KR20130007109A - 탄화규소 단결정 성장 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액상 성장(Solution growth)에 의하여 탄화규소 단결정을 성장시키기 위한 장치 및 그 방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치는 진공 상태의 반응실; 상기 반응실의 내부에 제공되며, 내부에 실리콘(Si), 또는 탄화규소(SiC) 분말 또는 이들의 혼합물이 장입되고 내측 상부에 탄화규소가 성장하는 탄화규소 종자정과 상기 탄화규소 종자정으로부터 연장되어 형성되어 있는 종자정 연결봉이 제공되어 있는 그래파이트 재질의 도가니; 및 상기 도가니를 가열하기 위한 발열체;를 포함한다. 도가니의 내부에는 적어도 측면에 다수의 기공이 형성되어 있는 그래파이트 재질의 원통형 보조구가 제공된다.
Description
본 발명은 액상 성장(Solution growth)에 의하여 탄화규소 단결정을 성장시키기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 그라파이트(Graphite) 도가니에 함유된 탄소가 주원료인 실리콘 액상 속으로 원활하게 녹아들어갈 수 있도록 하여 탄화규소 단결정이 빠른 속도로 성장할 수 있게 하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 재료로 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 실리콘에 비해 우수한 특성을 가지고 있는 차세대 반도체 재료로서 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄 등의 화합물 반도체 재료가 널리 연구되고 있다. 그 중에서도 특히 탄화규소는 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 열적 안정성 및 화학적 안정성이 뛰어나고, 열전도도가 4W/cm2 이상으로 매우 클 뿐만 아니라 동작 한계 온도가 실리콘의 200℃ 이하와 비교하여 650℃ 이하일 정도로 매우 높다. 또한 결정 구조가 3C 탄화규소, 4H 탄화규소, 6H 탄화규소인 경우에 모두 밴드갭이 2.5eV 이상으로서 실리콘과 비교하여 2배 이상으로 인해 고전력 및 저손실 변환장치용 반도체 재료로서 매우 우수하여, 최근 LED와 같은 광반도체 및 전력 변환용 반도체 재료로서 주목받고 있다.
통상적으로 탄화규소 단결정의 성장을 위해서는, 예를 들어, 탄소와 실리카를 2000℃ 이상의 고온 전기로에서 반응시키는 애치슨(Acheson) 방법, 탄화규소(SiC)를 원료로 하여 2000℃ 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법이 있다. 이외에도, 기체 소스를 사용하여 화학적으로 증착시키는 방법이 사용되고 있다.
그러나, 애치슨(Acheson) 방법은 고순도의 탄화규소 단결정을 얻기가 매우 어렵고, 화학적 기상 증착법은 박막으로서만 두께가 제한된 수준으로 성장시킬 수 있다. 이에 따라 고온에서 탄화규소를 승화시켜 결정을 성장시키는 승화법에 대한 연구에 집중되어 왔다. 그러나, 승화법 역시 일반적으로 2200℃ 이상의 고온에서 이루어지고, 미세결함(micropipe) 및 적층결함(stacking fault)과 같은 여러 결함이 발생할 가능성이 많아 생산단가적 측면에서 한계가 있는 문제점을 안고 있다.
이러한 승화법의 문제점을 해결하고자 초크랄스키법(Czochralski, 결정인상법: crystal pulling method)을 응용한 액상 성장법이 도입되었다. 초크랄스키법은 융액으로부터 단결정(單結晶)을 육성하는 방법이다. 결정 형상이나 성질은 인상속도(성장속도), 회전속도, 온도기울기 또는 결정방위에 따라 결정된다. 탄화규소 단결정을 위한 액상 성장법은 일반적으로 그래파이트 도가니 안에 실리콘 또는 탄화규소 분말을 장입한 후 약 1600℃에서 1900℃의 고온으로 승온하여 도가니 상부에 위치한 탄화규소 종자정 표면에서부터 결정이 성장되도록 한다. 그러나 이러한 방법으로는 결정 성장의 속도가 50㎛/hr 이하로 매우 낮아 경제성이 떨어진다.
