KR20120130030A - Apparatus of single crystal growth control and method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 기재는 단결정 성장률 조절 장치 및 방법에 관한 것이다. The present disclosure relates to a single crystal growth rate control apparatus and method.
일반적으로, 전기, 전자 산업분야 및 기계부품 분야에 있어서의 소재의 중요도는 매우 높아 실제 최종 부품의 특성 및 성능지수를 결정하는 중요한 요인이 되고 있다.In general, the importance of the material in the electrical, electronics industry and mechanical parts field is very high, which is an important factor in determining the characteristics and performance index of the actual final component.
대표적인 반도체 소자 재료로 사용된 Si은 섭씨 100도 이상의 온도에 취약해 잦은 오작동과 고장을 일으키기 때문에, 다양한 냉각장치를 필요로 한다. Si이 이러한 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 SiC, GaN, AlN 및 ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다. Si, which is used as a representative semiconductor device material, is vulnerable to temperatures of more than 100 degrees Celsius, causing frequent malfunctions and failures, and thus requires various cooling devices. As Si shows such physical limitations, broadband semiconductor materials such as SiC, GaN, AlN, and ZnO are in the spotlight as next-generation semiconductor device materials.
여기서, GaN, AlN 및 ZnO 에 비해 SiC는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한, SiC는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열 전도도를 가지고 있으며, 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있다. 특히, SiC 단결정 성장 기술이 현실적으로 가장 안정적으로 확보되어, 기판으로서 산업적 생산 기술이 가장 앞서있다. Here, compared to GaN, AlN and ZnO, SiC is excellent in thermal stability and excellent in oxidation resistance. In addition, SiC has an excellent thermal conductivity of about 4.6W / Cm ℃, has the advantage that can be produced as a large diameter substrate of 2 inches or more in diameter. In particular, SiC single crystal growth technology is most stably secured in reality, and industrial production technology is at the forefront as a substrate.
그런데, 상기한 SiC 단결정은 화학양론적인 용액으로부터 성장시키기 위해서는 열역학적으로 다이아몬드합성과 비슷한 100,000 기압 이상의 압력과 3,200 ℃ 이상의 온도가 필요하다. 따라서, 주로 승화 방식을 이용한 PVT(Physical Vapor Transport)법, 즉 종자정 성장 승화법(seeded growth sublimation)을 산업적으로 많이 이용하여 단결정을 제조하고 있다.However, in order to grow from the stoichiometric solution, the SiC single crystal requires a pressure of 100,000 atm or more and a temperature of 3,200 ° C. or more which is thermodynamically similar to that of diamond. Therefore, single crystals are mainly manufactured by industrially using PVT (Physical Vapor Transport) method, that is, seed growth growth sublimation method, which mainly uses sublimation.
상기 종자정 성장 승화법은 고온에서 밀폐형으로 진행되기 때문에 성장 중 내부를 관찰하기 힘들다. 따라서, 실시간으로 성장이 진행되는 상황을 정확히 알 필요가 있다. 따라서, 내부를 관찰할 수 없는 SiC 단결정의 성장 상태를 보다 정확히 예측하여 고품질의 SiC 단결정을 성장하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. Since the seed crystal growth sublimation proceeds in a closed manner at high temperature, it is difficult to observe the inside during growth. Therefore, it is necessary to know exactly what is going on in real time. Therefore, many studies have been conducted to grow high quality SiC single crystals more accurately by predicting the growth state of SiC single crystals that cannot be observed inside.
실시예는 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다. Embodiments can grow high quality single crystals.
실시예에 따른 단결정 성장률 조절 장치는, 원료를 수용하는 내부 도가니; 및 상기 내부 도가니의 무게를 측정하는 무게 측정부를 포함한다.Single crystal growth rate control apparatus according to the embodiment, the inner crucible for accommodating the raw material; And a weight measuring unit for measuring the weight of the inner crucible.
실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법은, 원료의 단위시간 당 무게 변화량을 측정하는 단계; 상기 단위시간 당 무게 변화량을 이용해 단결정의 단위시간 당 성장률을 도출하는 단계; 및 상기 성장률과 기준성장률을 비교해서 상기 성장률을 조절하는 단계를 포함한다.Single crystal growth rate control method according to the embodiment, the step of measuring the weight change per unit time of the raw material; Deriving a growth rate per unit time of a single crystal using the weight change amount per unit time; And adjusting the growth rate by comparing the growth rate with the reference growth rate.
