KR20110017110A - 다중 구조 도가니를 이용한 대구경 탄화규소 단결정 성장 - Google Patents

Abstract

본 발명은 승화법(sublimation method)에 의한 탄화규소 단결정을 성장하는 과정에서 도가니를 효율적으로 사용하여, 도가니의 사용 횟수를 증가시켜 탄화규소 단결정의 생산 원가를 줄이고, 동일 시간동안 효율적으로 단결정을 성장하고 품질을 향상하는데 있다. 본 발명에서 사용하는 도가니는 다중 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

SiC, 단결정, 도가니, 다중구조

Description

다중 구조 도가니를 이용한 대구경 탄화규소 단결정 성장{A Large-size Silicon carbide growth by Multiple crucibles}

본 발명은 SiC 단결정 성장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도가니의 전체를 다중 구조로 구성하여, 흑연 도가니의 틈으로 유실되는 반응가스(SiC₂, Si₂C, Si, C, SiC)양을 감소시킴에 따라서, 성장률이 작은 탄화 규소 단결정의 단점을 보완하여 유실되는 반응가스가 없이 보다 효율적으로 성장을 한다. 또한 도가니가 결정 혹은 원료에 직접 접촉하여 사용하게 되는데, 이 때 흑연 도가니의 내벽의 표면 손상이 심하게 나타나고, 결정과 도가니 내벽이 반응하여 붙게 되어 도가니를 절단해야 되는 경우가 발생하게 된다. 이러한 단점을 보완하여 도가니를 여러 번 재사용 하고, 탄화규소 단결정의 재조 원가를 줄이는 것이다.

차세대 반도체 소자 재료로써 SiC, GaN, AlN, ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 유망한 것으로 기대되고 있다. 그러나, 이들 광대역 반도체 재료 중 현재 단결정 잉곳(ingot) 성장 기술이 확보되어 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서의 생산이 가능한 것은 SiC 단결정 재료뿐이다.

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

SiC는 비록 전자이동도가 실리콘(Si)에 비해 작으나, 에너지 밴드갭(energy bandgap)이 실리콘의 2～3배 정도이고 동작 한계온도가 650℃임에 따라, 동작 한계온도가 200℃ 이하인 실리콘에 비하여 동작 한계온도가 훨씬 높다는 장점이 있다. 또한, 화학적 및 기계적으로 강하여 극한 환경에서도 사용할 수 있는 소자로 제작이 가능하다.

이러한 재료의 본질적인 물성 차이에 기인한 소자의 성능 한계는 JFOM(Johnson's Figure of Merit), KFOM(Keyes' Figure of Merit), BFOM(Baliga's Figure of Merit) 및 BHFFOM(Baliga's High Frequency Figure of Merit)과 같은 여러 가지의 지표계수를 비교해 보면 쉽게 파악할 수 있다. 예를 들어, 높은 주파수와 대전력의 응용의 이점을 나타내는 JFOM은 트랜지스터의 전력과 주파수의 한계를 항복전압과 포화전자 이동속도로부터 비교계수로서 SiC가 실리콘(Si)에 비해 600배 이상이다.

이와 같이 우수한 물성을 갖는 SiC를 이용한 소자가 현재 하루가 다르게 발표되면서 SiC의 응용범위 및 그 파급효과가 매우 빠른 속도로 광범위해지고 있다. 일 예로, SiC는 자동차 또는 우주항공 등의 고온 집적회로, 내방사능 소자, Ⅲ-Ⅴ-Ⅳ-Ⅵ 연계소자, 초정밀 멤스(MEMS) 소자, 엑스레이(X-ray) 마스크, 자외선(UV) 탐사기, 청색 발광소자(LED) 등에 응용되고 있다.

한편, 상술한 바와 같은 응용분야에 안정적으로 적용되고 수율을 증대하기 위해서는 직경 3인치 이상의 대구경의 고품질 단결정의 성장이 요구된다.

종래의 SiC 단결정 성장장치의 경우, 한국등록특허공보 제485023호 및 'Growth - Induced structure defects in SiC PVT Boules ( ICSCRM 2001, Materials Science Forum Vols . 389-393 (2002) pp . 385-390'을 살펴보면, 흑연 도가니 내에 SiC 원료를 위치시키고 흑연 도가니 상부에 SiC 시드(seed)를 장착시킨 상태에서 SiC 원료가 위치한 부분의 온도를 SiC 시드 부분보다 높게 함으로써 SiC 시드 상에 SiC 단결정이 성장되도록 하는 방법을 택하고 있다.