일본공개특허 제2004-2173호에서는 실리콘 외에 티타늄(Ti) 혹은 망간(Mn)을 일정 비율로 실리콘(Si)과 함께 혼합하여 결정 성장 속도를 높였다.
또한, 일본공개특허 제2006-143555호에서는 실리콘 외에도 철(Fe)과 코발트(Co)를 일정 비율로 실리콘(Si)과 함께 사용하여 결정 성장 속도를 높였다고 보고하고 있다. 이러한 방법들은 실리콘 이외의 금속을 혼합하여 공융점(Eutectic point)을 형성시켜 실리콘 용액 내의 탄소 용해도를 증대시키는 효과를 발생시켜 탄화규소 단결정 속도가 증대되었다. 그러나 여전히 탄소원으로 사용되는 그라파이트 도가니 내부 표면적중 금속 용융물과 접촉되는 면적이 작다는 한계점을 가지고 있다.
또한 탄화규소 단결정 성장을 위한 액상 성장법의 경우, 결정성장용 탄소는 통상적으로는 그래파이트(Graphite) 도가니(crucible)을 사용한다. 즉, 그래파이트 도가니를 구성하고 있는 탄소 원자가 액상으로 분리되면서, 이후 용액내로 퍼지고는 그 중 일부가 탄화규소 단결정 성장지점으로 이동하여 단결정이 성장된다. 그러나 탄소 원자가 공급되는 도가니 주변의 탄소 농도와 탄소 원자가 탄화규소로 합성되면서 사라지는 단결정 성장 주위의 탄소 농도에는 차이가 발생하게 된다. 따라서 고온으로 운영되고 밀폐된 성장로내에서 도가니 내 용액 중의 탄소 농도를 균일하게 하므로써, 실제적으로는 단결정 성장 주위의 탄소 농도를 높일 필요가 있다. 이를 위해 통상 초크랄스키법에 사용되는 방법과 같이 종자정이 고정되어 있는 종자정 고정봉을 회전시키거나 그리고/혹은 도가니를 회전시켜 용액내의 탄소농도 균일도를 높인다.
본 발명은 종래기술의 한계점을 개선하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 탄화규소 단결정의 성장을 보다 빠르게 할 수 있는 탄화규소 성장 장치 및 그 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
일정한 압력 상태의 반응실;
상기 반응실의 내부에 제공되며, 내부에 실리콘(Si), 또는 탄화규소(SiC) 분말 또는 이들의 혼합물이 장입되고 내측 상부에 탄화규소가 성장하는 탄화규소 종자정과 상기 탄화규소 종자정으로부터 연장되어 형성되어 있는 종자정 연결봉이 제공되어 있는 그래파이트 재질의 도가니; 및
상기 도가니를 가열하기 위한 발열체;를 포함하며,
적어도 측면에 다수의 기공이 형성되어 있는 그래파이트 재질의 원통형 보조구가 상기 도가니의 내부에 제공되어 있는 탄화규소 단결정 성장 장치를 제공한다.
상기 원통형 보조구의 두께가 1mm 이상이고, 구멍의 직경이 2mm이상인 것이 바람직하다. 두께가 상기 수치보다 작으면 제작하기가 어려울 뿐만 아니라, 성장 도중에 깨져서 형상을 유지하기가 어렵다. 또한 구멍의 크기가 상기 수치보다 작으면 가공성도 나쁘고, 오히려 도가니내부에서 인입되는 탄소의 흐름이 방해를 받아 탄화규소 단결정 성장에 장애가 될 수 있다.
본 발명에 있어, 상기 탄화규소 종자정은 상기 종자정 연결봉의 도움으로 상기 도가니에 대하여 회전 가능하게 제공될 수도 있다. 뿐만 아니라, 이러한 탄화규소 종자정은 종자정 연결봉의 도움으로 상기 도가니에 대하여 상하로 움직일 수 있게 제공된다.
본 발명에 있어, 상기 도가니의 하부에 상기 도가니를 회전시킬 수 있는 회전 지지체가 제공된다. 이러한 회전 지지체에 의해 반응실의 내부에 배치된 도가니 자체가 회전할 수 있게 되고, 이로써 도가니의 내부에 충진되어 있는 실리콘(Si)과 탄소가 더 빠른 접촉 기회를 가져 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킨다.
