KR20120136219A - 잉곳 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 및 상기 도가니는 서로 반대되는 상부 및 하부를 포함하고, 상기 상부 및 하부 각각에 위치하는 종자정 홀더를 포함한다.
Description
본 기재는 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기, 전자 산업분야 및 기계부품 분야에 있어서의 소재의 중요도는 매우 높아 실제 최종 부품의 특성 및 성능지수를 결정하는 중요한 요인이 되고 있다.
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.
SiC의 경우, 종자정을 사용하여 승화재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법이 제시되어 있다. 원료가 되는 탄화규소 분말을 도가니 내에 수납하고 그 상부에 종자정이 되는 탄화규소 단결정을 배치한다. 상기 원료와 종자정 사이에 온도구배를 형성함으로써 도가니 내의 원료가 종자정 측으로 확산되고 재결정화되어 단결정이 성장된다.
이러한 단결정 성장 시, 70 시간 이상의 장기간이 소요되어 단결정의 수율이 낮다는 문제점이 있다. 또한, 단결정의 수율을 높이기 위해, 단결정의 성장률을 높이면 단결정의 품질이 낮아지게 된다는 문제점이 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 및 상기 도가니는 서로 반대되는 상부 및 하부를 포함하고, 상기 상부 및 하부 각각에 위치하는 종자정 홀더를 포함한다.
실시예는 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있고, 수율을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서는, 도가니 상부 및 하부 각각에 종자정 홀더가 위치한다. 이로써, 상기 도가니 상부 및 하부에서 단결정을 성장시킬 수 있다. 즉, 한 번의 단결정 성장 공정으로 두 개의 단결정을 성장시킬 수 있다. 이로써, 공정 비용 및 공정 시간을 절감할 수 있다. 또한, 고품질의 단결정을 성장하면서도 동시에 단결정의 수율을 높일 수 있다.
또한, 상기 상부 및 하부에 서로 다른 결정구조를 갖는 단결정을 성장시킬 수 있다. 단결정은 결정구조에 따라 물리적 특성과 전기적 특성이 상이하고, 각각의 특성에 따라 단결정이 응용되는 분야가 달라질 수 있다. 따라서, 결정구조가 서로 다른 단결정을 성장시킴으로써 공정의 다양성 및 효율성을 높일 수 있다.
이어서, 단결정 성장 원료로써, 규소 및 탄소를 포함하는 폴리머가 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 원료는 폴리카보실란일 수 있다. 종래의 SiC 분말 대신, 상기 폴리카보실란을 원재료로 이용함으로써, 공정 시간을 단축하고 공정을 단순화할 수 있다. 이는, 종래의 SiC 분말을 제조하기 위한 합성 공정을 생략할 수 있기 때문이다. 즉, 상기 폴리카보실란을 원재료로 이용함으로써, SiC 원료의 합성과 성장을 동시에 진행할 수 있다.
또한, 상기 SiC 분말을 합성한 후, 상기 도가니에 상기 SiC 분말을 충전할 때, 원재료가 오염되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 단결정으로의 불순물 혼입을 막을 수 있고, 고품질의 단결정을 성장할 수 있다.
또한, 상기 폴리카보실란이 섬유상이기 때문에 분말 사용시 발생할 수 있는 분진 문제를 미연에 방지할 수 있다.
이어서, 상기 섬유상의 폴리카보실란을 원료로 사용함으로써, 원료의 완전 소진을 유도할 수 있다. 이로써, 공정 시, 투입원료 대비 생성되는 단결정의 정량화가 가능하다. 또한, 단결정 생산 후, 원료를 전량 소진할 수 있어 도가니 내 원료의 회수 및 재사용의 번거로움을 방지할 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 필터부를 포함한다. 상기 필터부는 특정 성분을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 원료로부터 승화되는 물질은 SiC2, Si2C, Si 및 C 불순물을 포함하는데, 상기 필터부는 C 불순물을 흡착할 수 있다. 즉, 상기 원료로부터 생성된 C 불순물이 단결정 성장 과정에 참여하는 것을 방지할 수 있다. 상기 C 불순물이 상기 단결정으로 이동할 경우, 상기 단결정에 결함을 발생시킬 수 있는데, 상기 필터부를 통해 이를 방지할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
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.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 도가니(100), 상부 덮개(142), 하부 덮개(144), 종자정 홀더(162, 164), 필터부(122, 124), 단열재(200), 석영관(400) 및 발열 유도부(500)를 포함한다.
상기 도가니(100)는 원료(130)를 수용할 수 있다.
상기 도가니(100)는 상기 원료(130)를 수용할 수 있도록 원통형의 형상을 가질 수 있다.
