KR20110095754A - The methed of poly crystal control for increasing large caliber gaas single crystal yield - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 갈륨-비소 대구경 단결정 성장 공정 방법에 관한 것으로, 액체봉지인상법을 이용한 갈륨-비소 단결정 잉곳 성장과정에서 잉곳 직경의 급격한 변화로 인해 잉곳 내 전위 및 다결정화가 많이 발생하게 된다. 또한 액체봉지제인 산화붕소는 열전달 특성이 나쁘기 때문에 산화붕소 용융액의 심한 온도 구배가 발생하면서 성장된 잉곳이 이곳을 통과할 때 다결정화를 발생시키는 주된 원인이 된다. The present invention relates to a gallium-arsenic large-diameter single crystal growth process method, due to the rapid change of the ingot diameter in the growth process of gallium-arsenic single crystal ingot using a liquid encapsulation method, the ingot dislocation and polycrystallization occurs a lot. In addition, boron oxide, a liquid encapsulant, has poor heat transfer characteristics, which causes a severe temperature gradient of the boron oxide melt, which is a major cause of polycrystallization when the grown ingot passes therethrough.
일반적으로 갈륨-비소 단결정 성장 시 생성되는 전위는 고온에서 발생을 하고 운동을 한다. 갈륨-비소 단결정을 성장할 때 결정이 성장되는 고액계면 부근에서의 전위의 셀 구조가 형성되며 이것은 전위의 상승 운동에 관계되는 것이다. 또한 결정이 액체 봉지제를 빠져나오는 온도인 900~1000에서는 슬립 라인이 결정 내에 발생한다. 이러한 전위의 발생을 줄이기 위해서는 1) 고액계면 근처의 저온도 구배화 2) 고액계면의 평탄화 3) 갈륨-비소 화학 조성비 정밀 제어 4) 네킹 4가지 방법이 효과적이지만, 이중에서도 열응력에 의한 영향이 가장 크기 때문에, 단결정 성장로 내부의 온도 구배를 줄여서 이 열응력을 줄이기 위해 노력해 왔다. In general, dislocations generated during gallium-arsenic single crystal growth occur and move at high temperatures. When a gallium-arsenic single crystal is grown, a cell structure of dislocation near the solid-liquid interface where the crystal is grown is formed, which is related to the upward movement of dislocation. Also, at 900-1000, the temperature at which the crystal exits the liquid encapsulant, slip lines occur in the crystal. To reduce this potential, 1) low temperature gradient near the liquid-liquid interface 2) flattening of the liquid-liquid interface 3) precise control of the gallium-arsenic chemical composition ratio 4) four necking methods are effective, but the effects of thermal stress As the largest, single crystal growth has been tried to reduce this thermal stress by reducing the temperature gradient inside.
액체봉지인상법으로 갈륨-비소 단결정을 성장 시키는 방법으로서, 액체봉지제인 산화붕소는 상온에서는 유리형태의 고체로 존재하지만, 가열하면 연화되고, 갈륨-비소의 액체봉지제로서 활용되는 온도영역에서는 점도가 높은 액상으로 된다. 산화붕소의 점도는 온도가 높을수록 감소하고, 온도 이외에 산화붕소내의 수분 량에 의해서도 크게 변화하여, 산화붕소중의 수분 량이 감소할수록 점도는 상승한다. 비중도 산화붕소내의 수분함량에 따라 변한다. 예를 들어 수분 량이 260ppm인 산화붕소의 경우, 그 비중은 500℃부터 1200℃에서 1.648부터 1.509g/cm3까지 변한다. 산화붕소의 열전도도는A method of growing a gallium-arsenic single crystal by the liquid encapsulation method. Boron oxide, a liquid encapsulation agent, exists as a free solid at room temperature, but softens when heated, and has a viscosity in the temperature range utilized as a liquid encapsulation agent of gallium-arsenic. Becomes a high liquid phase. The viscosity of boron oxide decreases with increasing temperature, and it varies greatly with the amount of water in boron oxide in addition to the temperature, and the viscosity increases with decreasing amount of moisture in boron oxide. Specific gravity also changes depending on the water content in boron oxide. For example, in the case of boron oxide having a moisture content of 260 ppm, its specific gravity varies from 1.648 to 1.509 g / cm 3 at 500 ° C to 1200 ° C. The thermal conductivity of boron oxide