본 발명에 있어, 상기 발열체는 도가니 주변의 어디에 배치되어도 무방하나, 원통형 보조구의 작동성을 증대시키기 위해 도가니의 외주면에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 발열체로는 발열 특성 또는 발열 작동을 하는 어떠한 발열체도 사용될 수 있지만, 대표적으로 예를 들어 저항식 발열체 또는 유도 가열식 발열체가 사용될 수 있다. 상기 발열체에 의한 도가니 내부에서의 온도 구배는 상하 방향으로 5℃/cm2 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어, 상기 반응실의 내부에는 아르곤 또는 헬륨 기체와 같은 비활성기체가 충진되며, 반응실 내부의 압력은 0.3~50Kgf/cm2로 유지된다. 통상은 1kgf/cm2에서 2kgf/cm2에서 성장시키나, 압력이 높으면 높을수록 성장속도는 증가할 수 있다. 이러한 분위기를 유지하기 위해서는 예를 들어 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 실린더가 밸브를 통해 연결될 수 있다. 본 명세서를 숙지한 당업자라면 반응실의 내부를 진공 상태로 유지할 수 있는 다른 다양한 수단을 인지하고 있을 것이다.
본 발명의 보다 바람직한 구체예에 있어, 상기 원통형 보조구의 하부에는 일정한 방향으로 유체의 흐름을 유도할 수 있는 그래파이트 재질의 날개형 보조구가 더 제공된다. 이러한 날개형 보조구는 탄화수소 종자봉의 회전에 의한 유체 흐름 및/또는 도가니의 하부에 제공되어 있는 회전체에 의한 도가니의 회전에 따른 유체 흐름을 일방향으로 선택적으로 배향되게 하는 역할을 하여 탄소 등의 물질이 탄화규소 종자봉에 더 빠르고 더 많은 접촉 기회를 부여하여 탄화수소 단결정의 형성 속도를 증대시키게 된다.
본 발명에 의하면, 탄화규소 종자정 주위의 탄소 농도가 증가하게 되어 탄화규소 단결정의 성장 속도가 증대된다.
도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 요부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 다공성 그래파이트 재질의 원통형 보조구의 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치에 제공되어 있는 도가니 내에서의 유체 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 보다 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 요부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 그래파이트 재질의 날개형 보조구의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 보다 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치에 제공되어 있는 그래파이트 재질의 날개형 보조구를 통해 유도된 유체의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 다공성 그래파이트 재질의 원통형 보조구의 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치에 제공되어 있는 도가니 내에서의 유체 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 보다 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 요부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 그래파이트 재질의 날개형 보조구의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 보다 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치에 제공되어 있는 그래파이트 재질의 날개형 보조구를 통해 유도된 유체의 흐름을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 더 상세하게 설명된다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 요부가 개략적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 다공성 그래파이트 재질의 원통형 보조구가 개략적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1에 도시된 탄화규소 단결정 성장 장치에 제공되어 있는 도가니 내에서의 유체 흐름이 도해되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치(1)는 반응실(10), 상기 반응실(10)의 내부에 제공되어 있는 도가니(30), 상기 도가니(30)를 가열하기 위한 발열체(50), 및 상기 도가니(30)의 내부에 제공되어 있는 원통형 보조구(70)를 포함한다.
반응실(10)에는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 기체가 채워지며, 압력은 0.3~50kgf/cm2의 수준에서 사용된다. 이러한 분위기 유지를 위하여, 도면에는 도시되지 않았지만, 반응실(10)에는 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 실린더가 밸브를 통해 연결된다. 본 명세서를 숙지한 당업자라면 반응실의 분위기를 유지하기 위한 다양한 다른 수단을 인지하고 있을 것이다.
도가니(30)는 상기한 바와 같이 반응실(10)의 내부에 제공되며, 도가니(30)의 내부에는 실리콘(Si) 또는 탄화규소(SiC) 분말 또는 이들의 혼합물이 장입된다. 도가니(30)는 그래파이트 재질로 만들어지며, 도가니(30) 그 자체가 탄소의 공급원으로도 활용될 수 있다.
