KR20130063675A - 단결정 성장 장치 - Google Patents

단결정 성장 장치

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KR20130063675A
KR20130063675A KR1020110130162A KR20110130162A KR20130063675A KR 20130063675 A KR20130063675 A KR 20130063675A KR 1020110130162 A KR1020110130162 A KR 1020110130162A KR 20110130162 A KR20110130162 A KR 20110130162A KR 20130063675 A KR20130063675 A KR 20130063675A
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induction heating
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crucible
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crystal growth
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KR1020110130162A
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이원재
박종휘
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동의대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 단결정 성장 장치에 관한 것으로, 원료가 장입되도록 내부공간을 가지며, 상부가 개방된 도가니와, 상기 도가니의 상부에 대응 장착된 도가니 뚜껑과, 상기 도가니 뚜껑 하부에 장착되며 종자정이 부착되는 종자정 홀더와, 상기 도가니를 감싸는 단열부재와, 상기 단열부재의 외측에 설치되고 스프링 형상으로 형성되며, 일회전하는 턴이 복수 개 형성되고, 상기 복수개의 턴 사이의 간격 중 적어도 하나가 나머지 턴 사이의 간격과 다른 유도 가열 코일을 포함하는 단결정 성장 장치가 제공된다.
또한, 유도 가열 코일은 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일 영역으로 형성되며, 상기 제 1 유도 가열 코일 영역은 종자정이 성장하는 성장 영역의 외측에 형성되고, 상기 제 2 유도 가열 코일 영역은 상기 제 1 유도 가열 코일 영역의 상부와 하부의 종자정 비성장 영역의 외측에 형성된다.
이에 따라서, 단결정 원료의 승화온도를 조절함으로써, 도가니 내부공간에 생성되는 기체상들의 비율을 용이하게 조절할 수 있고, 고품질의 단결정을 성장 시킬 수 있다.

Description

단결정 성장 장치 {SINGLE-CRYSTAL GROWING APPARATUS}
본 발명은 단결정 성장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고품질의 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치에 관한 것이다.
반도체 소자 재료로써 일반적으로 사용되는 실리콘(Si)이 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 실리콘카바이드(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN), 알루미늄나이트라이드(AlN) 및 산화아연(ZnO)등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다. 여기서 갈륨나이트라이드(GaN), 알루미늄나이트라이드(AlN) 및 산화아연(ZnO)에 비해 실리콘카바이드(SiC)는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특성을 가지고 있다. 또한, 실리콘카바이드(SiC)는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열 전도도를 가지고 있으며, 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있어,　갈륨나이트라이드(GaN), 알루미늄나이트라이드(AlN) 및 산화아연(ZnO) 등의 기판에 비해 각광을 받고 있다.
이러한, 실리콘카바이드(SiC)는 액상 증착법으로도 불리우는 시드형 승화법, 화학기상 증착법 등으로 성장된다. 그 중 시드형 승화법은 높은 성장률을 가짐으로써, 잉곳 형태의 실리콘카바이드(SiC)를 제작할 수 있어 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래의 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 시드형 승화법은 실리콘카바이드(SiC) 종자정(20)을 단결정 성장 장치의 종자정 홀더(10) 접착 재료를 이용하여 부착하고, 종자정(20)으로부터 잉곳 형태의 실리콘카바이드(SiC)를 성장시키게 된다.
여기서, 단결정 성장 장치는 내부에 원료(60)가 장입되며 상부가 개방된 도가니(30), 도가니 상부에 장착되어 상기 도가니의 상부를 덮는 도가니 뚜껑(70) 및 도가니 뚜껑(70)의 하부의 중앙에 장착되어 종자정(20)이 부착되는 종자정 홀더(10)를 포함한다. 이때, 종자정 홀더(10)는 종자정(20)과 동일한 크기로 제작되는 것이 바람직하다. 도가니(30)는 상부가 개방된 원통형 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 도가니(30)는 상부와 하부가 개방된 통형의 도가니 본체(31)와 도가니 하부 차단 부재(32)를 포함하여 형성될 수 있다. 도가니 하부 차단 부재(32)는 상기 도가니 본체(31)의 하부에 형성되어 도가니(30)의 하부를 차단할 수 있다. 이는 도가니 뚜껑(70)과 동일한 형상을 가지며, 동일한 물질로 구성될 수 있다.
