반응 셀에 도입하는 단계;
ii) 상기 i) 단계의 원통형 반응 셀을 밀봉하는 단계;
iii) 상기 ii) 단계의 원통형 반응 셀을 진공로(vacuum furnace)에 도입하는 단계;
iv) 상기 iii) 단계의 진공로를 배기시키는 단계;
v) 상기 iv) 단계의 진공로에 대기압 부근까지 실질적으로 불활성인 가스인 가스 혼합물을 충전시키는 단계;
vi) 상기 v) 단계의 진공로 내의 상기 원통형 반응 셀을 1600℃ 내지 2500℃의 온도까지 가열시키는 단계;
vii) 상기 vi) 단계의 원통형 반응 셀 내의 압력을 50torr 이하 0.05torr 이상까지 감압시키는 단계; 및
viii) 상기 vii) 단계의 원통형 반응 셀의 마개의 안쪽 상에 증기의 실질적인 승화 및 응결을 허용하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 폴리실리콘 금속 칩과 탄소 분말의 치수와 형태가 실질적으로 상이한 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리실리콘 금속 칩의 크기가 0.5㎜ 내지 10㎜인 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리실리콘 금속 칩의 크기가 1㎜ 내지 3.5㎜인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 분말의 크기가 5㎛ 내지 125㎛인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리실리콘 금속 칩과 탄소 분말의 혼합물은 상기 반응 셀의 총 부피의 35% 내지 50%를 차지하는 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 아르곤 가스를 포함하는 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 반응 셀은 도전성 흑연을 포함하는 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 i) 단계의 반응 셀은 해당 반응 셀의 마개의 내부면 상에 실리콘 탄화물 종자 결정이 위치되어 있는 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항에 있어서, 이하의 단계들을 추가로 포함하는, 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법:
ix) 상기 viii) 단계의 생성물을, 마개의 내부면에 실리콘 탄화물 종자 결정이 위치되어 있는 제2의 원통형 반응 셀에 도입하는 단계;
x) 상기 ix) 단계의 원통형 반응 셀을 밀봉하는 단계;
xi) 상기 x) 단계의 원통형 반응 셀을 진공로 내에 도입하는 단계;
xii) 상기 xi) 단계의 진공로를 배기시키는 단계;
xiii) 상기 xii) 단계의 진공로에 대기압 부근까지 실질적으로 불활성인 가스인 가스 혼합물을 충전시키는 단계;
xiv) 상기 xiii) 단계의 진공로 내의 상기 원통형 반응 셀을 1600℃ 내지 2500℃의 온도까지 가열시키는 단계;
xv) 상기 xiv) 단계의 원통형 반응 셀 내의 압력을 50torr 이하 0.05torr 이상까지 감압시키는 단계; 및
xvi) 상기 xv) 단계의 원통형 반응 셀의 마개 안쪽 상에 증기의 실질적인 승화 및 응결을 허용하는 단계.
제1항 또는 제10항에 있어서, 상기 원통형 반응 셀은 도전성의 초고순도 흑연으로 구성되고, 상기 탄소 분말은 초고순도 탄소 분말이며, 상기 폴리실리콘 금속 칩은 초고순도 폴리실리콘 칩인 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 원통형 반응 셀은 도전성의 초고순도 흑연으로 구성된 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제1항 또는 제10항에 있어서, 상기 진공로의 배기 후에 해당 진공로를 재충전하는 데 이용되는 가스 혼합물은 도핑 가스를 추가로 포함하는 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
제13항에 있어서, 상기 도핑 가스는 질소 가스, 인 함유 가스, 붕소 함유 가스 또는 알루미늄 함유 가스로부터 선택된 것인 실리콘 탄화물의 모놀리식 주괴의 제조방법.
1×10¹⁶/㎤ 이하의 B, P, Al, Ti 및 Fe의 총합 원자 농도를 포함하는 폴리실리콘 칩을 이용하여 제조된 실리콘 탄화물 생성물.