실시예에 따른 단결정 성장률 조절 장치는, 무게 측정부를 포함한다. 상기 무게 측정부를 통해 상기 탄화규소 원료의 감소량을 실시간으로 측정할 수 있다. 상기 측정된 원료의 감소량을 이용해 탄화규소 단결정의 성장률을 계산할 수 있다. 기존의 데이터 베이스(data base)를 참고한 예상 성장률이 아니라 실시간으로 측정하여 계산한 성장률을 통하여 보다 정확한 성장률을 도출할 수 있다. 따라서, 측정된 성장률을 통해 기준성장률의 범위에 포함되는 일정한 성장률을 유지함으로써 고품질의 단결정을 제공할 수 있다. The single crystal growth rate adjusting apparatus according to the embodiment includes a weight measuring unit. The amount of reduction of the silicon carbide raw material may be measured in real time through the weight measuring unit. The growth rate of the silicon carbide single crystal may be calculated using the measured amount of reduction of the raw material. It is possible to derive more accurate growth rate through the growth rate measured and calculated in real time rather than the expected growth rate referring to the existing database. Therefore, it is possible to provide a high quality single crystal by maintaining a constant growth rate included in the range of the reference growth rate through the measured growth rate.
실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법에서는, 상기 단결정 성장률을 실시간으로 측정하여, 성장률을 조절할 수 있다.In the single crystal growth rate control method according to the embodiment, the growth rate can be adjusted by measuring the single crystal growth rate in real time.
도 1은 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 장치의 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법의 흐름도이다.
도 3은 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법을 설명하기 위한 제1 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법을 설명하기 위한 제2 단면도이다.
도 5는 발열 유도부의 위치에 따른 외부 도가니의 상부와 외부 도가니의 하부의 온도구배를 나타낸 그래프이다. 1 is a cross-sectional view of a single crystal growth rate control apparatus according to the embodiment.
2 is a flowchart illustrating a method of controlling single crystal growth rate according to an embodiment.
3 is a first cross-sectional view for describing a single crystal growth rate adjusting method according to an embodiment.
4 is a second cross-sectional view for describing a single crystal growth rate adjusting method according to an embodiment.
5 is a graph showing a temperature gradient of an upper portion of the outer crucible and a lower portion of the outer crucible according to the position of the heat generating induction part.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. In the description of embodiments, each layer, region, pattern, or structure may be “on” or “under” the substrate, each layer, region, pad, or pattern. Substrate formed in ”includes all formed directly or through another layer. Criteria for the top / bottom or bottom / bottom of each layer will be described with reference to the drawings.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. The thickness or the size of each layer (film), region, pattern or structure in the drawings may be modified for clarity and convenience of explanation, and thus does not entirely reflect the actual size.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1을 참조하여, 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 장치의 단면도이다.Referring to Figure 1, the single crystal growth rate control apparatus according to the embodiment will be described in detail. 1 is a cross-sectional view of a single crystal growth rate control apparatus according to the embodiment.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 장치는, 내부 도가니(100), 외부 도가니(120), 상부 덮개(140), 종자정 홀더(160), 포커싱 튜브(180), 서셉터(200), 무게 측정부(300), 반사부(400), 제1 온도 센서(420), 제2 온도 센서(430), 단열재(500), 석영관(550), 발열 유도부(710), 제어부(720), 압력 조절부(730) 및 가스 흐름 조절부(740)를 포함한다.1, the single crystal growth rate adjusting apparatus according to the present embodiment includes an
