KR20120082873A - ＳｉＣ 단결정의 승화 성장 - Google Patents

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KR20120082873A KR1020127007273A KR20127007273A KR20120082873A KR 20120082873 A KR20120082873 A KR 20120082873A KR 1020127007273 A KR1020127007273 A KR 1020127007273A KR 20127007273 A KR20127007273 A KR 20127007273A KR 20120082873 A KR20120082873 A KR 20120082873A
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Abstract

SiC 승화 결정 성장에서, 도가니는 이격된 관계인 SiC 원료 물질 및 SiC 시드 결정으로 충전되고, 배플은 시드 결정 주위의 성장 도가니에 배치된다. 성장 도가니 내 배플의 제1 면은 SiC 단결정이 SiC 시드 결정 상에 성장하는 성장 영역을 한정한다. 성장 도가니 내 배플의 제2 면은 SiC 시드 결정 주위의 증기-캡처 트랩을 한정한다. 성장 도가니는 SiC 원료 물질이 승화하는 SiC 성장 온도로 가열하여 SiC 결정이 SiC 시드 결정 상에서 증기의 침전에 의해 성장하는 성장 영역으로 이동하는 증기를 형성한다. 이러한 증기의 분획은 증기-캡처 트랩에 유입되어 SiC 결정이 성장하는 동안 성장 영역으로부터 제거된다.

Description

ＳｉＣ 단결정의 승화 성장 {Sublimation Growth of SiC Single Crystals}
본 발명은 SiC 단결정(SiC single crystal)의 물리적 기상 전달(PVT) 성장에 관한 것이다.
4H 및 6H 폴리타입(polytype)의 탄화규소의 웨이퍼(wafer)는 SiC 및 GaN의 에피택셜 층(epitaxial layer)을 성장시키는 격자 정합된 기판(lattice matched)으로서 역할을 하며, 전력 및 RF 적용을 위한 SiC- 및 GaN-계 반도체 장치의 제조에 사용된다.
크기가 크고 산업용의 SiC 단결정은 물리적 기상 전달법(PVT)으로 일반적으로 공지된 승화 기술로 성장된다. PVT 성장은 전형적으로 도가니(crucible) 하부에 배치된 고체 SiC 승화 원료 물질(solid SiC sublimation source material), 및 전형적으로 도가니 상부에 배치된 SiC 단결정 시드를 포함하는 흑연 도가니에서 일반적으로 실시된다. 승화 원료 물질은 일반적으로 별개로 합성된 다결정 SiC 입자이다. 적재된 도가니를 로(furnace)에 위치시킨 다음, 성장 온도, 즉, 일반적으로 2000℃ 내지 2400℃로 가열한다. 성장 동안, 원료 물질 온도는 시드 결정의 온도, 전형적으로, 10℃ 내지 200℃를 초과하여 유지된다.
적합한 고온에 도달하면, 승화 원료는 증발되고, 도가니의 내부를 Si, Si2C 및/또는 SiC2 와 같은 증기 종(vapor species)들로 채운다. 승화 원료와 시드 결정 사이의 온도 차는 증기 종을 이동시키고 시드 결정 상에서 응축시키도록 작용하여 SiC 단결정이 시드 결정 상에서 성장하도록 한다. 성장률을 조절하고 이에 따라 양호한 결정 품질을 가능하도록 하기 위해서, PVT 성장은 불활성 가스의 작은 압력하에, 전형적으로 1 내지 100 Torr 에서 수행된다.
일반적으로, 이러한 기초 PVT 배열을 사용하여 성장한 SiC 결정은 구조적 결함, 예를 들면, 함유물(inclusion), 마이크로파이프(micropipe), 및 전위(dislocation)를 문제로 갖고 있다. 탄소, 규소 및 외부 폴리타입의 함유물은 기상 화학량론 (vapor phase stoichiometry) 내 편차로 야기되는 것으로 일반적으로 믿어지며, 이는 통상적으로 Si:C 원자비로서 표현된다. SiC는 1을 초과하는 증기 내 Si:C 원자비와 일치하지않게 승화하는 것으로 알려져 있다. SiC 원료 조건에 따라(예를 들면, 입자 구조 및 크기, 폴리타입 조성물, 화학량론, 온도 등), 승화 원료 물질에 대한 증기 내 Si:C 비는 1.5 또는 그 이상 클 수 있다. 증기 내 Si:C 원자비가 매우 크면, 성장하는 SiC 결정 안에 규소 함유물이 형성한다. 반대로, 증기 내 Si:C 원자비가 매우 작으면, 성장하는 SiC 결정에 탄소 함유물이 형성한다.
또한, 6각형의 4H 및 6H 폴리타입의 SiC 단결정의 안정한 성장은 탄소-풍부한 증기 상을 요구하는 반면, 외부 폴리타입, 예를 들면, 15R의 함유물은 증기 화학량론 내 편차로 야기되는 것으로 믿어진다.
금속 카바이드의 함유물은, SiC 승화 원료 물질이 금속성 오염물을 함유하는 경우 성장된 SiC 단결정에서 나타날 수 있다.
PVT 성장된 SiC 단결정 내 함유물은 국부 응력을 유도하는데, 이는 전위 및 마이크로파이프의 발생, 증식, 및 이동을 통해 완화된다. SiC 단결정 웨이퍼가 GaN 또는 SiC 에피택시 내 기판(substrate)으로 사용되는 경우, 기판 내 함유물, 마이크로파이프 및 전위의 존재는 에피층의 품질 및 상기 에피층에 형성된 반도체 장치의 성능에 유해하다.
PVT 성장 기술의 개시 이래로, 성장된 결정 품질을 향상시키고 결함 밀도를 감소시키기 위한 목표를 가지고 다수의 변형 공정이 개발되어 왔다.
예를 들면, 미국 특허 제5,858,086호 발명자: Hunter(이하, "'086' 특허"로 지칭함)는 승화에 의한 AlN(질화 알루미늄) 결정의 성장용 시스템을 기재하고 있다. '086 Hunter 특허에 기재된 시스템의 개략적인 도면이 도 1에 도시되어 있는데, 여기서 AlN 원료 물질(4)로부터 증기(2)가 AlN 시드 결정(8) 앞의 공간(6)으로 유입되고, 상기 시드 결정(8) 상에 침전되어 AlN 결정(10)을 성장시킨다. AlN 결정(10)의 성장이 진행되면서, 성장하는 결정(10)을 둘러싸는 증기(2)는 침체되고, 오염되며 일반적으로 높은 품질인 AlN 결정(10)의 성장에 부적합하게 된다. 이러한 결함을 피하기 위해서, 천공된 배플(12)은 AlN 시드 결정(8) 및 AlN 결정(10)이 성장하는 공간 주위에 위치된다. 도 1에 도시된 것처럼, 배플(12)은 AlN 원료(4)를 향해 연장된다. 배플(12)를 둘러싸는 성장 도가니(14)의 일부는 갭(16)과 함께 한정되도록 구성되어, 화살표(18)로 나타낸 것처럼, 천공된 배플(12)를 통과하는 증기(2)의 일부가 성장 도가니(14) 내부로부터 벤트(19)(vent)의 하나 이상의 홀(hole)을 통해 성장 도가니(14)의 외부 공간으로 빠져나올 수 있다.
미국 특허 제5,985,024호 발명자: Balakrishna 등은 고순도 SiC 단결정의 성장용 시스템을 기재하고 있다. Balakrishna 등의 특허에 기재된 시스템의 개략적인 도면은 도 2에 도시되어 있고, 여기서 Si 승화 원료 물질(22)로부터 실리콘 증기(20)는 SiC 시드 결정(24)을 향해 올라가며, 외부 원료로부터 공급된 탄소-함유 가스(26)와 혼합한다. Si-함유 증기와 C-함유 증기 사이의 반응의 결과로서 생성된 SiC 증기(28)는 SiC 시드 결정(24)에 도달하고, 결정 상에서 침전되며 SiC 결정(30)이 SiC 시드 결정(24) 상에서 성장하도록 한다. 소모된 SiC 증기(28), 가스 및 기체 오염물은 성장 도가니(32)의 내부로부터, 바람직하게는 SiC 결정(30)과 고순도 실리콘 카바이드 또는 탄탈륨 카바이드로 제조된 보호성 라이너(36)(liner) 사이의 갭(34), 및 성장 도가니(32)의 상부에서의 하나 이상의 홀 또는 벤트(38)를 통해 성장 도가니(32) 외부 공간으로 빠져나온다. 다공성 흑연 벽(40)은 바람직하게는 성장 도가니(32) 내의 적절한 위치에서 보호성 라이너(36)를 지지한다.
