KR20130070479A - 단결정 성장 장치 - Google Patents

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KR20130070479A
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thermal conductivity
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손창현
허선
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 단결정 성장 장치는, 도가니; 상기 도가니의 상부에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더를 포함하고, 상기 도가니는, 상기 원료가 수용되는 원료 수용부를 둘러싸는 제 1 도가니부 및 상기 원료의 승화가 일어나는 가스 룸(gas room)을 둘러싸는 제 2 도가니부를 포함하고, 상기 제 1 도가니부와 상기 제 2 도가니부는 서로 다른 열전도도를 가진다.

Description

단결정 성장 장치{APPARATUS FOR FABRICATING SINGLE CRYSTAL}
본 기재는 단결정 성장 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.
종래의 단경정 성장 장치의 경우, 도가니의 외벽이 동일한 재료를 포함하고 있었다. 즉, 동일한 열전도도를 가지는 재료로 구성되므로, 상기 도가니 내에 수용된 원료의 승화가 일어나는 가스 룸(gas room) 내에 수평 온도 구배가 발생하게 되고, 이에 따라, 상기 가스 룸의 온도를 낮추기 위해 도가니를 감싸는 단열재의 형상을 제어하여 상기 온도 구배를 발생하였다.
그러나, 상기 단결정 성장 장치를 사용하는 과정에서, 상기 단열재의 형상이 변경될 수 있고, 이에 따라. 상기 가스 룸 내에 불균일한 온도 구배가 발생하므로, 상기 도가니 내에서 안정적인 단결정 성장이 일어나지 않을 수 있다.
이에 따라, 상기 단열재가 아닌 다른 방법을 이용하여 상기 도가니 내의 온도 구배를 발생시킬 수 있는 단결정 성장 장치의 필요성이 요구된다.
실시예는 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있는 단경정 성장 장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 단결정 성장 장치는, 도가니; 상기 도가니의 상부에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더를 포함하고, 상기 도가니는, 상기 원료가 수용되는 원료 수용부를 둘러싸는 제 1 도가니부 및 상기 원료의 승화가 일어나는 가스 룸(gas room)을 둘러싸는 제 2 도가니부를 포함하고, 상기 제 1 도가니부와 상기 제 2 도가니부는 서로 다른 열전도도를 가진다.
실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치는 서로 다른 열전도도 물질을 포함하는 제 1 도가니부와 제 2 도가니부를 포함한다. 이에 따라, 상기 도가니 내의 상부와 하부의 온도 차이 즉, 온도 구배를 더 크게 발생시킬 수 있다.
따라서, 도가니 내에 수용되어 있는 원료의 승화 즉, 탄화규소 가스가 상기 도가니 상부에 위치한 종자정으로 이동하는 속도를 향상시킬 수 있어, 탄화규소 단결정 성장률 및 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도이다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도이다.
도 3은 제 3 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도이다.
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 단결정 성장 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 제 1 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 단결정 성장 장치(10)는, 도가니(111, 112), 상부 덮개(130), 종자정 홀더(160), 단열재(200), 석영관(400) 및 발열 유도부(500)를 포함한다.
상기 도가니는 원료(120)를 수용할 수 있도록 원통형의 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 도가니는 제 1 도가니부(111)와 제 2 도가니부(112)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 도가니부(111)는 원료(120)를 수용할 수 있다. 또한, 상기 제 2 도가니부(112)는 상기 원료(120)를 승화시키는 가스 룸을 포함할 수 있다.
상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)는 서로 다른 열전도도를 가지는 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)는 서로 다른 열 전도도를 가지는 흑연으로 제작될 수 있다.
또한, 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)는 흑연에 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 상기 물질은, 탄화규소 단결정이 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 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)에 대해서는 이하에서 좀 더 자세히 설명한다.
상기 원료(120)는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 구체적으로는, 상기 원료(120)는 규소, 탄소, 산소 및 수소를 포함하는 화합물일 수 있다. 상기 원료(120)는 탄화규소 분말(SiC powder) 또는 폴리카보실란(polycarbosilane)일 수 있다.
이어서, 상기 도가니(100)의 상부에 상부 덮개(130)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(130)는 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(130)는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 상부 덮개(130)의 하단부에 종자정 홀더(160)가 위치한다. 상기 종자정 홀더(160)는 종자정(170)을 고정시킬 수 있다. 상기 종자정 홀더(160)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다.
상기 종자정(170)은 상기 종자정 홀더(160)에 부착된다. 상기 종자정(170)이 상기 종자정 홀더(160)에 부착됨으로써, 성장된 단결정이 상기 상부 덮개(140)에까지 성장되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 종자정(170)은 상기 상부 덮개(130)에 직접 부착될 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(111. 112)의 외주면에 끼워진다. 상기 석영관(400)은 상기 발열 유도부(500)에서 단결정 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(111. 112)의 외부에 위치한다. 상기 발열 유도부(500)는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 도가니(111. 112)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 제 1 도가니부(111)에 수용되는 상기 원료(120)를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