상기 내부 도가니(100)는 원료(130)를 수용할 수 있다. 상기 원료(130)는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 더 구체적으로는, 상기 원료(130)는 탄화규소 화합물을 포함할 수 있다. 상기 내부 도가니(100)는 탄화규소 분말(SiC powder) 또는 폴리카보실란(polycarbosilane) 을 수용할 수 있다. The
상기 내부 도가니(100)는 상기 원료(130)를 수용할 수 있도록 원통형의 형상을 가질 수 있다. The
상기 내부 도가니(100)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다. The
일례로, 상기 내부 도가니(100)는 흑연으로 제작될 수 있다. For example, the
또한, 상기 내부 도가니(100)는 흑연에 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 상기 물질은, 탄화규소 단결정(190)이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물 또는 금속 질화물을 이용할 수 있다. 특히, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 탄소를 포함하는 탄화물이 도포될 수 있다. 또한, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 질소를 포함하는 질화물이 도포될 수 있다. In addition, the
이어서, 상기 외부 도가니(120)는 상기 내부 도가니(100)를 둘러싸면서 위치할 수 있다. 상기 외부 도가니(120)는 상기 내부 도가니(100)에 수용된 원료(130)가 단결정(190)으로 성장할 수 있도록 상기 내부 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 외부 도가니(120)는 상기 내부 도가니(100)와 이격되어 위치한다. 상기 외부 도가니(120)는 상기 내부 도가니(100)와 일정한 간격(G)을 가지면서 위치할 수 있다. 즉, 상기 외부 도가니(120)는 상기 내부 도가니(100)에 밀착되지 않도록 위치할 수 있다. 이는, 상기 외부 도가니(120)가 상기 내부 도가니(100)의 어느 한 부분이라도 접촉하게 되면, 상기 내부 도가니(100)만의 무게를 측정하는데 방해가 되기 때문이다. 즉, 상기 간격(G)은 미세한 양을 측정해야 하는 상기 무게 측정부(300)에 영향을 주지 않도록 할 수 있다. 따라서, 상기 내부 도가니(100)만의 무게를 측정할 수 있다.Subsequently, the
상기 외부 도가니(120)는 앞서 설명한 상기 내부 도가니(100)와 같은 물질을 포함할 수 있다.The
상기 외부 도가니(120)의 상부에 상부 덮개(140)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 상기 외부 도가니(120)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100) 내에서 반응이 일어날 수 있도록 밀폐시킬 수 있다. An
상기 상부 덮개(140)는 흑연을 포함할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 상부 덮개(140)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다. The
상기 상부 덮개(140)의 하단부에 종자정 홀더(160)가 위치한다. 상기 종자정 홀더(160)는 종자정(170)을 고정시킬 수 있다. 상기 종자정 홀더(160)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다. The
상기 종자정(170)은 상기 종자정 홀더(160)에 부착된다. 상기 종자정(170)이 상기 종자정 홀더(160)에 부착됨으로써, 성장된 단결정(190)이 상기 상부 덮개(140)에까지 성장되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 종자정(170)은 상기 상부 덮개(140)에 직접 부착될 수 있다.The
상기 포커싱 튜브(180)는 상기 외부 도가니(120) 내부에 위치한다. 상기 포커싱 튜브(180)는 단결정(190)이 성장하는 부분에 위치할 수 있다. 상기 포커싱 튜브(180)는 승화된 탄화규소 가스의 이동통로를 좁게 하여 승화된 탄화규소의 확산을 상기 종자정(170)으로 집속시킬 수 있다. 이를 통해 단결정(190)의 성장률을 높일 수 있다. The focusing
이어서, 상기 서셉터(200)는 상기 내부 도가니(100)의 하단부에 위치할 수 있다. 상기 서셉터(200)는 상기 내부 도가니(100)를 지지한다.Subsequently, the
상기 서셉터(200)는 상기 내부 도가니(100)를 지지하면서, 상기 내부 도가니(100) 및 상기 무게 측정부(300)를 연결할 수 있다. The
상기 서셉터(200)는 상기 내부 도가니(100)를 지지하는 지지부(210) 및 상기 무게 측정부(300)에 연결되는 연결부(220)를 포함할 수 있다. The
상기 지지부(210)는 상기 내부 도가니(100)의 하단부를 받치도록 위치할 수 있다. The
상기 연결부(220)는 상기 내부 도가니(100) 및 상기 무게 측정부(300)를 연결할 수 있다. 상기 연결부(220)는 상기 내부 도가니(100)의 하부로 길게 연장되는 형상을 가질 수 있다. The
이어서, 상기 무게 측정부(300)는 상기 내부 도가니(100)의 하부에 위치할 수 있다. 상기 무게 측정부(300)는 상기 서셉터(200)의 연결부(220)에 의해 상기 내부 도가니(100)와 연결될 수 있다.Subsequently, the
상기 무게 측정부(300)는 상기 내부 도가니(100) 및 상기 서셉터(200)를 지지할 수 있다. The