상기 도가니(100)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 도가니(100)는 흑연으로 제작될 수 있다.
또한, 도가니(100)는 흑연에 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 상기 물질은, 탄화규소 단결정(192, 194)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.
상기 도가니(100)는 서로 반대되는 상부(102) 및 하부(104)를 포함한다. 상기 도가니(100)는 상기 상부(102) 및 하부(104)가 뚫려있는 형상일 수 있다.
이어서, 상기 도가니(100)의 상부(102)에 상부 덮개(142)가 위치할 수 있다. 또한, 상기 도가니(100)의 하부(102)에 하부 덮개(144)가 위치할 수 있다.
상기 상부 덮개(142) 및 상기 하부 덮개(144)는 상기 도가니(100)의 상부(102) 및 하부(104)에 위치함으로써, 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(142) 및 상기 하부 덮개(144)는 흑연을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 종자정 홀더(162, 164)는 제1 종자정 홀더(162) 및 제2 종자정 홀더(164)를 포함한다. 상기 상부 덮개(142)의 하단부에 제1 종자정 홀더(162)가 위치한다. 또한, 상기 하부 덮개(144)의 하단부에는 제2 종자정 홀더(164)가 위치할 수 있다. 상기 제1 및 제2 종자정 홀더(162, 164) 각각은 종자정(172, 174)들을 고정시킬 수 있다. 상기 종자정 홀더(162, 164)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다.
상기 종자정(172, 174)들은 상기 제1 및 제2 종자정 홀더(162, 164)에 각각 부착된다. 상기 종자정(172, 174)들이 상기 종자정 홀더(162, 164)에 부착됨으로써, 성장된 단결정(192, 194)들이 상기 상부 덮개(142) 및 하부 덮개(144)에까지 성장되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 종자정(172, 174)은 상기 상부 덮개(142) 또는 하부 덮개(144)에 직접 부착될 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서는, 상기 종자정 홀더(162, 164)가 상기 도가니(100)의 상부(102) 및 하부(104) 각각에 위치함으로써, 상기 상부(102)뿐만 아니라 하부(104)에서도 단결정(192, 194)을 성장시킬 수 있다. 즉, 한 번의 단결정 성장 공정으로 두 개의 단결정(192, 194)을 성장시킬 수 있다. 이로써, 공정 비용 및 공정 시간을 절감할 수 있다. 또한, 단결정의 수율을 높일 수 있다.
종래에는, 단결정의 수율을 높이기 위해, 단결정의 성장률을 높이는 방법을 사용하였으나, 이러한 방법으로 성장된 단결정은 품질이 떨어지게 된다는 문제점이 있었다. 그러나, 본 실시예에서는 고품질의 단결정을 성장하면서도 동시에 단결정의 수율을 높일 수 있다.
이어서, 상기 원료(130)는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 구체적으로는, 상기 원료(130)는 규소, 탄소, 산소 및 수소를 포함하는 화합물일 수 있다. 더 구체적으로는, 상기 원료(130)는 규소 및 탄소를 포함하는 폴리머일 수 있다. 일례로, 상기 원료(130)는 폴리카보실란(polycarbosilane)일 수 있다.
상기 폴리카보실란은 폴리실란의 한 종류로, 규소와 탄소원자가 주쇄구조로 이루어진 폴리머이다. 상기 폴리카보실란은 SiC 섬유와 같은 미세한 직경의 초고온용 고강도 섬유의 원료로 사용되는 프리 세라믹 원료이다. 상기 폴리카보실란은 고분자로서 다양한 형태로 쉽게 가공이 가능하므로 섬유상, 필름상, 다공체, 코팅등 다양한 응용이 가능한 장점이 있다. 본 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서 원료(130)로 쓰이는 폴리카보실란은 섬유상이다.
상기 섬유상의 폴리카보실란은 공지의 방법인 멜트스피닝법, 멜트블론법 및 전기방사법 중 어느 하나의 방법으로 제조될 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 섬유상의 폴리카보실란은 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 섬유상의 폴리카보실란을 상기 도가니(100)의 중심부에 쌓아 넣을 수 있다.
상기 폴리카보실란을 1240 ℃ 내지 1500 ℃ 온도에서 수시간 유지하면, 상기 폴리카보실란이 열분해를 통해 유무기 전환이 일어난다. 이후, 상기 폴리카보실란이 SiC 섬유로 변환된다. 변환된 상기 SiC 섬유를 단결정 성장온도까지 승온하면, 상기 SiC 섬유로부터 SiC2, Si2C, Si 및 C 불순물이 형성된다.
