KR20130069193A - 실리콘카바이드 단결정 성장방법 - Google Patents

실리콘카바이드 단결정 성장방법 Download PDF

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김장열
박종휘
이원재
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

본 발명은 종자정 홀더의 종자정이 부착되지 않은 부분에서 다결정이 성장되는 것을 억제할 수 있는 실리콘카바이드 단결정 성장방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 성장방법은, 그 내부에 단결정 원료가 장입되는 도가니, 상기 도가니의 내벽에 부착되어 종자정을 고정시키는 종자정 홀더, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 상기 도가니를 가열하도록 배치되는 가열수단을 포함하는 단결정 성장장치가 사용되는 SiC 단결정 성장방법에 있어서, 상기 종자정을 상기 종자정 홀더에 부착시키는 단계; 단결정 조각을 상기 종자정 홀더에 부착시키는 단계; 상기 종자정 및 상기 단결정 조각이 부착된 상기 종자정 홀더를 상기 도가니 내부의 일면에 장착시키는 단계; 상기 도가니의 내부에 단결정 원료를 장입시키는 단계; 및 단결정을 성장시키는 단계; 를 포함할 수 있다.

Description

실리콘카바이드 단결정 성장방법{METHOD FOR GROWING OF SiC SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 실리콘카바이드 단결정 성장방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다결정의 성장이 억제될 수 있는 실리콘카바이드 단결정 성장방법에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘카바이드(SiC)의 굳기는 루비와 다이아몬드의 중간 정도로 매우 단단하며, 화학적으로 극히 비활성이다. 따라서, 연마재, 특수내화물, 화학반응용기 및 저항발열체 등에 주로 사용된다.
자세히 설명하면, 반도체 소자의 재료로써 대표적으로 사용되는 Si가 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 SiC, GaN, AlN 및 ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다. 여기서, SiC는 GaN, AlN 및 ZnO 에 비해 상대적으로 열적 안정성 및 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한, SiC는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열전도도를 가지고 있으며, 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다. 따라서, SiC는 GaN, AlN 및 ZnO 등에 비해 반도체 소자의 재료로써 널리 사용되고 있다.
SiC 결정은 성장온도에 따라 여러 종류로 분류된다. 그 중에서 6H-SiC 단결정은 LED소자로, 4H-SiC 단결정은 전력소자로써 사용된다. 한편, 근래에는 친환경 및 전력 손실 절감 등의 이유로 4H-SiC 단결정 기판을 제작하는 방법이 주목받고 있다. 또한, 2인치 이상의 4H, 6H-SiC 기판을 제작하기 위해서는 종자정(4H, 6H-SiC seed)을 종자정 홀더 상에 부착하고, 종자정(4H, 6H-SiC seed) 상에 4H, 6H-SiC 단결정을 성장시킨다. 즉, 단결정 원료와 접촉되도록 종자정(4H, 6H-SiC seed)을 종자정 홀더에 부착시키고, 공정 시간이 경과되면 상기 종자정(4H, 6H-SiC seed) 상에 단결정(4H, 6H-SiC)이 성장된다.
이러한 SiC 단결정 성장방법에 있어서, 양질의 단결정을 제작하기 위한 기술에 대한 연구가 계속되고 있다. 특히, 성장공정 중 종자정 홀더에서 종자정이 부착되지 않은 부분에는 다결정이 성장될 수 있다. 종래에는 종자정이 부착되지 않은 부분에서 성장된 다결정이 단결정을 덮어버리는 것을 방지하기 위해 종자정이 부착된 부분과 종자정이 부착되지 않은 부분에 단차를 형성하여 단결정과 다결정이 분리되도록 하였다. 하지만, 단결정의 성장공정이 일정시간 진행되면, 단결정보다 상대적으로 성장속도가 빠른 다결정은 단결정을 덮어버리게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 종자정 홀더의 종자정이 부착되지 않은 부분에서 다결정이 성장되는 것을 억제할 수 있는 실리콘카바이드 단결정 성장방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 성장방법은, 그 내부에 단결정 원료가 장입되는 도가니, 상기 도가니의 내벽에 부착되어 종자정을 고정시키는 종자정 홀더, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 상기 도가니를 가열하도록 배치되는 가열수단을 포함하는 단결정 성장장치가 사용되는 SiC 단결정 성장방법에 있어서, 상기 종자정을 상기 종자정 홀더에 부착시키는 단계; 단결정 조각을 상기 종자정 홀더에 부착시키는 단계; 상기 종자정 및 상기 단결정 조각이 부착된 상기 종자정 홀더를 상기 도가니 내부의 일면에 장착시키는 단계; 상기 도가니의 내부에 단결정 원료를 장입시키는 단계; 및 단결정을 성장시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 단결정 조각은 상기 종자정 홀더에서 상기 종자정이 부착되지 않은 부분에 부착될 수 있다.
상기 도가니 내부의 불순물이 제거되는 단계; 및 상기 도가니 내부 및 상기 도가니와 상기 단열재 사이의 공기가 제거되는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기 도가니 내부의 불순물은 상기 도가니를 진공압력에서 설정온도로 가열함으로써 제거될 수 있다.
상기 공기는 상기 도가니의 내부에 불활성 가스를 주입함으로써 제거될 수 있다.
상기 단결정 원료는 SiC 분말일 수 있다.