상기 무게 측정부(300)는 상기 내부 도가니(100)의 무게를 측정한다. 즉, 상기 내부 도가니(100)에 수용되는 상기 원료(130)의 무게를 포함한 상기 내부 도가니(100) 전체의 무게를 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 원료(130), 상기 내부 도가니(100) 및 상기 서셉터(200)의 무게를 측정할 수 있다. 따라서, 상기 무게 측정부(300)를 통해 측정된 무게에서 상기 내부 도가니(100) 및 상기 서셉터(200)의 무게를 빼면, 상기 원료(130)만의 무게를 알 수 있다. 즉, 상기 무게 측정부(300)를 통해 상기 원료(130)의 감소량을 알 수 있다.The
상기 무게 측정부(300)는 로드셀(load cell)(320)일 수 있다. 상기 원료(130)의 감소량은 시간당 1 g 내지 50 g 의 적은 양이기 때문에 정밀한 측정을 위해 분해능이 높은 로드셀(320)을 사용할 수 있다. The
로드셀(320)이란 구조물이나 특정기구에 작용하는 하중이나 힘의 크기를 계측할 수 있는 센서를 말한다. 상기 로드셀(320)은 마그네틱, 정전용량 및 스트레인 게이지 방식이 있다.The
일반적으로 로드셀(320)은 스트레인 게이지 방식의 로드셀(320)을 이용한다. 스트레인 게이지란 금속 탄성체에 하중이 가해졌을 때 탄성체의 변형량(스트레인)을 전기저항의 변화를 이용하여 측정하는 것으로써 탄성체의 변형량은 하중의 크기에 비례하고 탄성체의 전기 저항은 그 변형량에 비례하는 원리를 이용하는 방식이다.In general, the
즉, 상기 로드셀(320)은 무게를 받으면 압축되거나 늘어나는 등 변형이 되는데, 이 변형량을 변형측정장치가 전기신호로 검출한 뒤 컴퓨터 장치에 의해 디지털 신호로 바꾸면 무게가 숫자로 나타낼 수 있으며, 매우 정확하게 무게를 측정하는 것이다.That is, the
상기 내부 도가니(100)를 지지하는 서셉터(200)의 하단부에는 복수개의 로드셀(320)이 설치될 수 있다. A plurality of
상기 로드셀(320)에 의해 측정된 측정데이터는 제어판(310)에 의해 인지될 수 있다.Measurement data measured by the
탄화규소 단결정(190)은 고온에서 밀폐형으로 진행되기 때문에 성장 중 내부를 관찰하기가 어렵다. 따라서, 실시간으로 성장이 진행되는 상황을 정확히 알 필요가 있다. 본 실시예에서는 상기 무게 측정부(300)를 통해 상기 탄화규소 원료(130)의 감소량을 실시간으로 측정할 수 있다. 상기 측정된 원료(130)의 감소량을 이용해 탄화규소 단결정(190)의 성장률을 계산할 수 있다. 따라서, 측정된 단결정(190)의 성장률을 통해 일정한 성장률을 유지함으로써 고품질의 단결정(190)을 제공할 수 있다.Silicon carbide
이어서, 상기 반사부(400)는 상기 내부 도가니(100)의 하부에 위치할 수 있다. 상기 반사부(400)는 상기 내부 도가니(100)와 상기 무게 측정부(300) 사이에 위치할 수 있다. 상기 반사부(400)는 상기 서셉터(200)의 상기 연결부(220)에 위치할 수 있다.Subsequently, the
상기 반사부(400)는 상기 내부 도가니(100) 하부의 온도를 측정하기 위해 이용될 수 있다. 상기 반사부(400)는 상기 내부 도가니(100)의 하부에서 나오는 광을 반사시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 반사부(400)는 상기 광을 상기 무게 측정부(300)에 영향을 주지 않는 위치로 반사시킬 수 있다.The
이렇게 반사된 광은 제1 온도 센서(420)로 입사할 수 있다. 상기 제1 온도 센서(420)는 상기 내부 도가니(100)의 온도를 측정할 수 있다. The reflected light may be incident to the
상기 제1 온도 센서(420)는 일례로, 광온도계(optical pyrometer)를 포함할 수 있다. 상기 내부 도가니(100)의 내부는 2000 ℃이상의 고온으로 온도계를 직접 삽입할 수 없다. 따라서, 상기 광온도계를 이용하여 온도를 측정할 수 있다. 또한, 상기 반사부(400)가 광을 반사시키므로 상기 제1 온도 센서(420)가 상기 내부 도가니(100) 하부에 위치하는 상기 무게 측정부(300)에 영향을 주지 않는 위치에서 온도를 측정할 수 있다.The
일반적으로, 상기 제1 온도 센서(420)는 상기 내부 도가니(100) 하부에 위치하여 온도를 측정할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는 상기 내부 도가니(100)의 하부에 상기 무게 측정부(300)가 위치하므로, 이로 인하여 상기 제1 온도 센서(420)에 간섭을 줄 수 있다. 따라서, 좀더 정확한 온도 측정을 위하여 상기 반사부(400)로 광을 반사시킬 수 있다. 이로 통해, 상기 제1 온도 센서(420)가 상기 내부 도가니(100)의 하부에 직접 위치하지 않아도 온도를 측정할 수 있도록 할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 무게 측정부(300)가 상기 제1 온도 센서(420)에 간섭을 주지 않도록 설치되어 상기 반사부(400)를 생략할 수 있다.In general, the
이어서, 제2 온도 센서(430)는 상기 외부 도가니(120)의 상부에 위치할 수 있다. 따라서, 상기 제2 온도 센서(430)는 상기 외부 도가니(120)의 상부의 온도를 측정할 수 있다. 이로써, 단결정(190)의 성장률을 측정할 수 있다. Subsequently, the
이어서, 상기 단열재(500)는 상기 외부 도가니(120)를 둘러싼다. 상기 단열재(500)는 상기 외부 도가니(120)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 단열재(500)는 탄화규소의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 펠트를 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 단열재(500)는 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 단열재(500)는 복수의 층으로 형성되어 상기 외부 도가니(120)를 둘러쌀 수 있다.Subsequently, the
상기 석영관(550)은 상기 외부 도가니(120)의 외주면에 위치한다. 상기 석영관(550)은 상기 외부 도가니(120)의 외주면에 끼워진다. 상기 석영관(550)은 상기 발열 유도부(710)에서 단결정 성장장치의 내부로 전달되는 열을 차단할 수 있다. 상기 석영관(550)은 내부가 빈 중공형의 관일 수 있다. 상기 석영관(550)의 내부 공간에 냉각수가 순환될 수 있다. 따라서, 상기 석영관(550)은 단결정(190)의 성장 속도, 성장 크기 등을 보다 정확하게 제어할 수 있다.The