상기 SiC2, Si2C 및 Si이 승화하여, 상기 종자정(192, 194)으로 이동하여 단결정(192, 194)을 성장시킬 수 있다.
종래의 SiC 분말 대신, 상기 폴리카보실란을 원재료로 이용함으로써, 공정 시간을 단축하고 공정을 단순화할 수 있다. 이는, 종래의 SiC 분말을 제조하기 위한 합성 공정을 생략할 수 있기 때문이다. 즉, 상기 폴리카보실란을 원재료로 이용함으로써, SiC 원료의 합성과 성장을 동시에 진행할 수 있다.
또한, 상기 SiC 분말을 합성한 후, 상기 도가니(100)에 상기 SiC 분말을 충전할 때, 원재료가 오염되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 단결정으로의 불순물 혼입을 막을 수 있고, 고품질의 단결정을 성장할 수 있다.
또한, 상기 폴리카보실란이 섬유상이기 때문에 분말 사용시 발생할 수 있는 분진 문제를 미연에 방지할 수 있다.
이어서, 상기 섬유상의 폴리카보실란을 원료(130)로 사용함으로써, 원료(130)의 완전 소진을 유도할 수 있다. 이로써, 공정 시, 투입원료 대비 생성되는 단결정의 정량화가 가능하다. 또한, 단결정 생산 후, 원료를 전량 소진할 수 있어 도가니 내 원료의 회수 및 재사용의 번거로움을 방지할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 도가니(100)의 상부(102)뿐만 아니라 하부(104)에서도 단결정(194)이 성장하기 때문에, 상기 하부(104)에서 성장하는 단결정(194)의 품질에 영향이 없어야 한다. 상기 원료(130)가 기존의 SiC 분말일 경우, 상기 도가니(100) 하부(104)에 위치하는 종자정(174)으로 승화전의 분말이 낙하할 수 있다. 이는 다결정을 형성하게 되는 원인이 될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 섬유상의 원료(130)를 사용함으로써, 이를 방지할 수 있다.
이어서, 상기 도가니(100) 내부에 필터부(122, 124)가 위치할 수 있다. 구체적으로, 상기 원료(130)는 서로 반대되는 상면(132) 및 하면(134)을 포함하고, 상기 필터부(122, 124)는 상기 상면(132) 및 하면(134) 중 적어도 어느 한 면에 위치할 수 있다.
상기 필터부(122, 124)는 제1 필터부(122) 및 제2 필터부(124)를 포함한다. 상기 제1 필터부(122)는 상기 원료(130)의 상면(132)에 위치할 수 있다. 상기 제2 필터부(124)는 상기 원료(130)의 하면(134)에 위치할 수 있다.
상기 필터부(122, 124)는 특정 성분을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 필터부(122, 124)는 C 불순물을 흡착할 수 있다. 즉, 상기 원료(130)로부터 생성된 C 불순물이 상기 단결정(192, 194) 성장 과정에 참여하는 것을 방지할 수 있다. 상기 C 불순물이 상기 단결정(192, 194)으로 이동할 경우, 상기 단결정(192, 194)에 결함을 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 원료(130)의 하면(134)에 위치하는 상기 제2 필터부(124)는, 상기 원료(130)가 승화한 후 잔류 물질이 상기 도가니(100) 하부(104)에 위치하는 단결정(194)에 낙하하는 것을 방지할 수 있다.
상기 필터부(122, 124)는 1 mm 내지 10 cm의 두께(T)를 가질 수 있다. 상기 필터부(122, 124)의 두께(T)는 상기 도가니(100)의 크기 및 규모에 따라 선택될 수 있다. 상기 필터부(122, 124)가 1 mm 미만의 두께(T)를 가질 경우, 상기 두께(T)가 너무 얇아 상기 C 불순물을 흡착하는 역할을 하기 어려울 수 있다. 상기 필터부(122, 124)가 10 cm 초과의 두께(T)를 가질 경우, 상기 두께(T)가 너무 두꺼워 C 불순물 이외의 물질이 투과되는 속도가 느려질 수 있다. 즉, 상기 단결정(192, 194)을 성장하기 위한 SiC2, Si2C 및 Si이 투과되는 속도가 느려질 수 있다. 이로 인해, 단결정(192, 194)의 성장 속도가 느려질 수 있다.
상기 필터부(122, 124)는 다공질일 수 있다. 즉, 상기 필터부(122, 124)는 다수의 기공(122a, 124a)을 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 상기 기공(122a, 124a)들은 매우 작은 크기의 C 불순물 및 오염물질들을 흡착할 수 있다. 또한, 상기 필터부(122, 124)는 SiC2, Si2C 및 Si를 투과하여 상기 종자정(172, 174)으로 이동시킬 수 있다.
