KR20120138110A - 잉곳 제조 장치 - Google Patents

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KR20120138110A
KR20120138110A KR1020110057427A KR20110057427A KR20120138110A KR 20120138110 A KR20120138110 A KR 20120138110A KR 1020110057427 A KR1020110057427 A KR 1020110057427A KR 20110057427 A KR20110057427 A KR 20110057427A KR 20120138110 A KR20120138110 A KR 20120138110A
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crucible
auxiliary heating
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ingot manufacturing
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KR1020110057427A
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허선
신동근
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 및 상기 도가니에 배치되는 보조 발열부를 포함한다.

Description

잉곳 제조 장치{APPARATUS FOR FABRICATING INGOT}
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, 원료의 수평영역에 온도구배가 형성된다. 상기 온도구배는 상기 도가니와의 거리에 따라 형성된다. 따라서, 상기 원료의 승화량에 차이가 나게 된다. 상기 온도구배에 의해 단결정이 볼록한 형상을 가지게 되고, 상기 단결정 내에 결함이 발생할 수 있다.
실시예는 단결정의 곡률을 평탄하게 하여, 잉곳의 수율을 높일 수 있고, 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 및 상기 도가니에 배치되는 보조 발열부를 포함한다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 보조 발열부를 포함한다.
상기 보조 발열부는 상기 원료의 수평영역에 형성되는 온도구배를 균일하게 형성할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에서는, 상기 원료 내에 상기 보조 발열부를 위치시킴으로써, 상기 원료에 형성되는 온도구배를 균일하게 형성할 수 있다. 따라서, 상기 원료의 승화가 균일하게 일어나 원료의 효율적인 소진이 일어날 수 있다. 또한, 상기 온도구배에 의해 단결정이 볼록한 형상을 갖게 되는 것을 방지할 수 있고, 상기 단결정이 평평하게 성장할 수 있다. 따라서, 상기 단결정으로부터 제조되는 웨이퍼 등의 수율을 높일 수 있다. 또한, 상기 단결정의 볼록한 정도가 적을수록 상기 단결정의 결함발생 확률이 낮다. 이로써, 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
또한, 상기 보조 발열부로 인해, 상기 원료가 높은 온도를 유지하기 때문에 승화량이 많아지게 되고, 단결정의 성장률을 증가시킬 수 있다. 이러한 성장률 증가는 단결정 성장 공정 시간을 단축시킬 수 있고, 전력 소모량을 감소시킬 수 있다. 또한, 원료 사용의 효율성이 증대된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 3는 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 도가니 평면도이다.
도 4는 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 5는 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 도가니 평면도이다.
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 1을 참조하여, 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(10)는, 도가니(100), 보조 발열부(120), 상부 덮개(140), 종자정 홀더(160), 포커싱 튜브(180), 단열재(200), 석영관(400) 및 발열 유도부(500)를 포함한다.
상기 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 도가니(100)는 탄화규소 분말(SiC powder) 또는 폴리카보실란(polycarbosilane) 을 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(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.
상기 도가니(100)의 상부에 상부 덮개(140)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(200)는 상기 도가니(100)에서 반응이 일어날 수 있도록 밀폐시킬 수 있다.
상기 상부 덮개(140)는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 보조 발열부(120)는 상기 도가니(100) 내에 배치된다. 구체적으로, 상기 보조 발열부(120)는 상기 원료(130) 내에 배치될 수 있다.
상기 보조 발열부(120)는 상기 도가니(100) 하부에서 상기 도가니(100)의 길이방향으로 연장될 수 있다. 상기 보조 발열부(120)는 원기둥 형상일 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 보조 발열부(120)는 연장되는 다양한 형상일 수 있다.
상기 보조 발열부(120)의 직경(D)은 0.5 cm 내지 2 cm 일 수 있다. 상기 보조 발열부(120)의 직경(D)이 0.5 cm 미만일 경우, 상기 보조 발열부(120)가 부러지거나 손상될 수 있다. 상기 보조 발열부(120)의 직경(D)이 2 cm 초과할 경우, 상대적으로 상기 원료(130)가 수용되는 공간이 줄어들 수 있다.
상기 보조 발열부(120)는 상기 도가니(100)의 중앙에 위치할 수 있다.
상기 보조 발열부(120)는 그라파이트, 탄화규소 및 탄탈륨으로 이루어진 군에서 선택된 물질을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 물질들은 상기 발열 유도부(500)에 의해서 자체 발열을 하는 물질이다. 따라서, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 보조 발열부(120)는 2000 ℃ 이상에서도 변형이 없고, 자체 발열이 가능한 다양한 물질들을 포함할 수 있다.