상기 단결정은 상기 도가니 내부의 압력을 대기압 상태에서 가열한 후, 상기 도가니 내부의 압력을 감압함으로써 성장될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 종자정 홀더에서 종자정이 부착되지 않은 부분에 단결정 조각을 부착시킴으로써, 다결정의 성장을 억제시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 종자정의 단면도 및 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 종자정이 부착된 종자정 홀더의 단면도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 종자정에서 성장된 단결정의 단면도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 및 단결정 조각이 부착된 종자정 홀더의 단면도 및 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정 성장장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 조각이 부착된 경우와 부착되지 않은 경우의 단결정 성장 모습을 보여주는 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 종자정(4H-SiC, 6H-SiC seed) 단면도이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 종자정(4H-SiC, 6H-SiC seed)의 평면도이다. 도 2a 및 도 2b는 실시예의 종자정(4H-SiC, 6H-SiC seed)이 종자정 홀더에 부착된 모습을 설명하기 위한 단면도 및 평면도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 종자정(4H-SiC, 6H-SiC seed)에 단결정(4H-SiC, 6H-SiC)이 형성된 모습의 단면도 및 평면도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 단결정(300)은 종자정(200)과 동일한 직경을 갖는 원형상으로 성장된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 종자정 및 단결정 조각이 부착된 종자정 홀더의 단면도 및 평면도이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 종자정 홀더(100) 상에는 종자정(200)이 부착된다. 또한, 종자정 홀더(100)에서 종자정(200)이 부착되지 않은 부분에는 단결정 조각(400)이 부착된다. 이러한 종자정(200) 및 단결정 조각(400)의 부착에는 슈가(sugar), 카본 페이스트 및 포토레지스트 중 어느 하나가 접착제로써 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 종자정 홀더(100) 상에 종자정(200) 및 단결정 조각(400)을 부착시킬 수 있는 다양한 접착제를 사용하여도 무방하다.
이하, 도 5를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정 성장장치에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정 성장장치의 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정 성장장치(600)는 도가니(510), 단열재(520), 종자정 홀더(100), 석영관(530), 가이드 링(500) 및 가열수단(540)을 포함한다.
도가니(510)에는 단결정의 원료가 장입된다. 또한, 도가니(510) 내부의 일면에는 종자정(200)이 부착된다. 나아가, 도가니(510)의 온도 및 압력이 조절됨에 따라 단결정(300)이 종자정(200)에서 성장된다. 상기 도가니(510)는 을 에서 번 그라파이트(graphite)로 형성될 수 있다.
단열재(520)는 도가니(510)를 둘러싸며 구비된다. 또한, 단열재(520)는 도가니(510)에서 방출되는 열을 차단한다.
종자정 홀더(100)에는 종자정(200)이 부착될 수 있다. 또한, 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)는 도가니(510)의 내부로 인입되어, 도가니(510)의 내부 일면에 부착된다.
가이드 링(500)은 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)가 도가니(510)의 내부로 용이하게 인입되도록 구비된다. 또한, 가이드 링(500)은 SiC 단결정 분말이 승화하여 용이하게 종자정 홀더(100)에 부착되도록 안내하는 기능을 수행한다. 나아가, 가이드 링(500)은 단결정(300)의 성장 방향을 안내하는 기능을 수행한다.
한편, 도가니(510)는 원통형상으로 형성될 수 있고, 가이드 링(500)은 도가니(510)의 내주면에 환형으로 형성될 수 있다. 또한, 가이드 링(500)은 종자정(200)과 이격되어 구비된다. 이러한 가이드 링(500)은 도가니(510)의 내부를 향하여 돌출되고, 종자정(200)을 향하여 점진적으로 원주가 좁아지도록 경사지게 형성된다.
석영관(530)은 을 용융해서 성형시킨 관으로써, 고온에도 견디며 산류에도 강하다. 또한, 석영관(530)은 단열재(520)를 둘러싸는 형상으로 구비된다.
가열수단(540)은 석영관(530)의 외부에 배치된다. 또한, 가열수단(540)은 도가니(510)를 가열하도록 구비된다. 나아가, 본 발명에 따른 실시예에서는 가열수단(540)을 독립적으로 작동시키기 위한 제어장치(미도시)가 더 포함될 수 있다.
앞에서는 도가니(510)가 그라파이트(흑연)로 형성된 것을 설명하였지만, 상기 도가니(510)는 실리콘카바이드(SiC)의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 상기 도가니(510)는 그라파이트로 제작되거나 그라파이트 재질 상에 실리콘카바이드의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포됨으로써 제작될 수 있다. 상기 그라파이트 재질 상에 도포되는 물질로는 실리콘카바이드 단결정(300)이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물 또는 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.
이때, 상기 도가니(510) 내에 장입되는 단결정 원료(350)로는 실리콘카바이드 분말 등을 사용할 수 있다.
상기 종자정 홀더(100)는 고밀도의 그라파이트를 이용하여 제작되고, 상기 종자정 홀더(100)에는 종자정(200)이 부착된다. 또한, 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)를 가이드 링(500)이 사용된 도가니(510) 내부의 일면에 장착하여, 상기 종자정(200) 상에 단결정(300)을 성장시킨다.