상기 발열 유도부(710)는 상기 석영관(550) 외부에 위치한다. The heat
상기 발열 유도부(710)는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 외부 도가니(120) 및 상기 내부 도가니(100)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 내부 도가니(100)에 수용되는 상기 원료(130)를 원하는 온도로 가열할 수 있다.The heat
상기 발열 유도부(710)에서 유도 가열되는 중심 영역이 외부 도가니(120)의 중심부보다 낮은 위치에 형성된다. 따라서, 상기 외부 도가니(120)의 상부 및 하부에 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 즉, 발열 유도부(710)의 중심부인 핫존(hot zone, HZ)이 상기 외부 도가니(120)의 중심에서 상대적으로 낮은 위치에 형성되어, 핫존(HZ)을 경계로 상기 외부 도가니(120)의 하부의 온도가 상기 외부 도가니(120) 상부의 온도보다 높게 형성된다. 상기 외부 도가니(120)의 하부에 원료(130)를 수용하고 있는 내부 도가니(100)가 위치하므로, 상기 내부 도가니(100)의 온도가 높게 형성된다. 또한, 상기 내부 도가니(100)의 내부 중심부에서 외곽 방향을 따라 온도가 높게 형성된다. 이러한 온도구배로 인하여 탄화규소 원료(130)의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(170)의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정(190)으로 성장된다.The central region inductively heated by the heat generating
상기 제어부(720)는 상기 발열 유도부(710)에 연결된다. 상기 제어부(720)는 상기 발열 유도부(710)를 상하로 이동시킬 수 있다. 상기 제어부(720)는 상기 발열 유도부(710)를 상하로 이동시킴으로써, 상기 핫존(HZ)의 위치를 이동시킬 수 있다. 즉, 상기 제어부(720)는 상기 외부 도가니(120)의 상부 및 상기 외부 도가니(120) 하부의 온도구배를 조절할 수 있다. 이로써 단결정(190)의 성장률을 조절할 수 있다.The
상기 압력 조절부(730)는 상기 성장률 조절 장치에 연결된다. 상기 압력 조절부(730)는 펌프(734) 및 밸브(732)를 포함할 수 있다. 상기 압력 조절부(730)는 상기 성장률 조절 장치 내의 공정 압력을 조절할 수 있다. The
상기 펌프(734)의 동작으로 성장률 조절 장치 내부에 진공을 유지시킬 수 있다. Operation of the
상기 밸브(732)는 성장률 조절 장치 내의 아르곤가스를 빼줌으로써 공정 압력을 낮출 수 있다. 공정 압력이 너무 높아졌을 때, 상기 밸브(732)를 통해 공정 압력을 조절할 수 있다. The
상기 가스 흐름 조절부(740)는 상기 성장률 조절 장치에 연결된다. 상기 가스 흐름 조절부(740)는 가스의 흐름을 측정하고 조절할 수 있다. 상기 가스 흐름 조절부(740)는 가스 유량 제어 장치(mass flow controller, MFC)일 수 있다. The
또한, 상기 가스 흐름 조절부(740)는 일정한 진공 상태에서 아르곤가스가 투입 되어 공정 압력을 유지 시킬 수 있다. 이때 공정 압력은 실리콘 단결정(190)을 성장 시킬 때 불순물을 제거하는 역할을 한다. 이를 통해, 순도가 높고, 특성이 우수한 실리콘 단결정(190)을 성장시킬 수 있다.In addition, the
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 단결정 성장률 조절 방법에 대해 상세하게 설명한다. Hereinafter, the single crystal growth rate adjusting method will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 5.
도 2는 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법의 흐름도이다. 도 3은 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법을 설명하기 위한 제1 단면도이다. 도 4는 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법을 설명하기 위한 제2 단면도이다. 도 5는 발열 유도부의 위치에 따른 외부 도가니의 상부와 외부 도가니의 하부의 온도구배를 나타낸 그래프이다.2 is a flowchart illustrating a method of controlling single crystal growth rate according to an embodiment. 3 is a first cross-sectional view for describing a single crystal growth rate adjusting method according to an embodiment. 4 is a second cross-sectional view for describing a single crystal growth rate adjusting method according to an embodiment. 5 is a graph showing a temperature gradient of an upper portion of the outer crucible and a lower portion of the outer crucible according to the position of the heat generating induction part.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 실시예에 따른 단결정 성장률 조절 방법은 무게 변화량을 측정하는 단계(ST100), 성장률을 도출하는 단계(ST200) 및 성장률을 조절하는 단계(ST300)를 포함한다.2 to 4, the single crystal growth rate adjusting method according to the embodiment includes measuring a weight change amount (ST100), deriving a growth rate (ST200), and adjusting the growth rate (ST300).