도가니(30)의 내측 상부에는 도시된 바와 같이 종자정 연결봉(34)의 도움으로 탄화규소가 성장하는 탄화규소 종자정(32)이 제공된다. 종자정 연결봉(34)은 도가니(30)의 상단부에 대하여 필요시 회전 가능하게 제공된다. 아울러, 종자정 연결봉(34)은 도가니(30)의 상단부에 대하여 단결정이 성장함에 따라 필요시 상하로 움직일 수 있도록 제공된다. 이에 따라 탄화규소 종자정(32)도 함께 회전이 가능하게 제공되며 또한 상하로 움직일 수 있도록 제공되는 것이다. 이러한 구성은 비록 도면상에는 도시되어 있지 않지만 본 명세서를 숙지한 당업자에게는 자명할 것이다.
도가니(30)의 외주면측에는 도시된 바와 같이 발열체(50)가 제공된다. 이러한 발열체(50)로는 발열 특성을 갖는 어떠한 것이든 사용될 수 있지만, 본 발명에서는 저항식 발열체 또는 유도 가열식 발열체가 바람직하게 사용될 수 있다.
도가니(30)의 내부에는 도시된 바와 같이 그래파이트 재질의 원통형 보조구(70)가 제공된다. 이러한 원통형 보조구(70)에는 특히 도 2에 도시된 바와 같이 이의 측면에 다수의 기공(72)이 형성된다. 이러한 그래파이트 재질의 원통형 보조구(70)는 실리콘이 함유된 용액 내로 더 많은 탄소가 용해되어 단결정이 성장되는 주위의 탄소 농도를 높이도록 함으로써 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킨다.
이러한 원통형 보조구(70)에서는 그 자체로서 탄소 공급원이 되는 동시에 도 3에 도시된 바와 같이 발열체(50)에 의한 도가니(30)의 가열, 필요에 따른 탄화수소 종자정(32)의 회전 및/또는 후술되어 있는 회전 지지체(40)의 회전에 의해 발생된 실리콘 및 첨가물의 원통형 보조구(70)의 기공(72)을 통한 흐름에 의해 탄소 공급원의 공급 속도가 더욱 더 빨라지게 된다. 이때, 원통형 보조구(70)로부터의 탄소 용해량이 증가하게 되는 동시에 상기와 같은 흐름에 의해 탄화규소 종자정의 결정 성장 부위 주위의 탄소 농도를 더욱 더 증대시게 되고, 결과적으로 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시키는 결과를 가져오게 되는 것이다.
또한, 도가니(30)의 하부에는 회전 지지체(40)가 제공되어 있다. 이러한 회전 지지체(40)는 필요시 회전 작동하여 도가니(30)를 일정한 속도로 회전할 수 있도록 한다. 이러한 회전에 의해서도 도가니(30)로부터의 탄소와 원통형 보조구(70)로부터의 탄소가 실리콘 함유 용액에 빨리 용해되며 그러한 회전에 의해 탄화규소 종자정(32) 주위의 탄소 농도가 증가하게 되어 탄화규소 단결정의 성장 속도가 더욱 더 증가되게 한다.
도 4에는 본 발명의 보다 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 요부가 개략적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4에 도시된 그래파이트 재질의 날개형 보조구가 개략적으로 도시되어 있으며, 도 6에는 본 발명의 보다 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치에 제공되어 있는 그래파이트 재질의 날개형 보조구를 통해 유도된 유체의 흐름이 도해되어 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 보다 바람직한 구체예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치에는 상기한 구체예에 더하여 도가니(30)의 바닥에 그래파이트 재질의 날개형 보조구(90)가 추가로 구성된다.
본 발명에서는 본 발명의 일부 구성에 속하는 그래파이트 재질의 날개형 보조구(90)가 상기한 원통형 보조구(70)와 함께 제공되어 있으나, 본 명세서를 충분히 숙지한 당업자라면 상기한 원통형 보조구(70) 없이 단독으로 제공될 수 있음을 인지할 것이다.