또한, 단결정 성장 장치는 도가니(30)를 둘러싸도록 배치된 제 1 단열재(41), 제 2 단열재(43) 및 제2 단열재(43)를 둘러 싸도록 배치된 석영관(42)을 포함한다. 가열 수단은 석영관(42) 외부에 마련되어 도가니(30) 내에 장입된 원료(60)를 가열한다. 가열 수단은 유도 가열 코일(50)과 전력부를 포함한다. 여기서 유도 가열 코일(50)에 전류를 흘려 보내면 도가니(30) 내부가 가열되어 도가니(30) 내부의 단결정을 승화시킨다. 상기 승화된 원료(60)는 종자정(20)에 부착하게 되고, 이에 따라, 단결정이 성장된다.
이때, 유도 가열 코일(50)은 와이어가 회전되어 형성되는 일 턴이 복수 개 구비되는 스프링 형상으로 제조되고 턴간 간격이 등간격을 이룬다. 또한, 본 발명에 따른 유도 가열 코일(50)은 고주파 유도 가열 기술이 이용될 수 있다. 고주파 유도 가열 기술은 전자기 유도 현상을 이용하여 유도 가열 코일(50) 내에 위치한 도전성 물체의 표면에 저항 손실을 발생시켜 피가열체를 가열하는 기술이다. 일반적으로 고주파 유도 가열 기술에 있어서 피가열물에 유도된 전류는 균일하게 분포하지 못하고 표면에 집중된다. 이처럼 일부에 집중된 열은 제품에 원치 않은 불량을 야기하게 된다. 이와 같이, 종래의 단결정 성장 장치는, 유도 가열 코일(50)의 간격이 등간격을 이루면서 도가니(30) 내부에 불균형한 온도 분포를 야기하게 된다. 이로 인해, 고품질의 단결정을 성장시킬 수 없는 문제점이 있다.
한국공개특허 2008-0003413
본 발명은 단결정 성장시 온도 구배를 감소시키는 단결정 성장 장치를 제공한다.
본 발명은 도가니 내의 균일한 온도 분포를 형성하여 효율적으로 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 단결정 성장 장치는, 원료가 장입되도록 내부공간을 가지며, 상부가 개방된 도가니;와 상기 도가니의 상부에 장착되는 도가니 뚜껑;과 상기 도가니 뚜껑 하부에 장착되며, 종자정이 부착되는 종자정 홀더;와 상기 도가니를 감싸는 단열부재; 및, 상기 단열부재의 외측에 설치되고 스프링 형상으로 형성되며, 일회전하는 턴이 복수 개 형성되고, 상기 복수 개의 턴 사이의 간격 중 적어도 하나가 나머지 턴 사이의 간격과 다른 유도 가열 코일을 포함한다.
상기 단열부재는 단열재와 석영관을 포함하며, 상기 단열재는 상기 도가니를 둘러싸고, 상기 석영관은 통형의 형상으로 상기 단열재의 외부를 둘러싼다.
또한, 상기 유도 가열 코일은 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일 영역으로 형성되며, 상기 제 1 유도 가열 코일 영역은 종자정이 성장하는 성장 영역의 외측에 형성되고, 상기 제 2 유도 가열 코일 영역은 상기 제 1 유도 가열 코일 영역의 상부와 하부의 종자정 비성장 영역의 외측에 형성된다. 여기서, 상기 종자정 성장 영역은 상기 도가니 내부의 원료가 형성하는 공간의 중심면으로부터 상하 방향으로 소정범위의 공간이며, 상기 종자정 비성장 영역은 상기 종자정 성장 영역의 상부와 상기 단결정 성장 장치의 상단 사이 및 상기 종자정 성장 영역의 하부와 상기 단결정 성장 장치의 하단 사이를 포함하는 공간이다.