상기 무게 변화량을 측정하는 단계(ST100)에서는, 내부 도가니(100)에 수용된 원료(130)의 단위시간 당 무게 변화량을 측정할 수 있다. 상기 무게 변화량을 측정하는 단계(ST100)는, 상기 내부 도가니(100)에 연결된 무게 측정부(300)를 통해 수행될 수 있다. 상기 무게 측정부(300)는 상기 내부 도가니(100)의 무게를 실시간으로 측정함으로써 원료(130)의 감소량을 알 수 있다.In the step of measuring the weight change amount (ST100), the weight change amount per unit time of the
이어서, 성장률을 도출하는 단계(ST200)는, 상기 단위시간 당 무게 변화량을 이용해 도출할 수 있다. 구체적으로, 상기 성장률을 도출하는 단계(ST200)는 다음 <수식1>을 통해 계산할 수 있다.Subsequently, the step of deriving the growth rate (ST200) may be derived using the weight change amount per unit time. Specifically, the step of deriving the growth rate (ST200) can be calculated through the following Equation 1.
<수식1> G = ΔW/(π x r2 x ρ)<Equation 1> G = ΔW / (π x r2 x ρ)
여기서, G는 단위시간 당 성장률, ΔW는 단위시간 당 무게 변화량, r은 단결정(190)의 반지름 및 ρ은 단결정(190) 밀도이다. 상기 무게 변화량을 측정하는 단계(ST100)에서 측정된 무게 변화량을 상기 <수식1>의 ΔW에 넣고 성장률을 계산할 수 있다.Here, G is the growth rate per unit time, ΔW is the amount of change in weight per unit time, r is the radius of the
이를 통해, 기존의 데이터 베이스(data base)를 참고한 예상 성장률이 아니라 실시간으로 측정하여 계산한 성장률로 보다 정확한 성장률을 도출할 수 있다.Through this, it is possible to derive a more accurate growth rate with the growth rate measured and calculated in real time, rather than the expected growth rate referring to the existing database.
이어서, 성장률을 조절하는 단계(ST300)를 거친다. 상기 성장률을 조절하는 단계(ST300)에서는, 상기 성장률을 도출하는 단계(ST200)로부터 계산된 성장률과 기준성장률을 비교할 수 있다. 상기 기준성장률은 대략 0.1 mm/h 내지 1.0 mm/h 이다. 따라서, 상기 성장률이 상기 기준성장률 범위 내에 있을 경우에는 조건을 변화시키지 않고 그대로 유지시킬 수 있다. 그러나 상기 성장률이 상기 기준성장률보다 높거나 낮을 경우, 상기 기준성장률 범위 내로 조절할 수 있다. 이러한 과정이 자동으로 제어됨으로써 성장률을 일정하게 유지할 수 있다. Subsequently, the growth rate is adjusted (ST300). In the adjusting of the growth rate (ST300), the growth rate calculated from the derivation of the growth rate (ST200) and the reference growth rate can be compared. The reference growth rate is approximately 0.1 mm / h to 1.0 mm / h. Therefore, when the growth rate is within the reference growth rate range, the conditions can be maintained without changing the conditions. However, when the growth rate is higher or lower than the reference growth rate, it can be adjusted within the reference growth rate range. This process is automatically controlled to keep the growth rate constant.
상기 성장률이 일정하게 유지됨으로써 단결정(190) 내 결함을 줄일 수 있고, 도핑 농도를 균일하게 할 수 있어 고품질의 단결정(190)을 제조할 수 있다.By maintaining the growth rate constant, defects in the
상기 성장률을 조절하는 단계(ST300)에서는, 온도구배 조절, 압력 조절 및 가스 흐름 조절 등을 할 수 있다.In the controlling of the growth rate (ST300), temperature gradient control, pressure control, and gas flow control may be performed.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 상기 온도구배 조절을 통해 상기 성장률을 조절하는 방법을 상세하게 설명한다. 3 to 5, a method of controlling the growth rate by controlling the temperature gradient will be described in detail.
상기 성장률을 조절하는 단계(ST300)에서는, 온도구배를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 석영관(550) 외부에 있는 발열 유도부(710)의 위치를 조절하여 성장률을 조절할 수 있다. 즉, 상기 발열 유도부(710)의 위치를 조절하여 온도구배를 조절할 수 있다. In the controlling of the growth rate (ST300), it may include adjusting a temperature gradient. 3 and 4, the growth rate may be controlled by adjusting the position of the heat generating
상기 온도구배는 외부 도가니(120)의 상부와 외부 도가니(120)의 하부의 온도 차이를 말한다. 즉, 상기 외부 도가니(120)의 상부에 위치하는 단결정(190)과 상기 외부 도가니(120)의 하부에 위치하는 원료(130)는 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 일반적으로, 상기 외부 도가니(120)의 상부는 2000 ℃ 이상의 가열온도 영역을 형성하고, 상기 외부 도가니(120)의 하부는 상기 외부 도가니(120)의 상부보다 높은 가열온도 영역을 형성한다. 이는, 발열 유도부(710)의 중심부인 핫존(HZ)이 외부 도가니(120)의 하부 즉, 내부 도가니(100)가 위치하는 곳에 형성되기 때문이다.The temperature gradient refers to the temperature difference between the upper portion of the
여기서, 상기 외부 도가니(120)의 상부에서 성장하는 단결정(190)의 성장 온도는 일정해야 한다. 상기 단결정(190)의 내부의 결함을 방지하기 위해서이다. 따라서, 상기 온도구배를 조절하는 단계는, 상기 외부 도가니(120)의 하부의 온도를 바꿔줌으로써 이루어질 수 있다. Here, the growth temperature of the
상기 성장률을 도출하는 단계(ST200)를 통해 계산된 성장률에 관한 정보가 제어부(720)에 전달되고, 상기 제어부(720)가 상기 발열 유도부(710)의 위치를 조절함으로써 온도구배를 조절할 수 있다. Information about the growth rate calculated through the derivation of the growth rate (ST200) is transmitted to the
상기 성장률을 도출하는 단계(ST200)에서, 상기 성장률이 상기 기준성장률 보다 낮을 경우, 온도구배를 높여 상기 성장률을 높일 수 있다. In the derivation of the growth rate (ST200), when the growth rate is lower than the reference growth rate, the growth rate may be increased by increasing the temperature gradient.