상기 보조 발열부(120)는 상기 원료(130)의 수평영역에 형성되는 온도구배를 균일하게 형성할 수 있다. 따라서, 상기 원료의 승화가 균일하게 일어나 원료의 효율적인 소진이 일어날 수 있다. 또한, 상기 온도구배에 의해 단결정(190)이 볼록한 형상을 갖게 되는 것을 방지할 수 있고, 상기 단결정(190)이 평평하게 성장할 수 있다. 따라서, 상기 단결정(190)으로부터 제조되는 웨이퍼 등의 수율을 높일 수 있다.
또한, 상기 단결정(190)의 볼록한 정도가 적을수록 상기 단결정(190)의 결함발생 확률이 낮다. 이로써, 고품질의 단결정(190)을 성장시킬 수 있다.
이어서, 상기 보조 발열부(120)로 인해, 상기 원료(130)가 높은 온도를 유지하기 때문에 승화량이 많아지게 되고, 단결정(190)의 성장률을 증가시킬 수 있다. 이러한 성장률 증가는 단결정 성장 공정 시간을 단축시킬 수 있고, 전력 소모량을 감소시킬 수 있다. 또한, 원료 사용의 효율성이 증대된다.
종래에는, 원료의 수평영역에 온도구배가 형성되었다. 상기 온도구배는 상기 도가니(100)와의 거리에 따라 형성된다. 즉, 상기 도가니(100)는 상기 발열 유도부(500)에 의해 스스로 발열되고, 상기 도가니(100)와 가까운 곳, 즉, 외곽부(EA)에 위치한 원료(130)는 온도가 높다. 그러나, 상기 도가니(100)와 상대적으로 멀리 떨어진 곳, 즉, 중심부(CA)에 위치한 원료(130)는 온도가 낮다.
따라서, 상기 원료(130) 표면(132)에서 상기 원료(130)의 승화량에 차이가 나게 된다. 상기 외곽부(EA)에 위치한 원료(130)의 표면(132)에서의 승화량이 많고, 상기 중심부(CA)에 위치한 원료(130)의 표면(132)에서의 승화량은 상대적으로 적게 된다. 이러한 온도구배는 시간이 지날수록 더욱 커지게 된다. 이는, 상기 외곽부(EA)에 위치한 원료(130)의 승화량이 많음에 따라, 상기 외곽부(EA)에 위치한 원료(130)의 흑연화현상(graphitization)에 의해 상기 외곽부(EA)의 온도가 더욱 높아지기 때문이다.
이러한 온도구배 및 승화량 차이로 인해 단결정이 볼록한 형상으로 성장하게 되고, 상기 단결정으로부터 제조되는 웨이퍼의 수율도 낮아질 수 있다.
이어서, 체결부(120a)는 상기 도가니(100) 하부와 상기 보조 발열부(120)를 연결할 수 있다. 즉, 상기 체결부(120a)는 상기 보조 발열부(120)가 상기 도가니(100) 내부에 고정되도록 할 수 있다. 상기 체결부(120a)는 일례로, 나사결합이 될 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 체결부(120a)는 상기 보조 발열부(120)가 고정될 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 상부 덮개(140)의 하단부에 종자정 홀더(160)가 위치한다. 즉, 상기 종자정 홀더(160)는 상기 원료(130) 상에 배치된다.
상기 종자정 홀더(160)는 종자정(170)을 고정시킬 수 있다. 상기 종자정 홀더(160)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 포커싱 튜브(180)는 상기 도가니(100) 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.
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(190) 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 도가니(100)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 도가니(100)에 수용되는 상기 원료를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
상기 발열 유도부(500)에서 유도 가열되는 중심 영역이 상기 도가니(100)의 중심부보다 낮은 위치에 형성된다. 따라서, 상기 도가니(100)의 상부 및 하부에 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 즉, 발열 유도부(500)의 중심부인 핫존(hot zone, HZ)이 상기 도가니(100)의 중심에서 상대적으로 낮은 위치에 형성되어, 핫존(HZ)을 경계로 상기 도가니(100)의 하부의 온도가 상기 도가니(100) 상부의 온도보다 높게 형성된다. 또한, 상기 도가니(100)의 내부 중심부에서 외곽 방향을 따라 온도가 높게 형성된다. 이러한 온도구배로 인하여 탄화규소 원료의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(170)의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정(190)으로 성장된다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위하여 제1 실시예와 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 3는 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 도가니 평면도이다.
제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(20)는 도가니(100) 및 보조 발열부(120)를 포함한다.