본 발명에 따른 단결정 성장 장치는 제 1 유도 가열 코일 영역의 턴간 간격이 등간격으로 감겨 있으며, 제 2 유도 가열 코일 영역은 턴간 간격이 등간격으로 감겨 있다. 이 때, 상기 제 1 유도 가열 코일의 턴간 간격은 상기 제 2 유도 가열 코일의 턴간간격에 비해 넓게 형성된다. 상기 제 1 유도 가열 코일의 턴간 간격은 상기 제 2 유도 가열 코일의 턴간간격에 비해 1.2 내지 2 배 넓게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르는 단결정 성장 장치는 원료 부위에 유도 가열 코일의 간격을 조절하여 도가니 내부의 온도 구배를 감소시키고 균일한 열분포를 형성할 수 있다.
또한, 도가니 내부공간의 균일한 열분포를 통해 원료의 승화온도를 조절함으로써, 도가니 내부공간에 생성되는 기체상들의 비율을 용이하게 조절할 수 있고, 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
도 1은 종래의 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 유도 가열 코일을 도시한 사시도이다.
도 3(b)은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치에 유도 가열 코일이 장착된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4(a)는 종래의 단결정 성장 장치의 유도 가열 코일의 분포에 따른 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 유도 가열 코일의 분포에 따른 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 내부 온도에 따른 기체상들의 비율을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 단결정 성장 장치는, 원료가 장입되도록 내부공간을 가지며 상부가 개방된 형태로 제작되는 도가니(300)와, 도가니(300)의 상부에 대응하여 장착되는 도가니 뚜껑(700)과, 도가니 뚜껑(700) 하부에 장착되며 하부에 종자정(200)이 부착되는 종자정 홀더(100)와, 상기 도가니(300)를 감싸는 단열부재(400)와, 종자정(200)이 성장하는 성장 영역(A)의 외부에 형성되는 상기 단열부재(400) 외측벽을 감싸는 제 1 유도 가열 코일(510) 및, 제 1 유도 가열 코일(510)의 상부와 하부에 일체로 형성되며, 상기 종자정 성장영역(A) 상부와 하부에 위치하는 종자정 비성장 영역(B1,B2)의 외부에 형성되는 상기 단열부재(400) 외측벽을 감싸는 제 2 유도 가열 코일(521,522) 을 포함한다.
제 1 유도 가열 코일(510)이 형성되는 영역이 제 1 유도 가열 코일 영역이며, 제 2 유도 가열 코일(521,522)이 형성되는 영역이 제 2 유도 가열 코일 영역이다.
도가니(300)는 내부공간을 가지며, 상부가 개방된 형태로 제작된다. 이러한 도가니(300)는 상부가 개방된 원통형의 형상으로 형성된다. 또한, 도가니(300)는 상부와 하부가 개방된 통형의 도가니 본체(310)와 도가니 하부 차단 부재(320)를 포함하여 형성될 수 있다. 도가니 하부 차단 부재(320)는 도가니 본체(310)의 하부에 형성되어 도가니(300)의 하부를 차단할 수 있다. 이는 도가니 뚜껑(700)과 동일한 형상을 가지며, 동일한 물질로 구성될 수 있다.
도가니(300)의 내부공간에서는 단결정 성장이 이루어지며, 도가니 내부 온도 분포에 따라 성장 되는 단결정의 결정질이 달라지게 된다. 이는 후술하도록 한다.
도가니(300)는 실리콘카바이드(SiC)의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 흑연으로 제작되거나 흑연 재질 상에 실리콘카바이드(SiC) 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포되어 제작될 수 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 물질은 실리콘카바이드(SiC) 단결정(300)이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물로는 금속 질화물을 이용할 수 있으며, 특히 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V과 이들 중 적어도 둘 이상의 혼합물과 탄소가 이루는 탄화물과, Ta, Hf, Nb, Zr, W, V과 이들 중 적어도 둘 이상의 혼합물과 질소가 이루는 질화물을 이용할 수 있다.
도가니 뚜껑(700)은 도가니(300)의 상부에 대응 배치되고, 도가니 뚜껑(700) 하부에는 종자정 홀더(100)가 장착된다. 이때, 종자정 홀더(100)가 도가니(300) 내부공간의 중앙에 대응 위치하도록, 상기 종자정 홀더(100)를 도가니 뚜껑(700) 하단면에 장착하는 것이 바람직하다. 이에, 도가니 뚜껑(700)의 하부는 종자정 홀더(100)가 장착된 중앙영역과 상기 종자정 홀더(100)가 장착 되지 않은 가장자리 영역으로 분리된다. 이때, 도가니(300) 내부의 측벽과 종자정 홀더(100)는 소정거리 이격되도록 배치된다. 종자정 홀더(100)의 하부에는 단결정을 성장시키기 위한 종자정(200)이 부착되는데, 상기 종자정(200)은 종자정 홀더(100)와 동일한 크기로 제작되는 것이 바람직하다.