상기 단열재(520) 및 석영관(530)은 도가니(510) 내부의 온도를 단결정(300) 성장 온도로 유지시키도록 도가니(510) 외부에 배치된다. 여기서, SiC 단결정(300) 성장 온도가 매우 높으므로 상기 단열재(520)로는 그라파이트 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 그라파이트 펠트(graphite felt)가 사용될 수 있다. 또한, 단열재(520)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(510)를 둘러쌀 수 있다.
상기 가열수단(540)은 석영관(530)의 외부에 배치된다. 또한, 상기 가열수단(540)으로는 고주파 유도 코일이 사용될 수 있다. 상기 고주파 유도 코일에 고주파 전류가 흐르게 함으로써 도가니(510)가 가열되고, 단결정 원료(350)가 설정된 온도로 가열될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 조각이 부착된 경우와 부착되지 않은 경우의 단결정 성장 모습을 보여주는 사진이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 종자정 홀더(100)에서 종자정(200)이 부착되지 않은 부분에 단결정 조각(400)이 부착되지 않은 경우와, 도 6b에 도시된 바와 같이, 단결정 조각(400)이 부착된 경우의 단결정 및 다결정의 성장 모습을 비교해보면, 그 차이를 가시적으로 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시에에 따른 단결정 조각(400)을 부착시킨 SiC 단결정 성장방법은 다결정이 단결정(300)을 덮어버리는 현상을 억제시켜 수율이 좋은 단결정을 성장시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정 성장방법의 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 종자정(200)이 준비되면(S100), 종자정(200)을 종자정 홀더(100)에 부착시킨다(S110). 또한, 종자정 홀더(100)에서 종자정(200)이 부착되지 않은 부분에 단결정 조각(400)을 부착시킨다(S120).
종자정(200) 및 단결정 조각(400)이 종자정 홀더(100)에 부착되면, 종자정 홀더(100)를 성장장치(600) 내로 인입시켜 도가니(510) 내부의 일면에 장착시킨다(S130).
종자정 홀더(100)가 도가니(510) 내부의 일면에 장착되면, 도가니(510)의 내부에 단결정 원료(350)를 장입시킨다(S140).
단결정 원료(350)가 도가니(510)에 장입되면, 도가니(510) 내부의 불순물을 제거한다(S150). 또한, 도가니(510) 내부 및 도가니(510)와 단열재(520) 사이에 남아있는 공기를 제거한다(S160).
상기 과정들이 완료되면, 단결정 원료(350)를 승화시켜 단결정(300)을 성장시킨다(S170).
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정의 제조에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 종자정으로 4H-SiC seed 또는 6H-SiC seed가 이용되었으나, 이에 한정되지 않으며 다양한 종류의 종자정(3C-SiC, 15R-SiC 등)이 이용될 수 있다. 이때, 종자정(200)으로는 직경 2~6인치의 원 형상의 종자정이 사용된다. 이러한 종자정(200)은 후속 공정에서 종자정 홀더(100) 상에 부착된다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종자정 홀더(100) 상에 종자정(200)을 부착시킨다. 또한, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 종자정(200)이 부착되지 않은 종자정 홀더(100) 상에는 단결정 조각(400)이 부착된다.
이어서, 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)를 성장장치(600) 내로 인입시켜 도가니(510) 내부의 상면에 장착시킨다. 이때, 종자정(200)이 부착되지 않은 종자정 홀더(100)의 일면이 도가니(510) 내부의 상측에 부착되고, 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)의 다른 일면은 도가니(510)의 내부를 향하도록 배치된다. 즉, 종자정(200)은 단결정 원료(350)를 향하도록 배치된다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 종자정(200) 상에서 단결정(300)이 성장되는 것을 알 수 있다.
그리고, 도가니(510)의 내부에 단결정 원료(350), 예를 들어 SiC 분말을 장입한다. 이후, 1300℃ 내지 1500℃의 온도와 진공압력으로 2 시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니(510)에 포함된 불순물을 제거한다.
이후에는 불활성 가스 예를 들어 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니(510) 내부 및 도가니(510)와 단열재(520) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 그리고, 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단(540)을 이용하여 도가니(510)를 2000℃ 내지 2300℃의 온도로 가열한다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정의 발생을 방지하기 위함이다. 즉, 먼저 대기압을 유지하며 단결정 원료(350)를 성장 온도까지 승온시킨다. 이후, 성장장치(600) 내부를 20mbar 내지 60mbar로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 단결정 원료(350)를 승화시켜 단결정(300)을 성장시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 종자정 홀더(100)에서 종자정(200)이 부착되지 않은 부분에 단결정 조각(400)을 부착시킴으로써, 다결정의 성장을 억제시킬 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 종자정 홀더
200: 종자정
300: 단결정
350: 단결정 원료
400: 단결정 조각
500: 가이드 링
510: 도가니
520: 단열재
530: 석영관
540: 가열수단
600: 단결정 성장장치