K(W/m/k) = 0.237 + 0.0011T(K) K (W / m / k) = 0.237 + 0.0011 T (K)
로 화합물결정과 융액에 비해서 작기 때문에, 그 내부의 온도구배는 대단히 크게 된다. 산화붕소내의 인상 방향의 온도구배가 결정에 도입되어 전위밀도에 영향을 미치는 것은 잘 알고 있지만, 산화붕소내의 직경방향의 온도분포도 융액표면의 온도 분포에 크게 영향을 미치고, 갈륨-비소 단결정 성장의 가부를 좌우하는 중요한 파라미터가 된다.Since the furnace is smaller than the compound crystal and the melt, the temperature gradient therein becomes very large. Although it is well known that the temperature gradient in the pulling direction in boron oxide is introduced into the crystal and affects the dislocation density, the radial temperature distribution in boron oxide also greatly influences the temperature distribution on the surface of the melt, and the gallium-arsenic single crystal growth is not allowed. It is an important parameter that influences.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 액체봉지인상법으로 성장하고 있는 갈륨-비소 잉곳이 액체봉지제인 산화붕소 용융액을 뚫고 나오게 되면 급변하는 온도 구배차이에 의해 고액계면에서의 잉곳의 직경변화가 발생하게 되는데 이때, 기존의 공정 방법은 결정성장로 내부의 흑연히터인 발열체에 의해 임의적으로 결정성장로 내부의 온도 변화를 발생시키게 되면 성장 중인 잉곳의 직경변화를 방지하게 된다. In order to solve the above problems, when the gallium-arsenic ingot grown by the liquid encapsulation method penetrates the boron oxide molten liquid, which is a liquid encapsulation agent, the diameter change of the ingot in the solid-liquid interface is caused by the rapidly changing temperature gradient. In this case, the conventional process method is to prevent the change in the diameter of the growing ingot when the temperature of the inside of the crystal growth furnace arbitrarily generated by the heating element, the graphite heater inside the crystal growth furnace.
발열체인 흑연히터에 의해 결정성장로 내부의 온도 변화가 발생하고, 결정성장로 내부의 온도구배는 더 심화하게 되므로 성장 중인 잉곳의 직경변화를 온도가 아닌 도가니 상승 속도로 조절함으로써 결정성장로 내부의 온도구배를 최소화 할 수 있다.Temperature change inside the crystal growth furnace is caused by the graphite heater, which is a heating element, and the temperature gradient inside the crystal growth furnace is intensified. Therefore, by controlling the diameter change of the growing ingot at the crucible ascent rate instead of temperature, the inside of the crystal growth furnace is controlled. The temperature gradient can be minimized.
본 발명의 공정 방법은 액체봉지인상법에서의 갈륨-비소 잉곳이 액체봉지제인 산화붕소 용융액을 뚫고 나오는 시점에서 잉곳의 직경변화를 결정성장로 내부의 온도제어가 아닌 도가니 상승 속도로 제어하여 고액계면 근처의 저온도 구배화를 시켜 잉곳의 받는 열응력을 최소화하여 전위의 생성 및 잉곳의 다결정화를 방지하는 것을 특징으로 한다. In the process method of the present invention, when the gallium-arsenic ingot in the liquid encapsulation method penetrates the boron oxide melt, which is a liquid encapsulant, the diameter change of the ingot is controlled at the crucible ascent rate instead of the temperature control inside the crystal growth furnace to obtain a solid-liquid interface. It is characterized by preventing the formation of dislocations and polycrystallization of the ingot by minimizing the thermal stress of the ingot by low temperature gradient in the vicinity.
도면 1는 갈륨-비소 단결정 성장 장치 내부의 개략도.
도면 2는 종래 기술에 의한 갈륨-비소 단결정 성장 시의 온도 및 석영도가니 상승 속도.
도면 3는 본 발명에 따른 갈륨-비소 단결정 성장 시의 온도 및 석영도가니 상승 속도.1 is a schematic diagram inside a gallium-arsenic single crystal growth apparatus.
Figure 2 shows the temperature and quartz crucible rising rate during gallium-arsenic single crystal growth according to the prior art.