종자정 홀더(100)는 종자정(200)을 지지하는 수단으로써, 고밀도의 흑연을 이용하여 제작된다. 그리고 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)를 도가니(300) 내의 상부에 장착하여, 상기 종자정(300) 상에 단결정을 형성한다.
종자정(200)과 종자정 홀더(100)를 부착하는 접착제는 슈가(sugar), 카본 페이스트 및 포토레지스트 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고 종자정 홀더(100)의 상면에 종자정(200)을 부착시킬 수 있는 다양한 접착제를 사용하여도 무방하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 종자정(200)을 사용하였으나, 이에 한정되지 않고 갈륨나이트라이드(GaN), 알루미늄나이트라이드(AlN) 및 산화아연(ZnO) 중 어느 하나를 종자정(200)으로 사용할 수도 있다.
한편, 상기 도가니(300)의 내부공간의 하측에는 원료(600)가 장입되는데, 실시예에서는 원료(600)로 실리콘카바이드(SiC) 분말을 사용한다.
도가니(300)의 내부공간의 하측에 원료(600)를 장입한 후, 소정의 온도 (예를 들어, 섭씨 1300도 내지 1500도)와 진공압력으로 소정의 시간 (예를 들어, 2 시간 내지 3시간) 동안 가열하여 도가니(300)에 포함된 불순물을 제거할 수 있다. 이어서, 불활성 가스(예를 들어, 아르곤(Ar) 가스)를 주입하여 도가니(300) 내부 및 도가니(300)와 단열부재(410,430) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 그리고, 압력을 대기압으로 높인 후, 유도 가열 코일(500)을 이용하여 도가니(300)를 소정의 온도(예를 들어, 섭씨2000도 내지 2400도)로 가열한다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위함이다. 즉, 먼저 대기압을 유지하며 원료(600)를 성장 온도까지 승온시킨다. 이후, 성장장치 내부를 20mbar 내지 60mbar으로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 원료(600)를 승화시켜 단결정(300)을 성장시킨다.
단열부재(400)는 제 1 단열재(410), 제 2 단열재(430) 및 석영관(420)을 포함할 수 있다. 제 1 단열재(410)는 도가니(300)를 둘러싸고, 제 2 단열재(430)는 제 1 단열재(410) 및 도가니(300)를 둘러싸도록 형성 될 수 있다. 석영관(420)은 통형의 형상으로 상기 제 2 단열재(430)의 외부를 둘러 싸고 있다.
단열부재(400) 및 석영관(420)은 도가니(300)의 외부에 마련되며, 도가니(300)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다.
제 1 단열재(410)는 흑연 섬유를 압착시켜 소정의 두께를 가진 통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다. 이는 실리콘 카바이드(SiC)의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문이다. 또한, 제 2 단열재(430)는 제 1 단열재(410)와 석영관 (420) 사이의 내부공간에 형성되어, 단열부재(400)가 복수의 층으로 도가니(300) 외부를 둘러쌀 수 있다.
석영관(420)은 석영으로 만든 통형 형상으로, 구체적으로 내부공간을 가지는 튜브형태의 관형상으로 형성된다. 석영은 녹는점이 높고 잘 불어나지 않기 때문에 본 발명의 단결정 성장 장치의 단열부재로 사용될 수 있다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 유도 가열 코일을 도시한 사시도이며, 도 3(b)는 단결정 성장 장치에 유도 가열 코일이 장착된 상태를 도시한 사시도이다.
하기에서는 도 2, 도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 코일에 대해 설명한다.
유도 가열 코일(500)은 석영관(420) 외부에 형성된다. 유도 가열 코일(500)은 고주파 유도 코일이 사용될 수 있다. 여기서, 고주파 유도 코일을 사용함으로써, 고주파 전류를 인입하여 도가니(300)를 가열하고 원료(600)를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
도 2에 도시되었듯이, 본 발명의 유도 가열 코일(500)은 제 1 유도 가열 코일(510)영역과 제 2 유도 가열 코일(520)영역을 포함한다.