Claims (7)

  1. 그 내부에 단결정 원료가 장입되는 도가니, 상기 도가니의 내벽에 부착되어 종자정을 고정시키는 종자정 홀더, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 상기 도가니를 가열하도록 배치되는 가열수단을 포함하는 단결정 성장장치가 사용되는 SiC 단결정 성장방법에 있어서,
    상기 종자정을 상기 종자정 홀더에 부착시키는 단계;
    단결정 조각을 상기 종자정 홀더에 부착시키는 단계;
    상기 종자정 및 상기 단결정 조각이 부착된 상기 종자정 홀더를 상기 도가니 내부의 일면에 장착시키는 단계;
    상기 도가니의 내부에 단결정 원료를 장입시키는 단계; 및
    단결정을 성장시키는 단계;
    를 포함하는 실리콘카바이드 단결정 성장방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단결정 조각은 상기 종자정 홀더에서 상기 종자정이 부착되지 않은 부분에 부착되는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 단결정 성장방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도가니 내부의 불순물이 제거되는 단계; 및
    상기 도가니 내부 및 상기 도가니와 상기 단열재 사이의 공기가 제거되는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 단결정 성장방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도가니 내부의 불순물은 상기 도가니를 진공압력에서 설정온도로 가열함으로써 제거되는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 단결정 성장방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 공기는 상기 도가니의 내부에 불활성 가스를 주입함으로써 제거되는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 단결정 성장방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단결정 원료는 SiC 분말인 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 단결정 성장방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단결정은 상기 도가니 내부의 압력을 대기압 상태에서 가열한 후,
    상기 도가니 내부의 압력을 감압함으로써 성장되는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 단결정 성장방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101537385B1 (ko) * 2013-12-05 2015-07-17 재단법인 포항산업과학연구원 탄화규소(SiC) 단결정 성장 방법
KR20160078779A (ko) * 2014-12-24 2016-07-05 재단법인 포항산업과학연구원 Ｐ형 탄화규소 단결정 및 이의 성장방법
KR20190078250A (ko) * 2017-12-26 2019-07-04 주식회사 포스코 탄화규소 단결정 성장 방법

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