미국 특허 제6,045,613호 발명자: Hunter(이하, "'613' 특허"로 지칭함)는 도 3에 도시된 SiC 결정 성장 시스템을 기재하고 있으며, 여기서 Si 증기(48)는 C 또는 N 가스(52)와 함께 Si 승화 원료 물질(50)로부터 SiC 또는 SiN 단결정 시드(54)를 향해 올라가며, 여기서 이들은 각각 성장하는 SiC 또는 SiN 결정(56)을 형성한다. (도 3에 도시된 성장 시스템은 또한 AlN 결정을 성장시키는데 이용될 수 있다.) '086 특허(도 1)와 유사하게, 소비된 또는 오염된 가스 및 증기(48, 52)는 성장 도가니(59)의 상부에서 제공된 하나 이상의 벤트 또는 홀(58)을 통해 성장 도가니(59)를 빠져나온다. 성장 도가니(59)의 외부에, 빠져나온 증기(48, 52)는 성장 도가니와 외부의 특정 게터링 로(special gettering furnace)에 배치된다(도시되지 않음).
미국 특허 제6,086,672호 발명자: Hunter는 위에 기술된 '086 Hunter 특허(도 1)에 기재된 성장 시스템과 유사한 AlN-SiC 합금 결정의 성장용 시스템을 기재하고 있다.
미국 특허 제7,323,052호 발명자: Tsvetkov 등은 점 결함(point defect)의 감소된 밀도를 함유하는 SiC 단결정의 승화 성장을 기재하고 있다. 이러한 결점은 너무 많은 규소를 함유하는 증기 류가 원인인 것으로 믿어진다. 상기 특허에 기재된 장치의 개략적인 도면은 도 4에 도시되어 있으며, 여기서 흑연 성장 도가니(60)는 챔버(62)(chamber)의 하부에서 SiC 승화 원료 물질(64)을 갖는 승화 챔버(62) 및 챔버(62)의 상부에서 홀더(68) 상에 배치된 SiC 결정 시드(66)를 한정한다. 시드 결정(66) 상에서 SiC 결정(70)이 성장하는 동안 증기 화학량론을 최적화하기 위해서, SiC 증기(74)의 분획은 성장 도가니(60) 내부로부터 성장 도가니(60)의 상부에 있는 하나 이상의 출구(72)를 통해 성장 도가니(60)의 외부에 있는 챔버 또는 공간(76)으로 배출된다. 챔버(76)는 성장 도가니(60)의 외부와 로 챔버의 외벽(78)의 내부 사이로 한정된다. 적합한 전열재(80)는 전형적으로 챔버(76)에 위치한다.
일반적으로, 고밀도, 작은 입자 흑연으로 제조되는 도가니가 SiC 승화 결정 성장에 이용된다. 여기에서, 고밀도 또는 밀집된 흑연은 1.70 내지 1.85g/cm3 의 밀도, 수개 내지 수십개 미크론 사이의 입자 크기, 및 약 10%의 다공성을 갖는다. 당업자는 이러한 흑연이 일반적인 가스, 예를 들면, N2, Ar, He, CO, CO2, HCl 등에 투과성이 큰 것으로 인식하고 있다. 그러나, 밀집된 흑연은 SiC 승화의 결과물: Si, Si2C 및 SiC2로서 형성된 증기에 매우 낮은 투과성을 나타낸다. SiC 승화 성장 동안에 발생된 밀집된 흑연으로 제조된 밀폐형 도가니에서부터의 증기 손실은 전형적으로 일부 그램을 초과하지 않으며, 도가니로부터 증기의 충분한 또는 바람직한 제거를 제공하기에 충분하지 않다. Si-함유 증기에 대한 밀집된 흑연의 이러한 낮은 투과성은, 특정 홀 또는 벤트가 벤팅(venting)을 목적으로 위에 기재한 선행 기술의 성장 도가니에서 제조되는지에 대한 주된 이유이다.
또한, 저밀도, 다공성 흑연은 SiC 승화의 결과물로서 형성된 Si-함유 증기 종에 대한 더 높은 투과성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된다. 여기에서, 저밀도 흑연은 0.8 내지 1.6g/cm3 의 밀도; 30% 내지 60% 의 다공성; 및 1 내지 100 미크론 사이의 기공 크기를 갖는 흑연이다. 이들 저밀도 흑연의 특성은 미국 특허 제 7,323,052 발명자: Tsvetkov 등에서 이용되며, 여기서 도 4에 도시된 출구(72)의 대안으로서, 성장 도가니(60)의 하나 이상의 구획은 특히 원자 규소 증기에 투과적인 저밀도 흑연으로 제조될 수 있다. 원자 Si는 성장 도가니(60)의 내부에서부터 상기 저밀도 흑연을 통해 챔버(76) 내로 확산됨으로써 배출되고, 이에 따라 SiC 결정(70)이 성장하는 챔버(62)의 영역에서 증기(74)의 Si 함량을 감소시킨다.
요약하면, 앞서 언급된 선행 기술은 성장 도가니 내부로부터 성장 도가니 외부 공간, 예를 들면, 성장 도가니와, 전형적으로 절연이 존재하는 로 챔버의 외벽 사이에 형성된 챔버 또는 공간 내로 상기 증기를 벤팅하는 방식으로 성장 결정을 둘러싸는 공간으로부터의 증기의 부분적인 제거를 교시하고 있다.
그러나, 이러한 챔버 내로 증기를 벤팅하는 것은 문제점을 갖는다. 구체적으로, 성장 도가니를 둘러싸는 챔버 또는 공간은 정제된, 경량의, 섬유 흑연으로 제조된 절연재로 일반적으로 채워진다. Si-함유 증기는 흑연에 매우 반응성을 가지며, 특히 흑연이 경량 형태인 경우 그러하다. 증기 침식으로 야기된 절연의 저하는 도가니의 온도, 이에 따른 원료 및 결정에서 제어가 불가능한 변화를 유도한다. 이는 성장 공정 및 결정 품질에 부정적인 영향을 갖는다.
도가니로부터 챔버 내로 증기를 배출에 따른 다른 결과는 고가의 절연의 사용가능 시간(service time)의 감소이다. 배출하는 증기를 처리하기 위한 특정 게터링 로를 이용하는 것은, '613 특허에 교시된 것처럼, 성장 시스템의 복잡성과 비용을 증가시킨다.
본 발명은 지름이 2'', 3'', 100mm, 125mm 및 150mm의 기판(substrate)을 포함하는, 산업용 크기의 기판을 제조하는데 적합한 고 품질의 SiC 단결정의 성장용의 향상된 SiC 승화 결정 성장 공정 및 장치에 관한 것이다. 결정 성장 도가니는 이격된 관계로 밀폐된 흑연 도가니 내부에 배치된 SiC 원료 물질의 입자 및 SiC 시드 결정을 포함한다. 성장하는 동안, SiC 원료 물질은 Si, Si2C 및 SiC2와 같은 제조된 휘발성 증기 종을 증발시킨다. 도가니의 내부 온도 구배로 인해, 이들 증기 종은 시드 결정을 향해 이동하고 시드 결정 상에서 침전되어 시드 결정 상에서 SiC 단결정의 성장을 야기한다.