상기 유도 가열 코일(500)은 스프링 형상으로 형성되며, 단결정 성장 장치의 상부에서부터 하부에까지 감싸며 형성된다. 이는 일회전하는 턴이 복수 개 형성되고, 복수개의 턴 사이의 간격 중 적어도 하나가 나머지 턴 사이의 간격과 다른 유도 가열 코일을 포함한다.
또한, 유도 가열 코일(500)은 고주파 전류를 인입할 수 있는 전력부(800, 도 3 참조)와 연결될 수 있고, 전류가 흐르면서 도가니(300) 내부의 온도를 소정의 온도(예를 들어, 섭씨 2000도 내지 2400도)까지 가열시킨다.
이때, 종래의 단결정 성장 장치의 경우, 유도 가열 코일에 포함되는 복수 개의 턴간 간격이 등간격으로 형성하게 되면서 도가니(300) 내부의 불균일한 열분포를 야기시킨다. 이는 고주파 유도 가열에 있어 피가열물에 유도된 전류가 균일하게 분포하지 못하고 표면에 집중되기 때문이다. 일부에 집중된 열은 피가열물 혹은 여러 가지 제품에 원치 않는 불량을 야기시킨다. 따라서 도가니(300) 내부의 중심부간 온도를 균일하게 하는 것이 필요하며 본 발명의 유도 가열 코일(500)은 이러한 문제점을 해결하기 위해 유도 가열 코일(500)의 턴간 간격을 조절하였다.
도 2에 도시되었듯이, 단결정 성장 장치의 A영역은 종자정 성장 영역으로, 도가니(300) 내부의 원료(600)가 채워지는 공간의 중심면으로부터 상하 방향으로 형성되는 소정 범위의 공간이다. 또한, 단결정 성장 장치의 B1영역 및 B2영역은 종자정 비성장 영역으로, 종자정 성장 영역(A)의 상부와 상기 단결정 성장 장치의 상단 사이(B1) 및 상기 종자정 성장 영역(A)의 하부와 상기 단결정 성장 장치의 하단 사이(B2) 공간이다.
A영역의 외부에 형성되는 석영관(420)의 외측벽에는 제 1 유도 가열 코일(510)이 감기며, 제 1 유도 가열 코일(510)영역이 형성될 수 있다.
종자정 비성장 영역은 상술한 바와 같이 B1영역과 B2영역을 포함할 수 있고,
제 2 유도 가열 코일(521)이 B1영역의 외부에 형성되는 석영관(420)의 외측면에 감기며 제 2 유도 가열 코일(521)영역이 형성된다. 또한, 제 2 유도 가열 코일(522)이 B2영역의 외부에 형성되는 석영관(420)의 외측면에 감기며 제 2 유도 가열 코일(522)영역이 형성된다.
제 1 유도 가열 코일(510) 및 제 2 유도 가열 코일(521,522)은, 단결정 성장 장치의 상측에서부터 제 2 유도 가열 코일(521), 제 1 유도 가열 코일(510), 제 2 유도 가열 코일(522) 순으로 일체로 형성될 수 있다.
제 1 유도 가열 코일(510)영역 및 제 2 유도 가열 코일(521, 522)영역의 턴간 간격은 등간격으로 형성될 수 있다. 다만, 제 1 유도 가열 코일(510)영역의 턴간 간격은 제 2 유도 가열 코일(521,522)영역의 턴간 간격보다 넓게 형성된다. 바람직하게는 제 1 유도 가열 코일(510)의 턴간 간격은 제 2 유도 가열 코일의 턴간 간격에 비해 1.2 내지 2 배 넓게 형성될 수 있다. 이는 상기의 턴간 간격에서 도가니(300) 내부의 온도 구배를 최소화 시키면서, 가장 바람직한 도가니(300) 내부의 온도(예를 들어, 도가니 내부의 파우더 물질의 온도로, 섭씨 2300도 내지 2500도)로 승온시킬 수 있기 때문이다.
