KR20130066978A - 단결정 성장 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단결정 성장 장치 에 관한 것으로, 원료가 장입되도록 내부공간을 가지며, 상부 및 하부가 개방된 도가니와, 상기 도가니의 상부를 개폐하고 일면에 종자정 홀더가 설치되는 도가니 뚜껑과, 상기 도가니 뚜껑 하부에 장착되며, 종자정이 부착되는 종자정 홀더와, 상기 종자정 홀더와 종자정 사이에 형성되는 삽입 부재와, 상기 도가니를 감싸는 단열부재 및, 상기 도가니를 가열하는 유도 가열 코일을 포함하는 단결정 성장 장치를 제공한다.
이에 따라서, 도가니 내부의 균일한 열분포를 통해 단결정 원료의 승화온도를 조절함으로써, 결정질이 향상된 단결정을 성장 시킬 수 있다.
또한, 단결정 원료의 승화온도를 조절함으로써, 도가니 상부 및 내부공간에 생성되는 기체상들의 비율을 용이하게 조절할 수 있고, 고품질의 단결정을 성장 시킬 수 있다.
이에 따라서, 도가니 내부의 균일한 열분포를 통해 단결정 원료의 승화온도를 조절함으로써, 결정질이 향상된 단결정을 성장 시킬 수 있다.
또한, 단결정 원료의 승화온도를 조절함으로써, 도가니 상부 및 내부공간에 생성되는 기체상들의 비율을 용이하게 조절할 수 있고, 고품질의 단결정을 성장 시킬 수 있다.
Description
본 발명은 단결정 성장 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고품질의 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치 및 방법에 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 특성이 있다. 또한, 실리콘카바이드(SiC)는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열 전도도가 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 불리는 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) 하부에는 도가니 하부 차단 부재(80)가 형성될 수 있다. 도가니 하부 차단 부재(80)는 도가니 뚜껑(70)과 동일한 형상을 가지며, 동일한 물질로 구성된다.
또한, 단결정 성장 장치는 도가니(30)를 둘러싸도록 배치된 제 1 단열재(41), 제 2 단열재(43) 및 제2 단열재(43)를 둘러싸도록 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, 일반적으로 고주파 유도 가열 기술이 이용된다. 고주파 유도 가열 기술은 전자기 유도 현상을 이용하여 유도 가열 코일(50) 내에 위치한 도전성 물체의 표면에 저항 손실을 발생시켜 피가열체를 가열하는 기술이다. 그러나 피가열물에 유도된 전류는 균일하게 분포하지 못하고 표면에 집중된다. 이처럼 일부에 집중된 열은 제품에 원치 않은 불량을 야기하게 된다. 이와 같이, 도가니(30) 내부의 불균형한 온도 분포로 인하여, 고품질의 단결정을 성장시킬 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 결함이 적은 단결정을 성장 시킬 수 있는 단결정 성장 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 도가니 내 상부의 균일한 온도 분포를 형성하여 효율적으로 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 단결정 성장 장치는, 원료가 장입되도록 내부공간을 가지며, 상부가 개방된 도가니와, 상기 도가니의 상부를 개폐하고 일면에 종자정 홀더가 설치되는 도가니 뚜껑과, 상기 도가니 뚜껑 하부에 장착되며, 종자정이 부착되는 종자정 홀더와, 상기 종자정 홀더와 종자정 사이에 형성되는 삽입 부재와, 상기 도가니를 감싸는 단열부재 및, 상기 도가니를 가열하는 유도 가열 코일을 포함한다.
상기 삽입 부재는 탄탈륨을 호일형태로 형성하여 사용한다. 또한, 상기 삽입 부재는 열전도율이 낮은 상기 탄탈륨을 호일형태로 상기 종자정 홀더와 상기 종자정 사이에 삽입하여 사용되며, 이는 상기 도가니 상부 온도 구배를 줄여준다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 단결정 성장 방법은,
도가니가 형성된 단결정 성장 장치 및 종자정을 마련하는 과정; 삽입 부재를 종자정 홀더 상면에 부착하고 상기 삽입 부재 상면에 종자정을 부착하는 과정; 상기 도가니 내에 원료를 장입한 후 종자정 홀더를 상기 도가니 내에 인입하는 과정; 및 상기 도가니 내에 원료를 승화시켜 상기 종자정 상에 단결정을 성장시키는 과정을 포함한다.