SiC 결정 성장 도가니는 성장 도가니에서 시드 결정 주위에 배치된 배플을 포함하고, 상기 배플은 상기 성장 도가니 내 배플의 제1 면에서 SiC 단결정이 시드 결정 상에서 성장하는 성장 영역을 한정하고, 상기 성장 도가니에서 배플의 제2 면에서 시드 결정 주위에 증기-캡처 트랩(vapor-capture trap)을 한정한다. 증기-캡처 트랩은 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 온도가 시드 결정의 온도보다 낮은 성장 도가니 내의 한 위치에 위치할 수 있다. 증기-캡처 트랩 내에 온도는 시드 결정의 온도보다 3℃ 내지 20℃ 낮을 수 있다. 도가니 설계는 증기가 증기-캡처 트랩을 향해 이동하고 유입되도록 하는 경로를 포함한다.
증기-캡처 트랩에 도달하면, Si-함유 증기는 과냉되고 침전되어 증기-캡처 트랩 내에 다결정성 SiC의 고체 침전을 형성한다. 이러한 공정의 결과로서, 증기의 일부는 성장하는 SiC 단결정의 부근에서부터 제거, 즉, 증기가 SiC 단결정 성장 경계의 부근에서부터 제거된다. 동시에, 결정 품질에 해로운 원하지 않은 증기 구성성분이 또한 제거된다. 이들 유해한 구성성분은 휘발성 오염물 뿐만 아니라 과량의 규소- 또는 탄소- 함유 증기를 포함한다.
SiC 결정 성장 도가니는 증기-캡처 트랩에 배치되고, 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 승화 성장하는 동안 생산된 증기를 흡수하는데 작용하는 다공성 증기-흡수 부재를 추가로 포함할 수 있다.
다공성 증기-흡수 부재는, 증기-흡수 부재가 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 시드 결정의 온도보다 낮은 온도에 있는 위치에서 증기-캡처 트랩에 배치될 수 있다. 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 증기-흡수 부재의 온도는 시드 결정의 온도보다 3℃ 내지 20℃ 낮을 수 있다. 도가니 설계는 증기가 다공성 증기-흡수 부재를 향해 이동하고, 부재를 관통하며, 부재와 반응하도록 하는 경로를 바람직하게 포함한다.
증기-흡수 부재에 도달하면, 증기는 증기-흡수 부재의 기공을 통과하여 부재의 물질과 화학적으로 반응하여 고체 생성물을 형성한다. 이러한 공정의 결과로서, 증기의 일부는 성장하는 SiC 단결정의 부근에서부터 제거된다. 동시에, 결정 품질에 해로운 원하지 않은 증기 구성성분이 또한 제거된다. 이들 유해한 구성성분은 휘발성 오염물 뿐만 아니라 과량의 규소- 또는 탄소- 함유 증기를 포함한다.
하나의 양태에서, 증기-흡수 부재는 바람직하게는 0.8 내지 1.6g/cm3 의 밀도; 바람직하게는 30% 내지 60% 의 다공성; 및 바람직하게는 1 내지 100 미크론의 기공 크기를 갖는 정제된 다공성 흑연으로 제조된다.
성장 도가니의 내부에 증기-흡수 부재의 사용은 함유물, 마이크로파이프 및 전위와 같은 결함을 감소된 밀도로 갖는 SiC 단결정 불(SiC single crystal boule)의 성장을 용이하게 한다.
보다 구체적으로는, 본 발명은 이격된 관계로 원료 물질과 시드 결정을 수득하고 성장 도가니 내 시드 결정상에 SiC 단결정의 승화 성장동안 생산된 증기의 탈출을 실절적으로 막는 성장 도가니, 및 성장 도가니에서 시드 결정 주위에 배치된 배플(baffle)을 포함하는 SiC 단결정의 승화 성장용 장치로, 상기 배플은 상기 성장 도가니에서 배플의 제1 면에서는 SiC 단결정이 시드 결정 상에 성장하는 성장 영역을 한정하고, 상기 성장 도가니에서 배플의 제2 면에서는 시드 결정 주위의 증기 캡처 공간, 이후 "증기-캡처 트랩"을 한정한다.
시드 결정 상에서 SiC 단결정의 승화 성장 동안 생산된 증기의 배출을 실질적으로 방지하기 위해서, 상기 성장 도가니는 시드 결정 상에서 SiC 단결정의 승화 성장 동안 생산된 증기의 통로에 실질적으로 비침투적인 물질로 제조될 수 있고; 성장 도가니 내부로부터 성장 도가니 외부로 시드 결정 상에서 SiC 단결정의 승화 성장 동안 생산된 증기의 배출용으로 계획된 경로 또는 홀을 포함할 수 없다.
증기-캡처 트랩은 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 시드 결정의 온도보다 낮은 온도인 성장 도가니 내의 한 위치에 위치할 수 있다.
상기 장치는 증기-캡처 트랩에 배치되고, 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 승화 성장하는 동안 생산된 증기를 흡수하는데 작용하는 증기-흡수 부재를 추가로 포함할 수 있다.
증기-흡수 부재는 증기-흡수 부재가 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 시드 결정의 온도보다 낮은 온도인 위치에서 증기-캡처 트랩에 배치될 수 있다.
시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 증기-흡수 부재의 온도는 시드 결정의 온도보다 3℃ 내지 20℃ 낮을 수 있다.
증기-흡수 부재는 0.8 내지 1.6g/cm3 의 밀도; 30% 내지 60% 의 다공성; 1내지 100 미크론의 기공 크기를 갖는 다공성 흑연으로부터 제조될 수 있다.
배플은 증기-캡처 트랩 내로 증기가 유동하는 상기 성장 도가니 내부의 경로를 한정할 수 있다.
성장 도가니는 성장 도가니의 상부 및 원료 물질의 중간에 시드 결정을 지지하는 페데스탈(pedestal)을 내부에 포함할 수 있다. 페데스탈은 5mm 내지 25mm 의 높이를 가질 수 있다. 경로는 배플의 내부 직경과 페데스탈의 외부 직경 사이의 갭을 포함할 수 있다. 갭은 1mm 내지 8mm 사이의 너비를 가질 수 있다. 경로는 배플 내 하나 이상의 홀을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 (a) 원료 물질과 시드 결정을 이격된 관계로 충전한 성장 도가니 및 시드 결정 주위의 성장 도가니에 배치되고, 배플의 제1 면에서 단결정이 시드 결정 상에서 성장하는 성장 영역을 한정하고, 배플의 제2 면에서 시드 결정 주위에 증기-캡처 트랩을 한정하는 배플을 제공하는 단계; 및 (b) (a)단계의 성장 도가니를, 원료 물질을 승화시키고, 단결정이 시드 결정 상에서 증기의 침전으로 성장하는 성장 도가니의 성장 영역에 대한 온도 구배에 의해 운반되는 증기(여기서, 증기의 분획은 증기-캡처 트랩으로 유입된다)를 형성하는 성장 챔버에서 온도 구배가 형성되는 성장 온도로 가열시키는 단계를 포함하는, SiC 승화 결정 성장의 방법이다.
증기-캡처 트랩에 유입되는 증기는 내부에 침전물(deposit)을 형성함으로써 성장 영역으로부터 결정이 성장하는 동안 제거될 수 있다. 하나 이상의 원료 물질, 시드 결정, 및 단결정은 SiC일 수 있다.
증기-캡처 트랩은 시드 결정 상에서 단결정이 성장하는 동안 시드 결정의 온도보다 낮은 온도인 성장 도가니 내의 한 위치에 위치할 수 있다.
증기-흡수 부재는 증기-캡처 트랩 내부에 위치할 수 있다. 증기-캡처 트랩에 유입되는 증기는 증기-흡수 부재, 예를 들면, 제한하지 않고 화학적으로 반응하여 침전물을 형성함으로써 성장 영역으로부터 결정이 성장하는 동안 제거될 수 있다.
증기-흡수 부재는 단결정이 성장하는 동안 시드 결정보다 낮은 온도일 수 있다.
증기-흡수 부재는 0.8 내지 1.6g/cm3 사이의 밀도; 30% 내지 60%의 다공성; 및 1 내지 100 미크론의 기공 크기를 갖는 다공성 흑연으로부터 제조될 수 있다.