이와 같은 종래의 SiC 단결정 성장장치에 있어서, 흑연 도가니는 대부분 SiC 시드가 장착되는 lid, SiC 원료가 위치하는 crucible, 그리고 결정의 품질을 향상하거나 형태를 조절하는 장치가 위치하는 middle부분으로 이루어지는 것이 일반적인 형태이다. 그러나 탄화규소 단결정을 성장하는 온도인 2000℃ 이상의 온도로 가열되는 흑연 도가니는 순도나 밀도가 좋아도 결국 표면에 공극이 생기거나, 탄화되는 현상이 발생 한다. 이러한 도가니를 재사용하게 되면, 도가니의 가열효율이 감소하여, 성장온도를 유지하는데 더욱 많은 전력이 필요하게 되고, 성장과정이 관찰되지 않는 탄화규소 단결정의 경우에 재현성을 확보하기가 힘들다. 또한 탄화된 표면으로부터 발생되는 탄소 분진이 성장 가스와 함께 결정에 유입되면, 결정내에 defect를 발생시키거나 polytype domain등을 유발시키는 등 단결정의 품질 저하를 가져올 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 일회성에 가까운 도가니를 다중의 구조로 구성하여, 결정 혹은 원료와 맞닿은 상태에서 사용되는 부분의 손상으로 인하여 도가니 전체를 교체하지 않고, 일부분만 교체하여 사용 가능하도록 함으로써 생산 원가를 감소 할 수 있고, 또한 성장률이 1.0mm/hr 이하로서 성장이 매우 느리게 진행되는 탄화규소단결정의 유실되는 반응가스를 줄여 보다 효율적인 단결정을 성장하도록 한다.

Lid, Middle, Crucible의 구성품이 단일 구조로 구성되는 일반적인 구조와는 다르게 다중 구조로 구성되어, 내부의 결정 혹은 원료와 맞닿아 사용되는 얇은 부분을 제외하고, 그 외의 부분은 여러 번 사용이 가능하도록 도가니를 구성한다. 또한 이 때 도가니는 반응가스가 유실 되지 않도록 여러번 감싸는 구조로 이루어진다.

2000℃이상의 고온에서 성장하는 탄화규소 단결정의 특성상 성장을 진행하고 난 후의 도가니는 재사용시 탄화, 온도 불균일, 재현성 확보 등 여러 가지 단점이 발생한다. 그렇지만 다중 구조의 도가니를 사용할 시에는 여러 번의 재사용이 가능한 장점이 있다. 결정이나 원료와 맞닿지 않는 부분은 탄화 문제가 발생하지 않고 오히려 도가니의 열처리 효과로 인하여 내부의 불순물이 제거되기 때문에 여러 번 사용할 시에 오히려 고순도의 도가니로서 이용이 가능한 장점이 있다. 이로 인하여 단결정 성장시의 원가 절감을 할 수 있다. 또한 도가니를 제외한 동일한 조건의 성장시에도 더 효율적인 성장률을 얻을 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 SiC 단결정 성장방법 및 장치를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 SiC 단결정 성장방법을 설명하기에 앞서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 단결정 성장을 위한 다중 구조의 도가니 단면 구성도이다.

본 발명에 따른 SiC 단결정 성장방법의 핵심 특징은 도가니를 다중 구조로 구성함으로써 일회성에 가까운 도가니를 여러 번의 재사용을 통하여, 단결정의 생산원가를 줄이는 것이다. 외부도가니의 재사용은 도가니의 열처리 효과를 가져 올 수 있으며, 결정에 유입되는 불순물이 더 적어지는 것을 의미하기도 한다.

또한, lid와 middle 그리고 crucible사이에 반응 gas가 유실되는 곳을 중복적으로 밀폐함에 따라서 gas 유실이 적어지기 때문에 보다 효율적인 성장률을 얻을 수 있었다.

도가니의 두께 변화에 따라서 같은 전력을 인가하였을 때 온도가 다르게 나타난다. 이를 이용하여 도가니 상부와 하부의 온도구배 제어가 가능하며, 성장하고자하는 polytype에 따라서 2중, 3중, 그 이상의 구성에 따라 두께를 조절한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 내부와 외부, 이중으로 도가니를 구성한 구성도.

<도면에서 기호 설명 >

(1) 외부 Lid

(2) 내부 Lid

(3) 외부 Middle

(4) 내부 Middle

(5) 외부 Crucible

(6) 내부 Crucible

(7) SiC crystal

(8) SiC 원료

Claims (3)

1. 승화법을 이용한 대구경 탄화규소 단결정 성장 시, 도가니를 2중, 3중 또는 그 이상의 다중 구조로 구성하여 재활용이 가능하도록 한다.
2. 제 1항에 있어서, 도가니의 두께는 결정과 원료가 맞닿는 부분은 얇게 구성하고 바깥부분은 두껍게 구성한다.
3. 도가니의 두께에 따라서 성장하고자 하는 polytype, 성장률 그리고 온도구배 등의 조절 수단으로서도 사용 될 수 있다.

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