상기 삽입 부재는 탄탈륨을 호일형태로 형성하여 사용한다. 또한, 상기 삽입 부재는 열전도율이 낮은 상기 탄탈륨을 호일형태로 상기 종자정 홀더와 상기 종자정 사이에 삽입하여 사용되며, 이는 상기 도가니 상부 온도 구배를 줄여준다.
본 발명은 종자정과 종자정 홀더 사이에 삽입 부재를 접합시키는 단결정 성장 장치 및 방법을 형성한다.
이렇게 삽입 부재를 접합시킴으로써 단결정 성장 방향에 수직한 방향으로의 온도 분포를 고르게 하여, 도가니 상부 및 도가니 전체의 온도 구배를 감소시킬 수 있다.
또한, 도가니 내부의 균일한 열분포를 통해 단결정 원료의 승화온도를 조절함으로써, 결정질이 향상된 단결정을 성장시킬 수 있다.
도 1은 종래의 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다.
도 3(a)는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 홀더를 도시한 사시도이다.
도 3(b)는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 홀더를 도시한 단면도이다.
도 4(a)은 본 발명의 실시예에 따른 종자정, 삽입 부재 및 종자정 홀더를 도시한 사시도이다.
도 4(b)은 본 발명의 실시예에 따른 종자정, 삽입 부재 및 종자정 홀더를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 코일을 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 방법의 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 도시한 단면도이다.
도 3(a)는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 홀더를 도시한 사시도이다.
도 3(b)는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 홀더를 도시한 단면도이다.
도 4(a)은 본 발명의 실시예에 따른 종자정, 삽입 부재 및 종자정 홀더를 도시한 사시도이다.
도 4(b)은 본 발명의 실시예에 따른 종자정, 삽입 부재 및 종자정 홀더를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 코일을 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 방법의 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
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 상부를 개폐하고 일면에 종자정 홀더(100)가 설치되는 도가니 뚜껑(700)과, 도가니 뚜껑(700) 하부에 장착되며, 종자정이 부착되는 종자정 홀더(100)와, 종자정 홀더(100)와 종자정(200) 사이에 형성되는 삽입 부재(800)와, 상기 도가니(300)를 감싸는 단열부재(400) 및, 도가니(300)를 가열하는 유도 가열 코일(500)을 포함한다.
도가니(300)는 내부공간을 가지며, 상부가 개방된 형태로 제작된다. 도가니(300)의 내부공간에는 원료(600)가 장입되고, 원료(600)를 승화시킨다. 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 성장되는 단결정의 결정질이 달라진다.
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 도포 되어 제작될 수 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포 되는 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 장착되지 않은 가장자리 영역으로 분리된다. 이때, 도가니(300) 내부의 측벽과 종자정 홀더(100)는 소정거리 이격되도록 배치된다. 종자정 홀더(100)의 일면에는 본 발명에 따른 삽입 부재(800) 및 단결정을 성장시키기 위한 종자정(200)이 부착되는데, 상기 삽입 부재(800) 및 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.
여기서, 도 3을 참조하여 종자정 홀더(100)의 형상에 대하여 구체적으로 살펴 본다. 도 3(a)에 도시되었듯이, 종자정 홀더(100)는 'ㅗ' 형상으로 형성된다. 소정의 두께를 가진 두 개의 원기둥이 상하로 부착되어 있는 형상으로, 하부에 위치하는 원기둥의 직경이 상부에 위치하는 원기둥의 직경보다 크게 형성된다. 직경이 큰 원기둥은 도가니 뚜껑(700)에 부착되며, 직경이 작은 원기둥에는 후술 되는 삽입 부재(800) 및 종자정(200)이 차례로 부착된다.
도 4(a) 및 도 4(b)에 도시되었듯이, 먼저 종자정 홀더(100)의 직경이 작은 원기둥 상면에는 삽입 부재(800)가 형성된다. 또한, 종자정 홀더(100)에 부착된 삽입 부재(800) 상면에는 종자정(200)이 부착되어 형성된다.