상기 보조 발열부(120)는 상기 도가니(100) 내에 적어도 하나 이상 포함될 수 있다. 복수개의 보조 발열부(120)는 서로 이격되어 위치할 수 있다. 구체적으로, 상기 보조 발열부(120)는 1 cm 내지 6 cm 간격(G1)으로 배치될 수 있다.
제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(10)의 상기 보조 발열부(120)는 서로 대응되는 간격(G1)으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 보조 발열부(120)는 일정한 간격(G1)을 두고 배치될 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 설명한다. 도 4는 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 5는 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 도가니 평면도이다.
제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(30)는 도가니(100) 및 보조 발열부(122)를 포함한다.
상기 도가니(100)는 중심부(CA) 및 상기 중심부(CA)를 둘러싸는 외곽부(EA)를 포함한다.
상기 보조 발열부(122)는 복수개가 포함될 수 있다. 상기 보조 발열부(122)는 상기 외곽부(EA)보다 상기 중심부(CA)에 더 많이 배치될 수 있다.
즉, 상기 보조 발열부(122) 사이의 간격(G2)은 상기 외곽부(EA)보다 상기 중심부(CA)에서 더 좁게 형성될 수 있다.
이는 원료(130)의 수평영역에서의 온도구배를 고려한 것이다. 즉, 상대적으로 상기 도가니(100)와 멀리 떨어져 있어 낮은 온도영역을 형성하고 있는 상기 중심부(CA)에, 상기 보조 발열부(122)를 더 많이 배치할 수 있다. 이로써, 상기 원료(130)의 수평영역에서의 온도구배를 균일하게 할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
먼저 단결정 성장로 내부의 단열재 및 가열온도구간을 고려하여 제작된 도가니를 준비한다. 아울러 상기 도가니 내에 장입되는 탄화규소 분말의 충진 높이와 동일한 길이를 갖고, 그라파이트를 포함하는 보조 발열부를 준비한다. 상기 보조 발열부의 한쪽 끝을 상기 도가니의 중심 바닥에 합체시킨다.
상기 도가니 내에 탄화규소 분말 500 g을 장입한다. 이때, 상기 탄화규소 분말이 상기 보조 발열부 주위로 균일하게 충진되도록 도가니를 조금씩 돌려가며 분말을 장입하고, 도가니를 두드려 분말의 충분한 충진을 유도한다. 상부덮개를 닫고 성장준비를 완료한 후 통상의 단결정 성장 공정에 맞춰 실험을 실시한다. 2100 ℃의 성장온도에서 30시간 동안 성장하였다.
비교예
보조 발열부를 설치하지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 성장하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 단결정 성장이 완료된 후, 10 시간 동안 천천히 상온으로 냉각을 하였다. 이후, 상부 덮개를 해체하고 도가니를 회수하여 분말의 소진상황을 관찰하였다.
상기 실시예에서는 500 g의 탄화규소 원료 중 80 % 가 소진되었다. 또한, 도가니 바닥부분에 위치한 원료 전체가 소진되었고, 도가니 상부에 위치한 원료 일부분이 남았다. 상기 비교예에서는 500 g의 탄화규소 원료 중 30 % 가 소진되었다. 또한, 도가니 바닥부분 중 외곽에 위치한 원료만이 소진되고, 나머지 부분의 원료는 잔류하여 오히려 소결이 진행되는 양상을 보였다.
위의 결과를 통해, 보조 발열부를 포함한 상기 실시예에서 원료의 소진이 더욱 효율적임을 확인할 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 (12)

  1. 원료를 수용하는 도가니; 및
    상기 도가니에 배치되는 보조 발열부를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 발열부는 상기 원료 내에 배치되는 잉곳 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보조 발열부는 상기 도가니 하부에서 상기 도가니의 길이방향으로 연장되는 잉곳 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보조 발열부는 적어도 하나 이상 포함되는 잉곳 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보조 발열부는 서로 이격되어 위치하는 잉곳 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조 발열부는 1 cm 내지 6 cm 간격으로 배치되는 잉곳 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보조 발열부의 간격은 서로 대응되는 잉곳 제조 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 도가니는 중심부 및 상기 중심부를 둘러싸는 외곽부를 포함하고,
    상기 보조 발열부는 상기 중심부가 상기 외곽부보다 더 많이 배치되는 잉곳 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보조 발열부는 그라파이트, 탄화규소 및 탄탈륨으로 이루어진 군에서 선택된 물질을 적어도 하나 이상 포함하는 잉곳 제조 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 보조 발열부는 원기둥 형상인 잉곳 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보조 발열부의 직경은 0.5 cm 내지 2 cm 인 잉곳 제조 장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 도가니 하부와 상기 보조 발열부 사이에 체결부가 형성되는 잉곳 제조 장치.
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