다시 도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일부 구성에 속하는 그래파이트 재질의 날개형 보조구(90)는 도가니(30)의 바닥에 일정한 배향의 유체 흐름을 유도할 수 있도록 제공된다. 날개형 보조구(90)는 단독으로 제공될 수 있으며, 상기한 원통형 보조구(70)와 함께 제공될 수 있다. 날개형 보조구(90)가 상기한 원통형 보조구(70)와 함께 제공되는 경우, 원통형 보조구(70) 내의 하단에 제공되거나 원통형 보조구(70)와 일정한 거리만큼 이격된 상태로 별도로 제공될 수 있다. 날개형 보조구(90)가 원통형 보조구(70)와 일정한 거리만큼 이격된 상태로 별도로 제공되는 경우에는 원통형 보조구(70)는 도가니(30)의 바닥면, 내주면 또는 상측 내측면으로부터의 별도의 수단에 의해 공간적으로 고정되거나 날개형 보조구(90)로부터의 별도의 수단에 의해 공간적으로 이격되게 고정되어야 할 것이다.
날개형 보조구(90)는 특히 도 5에 도시된 바와 같이 일방향으로 유체가 흐를 수 있도록 구성된다. 또한, 날개형 보조구(90)는 그래파이트 재질로 만들어지므로 그 자체로서 탄소 공급원으로 이용된다. 이와 같은 일방향 흐름을 유도할 수 있는 날개형 보조구(90)는 탄화규소 종자정(32) 및/또는 회전 지지체(40)에 의한 회전 흐름이 발생되는 경우 그 흐름을 더욱 더 배가하여 탄화규소 종자정(32) 주위의 탄소 농도를 높이게 된다. 탄화규소 종자정(32) 및/또는 회전 지지체(40)에 의한 회전 흐름이 없는 경우에도 발열체(40)에 의한 도가니(30)의 가열에 의해 발생된 유체의 흐름을 일방향으로 유도하게 되므로 탄화규소 종자정(32) 주위의 탄소 농도를 높여 최종적으로는 탄화규소 단결정이 성장되는 주위에서의 탄소 농도가 높아질 수 있게 한다. 본 발명에서는 날개형 보조구(90)로서 2개의 날개 구조만이 도시되어 있으나, 날개의 숫자 및 형태는 도 3 내지 도 5에 도시된 개수와 구조로 한정되는 것은 아니다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 구체예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 반응실 30 : (그래파이트 재질의) 도가니
32 : 탄화규소 종자정 34 : 종자정 연결봉
50 : 발열체 70 : (그래파이트 재질의) 원통형 보조구
72 : 기공 90 : 날개형 보조구
32 : 탄화규소 종자정 34 : 종자정 연결봉
50 : 발열체 70 : (그래파이트 재질의) 원통형 보조구
72 : 기공 90 : 날개형 보조구
Claims (9)
- 일정한 압력 상태의 반응실;
상기 반응실의 내부에 제공되며, 내부에 실리콘, 또는 탄화규소(SiC) 분말 또는 이들의 혼합물이 장입되고 내측 상부에 탄화규소가 성장하는 탄화규소 종자정과 상기 탄화규소 종자정으로부터 연장되어 형성되어 있는 종자정 연결봉이 제공되어 있는 그래파이트 재질의 도가니; 및
상기 도가니를 가열하기 위한 발열체;를 포함하며,
적어도 측면에 다수의 기공이 형성되어 있는 그래파이트 재질의 원통형 보조구가 상기 도가니의 내부에 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 원통형 보조구의 하부에 일정한 방향으로 유체의 흐름을 유도할 수 있는 그래파이트 재질의 날개형 보조구가 더 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 원통형 보조구의 두께는 1mm 이상이고, 기공의 크기는 2mm 이상인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄화규소 종자정은 상기 종자정 연결봉의 도움으로 상기 도가니에 대하여 회전 가능하게 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 도가니의 하부에 배치되어 상기 도가니를 회전시킬 수 있는 회전 지지체가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 발열체는 상기 도가니의 외주면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 발열체는 저항식 발열체 또는 유도 가열식 발열체인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 발열체에 의한 도가니 내부에서의 온도 구배는 상하방향으로 5℃/cm2 이상인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응실의 내부에 아르곤 또는 헬륨 기체가 충진되어 있으며, 상기 반응실 내부 압력이 0.3~50 kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
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