또한, 이는 턴간 간격을 달리하여 형성되는 유도 가열 코일(500)의 분포와 도가니(300) 내부 온도가 상관관계가 있기 때문이며, 본 발명의 일시예에 따른 유도 가열 코일(500)의 분포는 도가니(300) 내부공간의 온도 불균일을 감소 시킬 수 있다.
도 4에서 유도 가열 코일(500)의 간격에 따라 예상되는 온도의 분포를 시뮬레이션 한 결과값을 나타낸다.
도 4에 도시되었듯이, 유도 가열 코일(500)의 간격에 따라 온도의 분포가 달라짐을 알 수 있다. 종래의 단결정 성장 장치는 턴간 간격이 등간격으로 형성된다. 도 4(a)는 종래의 단결정 성장 장치의 유도 가열 코일이 등간격으로 형성되는 턴간 간격을 포함하는 것을 나타낸다. 유도 가열 코일이 턴간 간격이 등간격인 경우, 가열되는 도가니(300)의 온도 분포는 전체적으로 섭씨 100도 이상의 차이가 있다. 한편, 도 4(b)는 본 발명에 따른 단결정 성장 장치의 유도 가열 코일을 나타낸다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 성장 장치는 제 1 유도 가열 코일(510)영역 및 제 2 유도 가열 코일(521,522)영역으로 형성된다. 종자정 성장 영역(A, 도 2 참조)의 외부에 형성되는 제 1 유도 가열 코일(510)영역의 턴간 간격은 종자정 비성장 영역(B1,B2, 도 2 참조)의 외부에 형성되는 제 2 유도 가열 코일(521,522)영역의 턴간 간격보다 넓게 형성된다. 이러한 유도 가열 코일(500)에 의해 가열되는 도가니(300)의 온도 분포는 약 섭씨 50도의 차이로 온도 구배가 감소하는 것을 알 수 있다
상술한 바와 같이, 제 1 유도 가열 코일(510)의 턴간 간격이 제 2 유도 가열 코일(521,522)의 턴간 간격보다 넓게 형성되면 도가니(300) 내부 온도 분포의 불균일을 감소 시키는 효과가 있다. 이에 따라, 도가니 내부공간의 균일한 열분포를 가져올 수 있고, 이를 통해 원료(600)의 승화온도를 조절할 수 있다. 또한, 도가니 내부공간에 생성되는 기체상들의 비율을 용이하게 조절할 수 있어, 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 단결정 성장 방법은 제 1 유도 가열 코일(510) 영역 및 제 2 유도 가열 코일(521,522)영역의 턴간 간격을 달리 형성하여 도가니(300) 내부의 온도 분포를 변화시킨다. 여기서, 원료(600)가 기체상으로 승화될 때 원료(600)의 상태는 화학적으로 Si2C와 SiC2 등의 기체상들이 생성 되는데, 온도 분포에 따라 이들 기체상들이 생성 되는 비율이 다르게 된다. 원료(600)를 승화시키기 위한 열은 유도 가열 코일(500)에서 얻게 되는데, 도가니(300)는 유도 가열 코일(500)의 턴간 간격에 따라 부분적으로 온도가 다르게 가열이 된다. 유도 가열 코일(500)의 턴간 간격이 등간격으로 형성되는 경우, 유도 가열 코일(500)이 감싸고 있는 도가니(300)의 중앙 영역이 제일 온도가 높아지게 되고, 따라서 도가니(300) 내부에서는 온도의 구배가 생기게 된다. 이렇게 온도 구배가 생기게 되면 원료(600)에서 발생하는 기체상의 비율을 조절하기가 힘들어진다. 그러므로 원료(600) 부위에 유도 가열을 시키는 유도 가열 코일(500)의 턴간 간격을 다르게 하여 원료(600)의 승화온도를 일정하게 조절하여 기체상들의 비율을 비교적 용이하게 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 내부 온도에 따른 기체상들의 비율을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 각각의 기체 상들은 온도와 압력에 따라 분압이 다르게 나타난다. 도 5 그래프의 세로축은 압력의 로그값으로, 예를 들어 세로축의 값이 -1인 경우 0.1기압을 나타낸다. 도 5 그래프의 가로축은 도가니(300) 내부 온도값을 나타낸다. 예를 들어, 도가니(300)의 온도가 섭씨 2000도이면 그래프에 따라 4.4의 가로축의 값을 가지며, 섭씨 2200도이면 그래프에 따라 4.0의 가로축의 값을 가진다.