도 3 및 도 5를 참조하면, 발열 유도부(710)의 위치를 낮추면, 상기 단결정(190)의 온도(t)와 상기 내부 도가니(100)의 온도(T2)와의 온도구배(L2)가 기존의 온도구배(L1)보다 커지게 된다. 이로써, 단결정(190)의 성장률이 높아질 수 있다. 3 and 5, when the position of the heat generating
상기 성장률을 도출하는 단계(ST200)에서, 상기 성장률이 상기 기준성장률 보다 높을 경우, 온도구배를 낮추어 상기 성장률을 낮출 수 있다. In the derivation of the growth rate (ST200), when the growth rate is higher than the reference growth rate, the growth rate may be lowered by lowering the temperature gradient.
도 4를 참조하면, 발열 유도부(710)의 위치를 높이면, 상기 단결정(190)의 온도(t)와 상기 내부 도가니(100)의 온도(T3)와의 온도구배(L3)가 기존의 온도구배(L1)보다 작아지게 된다. 이로써, 단결정(190)의 성장률이 낮아질 수 있다.Referring to FIG. 4, when the position of the heat generating
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 상기 압력 조절을 통해 상기 성장률을 조절하는 방법을 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method of controlling the growth rate through the pressure control will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.
먼저, 압력 조절부(730)를 이용하여 성장률을 조절할 수 있다. First, the growth rate may be adjusted using the
구체적으로, 상기 성장률을 도출하는 단계(ST200)에서, 상기 성장률이 상기 기준성장률 보다 낮을 경우, 성장률 조절 장치 내부의 압력을 낮추어 상기 성장률을 높일 수 있다. 즉, 진공을 유지하는 아르곤 가스의 양을 줄임으로써, 단결정(190)의 성장 속도를 더 빠르게 할 수 있다. Specifically, in the step of deriving the growth rate (ST200), when the growth rate is lower than the reference growth rate, the growth rate can be increased by lowering the pressure inside the growth rate control apparatus. In other words, by reducing the amount of argon gas that maintains the vacuum, the growth rate of the
상기 압력 조절부(730)는 성장률 조절 장치 내 가스의 양을 조절하는 밸브(732)를 포함한다. 따라서 압력을 낮추기 위해, 상기 밸브(732)를 열어 성장률 조절 장치 내 가스를 뺄 수 있다. The
이와 유사하게, 상기 성장률을 도출하는 단계(ST200)에서, 상기 성장률이 상기 기준성장률보다 높을 경우, 압력을 높여 상기 성장률을 낮출 수 있다. 즉, 진공 상태를 유지하여 단결정(190)의 성장 속도를 느리게 할 수 있다. Similarly, in the step of deriving the growth rate (ST200), when the growth rate is higher than the reference growth rate, the pressure may be increased to lower the growth rate. That is, the growth rate of the
압력을 높이기 위해, 상기 밸브(732)를 닫아 성장률 조절 장치내 가스를 유지할 수 있다. 또한, 성장률 조절 장치 내에 가스를 유입하여 압력을 높일 수 있다.In order to increase the pressure, the
이어서, 상기 가스 흐름 조절을 통해 상기 성장률을 조절하는 방법을 상세하게 설명한다. Next, a method of controlling the growth rate through the gas flow control will be described in detail.
상기 성장률 조절 장치 외부에 있는 가스 흐름 조절부(740)를 이용하여 성장률을 조절할 수 있다. 상기 가스 흐름 조절부(740)는 일례로, 가스 유량 제어 장치일 수 있다. 이 경우, 상기 가스 유량 제어 장치에 값을 입력하여 가스 흐름을 조절할 수 있다. The growth rate may be adjusted using the
구체적으로, 상기 성장률을 도출하는 단계(ST200)에서, 상기 성장률이 상기 기준성장률보다 높을 경우, 가스 흐름을 느리게 하여 상기 성장률을 낮출 수 있다. Specifically, in the step of deriving the growth rate (ST200), when the growth rate is higher than the reference growth rate, the growth rate may be lowered by slowing the gas flow.