3 is a temperature and quartz crucible rising rate during the growth of gallium-arsenic single crystal according to the present invention.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings an embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명은 액체봉지인상법에서 갈륨-비소 단결정 성장 장치에 있어서, 갈륨-비소 잉곳이 액체봉지제인 산화붕소 용융액을 뚫고 나오게 되면, 급격한 온도 구배에 의해 고액계면에서의 잉곳의 직경변화를 결정성장로 내부의 온도 변화가 아닌 도가니 상승 속도로 제어하여 잉곳의 받는 열응력을 최소화하여 전위의 생성 및 잉곳의 다결정화를 방지하는데 목적이 있다. In the gallium-arsenic single crystal growth apparatus in the liquid encapsulation method, when the gallium-arsenic ingot penetrates the boron oxide molten liquid which is a liquid encapsulation agent, the diameter change of the ingot in the solid-liquid interface is caused by a rapid temperature gradient. It aims to prevent the generation of dislocations and polycrystallization of ingots by minimizing the thermal stress of ingots by controlling them at the crucible ascent rate rather than the internal temperature change.
이를 위한 본 발명의 실시 예로써 도1는 액체봉지인상법으로 갈륨-비소 단결정 성장 장치 내부의 개략도로 도시한 바와 같이 갈륨-비소 단결정 잉곳 성장 장치는 발열체인 흑연히터(107), 갈륨-비소 용융액(106)을 담는 석영도가니(102), 석영도가니을 단열 해주는 열단열재(103), 도가니 상승을 위해 모터축과 연결되는 석영도가니 지지대(108)로 구성되어 진다.As an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 1 shows a gallium-arsenic single crystal growth apparatus as a schematic diagram of a gallium-arsenic single crystal growth apparatus by the liquid encapsulation method. The
상기와 같은 단결정 잉곳 성장 장치에서의 갈륨-비소 단결정 잉곳 성장을 위한 결정성장순서에 대해 설명하게 되면, When explaining the crystal growth sequence for the growth of gallium-arsenic single crystal ingot in the single crystal ingot growth apparatus as described above,
단결정성장 전에 성장로 내벽과 발열체와 단열제인 그라파이트 부분을 청소하여 깨끗하게 한다. 더해서, 흡착된 수분과 청소 시에 없어지지 않은 비소 원소를 제거하기 위해서 진공 중에서 결정성장온도보다 높은 온도까지 가열하여 태워 없앤다. 성장 장비 내에 석영도가니, 원재료, 액체봉지제를 장입하고, 성장로 내부를 진공배기 한 후에 불활성 가스를 충진 한다. 발열체를 승온시켜 원재료를 녹임으로서 원료용액을 만든다. 인상축에 체결한 종자가 되는 시드(101)를 내려서 원료용액에 닿게 한 후 회전시키면서 끌어올린다. 이 때, 용액의 온도를 내리면서 잉곳의 직경을 서서히 성장시킨다. 시드의 방향에 따라 성장하는 잉곳의 방향이 결정된다. 잉곳의 직경 목표치에 도달하면 목적하는 직경을 유지할 수 있도록 용액의 온도를 미세하게 조절하면서 잉곳의 인상을 계속한다. 잉곳의 길이가 목표한 값에 도달하면, 융액온도를 상승시키고, 잉곳 직경을 작게 해서 용액에서 분리한다. 잉곳은 액체봉지제의 위쪽에 분리하여 올려놓고 유지시킨다. 잉곳에 열 충격을 주지 않도록, 천천히 흑연 히터의 온도를 실온까지 하강시킨 후, 장비 내의 불활성 가스를 빼내고 잉곳을 분리하여 성장을 완료하게 된다.Clean the inner wall, the heating element, and the graphite part of the growth furnace before cleaning the single crystal. In addition, in order to remove the adsorbed moisture and the arsenic element which did not disappear at the time of cleaning, it is burned off by heating to a temperature higher than the crystal growth temperature in vacuum. A quartz crucible, raw materials and a liquid encapsulant are charged into the growth equipment, and the inside of the growth furnace is evacuated to fill inert gas. The raw material solution is made by melting the raw material by heating the heating element. The
상기 과정에서 결정의 직경 유지를 위해 원료 용융액의 온도를 미세하게 조절하면서 잉곳을 인상 하는 바디 단계는 잉곳 성장이 되면서 잉곳의 표면적이 증가하게 된다. 잉곳 표면적이 증가할수록 잉곳 표면적에서 발산되는 열이 증가하고, 잉곳이 액체봉지제인 산화붕소를 뚫고 나오면서 심한 열구배가 발생하면서 성장되는 잉곳의 직경 변화가 발생하게 된다. In the above process, the body step of raising the ingot while finely controlling the temperature of the raw material melt to maintain the diameter of the crystal increases ingot growth while increasing the surface area of the ingot. As the ingot surface area increases, the heat dissipated from the ingot surface area increases, and as the ingot penetrates through the boron oxide, a liquid encapsulant, a severe thermal gradient occurs to change the diameter of the ingot grown.