본 발명의 단결정 성장 장치는, 종자정 홀더(100)가 도가니 뚜껑(700)에 부착되어 형성되고, 종자정(200)은 도가니 내의 원료(600)와 근접하여 형성된다.
삽입 부재(800)는 종자정 홀더(100)와 종자정(200) 사이에 형성된다.
이때, 종자정 홀더(100) 상면에 삽입 부재(800)를 부착시에는, 접착제가 사용될 수 있다. 접착제는 슈가(sugar), 카본 페이스트 및 포토레지스트 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고 종자정 홀더(100)의 상면에 삽입 부재(800)을 부착시킬 수 있는 다양한 접착제를 사용하여도 무방하다. 삽입 부재(800) 상면에 종자정(200)을 부착하는 하는 경우에도 동일하다.
하기에서는 도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하여 본 발명의 삽입 부재(800)에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
상술한 바와 같이, 삽입 부재(800)는 종자정 홀더(100) 와 종자정(200) 사이에 형성된다. 상기 삽입 부재(800)는 탄탈륨이 사용될 수 있다. 탄탈륨은 호일의 형태로 형성되어 사용한다. 여기서, 탄탈륨 호일을 삽입 부재(800)로 사용함으로써, 도가니(300)의 상부 온도 구배를 감소 시킬 수 있다. 이는 삽입 부재로 쓰이는 탄탈륨의 열전도율이 낮기 때문이다.
탄탈륨(Ta)은 비중이 16.6으로 강과 비슷한 광택이 나는 금속으로 산, 알카리에 침식되지 않는다. 일반적으로 전구의 코일선, 도가니, 전극 내열강의 첨가물 등에 사용된다.
또한, 매우 단단하고 밀도가 높으며 용융점과 비등점이 매우 높고, 상온에서 플루오르화 수소산을 제외한 모든 산에 대한 내성이 뛰어나다. 따라서, 탄탈륨 소재는 모든 금속 중 가장 안정한 양극산화 피막을 형성시킬 수 있는 특성 지닌다.
탄탈륨의 융점은 섭씨 2996도로 매우 높아서 내열성도 뛰어날 뿐 아니라 다른 고 융점 금속에 비해 가공이 상온에서 용이한 장점을 지니고 있어 매우 얇은 두께(예를 들어 6㎛)까지 압연이 가능하다. 따라서 본 발명의 삽입 부재(800)로 사용되기 적합하다.
한편, 삽입 부재(800)는 종자정 홀더(100)의 직경이 작은 원기둥과 형상 및 직경이 동일하다. 하술되는 종자정(200) 역시 삽입 부재(800)의 형상과 직경이 동일하게 형성된다.
이와 같이, 탄탈륨 호일을 삽입 부재(800)로 하여, 종자정 홀더(100)와 종자정(200)사이에 형성함으로써, 도가니(300)의 상부 온도 구배를 최초화 시키고, 도가니(300) 전체의 온도 구배 또한 줄일 수 있다.
여기서, 도가니(300) 내부 상부 온도분포에 따라 종자정(200)에서 초기성장 결정이 받는 응력이 달라지며, 단결정의 형태도 결정된다. 따라서, 종자정(200)의 성장방향에 수직한 방향으로의 온도 구배가 클수록 결정의 형태가 달라지고, 단결정의 결정질 또한 차이를 보이게 된다. 그러므로 종자정(200)이 받는 온도 분포를 고르게 함으로서 단결정의 형태를 결정하고, 결정질 또한 향상된다.
본 발명의 단결정 성장 장치에서는 종자정(200)으로 실리콘카바이드(SiC)을 사용하였으나, 이에 한정되지 않고 갈륨나이트라이드(GaN), 알루미늄나이트라이드 (AlN) 및 산화아연(ZnO) 중 어느 하나를 종자정(200)으로 사용할 수 있다.
한편, 상기 도가니(300)의 내부공간의 하측에는 원료(600)가 장입되는데, 실시 예에서는 원료(600)로 실리콘카바이드(SiC) 분말을 사용한다.