상기 필터부(122, 124)는 멤브레인을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 필터부(122, 124)는 탄소계 멤브레인일 수 있다.
상기 탄소계 멤브레인은 흑연분말을 압축 성형 및 하소하여 제조될 수 있다. 상기 탄소계 멤브레인은 내구성, 투과성 및 불순물 여과특성이 우수하다. 따라서, 상기 필터부(122, 124)로 상기 탄소계 멤브레인이 사용될 경우, 고품질의 단결정(192, 194)이 제조될 수 있다.
그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니므로, 상기 필터부(122, 124)는 내구성, 투과성 및 불순물 여과특성이 우수한 다양한 물질을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 단열재(200)는 상기 도가니(100)를 둘러싼다. 상기 단열재(200)는 상기 도가니(100)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 단열재(200)는 탄화규소의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 펠트를 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 단열재(200)는 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 단열재(200)는 복수의 층으로 형성되어 상기 도가니(100)를 둘러쌀 수 있다.
이어서, 상기 석영관(400)은 상기 도가니(100)의 외주면에 위치한다. 상기 석영관(400)은 상기 도가니(100)의 외주면에 끼워진다. 상기 석영관(400)은 상기 발열 유도부(500)에서 단결정 성장장치의 내부로 전달되는 열을 차단할 수 있다. 상기 석영관(400)은 내부가 빈 중공형의 관일 수 있다. 상기 석영관(400)의 내부 공간에 냉각수가 순환될 수 있다.
상기 발열 유도부(500)는 상기 도가니(100)의 외부에 위치한다. 상기 발열 유도부(500)는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 도가니(100) 및 상기 원료(130)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 도가니(100)에 수용되는 상기 원료(130)를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
상기 발열 유도부(500)를 통해, 상기 도가니(100)에서 원료(130)가 위치하는 중심부와 상기 상부(102) 및 하부(104)에 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 이러한 온도구배로 인하여 원료(130)의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(172, 174)들의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정(192, 194)으로 성장된다.
본 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서는, 상기 발열 유도부(500)의 위치를 조절하여, 상기 상부(102) 및 하부(104)의 온도를 다르게 할 수 있다. 이로써, 상기 상부(102) 및 하부(104)에 서로 다른 결정구조를 갖는 단결정(192, 194)이 성장될 수 있다. 단결정(192, 194)은 결정구조에 따라 물리적 특성과 전기적 특성이 상이하고, 각각의 특성에 따라 단결정(192, 194)이 응용되는 분야가 달라질 수 있다. 따라서, 결정구조가 서로 다른 단결정(192, 194)을 성장시킴으로써 공정의 다양성 및 효율성을 높일 수 있다.
일례로, 상기 상부(102)에서는 4H(hexagonal) 단결정(192)을 성장시키고, 상기 하부(104)에서는 6H(hexagonal) 단결정(194)을 성장시킬 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니므로, 하나의 공정에서 다양한 종류의 단결정을 제조할 수 있다.
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.
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.
Claims (11)
- 원료를 수용하는 도가니; 및
상기 도가니는 서로 반대되는 상부 및 하부를 포함하고, 상기 상부 및 하부 각각에 위치하는 종자정 홀더
를 포함하는 잉곳 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 원료는 서로 반대되는 상면 및 하면을 포함하고,
상기 상면 및 하면 중 적어도 어느 한 면에 특정 성분을 선택적으로 통과시키는 필터부를 포함하는 잉곳 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 원료가 규소 및 탄소를 포함하는 화합물인 잉곳 제조 장치. - 제3항에 있어서,
상기 원료는 규소, 탄소, 산소 및 수소를 포함하는 화합물인 잉곳 제조 장치. - 제4항에 있어서,
상기 원료는 규소 및 탄소를 포함하는 폴리머인 잉곳 제조 장치. - 제5항에 있어서,
상기 원료는 폴리카보실란인 잉곳 제조 장치. - 제2항에 있어서,
상기 필터부는 실리콘카바이드 가스를 투과시키는 잉곳 제조 장치. - 제7항에 있어서,
상기 필터부는 멤브레인을 포함하는 잉곳 제조 장치. - 제8항에 있어서,
상기 필터부는 1 mm 내지 10 cm의 두께를 가지는 잉곳 제조 장치. - 제9항에 있어서,
상기 필터부는 다공질인 잉곳 제조 장치. - 제10항에 있어서,
상기 멤브레인은 탄소계 멤브레인인 잉곳 제조 장치.
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