여기서, 실리콘카바이드(SiC) 단결정을 성장시키는 경우, 상술한 바와 같이, 원료(600)가 기체상으로 승화될 때 원료(600)의 상태는 화학적으로 Si2C와 SiC2 등의 기체상들이 생성 되는데, 온도 분포에 따라 이들 기체상들이 생성 되는 비율이 다르게 된다. 이때, Si2C와 SiC2의 분압이 가장 유사할 때 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다. 도 5에 도시되었듯이, Si2C와 SiC2의 분압이 온도가 높아질수록 같은 온도와 같은 압력의 값을 갖는 것을 알 수 있다.
따라서, Si2C와 SiC2 기체상이 같은 온도와 같은 압력의 값을 갖는 섭씨 2300도 내지 2500도에서 단결정을 성장시키는 것이 바람직하며, 상기 온도 범위에서 단결정을 성장시키는 경우, 고품질의 단결정을 성장 시킬 수 있다.
따라서, 제 1 유도 가열 코일(510)과 제 2 유도 가열 코일(521,522)의 턴간 간격을 달리하여 원료(600)의 승화온도를 일정하게 조절하여 Si2C와 SiC2의 기체상들의 비율을 비교적 용이하게 조절하여 좋은 품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
50 : 종래의 유도 가열 코일
100 : 종자정 홀더 200 : 종자정
300 : 도가기 400 : 단열부재
410 : 제 1 단열재 420 : 석영관
430 : 제 2 단열재
500 : 유도 가열 코일 510 : 제 1 유도 가열 코일
520 : 제 2 유도 가열 코일 600 : 원료
700 : 도가니 뚜껑 800 : 전력부

Claims (8)

  1. 원료가 장입되도록 내부공간을 가지며, 상부가 개방된 도가니;
    상기 도가니의 상부에 장착되는 도가니 뚜껑;
    상기 도가니 뚜껑 하부에 장착되며, 종자정이 부착되는 종자정 홀더;
    상기 도가니를 감싸는 단열부재; 및,
    상기 단열부재의 외측에 설치되고 스프링 형상으로 형성되며, 일회전하는 턴이 복수 개 형성되고, 상기 복수 개의 턴 사이의 간격 중 적어도 하나가 나머지 턴 사이의 간격과 다른 유도 가열 코일을 포함하는 단결정 성장 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단열부재는 단열재와 석영관을 포함하며, 상기 단열재는 상기 도가니를 둘러싸고, 상기 석영관은 통형의 형상으로 상기 단열재의 외부를 둘러싸는 단결정 성장 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유도 가열 코일은 제 1 유도 가열 코일 및 제 2 유도 가열 코일 영역으로 형성되며,
    상기 제 1 유도 가열 코일 영역은 종자정이 성장하는 성장 영역의 외측에 형성되고,
    상기 제 2 유도 가열 코일 영역은 상기 제 1 유도 가열 코일 영역의 상부와 하부의 종자정 비성장 영역의 외측에 형성되는 단결정 성장 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 종자정 성장 영역은 상기 도가니 내부의 원료가 형성되는 공간의 중심면으로부터 상하 방향으로 소정범위의 공간이며,
    상기 종자정 비성장 영역은 상기 종자정 성장 영역의 상부와 상기 단결정 성장 장치의 상단 사이 및 상기 종자정 성장 영역의 하부와 상기 단결정 성장 장치의 하단 사이를 포함하는 단결정 성장 장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 유도 가열 코일 영역은 턴간 간격이 등간격으로 감겨 있는 단결정 성장 장치.
  6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제 2 유도 가열 코일 영역은 턴간 간격이 등간격으로 감겨 있는 단결정 성장 장치.
  7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 유도 가열 코일의 턴간 간격은 상기 제 2 유도 가열 코일의 턴간간격에 비해 넓게 형성되는 단결정 성장 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1 유도 가열 코일의 턴간 간격은 상기 제 2 유도 가열 코일의 턴간간격에 비해 1.2 내지 2 배 넓게 형성되는 단결정 성장 장치.

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