증기-캡처 드랩 내 형성된 침전물의 중량은 성장된 결정의 중량의 5% 내지 20% 사이일 수 있다. 다르게 언급하면, 증기-흡수 부재에 의해 흡수된 증기의 중량은 성장된 결정의 중량의 5%와 20% 사이일 수 있다.
배플은 증기가 증기-캡처 트랩으로 유동하는 경로를 한정할 수 있다. 단계 (a)의 성장 도가니는 성장 도가니의 상부와 공급 물질 중간에 시드 결정을 지지하기 위한 페데스탈을 추가로 포함할 수 있다. 경로는 배플의 내부 직경과 페데스탈의 외부 직경 사이에 형성된 갭을 포함할 수 있다.
상기 경로는 배플의 벽 내 적어도 하나의 천공(perforation)을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 승화에 의한 결정의 성장에 대한 선행 기술 시스템이다.
도 5 내지 도 7은 승화에 의한 결정, 특히 SiC 결정의 성장에 대한 본 발명에 따른 시스템이다.
본 발명은 도 5 내지 도 7을 참조하여 후술될 것이며, 동등한 도면 부호는 동등한 구성 요소에 상응한다.
도 5를 참조하면, SiC 결정, 바람직하게는 SiC 단결정의 PVT 성장은 이격된 관계로 SiC 원료 물질(104)의 입자와 SiC 시드 결정(106)을 포함하는 흑연 도가니(102)에서 수행된다. 바람직하게는, 원료 물질(104)은 도가니(102)의 하부에 배치되고, 시드 결정(106)은 도가니(102)의 상부에, 예를 들면, 시드 결정(106)은 도가니(102)의 리드(108)(lid)에 부착된다. 목적하는 승화 성장 온도에 도달하면, SiC 원료 물질(104)은 승화되고, 도가니(102)의 내부는 Si-풍부한 증기 종(110), 예를 들면, Si, Si2C 및 SiC2 휘발성 분자 종으로 채워진다.
도가니(102)의 내부에 수직적 온도 구배로 인해, 증기(110)는 시드 결정(106)을 향해 축 방향으로 이동하고, 시드 결정(106) 상에서 응축하여 그 위에 SiC 단결정(112)의 성장을 야기한다. 성장하는 SiC 결정(112)은 성장하는 SiC 결정(112)에 인접한 공간(116)의 한계를 정하는 배플(114)로 둘러싸여 있다. 공간(116)은 또한, "성장 영역"으로 공지되어 있다. 성장하는 동안, 성장 영역(116)은 증기 응축, 결정 성장 및 흑연 침식의 결과로서 나타나는 휘발성 부생성물로 채워진다. 이들 휘발성 부생성물은 과량의 규소 또는 탄소 뿐만 아니라 불순물을 함유할 수 있다. 성장 영역(116) 내 증기 상 조성물에서의 이러한 제어가 불가능한 변화는 성장하는 SiC 결정(112)의 품질에 부정적인 영향을 미친다.
바람직하게는, 도가니(102)는 도가니(102)의 내부로부터 증기(110)의 배출을 "실질적으로 방지"하는 고밀도 흑연으로부터 형성된다. 도가니(102)의 내부로부터 증기(110)의 배출을 "실질적으로 방지"하기 위해서, 도가니(102)를 형성하는 고밀도 흑연은 증기(110)에 "실질적으로 비침투적"이며, 도가니(102)는 도가니(102)의 내부로부터 증기(110)를 배출하기 위해 계획된 홀 또는 벤트를 포함하지 않는다. 본원에서는, 도가니(102)의 내부로부터 증기(110)의 배출을 "실질적으로 방지"하고, 증기(110)에 "실질적으로 비침투적"인 고밀도 흑연으로부터 제조되는 도가니(102)는 시드 결정(106) 상에서 SiC 단결정(112)이 성장하는 동안 도가니(102)의 내부로부터 증기(110)가 도가니(102)의 벽과 리드(108)를 거쳐 증기(110)의 확산을 통해 증기의 손실이 발생하며, 시드 결정(106) 상에서 SiC 단결정(112)이 성장하는 동안 도가니(102)의 내부로부터 증기(110)의 이러한 손실의 총량은 SiC 원료 물질(104)의 초기 중량의 1% 내지 5% 임을 의미한다.
증기-캡처 트랩(117)은 성장 영역 내 증기 상 조성물 중에서 앞서 언급된 제어가 불가능한 변화를 감소시키기 위해서, 도가니(102)의 내부에 제공된다. 도가니에서 열 필드(thermal field)는 증기-캡처 트랩(117)이 도가니 내부에서 최저 온도를 갖도록 조절된다. 특히, 증기-캡처 트랩(117) 내 온도는 시드(106)의 온도보다 낮은 것이 바람직하다. SiC 성장 도가니 내부에 온도 필드를 조절하는 일반적인 접근은 유한-요소 열 모델링(finite-element thermal modeling)을 사용하는 것이다. 온도 및 압력 구배로 인해, 증기(110)는 도가니 상부를 향해 이동하고, 증기-캡처 트랩(117)에 도달하며, 증기-캡처 트랩(117)에 침전하여 리드(108)에 인접한 도가니(102)의 벽의 내부면, 및 임의로는 도가니(102)의 벽에 인접한 리드(108)의 내부 면 상에서 제한되지 않은 증기-캡처 트랩(117) 내 고체 다결정상 Sic 침전물(deposit)(126)을 형성한다. 고체 다결정상 SiC 침전물(126)의 형성의 결과로, 증기(110)의 분획은 성장 영역(116)으로부터 제거된다. 도 5에서 증기-캡처 트랩(117)의 형태는 단지 설명을 위한 목적으로 도시되어 있으며, 이러한 공간이 임의의 적합하고/적합하거나 바람직한 형태를 가질 수 있는 한, 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
증기-흡수, 다공성 물질로 제조된 증기-캡처 부재(117a)(도 5에 상으로 도시됨)는, 성장 영역(116) 내 증기 상 조성물에서 제어가 불가능한 변화를 감소하는데 일조하기 위해서, 임의적으로 도가니(102)의 내부, 바람직하게는 증기-캡처 트랩(117)에 위치할 수 있다. 부재(117a)에 도달하면 증기(110)는 부재의 기공을 투과하고 부재(117a)의 물질과 화학적으로 반응하여 부재(117a) 위 또는 부재에서 고체 다결정성 SiC 침전물(128)의 형성을 유도한다.
성장 영역(116)에서부터 증기-캡처 트랩(117), 즉, 부재(117a)를 향하는 2개의 가능한 증기 유동은 도 5에서 화살표(118 및 120)로 도시된다. 화살표(118)는 배플(114)을 거치는, 예를 들면, 배플(114) 내 하나 이상의 천공을 통과하는 증기의 유동을 나타낸다. 화살표(120)는 예를 들면, 배플(114)과 시드 결정(106) 사이에 형성된 갭(122), 성장하는 결정(112), 및/또는 시드 결정(106)이 고정된 시드 페데스탈(124)을 거치는 배플(114) 주위의 증기의 유동을 나타낸다. 배플(114)은 시드 결정(106)과 성장하는 결정(112)으로 한정하는 콘(cone)의 좁은 개구, 갭(122), 및 콘에 직면하는 원료 물질(104)의 넓은 개구를 갖는 콘 모양을 가지며 도 5에 도시되어 있다. 그러나, 콘 모양을 갖는 배플(114)의 도면은 배플(114)이 임의의 적합한 및/또는 목적하는 모양을 가질 수 있도록 고려되는 한 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지는 않는다.
바람직하게는, 증기-흡수 부재(117a)는 0.8 내지1.6g/cm3의 밀도; 바람직하게는 30% 내지 60% 사이의 다공성; 및 바람직하게는 1 내지 100 미크론의 기공 크기, 즉 저밀도 흑연을 갖는 정제된 다공성 흑연으로 제조된다. 증기(110)와 부재(117a)의 탄소 사이의 화학적 반응은 부재(117a)의 기공 위 또는 내부에서 고체 다결정성 SiC 침전물(128)의 형성을 유도한다.이러한 반응 및 SiC 침전물(128)의 형성의 결과로서, 증기(110)의 분획은 성장 영역(116)으로부터 제거된다. 동시에, 휘발성 오염물 뿐만 아니라 과량의 규소- 또는 탄소- 함유 증기는 또한 성장 영역(116)으로부터 제거된다.