상기와 같은 상황에서, 기존의 공정 방법에서는 잉곳의 직경변화 방지를 위해 발열체인 흑연히터를 이용하여 단결정 성장 내부의 온도 미세 조절을 통해 잉곳의 직경 변화를 방지하게 되면 단결정 성장 내부의 심한 온도 구배에 의해 성장하고 있는 잉곳의 열응력이 발생하게 되어 전위 생성 및 잉곳의 다결정화가 발생하게 된다. 따라서, 단결정 성장 내부의 온도 구배을 최소화하기 위해 잉곳이 산화붕소를 뚫는 시점부터는 발열체인 흑연히터를 이용하여 결정성장로 내부의 온도는 유지 상태로 만들고, 도가니 상승 속도를 조절함으로써 잉곳의 직경변화를 방지하고 결정성장로 내부의 온도 구배를 최소화하여 전위 생성 및 잉곳의 다결정화를 방지할 수 있다. In the above situation, in the conventional process method to prevent the change of the diameter of the ingot through the fine adjustment of the temperature inside the single crystal growth by using the graphite heater as a heating element to prevent the change of the diameter of the ingot to the severe temperature gradient inside the single crystal growth. As a result, thermal stresses of the growing ingot are generated, and dislocation generation and polycrystallization of the ingot occur. Therefore, in order to minimize the temperature gradient inside the single crystal growth, the temperature inside the crystal growth furnace is maintained by using a graphite heater, which is a heating element, from the time when the ingot penetrates boron oxide, and the crucible ascending speed is controlled to prevent the ingot diameter change. And by minimizing the temperature gradient inside the crystal growth furnace it is possible to prevent the generation of dislocations and polycrystallization of the ingot.
101 : 시드 종자 106 : 갈륨-비소 용융액
102 : 석영도가니 107 : 흑연 히터
103 : 열단열재 108 : 석영도가니 지지대
104 : 산화붕소 용융액
105 : 갈륨-비소 잉곳101: seed seed 106: gallium-arsenic melt
102: quartz crucible 107: graphite heater
103: heat insulating material 108: quartz crucible support
104: boron oxide melt
105: gallium-arsenic ingot
Claims (3)
상기 석영도가니의 테두리 둘레에서 상기 석영도가니를 가열하기 위한 흑연 히터와;
상기 석영도가니의 열단열를 시켜주는 석영도가니 둘레에 장착되는 열단열재와;
상기 석영도가니 내부에서 성장되고 있는 갈륨-비소 단결정 잉곳의 직경제어을 위한 공정 방법A quartz crucible for containing a gallium arsenide melt and boron oxide as a liquid encapsulating agent for the gallium arsenide melt;
A graphite heater for heating the quartz crucible around an edge of the quartz crucible;
A thermal insulation material mounted around the quartz crucible for thermal insulation of the quartz crucible;
Process method for diameter control of gallium-arsenic single crystal ingot grown inside the quartz crucible
액체봉지제인 산화붕소을 성장하고 있는 잉곳이 통과하는 시점에서 결정성장로 내부의 온도구배를 최소화하기 위해 결정성장로 내부의 온도를 유지하는 공정 방법.The method of claim 1,
Process method for maintaining the temperature inside the crystal growth furnace to minimize the temperature gradient inside the crystal growth furnace at the time when the ingot growing boron oxide, a liquid encapsulation agent passes.
액체봉지제인 산화붕소을 성장하고 있는 잉곳이 통과하는 시점에서 잉곳의 직경변화 방지를 위해 도가니 상승속도를 조절하는 공정 방법.The method of claim 1,
Process method of adjusting the crucible ascending speed to prevent the change of the diameter of the ingot when the ingot growing boron oxide, a liquid encapsulation agent passes.
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