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 형성될 수 있다. 석영관(420)은 통형의 형상으로 상기 제 2 단열재(430)의 외부를 둘러싸고 있다.
단열부재(400)는 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 5는 본 발명에 따른 유도 가열 코일(500)을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 유도 가열 코일(500)은 스프링 형상으로 형성되며, 단결정 성장 장치 외부의 상부에서부터 하부에까지 감싸며 형성된다. 여기서, 단결정 성장 장치 외부라 함은 단열부재(400)의 외측면을 말하며, 상기 단열부재(400)의 외측면은 바람직하게 석영관(420)의 외측면을 말한다. 이는 단결정 성장 장치의 최외곽에 위치하는 단열부재(400)가 석영관(420)이기 때문이다.
또한, 유도 가열 코일(500)은 고주파 전류를 인입할 수 있는 전력부와 연결될 수 있고, 전류가 흐르면서 도가니(300) 내부의 온도를 소정의 온도(예를 들어, 섭씨 2000도 내지 2400도)까지 가열시킨다.
이때, 유도 가열 코일(500)에 포함되는 복수 개의 턴간 간격(d1)이 등간격으로 형성하게 되며, 회전하는 복수개의 턴을 갖는 유도 가열 코일(500)과 단열부재(400)의 외측면 사이에 형성되는 거리(d2)가 같게 형성되면서 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 본 발명의 단결정 성장 장치의 경우, 도가니(300) 내부의 중심부간 온도를 균일하게 하기 위해, 상술한 삽입 부재(800)를 삽입하여 부착한다.
이와 같이 종자정 홀더(100)와 종자정(200) 사이에 삽입 부재(800)를 삽입하여 부착하는 도가니(300)의 내부 온도가 상관관계가 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 삽입 부재(800)의 삽입은 도가니(300) 상부 및 내부공간의 온도 불균일을 감소 시킬 수 있다.
이에 따라, 도가니 내부공간의 균일한 열분포를 가져올 수 있고, 이를 통해 단결정 원료의 승화온도를 조절할 수 있다. 또한, 도가니 내부공간에 생성되는 기체상들의 비율을 용이하게 조절할 수 있어, 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
상기한 본 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법을 도 6를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 단결정 성장 방법은, 도가니가 형성된 단결정 성장 장치 및 종자정(200)을 마련하는 과정(S110)과, 삽입 부재(800)를 종자정 홀더(100) 상면에 부착하고 상기 삽입 부재(800) 상면에 종자정(200)을 부착하는 과정(S120)과, 상기 도가니(300) 내에 원료(600)를 장입한 후 종자정 홀더(100)를 상기 도가니(300) 내에 인입하는 과정(S130) 및, 상기 도가니(300) 내에 원료(600)를 승화시켜 상기 종자정(200) 상에 단결정을 성장시키는 과정(S140)을 포함한다.
먼저, 도가니(300)가 형성된 단결정 성장 장치 및 종자정(200)을 마련한다(S110). 여기서 종자정(200)은 4H 및 6H-SiC를 포함한다. 또한, 종자정(200)은 이에 한정되지 않고 3C-SiC, 15R-SiC 등을 포함하는 다양한 종류의 종자정(200)을 마련할 수 있다. 이때, 종자정으로 직경 2인치 이상 크기의 원 형상의 종자정을 이용할 수 있다.
이후, 삽입 부재(800)를 종자정 홀더(100) 상면에 부착하고 상기 삽입 부재(800) 상면에 종자정(200)을 부착한다(S120). 종자정 홀더(100)는 도가니 뚜껑(700)의 일 면, 즉 도가니 내측에 인입되는 면에 형성된다. 이때, 종자정 홀더(100) 상에 종자정을 예를 들어 (000-1) 면으로 부착한다. 또한, 종자정 홀더(100) 상에 삽입 부재(800)를 부착하기 위해 슈가, 카본 페이스트 및 포토레지스트 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않고 다양한 접착 물질을 이용하여 종자정 홀더(100) 상에 삽입 부재(800) 및 종자정(200)을 부착할 수 있다.