도 5를 참조하여, 증기-캡처 트랩(117)은 성장 영역(116)의 반대쪽을 향한 배플(114)의 면에 의해 일반적으로 경계된 모든 공간 또는 일부, 배플(144) 상부의 리드(108)의 일부, 및 리드(108)와 배플(144)의 하단 사이의 도가니(102)의 내부 벽의 일부를 포함할 수 있다. 즉, 부재(117a)는 이러한 공간 내에서 임의의 적합한 및/또는 바람직한 위치에 위치될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 증기-캡처 트랩(117)은 도가니(102)의 내부의 상부 외면 일부에 인접한 공간(136)(도 5에서 상으로 도시됨)으로 이루어진다. 도 5에서, 리드(108)와 리드(108)에 인접한 도가니(102)의 내부 벽은 공간(136)의 2개의 경계를 한정한다. 그러나, 이는 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지는 않는다. 즉, 부재(117a)는 도 5에서 상으로 도시된 것처럼, 공간(136) 내 임의의 적합한 및/또는 목적하는 위치에서 바람직하게 위치한다.
2개의 극단은 바람직하게는, 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a)가 SiC 결정(112)의 성장 및 성장된 SiC 결정(112)의 품질에 유익하도록 피하게 된다. 하나의 극단에서, 너무 많은 증기(110)가 성장 영역(116)으로부터 제거되면 SiC 결정(112)의 성장률에서 현저한 감소를 유도한다. 다른 극단은 너무 적은 증기(110)가 성장 영역(116)으로부터 제거되는 경우, 증기-캡처 트랩(117), 즉, 도가니(102) 내 증기-흡수 부재(117a)의 존재가 성장된 SiC 결정(112)의 품질에 유익한 영향을 갖지 않는다.
실험적 결과는, 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a)의 유익한 효과를 실현하기 위해서, 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-흡수 부재(117a)에서 각각 형성된 SiC 침전물(126 또는 128)의 중량이 성장된 SiC 단결정(112)의 중량의 5% 내지 20%가 바람직한 것임을 나타낸다. 예를 들면, 단지 증기-캡처 트랩(117)만이 존재(즉, 증기-캡처 트랩(117)에서 증기-흡착 부재(117a)는 존재하지 않음)하면, 증기-캡처 트랩(117)에 형성된 SiC 침전물(126)의 중량은 성장된 SiC 단결정(112)의 중량의 5% 내지 20% 가 바람직하다. 반면, 증기-흡수 부재(117a)가 증기-캡처 트랩(117)에 포함되면, 증기-흡수 부재(117a)에서 형성된 SiC 침전물(128)의 중량은 성장된 SiC 단결정(112)의 중량의 5% 내지 20% 사이가 바람직하다.
증기-흡수 부재(117a)가 증기-캡처 트랩(117)에 포함되는 경우, 일부 SiC 침전물(126)은 또한 공간(136)에 인접한 도가니(102)의 벽, 리드(108)의 내부, 또는 둘 다에 형성될 수 있는 것으로 고려된다. 그러나, SiC 침전물(126 및 128)의 총량은 성장된 SiC 단결정(112)의 중량의 5% 내지 20% 사이가 바람직할 것으로 고려된다.
바람직하게는, 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a)에 흡수된 증기(110)의 양에 대한 조절은 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a)의 온도를 조절하고, 증기(110)가 성장 영역(116)에서부터 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a)까지 바람직한 단면적, 길이 및 기하학의 경로(118 및/또는 120)를 제공함으로써 달성된다.
SiC 침전물이 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a) 내부에 확실하게 형성되기 위해서, 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a)의 온도는 SiC 결정(112)이 성장하는 동안 도가니(102)의 내부에서 최저인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처-트랙 내 증기-흡수 부재(117a)의 온도는 시드 결정(106)의 온도보다 낮은 것이 바람직하다. 하나의 양태에서 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a)의 온도는 시드 결정(106)의 온도보다 3℃ 내지 20℃ 낮은 것이 바람직하다.
시드 결정(106) 온도와 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a) 온도 사이의 이러한 차이는 다수의 방식으로 실현될 수 있다. 하나의 양태에서, 시드(106)와 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a) 사이의 목적하는 온도 차는 다음의 조합으로 달성된다: (i) 증기-흡수 부재(117a)(증기-캡처 트랩(117)에 포함됨)는 도 6에 도시된 단-실린더로서, 도 7에 도시된 원뿔대 또는 이의 조합으로서 형상화되고; (ii) 증기-흡수 부재(117a)는 상부 극단, 예를 들면, 도가니(102)의 상단 또는 상부에서 또는 이에 인접하여 배치되며; (iii) 시드 결정(106)은 도 5에 도시된 페데스탈(124) 상에 배치되고, 그결과 페데스탈 상에는 시드 결정(106)이 도가니(102)의 상부 또는 리드(108)로부터 떨어진 도가니(102) 내부에 배치되며; (iv) 페데스탈(124)의 높이 H는 5 내지 25mm 가 바람직하다.
증기(110)가 증기-캡처 트랩(117), 즉, 증기-캡처 트랩(117) 내 증기-흡수 부재(117a)에 도달하기 위하여 가로지르는 증기 경로(들)의 기하학, 특히, 이러한 증기 경로(들)의 길이 및 단면은 제거된 증기(110)의 양을 제어하는데 사용될 수 있는 다른 요소이다. 2개의 예시적 증기 경로는 도 6과 도 7에서 개략적으로 도시되어 있다. 이들 2개의 증기 경로들은 성장하는 SiC 결정(112)의 품질에 유해한 효과를 생산하지 않으면서 쉽게 수행될 수 있다.
도 6에서, 도가니(102)는 적어도 페데스탈(124)의 하부, 시드 결정(106), 및 SiC 결정(112)이 성장하는 공간을 둘러싸는 밀집된 흑연으로 제조된 배플(114')을 포함한다. 환형 갭(130)은 배플(114')과 페데스탈(124) 사이에 존재한다. 갭(130)은 증기(110)가 증기-캡처 트랩(117'), 즉, 증기-캡처 트랩(117') 내 증기-흡수 부재(117a')로 유동하는 경로를 형성한다. 도 7에서, 시드 결정(106) 및 SiC 결정(112)이 성장하는 공간을 둘러싸는 배플(114'')은 천공된다. 즉, 배플(114'')은 증기(110)가 증기-캡처 트랩(117''), 즉, 증기-캡처 트랩(117'') 내 증기-흡수 부재(117a'')로 유동하는 경로(들)을 형성하는 다수의 개구(132)를 포함한다.
증기(110)가, 증기-캡처 트랩(117')에 배치된 증기-흡수 부재(117a')에 도달하면, 증기는 이를 관통하고, 이의 벌크를 통해 확산되며 상기 부재(117a')를 형성하는 탄소와 반응한다. 이러한 반응의 결과로서, 다결정성 SiC 침전물(134')은 부재(117a') 상 및/또는 상기 부재(117a') 내부의 최저온 지점에서 형성된다. SiC 침전물(134')의 일부는 또한 증기-캡처 트랩(117a')의 벽 위에 형성될 수 있음이 고려된다.
명확하게는, 증기가 증기-캡처 트랩(117'') 내 증기-흡수 부재(117a'')에 도달하면, 증기(110)는 이를 관통하고, 이의 벌크를 통과하여 확산되며, 상기 부재(117a'')를 형성하는 탄소와 반응한다. 이러한 반응의 결과로서, 다결정성 SiC 침전물(134'')은 부재(117a'') 상 및/또는 상기 부재(117a'') 내부의 최저온도 지점에서 형성된다. SiC 침전물(134')의 일부는 또한 증기-캡처 트랩(117'')의 벽 위에 형성될 수 있음이 고려된다.