이와 유사하게, 상기 성장률이 상기 기준성장률보다 낮을 경우, 가스 흐름을 빠르게 하여 상기 성장률을 높일 수 있다. Similarly, when the growth rate is lower than the reference growth rate, the gas flow may be increased to increase the growth rate.
이상으로, 온도구배 조절, 압력 조절 및 가스 흐름 조절을 통한 성장률 조절에 관해 설명했으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 단결정 성장률에 영향을 미치는 다른 조건들을 변화시켜 상기 성장률을 조절할 수 있다.As described above, the growth rate control through the temperature gradient control, the pressure control, and the gas flow control has been described, but the embodiment is not limited thereto. Thus, the growth rate can be controlled by changing other conditions affecting the single crystal growth rate.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The features, structures, effects and the like described in the foregoing embodiments are included in at least one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to one embodiment. In addition, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. It can be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments may be modified. It is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.
Claims (13)
상기 내부 도가니의 무게를 측정하는 무게 측정부를 포함하는 단결정 성장률 조절 장치.An internal crucible to accommodate the raw material; And
Single crystal growth rate control apparatus comprising a weight measuring unit for measuring the weight of the inner crucible.
상기 내부 도가니를 지지하는 서셉터를 포함하는 단결정 성장률 조절 장치.The method of claim 1,
And a susceptor for supporting the inner crucible.
상기 무게 측정부와 상기 서셉터가 연결되는 단결정 성장률 조절 장치.The method of claim 2,
Single crystal growth rate control device is connected to the weight measuring unit and the susceptor.
상기 내부 도가니를 수용하는 외부 도가니를 더 포함하고,
상기 내부 도가니와 상기 외부 도가니는 서로 이격되는 단결정 성장률 조절 장치.The method of claim 3,
Further comprising an outer crucible for receiving the inner crucible,
The inner crucible and the outer crucible are single crystal growth rate control device spaced apart from each other.
상기 외부 도가니의 일측에는 열을 가하는 발열 유도부를 포함하는 단결정 성장률 조절 장치.5. The method of claim 4,
One side of the outer crucible single crystal growth rate control device including a heat generation induction portion for applying heat.
상기 발열 유도부에 연결되고, 상기 발열 유도부를 제어하는 제어부를 포함하는 단결정 성장률 조절 장치.The method of claim 5,
And a control unit connected to the exothermic induction part and controlling the exothermic induction part.
상기 내부 도가니와 상기 무게 측정부 사이에 반사부를 포함하는 단결정 성장률 조절 장치. The method of claim 1,
Single crystal growth rate control device including a reflector between the inner crucible and the weight measuring unit.
상기 반사부로부터 반사된 광이 입사하여 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 단결정 성장률 조절 장치.The method of claim 7, wherein
And a temperature sensor for measuring the temperature by the incident light reflected from the reflector.
상기 단위시간 당 무게 변화량을 이용해 단결정의 단위시간 당 성장률을 도출하는 단계; 및
상기 성장률과 기준성장률을 비교해서 상기 성장률을 조절하는 단계를 포함하는 단결정 성장률 조절 방법.Measuring a weight change amount per unit time of the raw material;
Deriving a growth rate per unit time of a single crystal using the weight change amount per unit time; And
And controlling the growth rate by comparing the growth rate and the reference growth rate.
상기 단위시간 당 무게 변화량을 측정하는 단계는, 상기 원료를 포함하는 내부 도가니의 무게를 측정함으로써 이루어지는 단결정 성장률 조절 방법.10. The method of claim 9,
The step of measuring the weight change amount per unit time, single crystal growth rate control method made by measuring the weight of the internal crucible containing the raw material.
상기 단위시간 당 성장률을 도출하는 단계는 하기의 <수식 1>로 표시되는 단결정 성장률 조절 방법.
<수식 1> G = ΔW/(πx r2 xρ)
여기서, G는 단위시간 당 성장률, ΔW는 단위시간 당 무게 변화량, r은 단결정의 반지름 및 ρ은 단결정 밀도. The method of claim 10,
Deriving the growth rate per unit time is a single crystal growth rate control method represented by the following formula (1).
Equation 1 G = ΔW / (πx r 2 xρ)
Where G is the growth rate per unit time, ΔW is the weight change per unit time, r is the radius of the single crystal and ρ is the single crystal density.
상기 성장률을 조절하는 단계는, 상기 단결정과 상기 원료의 온도 구배를 조절하는 단계를 포함하는 단결정 성장률 조절 방법.The method of claim 11,
The controlling the growth rate, the single crystal growth rate control method comprising the step of adjusting the temperature gradient of the single crystal and the raw material.
상기 성장률을 조절하는 단계는, 내부 압력을 조절하는 단결정 성장률 조절 방법.The method of claim 11,
The controlling the growth rate, the single crystal growth rate control method for adjusting the internal pressure.
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