도 4를 이용하여 설명된 바와 같이 삽입 부재(800)는 종자정 홀더(100)와 종자정(200) 사이에 형성된다. 삽입 부재(800)는 열전도율이 낮은 탄탈륨을 호일의 형태로 형성하여 사용된다. 이는 도가니(300) 상부 및 전체의 온도구배를 감소시켜, 고품위의 단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 열전도율이 낮은 탄탈륨 호일을 종자정(200)과 종자정 홀더(100)사이에 위치시켰으므로, 도가니(300) 상부의 종자정(200)의 온도가 낮아지게 된다. 이는 도가니(300) 내부의 온도구배의 감소로 성장률이 증가하여 더 두꺼운 단결정이 성장되고, 도가니(300) 자체의 길이를 증가시키지 않고 내부 온도구배를 감소시켰기 때문에 단결정 성장 장치의 도가니(300) 외부 단열부재(400) 또한 구조 변경이나, 별도의 단열부재(400)가 필요하지 않다. 따라서 기존의 단결정 성장 장치의 단열부재(400)를 이용 할 수 있고, 일반적으로 이용되는 도가니(300)에 비하여 두껍고 고품위인 탄화규소 단결정을 제작할 수 있다.
상기 도가니(300) 내에 원료(600)를 장입한 후, 삽입 부재(800)와 종자정(200)을 부착한 종자정 홀더(100)를 상기 도가니(300) 내에 인입하는 과정(S130)을 거친다. 이후, 상기 도가니(300) 내에 원료(600)를 승화시켜 상기 종자정(200) 상에 단결정을 성장시킨다(S140).
도가니(300)의 내부공간의 하측에 원료(600)를 장입한 후에는, 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.
100 : 종자정 홀더 200 : 종자정
300 : 도가니 400 : 단열부재
410 : 제 1 단열재 420 : 석영관
430 : 제 2 단열재
500 : 유도 가열 코일 600 : 원료
700 : 도가니 뚜껑 800 : 삽입 부재
300 : 도가니 400 : 단열부재
410 : 제 1 단열재 420 : 석영관
430 : 제 2 단열재
500 : 유도 가열 코일 600 : 원료
700 : 도가니 뚜껑 800 : 삽입 부재
Claims (6)
- 원료가 장입되도록 내부공간을 가지며, 상부가 개방된 도가니;
상기 도가니의 상부를 개폐하고 일면에 종자정 홀더가 설치되는 도가니 뚜껑;
상기 도가니 뚜껑 하부에 장착되며, 종자정이 부착되는 종자정 홀더;
상기 종자정 홀더와 종자정 사이에 형성되는 삽입 부재;
상기 도가니를 감싸는 단열부재; 및,
상기 도가니를 가열하는 유도 가열 코일을 포함하는 단결정 성장 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 삽입 부재는 탄탈륨을 호일형태로 형성하여 사용하는 단결정 성장 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 삽입 부재는 열전도율이 낮은 상기 탄탈륨을 호일형태로 상기 종자정 홀더와 상기 종자정 사이에 삽입하여 사용되며, 이는 상기 도가니 상부 온도 구배를 줄여주는 단결정 성장 장치.
- 도가니가 형성된 단결정 성장 장치 및 종자정을 마련하는 과정;
삽입 부재를 종자정 홀더 상면에 부착하고 상기 삽입 부재 상면에 종자정을 부착하는 과정;
상기 도가니 내에 원료를 장입한 후 종자정 홀더를 상기 도가니 내에 인입하는 과정; 및
상기 도가니 내에 원료를 승화시켜 상기 종자정 상에 단결정을 성장시키는 과정을 포함하는 단결정 성장 방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 삽입 부재는 탄탈륨을 호일형태로 형성하여 사용하는 단결정 성장 방법.
- 청구항 5에 있어서,
상기 삽입 부재는 열전도율이 낮은 상기 탄탈륨을 호일형태로 상기 종자정 홀더와 상기 종자정 사이에 삽입하여 사용되며, 이는 상기 도가니 상부 온도 구배를 줄여주는 단결정 성장 방법.
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