도 6에서 증기-캡처 트랩(117')이 증기-흡수 부재(117a')를 포함하지 않으면, SiC 침전물(134')은 증기-캡처 트랩(117')의 벽(들) 위의 최저온 지점에서 형성될 것이다. 유사하게는, 도 7에서 증기-캡처 트랩(117'')이 증기-흡수 부재(117a'')를 포함하지 않으면, SiC 침전물(134'')은 증기-캡처 트랩(117'')의 벽(들) 위의 최저온 지점에서 형성될 것이다.
실시예 1. 3'' 직경 반-절연 6H SiC 결정의 성장
이러한 성장 수행은 도 6에 도시된 것과 같은 도가니, 배플, 및 증기-흡수 부재(117a') 배열을 갖는 성장 로에 수행되었다. 이러한 성장 수행에서, 밀집되고 균형적으로 성형된 흑연으로 제조된 결정 성장 도가니(102)가 준비되었고, 할로겐-함유 대기에서 고온 처리로 정제되었다. 별개의 합성 공정에서 SiC 결정(112)을 성장하기 전에 고순도 SiC 승화 원료 물질(104), 즉, 0.5 내지 2mm 크기의 SiC 입자를 합성하였다. 600g의 SiC 원료 물질(104)이 도가니(102)의 하부에 배치되었고, SiC 결정(112)이 성장하는 동안 고체 승화 원료로서 역할을 수행하였다. 반-절연 SiC 결정(112)을 생산하기 위해서, 원료 물질(104)은 보상용 도펀트(dopant)로서 바나듐(vanadiium)을 포함하였다. 바나듐의 양 및 바나듐 도핑의 기타 상세한 내용은 선행 기술에 따라 수행되었다.
6H 폴리타입의 3.25'' 직경 SiC 웨이퍼를 시드 결정(106)으로서 사용하였다. 이러한 웨이퍼는 축-상(on-axis) 방향이며, 기초 c-평면과 평행인 면을 가졌다. SiC 결정(112)의 성장이 발생하는 웨이퍼의 면을, CMP(chemico-mechanical polishing) 기술을 사용하여 SiC 결정(112)의 성장 이전에 연마하여 흠집 및 하면 손상을 제거하였다. 이러한 시드 결정(106)은 고온 탄소 접착제를 사용하여 도가니 리드(108)의 페데스탈(124)에 부착되었다. 페데스탈(124)은 12.5mm의 높이 H를 가졌다.
배플(114')은 밀집되고, 균형적으로 성형되며 할로겐-정제된 흑연으로부터 가공되어(machined) 3mm 두께의 벽을 가졌다. 배플(114')의 내부 직경은 페데스탈(124)의 외부 직경보다 더 커서 페데스탈(124)과 배플(114') 사이의 2mm 너비의 환형 갭(130)을 형성하였다.
도 6에서 실린더로서 형상화된 증기-흡수 부재(117a')는 1.0g/cm3의 밀도; 50%의 다공성; 및 20 내지 80 미크론 범위의 기공 크기를 갖는 할로겐-정제된 다공성 흑연으로부터 가공되었다. 증기-흡수 부재(117a')는 도 6에 도시된 것처럼 증기-캡처 트랩(117')에 배치되었다.[0068] 도가니(102)는 융합적인 실리카로 제조된 외부 벽과, 당해 분야에 공지된 방식에서 RF 서셉터(RF susceptor)로서 작용하는, 귀납적으로 열 도가니(102)로 이용되는 외부 RF 코일을 갖는 성장 로의 수냉 성장 챔버(water-cooled growth chamber) 내에 배치되었다. 섬유 경량 흑연 폼(fibrous light-weight graphite foam)으로 제조된 열 절연은 도가니(102) 주위의 성장 챔버에 위치하였다. 성장 로의 내부 및 이에 따른 도가니(102)의 내부는 1?10-6 Torr의 압력으로 배기되었고, 99.9999% 순도의 아르곤으로 수회 플러시(flush)되어 흡수된 가스 및 수분을 제거하였다. 이후에, 성장 로의 내부, 이에 따른 도가니(102)의 내부는 Ar으로 500 Torr로 다시 충전되었고, RF 전력은 도가니(102)의 온도가 6시간에 걸쳐 약 2100℃로 증가하도록 귀납적으로 야기하는 RF 코일에 인가된다. 가스에 대한 도가니(102)의 다공성으로 인하여, 도가니(102) 내부에 가스 압력은 성장 챔버의 내부의 가스 압력과 매우 빠르게 동일해진다.
이에 따르면, RF 코일 위치와 RF 전력을 조절하여, 2120℃의 원료 물질(104)의 온도 및 2090℃의 시드 결정(106)의 온도를 달성하였다. 이후에, Ar 압력을 10 Torr로 감소하여 Sic 결정(112) 불의 승화 성장을 개시하였다. 수행이 완료되면, 성장 로를 12시간에 걸쳐 실온으로 냉각하였다.
SiC 결정(112)의 성장된 6H 불(boule)의 무게는 300 그램이었다. 증기-흡수 부재(117') 내부에 형성된 다결정성 SiC 침전물(134)의 중량은 약 20 그램이었다. SiC 결정(112)의 성장된 불은 탄소 입자들, 또는 Si 액적(droplet)들, 또는 외부 폴리타입 함유물들을 함유하지 않았다. SiC 결정(112)의 이러한 불의 마이크로파이프 밀도는 약 0.9cm-2이었고, 전위 밀도는 1?104cm-2에 근접하였다.
SiC 결정(112)의 불은 25 표준 3''직경, 400 미크론 두께 웨이퍼로 제조되었고, 비접촉 저항률 도구인 코레마(Corema)를 사용하여 그들의 저항성을 측정하고 맵핑(mapping)하였다. 모든 웨이퍼의 저항률은 10% 미만의 표준 편차로 1?1011 Ohm-cm에 근접하였다.
실시예 2. 100mm 직경 반-절연 6H SiC 결정의 성장
이러한 성장 진행 가스는 도 7에 도시된 바와 같은 도가니, 배플, 및 증기-흡수 부재(117a'') 배열을 갖는 성장 로에서 수행되었다. 결정 성장 도가니(102)는 밀집되고 균형적으로 성형된 할로겐-정제된 흑연으로 제조되었다. 별개의 합성 공정으로 성장하기 이전에 크기가 0.5mm 내지 2mm인 고순도 SiC 입자 원료 물질(104)을 합성하였다. 900g의 SiC 입자 원료 물질(104)가 도가니(102)의 하부에 배치되었고, SiC 결정(112)이 성장하는 동안 고체 승화 원료로서 역할을 수행하였다.
축-상 방향인 6H 폴리타입의 110mm 직경 SiC 웨이퍼를 시드 결정(106)으로서 사용하였다. SiC 결정(112)이 성장하는 웨이퍼의 면을, 성장 이전에 CMP 기술을 사용하여 연마하였다. 시드 결정(106)은 고온 접착제를 사용하여 도가니 리드(108)의 페데스탈(124)에 부착되었다. 페데스탈(124)은 10mm의 높이를 가졌다.
이러한 진행에 사용된 배플(114')은 도 7에 도시된 구성을 가졌다. 배플(114'')의 벽 두께는 3mm이었다. 배플(114'')은 배플(114'')의 원주 주위에 균일하게 이격된 8개 홀의 3개의 줄로 배플(114'')의 벽 내 직경이 2mm인 홀을 24개 뚫어 천공시켰다. 그러나, 천공의 수는 4 내지 40개 일 수 있고, 각 천공의 직경은 1내지 3mm 일 수 있다.
증기-흡수 부재(117'')는 도 7에 도시된 구성, 즉 실린더(상부)와 원뿔대(하부)의 조합을 갖는다. 증기-흡수 부재(117'')를 1.0g/cm3의 밀도; 50%의 다공성; 및 20 내지 80미크론의 기공 크기를 갖는 할로겐-정제된 다공성 흑연으로 가공하였다.
성장 조건은 다음과 같다: 원료 물질(104)의 온도는 2150℃이었고; 시드 결정(106)의 온도는 2100℃이었으며; 불활성 가스(Ar)의 압력은 20 Torr이었다.
SiC 결정(112)의 성장된 6H 불의 무게는 380 그램이었다. 증기-흡수 부재(117'') 내부에 형성된 다결정성 SiC 침전물(134)의 중량은 약 35 그램이었다. 검사 시, 불 벌크(boule bulk)에서는 어떠한 함유물도 검출되지 않았다. 이러한 불의 마이크로파이프 밀도는 0.3cm-2 미만이었고, 전위 밀도는 약 9?103cm-2이었다.
SiC 결정(112)의 불은 23 표준 100mm 직경, 400 미크론 두께 웨이퍼로 제조되었다. 모든 웨이퍼의 저항률은 10% 미만의 표준 편차로 1?1011 Ohm-cm에 근접하였다.
살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 SiC 단결정의 승화 성장은 함유물, 예를 들면, 외부 폴리타입들, 규소 액적들 및 탄소 입자들을 감소된 밀도로 갖는 SiC 불을 수득한다. 또한, 본 발명은 감소된 밀도의 마이크로파이프와 전위를 유도한다.
본 발명은 예시적 양태를 참조하여 기재되었다. 전술한 구체적인 내용을 파악하고 이해하여 기타의 명백한 변형 및 대체가 발생할 것이다. 모든 이러한 변형 및 대체가 첨부된 특허청구범위 또는 이와 동등한 범위에 있는 한 이러한 변형은 본 발명에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims (24)

  1. 이격된 관계에 있는 원료 물질과 시드 결정(seed crystal)을 수득하고, 성장 도가니(growth crucible)의 내부로부터 시드 결정 상에서 SiC 단결정(SiC single crystal)이 승화 성장(sublimation growth)하는 동안 생산된 증기의 배출을 실질적으로 방지하도록 작동하는 성장 도가니; 및
    성장 도가니에서 시드 결정 주위에 배치되고, 상기 성장 도가니 내 배플(baffle)의 제1 면에서, SiC 단결정이 시드 결정 상에서 성장하는 성장 영역을 한정하고, 상기 성장 도가니 내 배플의 제2 면에서, 시드 결정 주위에 증기-캡처 트랩(vapor-capture trap)을 한정하는 배플을 포함하는 SiC 단결정의 승화 성장용 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 성장 도가니는 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 승화 성장하는 동안 생산된 증기의 통로에 실질적으로 비침투적인 물질로 제조되고; 그리고
    성장 도가니 내부에서부터 성장 도가니 외부로 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 승화 성장하는 동안 생산된 증기의 배출용으로 계획된 경로 또는 홀(hole)을 포함하지 않는, 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 승화 성장하는 동안 생산된 증기의 배출을 실질적으로 방지하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 증기-캡처 트랩이, 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 시드 결정의 온도보다 낮은 온도인 성장 도가니 내 하나의 위치에 위치하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 증기-캡처 트랩에 배치되고, 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 승화 성장하는 동안 생산된 증기를 흡수하도록 작동하는 증기-흡수 부재(vapor-absorbing member)를 추가로 포함하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 증기-흡수 부재가 증기-캡처 트랩 내, 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 증기-흡수 부재가 시드 결정의 온도보다 낮은 온도인 하나의 위치에 배치되는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 시드 결정 상에서 SiC 단결정이 성장하는 동안 증기-흡수 부재의 온도가 시드 결정의 온도보다 3℃ 내지 20℃ 낮은 장치.
  7. 제4항에 있어서, 증기-흡착 부재가 0.8g/cm3 내지 1.6g/cm3 의 밀도; 30% 내지 60%의 다공성; 및 1 미크론 내지 100 미크론의 기공 크기를 갖는 다공성 흑연으로부터 제조되는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 배플이, 증기가 증기-캡처 트랩 내로 유동하는 상기 성장 도가니 내부의 경로를 한정하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 성장 도가니가, 성장 도가니의 상부와 원료 물질 중간에 시드 결정을 지지하기 위한 페데스탈(pedestal)을 내부에 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 페데스탈이 5mm 내지 25mm의 높이를 갖는 장치.
  11. 제8항에 있어서, 경로가 배플의 내부 직경과 페데스탈의 외부 직경 사이의 갭(gap)을 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 갭이 1mm 내지 8mm의 너비를 갖는 장치.
  13. 제8항에 있어서, 경로가 배플 내 하나 이상의 홀을 포함하는 장치.
  14. (a) 이격된 관계에 있는 원료 물질과 시드 결정으로 충전된 성장 도가니, 및 시드 결정 주위의 성장 도가니에 배치되고, 배플의 제1 면에서 단결정이 시드 결정 상에서 성장하는 성장 영역을 한정하고, 배플의 제2 면에서 시드 결정 주위에 증기-캡처 트랩을 한정하는 배플을 제공하는 단계; 및
    (b) (a)단계의 성장 도가니를, 원료 물질을 승화시키고, 단결정이 시드 결정 상에서 증기의 침전으로 성장하는 성장 도가니의 성장 영역으로 온도 구배에 의해 운반되는 증기(여기서, 증기의 분획은 증기-캡처 트랩으로 유입된다)를 형성하는 성장챔버에서 온도구배가 형성되는 성장온도로 가열시키는 단계
    를 포함하는, SiC 승화 결정 성장의 방법.
  15. 제14항에 있어서, 증기-캡처 트랩에 유입되는 증기가 내부에 침전물(deposit)을 형성하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 하나 이상의 원료 물질, 시드 결정 및 단결정이 SiC인 방법.
  17. 제14항에 있어서, 증기-캡처 트랩이 시드 결정 상에서 단결정이 성장하는 동안 시드 결정의 온도보다 낮은 온도인 성장 도가니 내 하나의 위치에 위치하는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 증기-캡처 트랩에 유입되는 증기가 증기-흡수 부재와 화학적으로 반응하여 내부에 침전물을 형성함으로써 성장 영역으로부터 결정이 성장하는 동안 제거되는, 증기-캡처 트랩 내부에 증기-흡수 부재를 추가로 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 증기-흡수 부재가 단결정이 성장하는 동안 시드 결정보다 낮은 온도에 있는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 증기-흡수 부재가 0.8g/cm3 내지 1.6g/cm3의 밀도; 30% 내지 60%의 다공성; 및 1 미크론 내지 100 미크론의 기공 크기를 갖는 다공성 흑연으로부터 제조되는 방법.
  21. 제18항에 있어서, 침전물의 중량이 성장된 결정의 중량의 5% 내지 20% 인 방법.
  22. 제14항에 있어서, 상기 배플이, 증기-캡처 트랩으로 유동하는 증기의 경로를 한정하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 단계 (a)의 성장 도가니가 성장 도가니의 상부 및 원료 물질의 중간에 시드 결정을 지지하는 페데스탈(pedestal)을 추가로 포함하고;
    경로가 배플의 내부 직경과 페데스탈의 외부 직경 사이에 형성된 갭을 포함하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 경로가 배플의 벽에서 적어도 하나의 천공을 포함하는 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102104751B1 (ko) * 2019-06-17 2020-04-24 에스케이씨 주식회사 탄화규소 잉곳 및 이의 제조방법
KR20230053292A (ko) 2021-10-14 2023-04-21 주식회사 에스티아이 탄화규소 단결정 성장장치
US11708644B2 (en) 2019-10-29 2023-07-25 Senic Inc. Method for preparing SiC ingot, method for preparing SiC wafer and the SiC wafer prepared therefrom

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130074712A (ko) * 2011-12-26 2013-07-04 엘지이노텍 주식회사 잉곳 제조 장치
CN103184512B (zh) * 2011-12-28 2016-04-13 上海硅酸盐研究所中试基地 轴向温度梯度可调控的碳化硅单晶生长装置
EP2851456A1 (en) 2012-04-20 2015-03-25 II-VI Incorporated Large Diameter, High Quality SiC Single Crystals, Method and Apparatus
EP2855741B1 (en) * 2012-05-24 2022-04-27 II-VI Incorporated Vanadium compensated, si sic single crystals of nu and pi type and the crystal growth process thereof
JP2014024703A (ja) * 2012-07-26 2014-02-06 Sumitomo Electric Ind Ltd 炭化珪素単結晶の製造方法
US8860040B2 (en) 2012-09-11 2014-10-14 Dow Corning Corporation High voltage power semiconductor devices on SiC
US9018639B2 (en) 2012-10-26 2015-04-28 Dow Corning Corporation Flat SiC semiconductor substrate
US9738991B2 (en) * 2013-02-05 2017-08-22 Dow Corning Corporation Method for growing a SiC crystal by vapor deposition onto a seed crystal provided on a supporting shelf which permits thermal expansion
US9017804B2 (en) 2013-02-05 2015-04-28 Dow Corning Corporation Method to reduce dislocations in SiC crystal growth
US9797064B2 (en) 2013-02-05 2017-10-24 Dow Corning Corporation Method for growing a SiC crystal by vapor deposition onto a seed crystal provided on a support shelf which permits thermal expansion
US8940614B2 (en) 2013-03-15 2015-01-27 Dow Corning Corporation SiC substrate with SiC epitaxial film
US10801126B2 (en) * 2013-09-06 2020-10-13 Gtat Corporation Method for producing bulk silicon carbide
CN105518191B (zh) * 2013-09-06 2021-05-11 Gtat公司 具有低缺陷密度的大块硅碳化物
US20150132486A1 (en) * 2013-11-12 2015-05-14 Chung-Shan Institute of Science and Technology, Armaments Bureau, Ministry of National Defence Vapor deposition apparatus and method using the same
JP6354399B2 (ja) * 2014-07-04 2018-07-11 住友電気工業株式会社 坩堝および単結晶の製造方法
US9279192B2 (en) 2014-07-29 2016-03-08 Dow Corning Corporation Method for manufacturing SiC wafer fit for integration with power device manufacturing technology
JP6094605B2 (ja) * 2015-01-20 2017-03-15 トヨタ自動車株式会社 単結晶製造装置
CN108026664B (zh) * 2015-10-27 2020-11-13 住友电气工业株式会社 碳化硅基板
CN105603530B (zh) * 2016-01-12 2018-02-27 台州市一能科技有限公司 用于碳化硅晶体高速生长的原料及碳化硅晶体的生长方法
CN105525352B (zh) * 2016-01-12 2018-07-10 台州市一能科技有限公司 一种采用升华法高速制造碳化硅晶体的装置及方法
US20170321345A1 (en) 2016-05-06 2017-11-09 Ii-Vi Incorporated Large Diameter Silicon Carbide Single Crystals and Apparatus and Method of Manufacture Thereof
JP2018048053A (ja) * 2016-09-23 2018-03-29 昭和電工株式会社 ＳｉＣ単結晶成長用坩堝
CN106748702B (zh) * 2017-01-17 2023-09-01 湖北开元化工科技股份有限公司 一种升华法生产对苯醌的设备
CN107723788A (zh) * 2017-10-20 2018-02-23 苏州奥趋光电技术有限公司 一种用于氮化铝单晶生长的坩埚装置
TWI675946B (zh) * 2017-12-18 2019-11-01 國家中山科學研究院 一種用於生長特定形狀碳化物之裝置
CN108103569A (zh) * 2017-12-29 2018-06-01 苏州奥趋光电技术有限公司 一种通过物理气相传输法生长氮化铝单晶的坩埚装置
CN109056069A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 孙月静 一种基于PVT法生长sic的方法
CN109576792A (zh) * 2019-02-02 2019-04-05 福建北电新材料科技有限公司 碳化硅单晶生长装置及碳化硅单晶制备设备
CN110055587B (zh) * 2019-04-28 2021-02-26 河北同光晶体有限公司 一种高纯石墨坩埚及高质量碳化硅单晶制备方法
CN114080659A (zh) * 2019-07-09 2022-02-22 恩特格里斯公司 多孔碳质真空腔室衬垫
KR102276450B1 (ko) * 2019-10-29 2021-07-12 에스케이씨 주식회사 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 및 이의 성장 시스템
TWI794908B (zh) * 2020-07-27 2023-03-01 環球晶圓股份有限公司 碳化矽晶圓及其製備方法
US11859306B2 (en) * 2020-07-27 2024-01-02 Globalwafers Co., Ltd. Manufacturing method of silicon carbide ingot
CN112160028B (zh) * 2020-09-28 2021-08-13 中电化合物半导体有限公司 一种可调节碳化硅单晶生长体系气氛的生长坩埚和方法
CN112342614B (zh) * 2020-10-27 2021-08-03 北京工业大学 一种生长大尺寸片状SiC单晶的装置及方法
EP4001475A1 (en) 2020-11-19 2022-05-25 Zadient Technologies SAS Improved furnace apparatus for crystal production
WO2022123078A1 (en) * 2020-12-11 2022-06-16 Zadient Technologies SAS Method and device for producing a sic solid material
JP7072691B1 (ja) 2021-02-10 2022-05-20 國家中山科學研究院 オンアクシス炭化珪素単結晶成長法
EP4279641A1 (en) 2022-05-18 2023-11-22 Zadient Technologies SAS Improved furnace apparatus for crystal production with seed holder repositioning unit
CN115212656A (zh) * 2022-07-22 2022-10-21 中材人工晶体研究院(山东)有限公司 多孔过滤器、制备方法及其在碳化硅单晶生长中的用途
CN115491759A (zh) * 2022-11-16 2022-12-20 浙江晶越半导体有限公司 一种用于制备碳化硅单晶的附加粉源容器及坩埚装置
CN116988144A (zh) * 2023-08-16 2023-11-03 浙江晶越半导体有限公司 降低碳化硅单晶内部位错并提高生长效率的方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4110080A (en) * 1976-11-19 1978-08-29 Hughes Aircraft Company Reactive atmospheric processing crystal growth apparatus
US4866005A (en) * 1987-10-26 1989-09-12 North Carolina State University Sublimation of silicon carbide to produce large, device quality single crystals of silicon carbide
US5441011A (en) * 1993-03-16 1995-08-15 Nippon Steel Corporation Sublimation growth of single crystal SiC
JP3491430B2 (ja) * 1996-02-15 2004-01-26 株式会社デンソー 単結晶製造装置
US5985024A (en) * 1997-12-11 1999-11-16 Northrop Grumman Corporation Method and apparatus for growing high purity single crystal silicon carbide
DE19833755A1 (de) * 1998-07-16 2000-01-20 Forschungsverbund Berlin Ev Kristallzüchtungsapparatur zum gleichzeitigen Züchten mehrerer SiC-Einkristalle
JP3864696B2 (ja) * 2000-11-10 2007-01-10 株式会社デンソー 炭化珪素単結晶の製造方法及び製造装置
US7217323B2 (en) * 2003-04-04 2007-05-15 Denso Corporation Equipment and method for manufacturing silicon carbide single crystal
JP4150642B2 (ja) * 2003-08-04 2008-09-17 株式会社デンソー 単結晶の成長方法および成長装置
US7323052B2 (en) * 2005-03-24 2008-01-29 Cree, Inc. Apparatus and method for the production of bulk silicon carbide single crystals
JP2010515661A (ja) * 2007-01-16 2010-05-13 トゥー‐シックス・インコーポレイテッド 多層成長ガイドを用いた誘導直径ＳｉＣ昇華成長

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102104751B1 (ko) * 2019-06-17 2020-04-24 에스케이씨 주식회사 탄화규소 잉곳 및 이의 제조방법
US11708644B2 (en) 2019-10-29 2023-07-25 Senic Inc. Method for preparing SiC ingot, method for preparing SiC wafer and the SiC wafer prepared therefrom
KR20230053292A (ko) 2021-10-14 2023-04-21 주식회사 에스티아이 탄화규소 단결정 성장장치

Also Published As

Publication number Publication date
CN102596804A (zh) 2012-07-18
US20120285370A1 (en) 2012-11-15
WO2011034850A1 (en) 2011-03-24
EP2477944A1 (en) 2012-07-25
JP2013504513A (ja) 2013-02-07
EP2477944A4 (en) 2013-08-28

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