상기 발열 유도부(500)에서 유도 가열되는 중심 영역이 상기 도가니((111. 112))의 중심부보다 낮은 위치에 형성된다. 따라서, 상기 도가니(111. 112)의 상부 및 하부에 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 즉, 발열 유도부(500)의 중심부인 핫존(hot zone, HZ)이 상기 도가니(111. 112)의 중심에서 상대적으로 낮은 위치에 형성되어, 핫존(HZ)을 경계로 상기 제 1 도가니(111)의 하부의 온도가 상기 제 2 도가니(112) 상부의 온도보다 높게 형성된다. 또한, 상기 도가니(111. 112)의 내부 중심부에서 외곽 방향을 따라 온도가 높게 형성된다. 이러한 온도구배로 인하여 탄화규소 원료(130)의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(170)의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정으로 성장된다.
이하, 도 1을 참조하여 제 1 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 도가니는 원료수용부인 제 1 도가니부(111)과 상기 원료(120)가 승화하는 가스 룸인 제 2 도가니부(112)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)는 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)는 열전도도가 서로 다른 흑연을 포함할 수 있다.
상기 제 2 도가니부(112)는 높은 열전도도를 가지는 흑연을 포함할 수 있고, 상기 제 1 도가니부(111)는 낮은 열전도도를 가지는 흑연을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 도가니부(112)의 열전도도는 상기 제 1 도가니부(111)의 열전도도에 비해 10% 이상 클 수 있다. 바람직하게는 10% 내지 50% 클 수 있다. 일례로, 상기 제 2 도가니부(112)의 흑연 소재는 밀도가 약 95% 이상인 흑연을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 2 도가니부(112)의 흑연 소재는 밀도가 약 95% 내지 98% 인 흑연을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)의 온도구배를 더 효율적으로 발생시킬 수 있다.
즉, 상기 제 1 도가니부(111)에 수용된 원료(120)는 외부에 위치한 발열 유도부가 도가니(111, 112)의 중심 영역보다 낮은 영역에서 핫존을 형성함으로써, 도가니의 하부의 온도를 도가니 상부의 온도에 비해 높게 유지하고, 이러한 온도구배로 인하여 탄화규소 원료(130)의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(170)의 표면으로 이동하여. 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정으로 성장된다.
제 1 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치는 상기 발열 유도부와 함께, 상기 도가니의 재료로 상부는 열전도도가 높은 물질을 포함하고, 하부는 상대적으로 열전도도가 낮은 물질을 포함하는 2 이상의 물질을 포함하여 상기 온도구배를 더 크게 형성하므로, 상기 탄화규소 가스의 이동을 빠르게 하여 단결정 성장 공정의 효율을 높일 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 제 2 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)에 대해 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위하여 제 1 실시예와 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 도가니는 두께가 다르고 서로 다른 열전도도를 가지는 제 1 도가니부(111)와 제 2 도가니부(112)를 포함한다.
상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)의 두께는 서로 다를 수 있다. 일례로 상기 제 1 도가니부(111)의 두께는 상기 제 2 도가니부(112)의 두께보다 2배 만큼 두꺼울 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 도가니부(111)의 두께는 상기 제 2 도가니부(112)의 두께에 비해 1.1배 내지 2배 일 수 있다.
또한, 상기 제 2 도가니부(112)는 높은 열전도도를 가지는 흑연을 포함할 수 있고, 상기 제 1 도가니부(111)는 낮은 열전도도를 가지는 흑연을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 도가니부(112)의 열전도도는 상기 제 1 도가니부(111)의 열전도도에 비해 10% 이상 클 수 있다. 바람직하게는 10% 내지 50% 클 수 있다. 일례로, 상기 제 2 도가니부(112)의 흑연 소재는 밀도가 약 95% 이상인 흑연을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 2 도가니부(112)의 흑연 소재는 밀도가 약 95% 내지 98% 인 흑연을 포함할 수 있다. 상기 재료 및 열전도도 등의 차이에 의해 제 1 도가니부와 제 2 도가니부의 온도는 다를 수 있다 구체적으로, 제 2 도가니부의 온도는 상기 제 1 도가니부의 온도보다 낮을 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 도가니부와 상기 제 2 도가니부의 온도 차이는 50℃ 내지 1000℃ 일 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)의 온도구배를 더 효율적으로 발생시킬 수 있는 것과 동시에 상기 도가니를 구성하는 재료를 절감할 수 있어, 탄화규소 단결정 성장 공정의 효율 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 3을 참조하여 제 3 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 상기 제 1 도가니부(111)와 상기 제 2 도가니부(112)에 대해 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위하여 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 도가니는 서로 다른 열전도도를 가지는 제 1 도가니부(111)와 제 2 도가니부(112)를 포함한다.
상기 제 2 도가니부(112)는 내벽은 흑연 소재를 포함할 수 있고, 외벽은 단열 부재(113)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 도가니부(112)의 내벽과 외벽의 두께는 상기 제 1 도가니부(111)의 두께와 동일할 수 있다. 일례로, 상기 제 2 도가니부(112)의 내벽은 열전도도가 높은 흑연을 포함할 수 있고, 외벽은 흑연 펠트를 포함하는 단열 부재(113)를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 도가니부(111)는 상기 제 2 도가니부의 내벽보다 열전도도가 낮은 흑연을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 도가니 내의 상부와 하부의 온도 구배가 더 크게 발생할 수 있고, 상기 탄화가스 원료의 승화 속도를 향상시킬 수 있으므로, 탄화규소 단결정 성장 공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명하였듯이, 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치는 열전도도가 서로 다른 제 1 도가니부와 제 2 도가니부를 포함한다. 이에 따라, 종래 발열 유도부에 의해 도가니 내의 온도구배를 발생시키는 것에 비해 더 큰 온도 구배를 발생시킬 수 있으므로, 탄화규소 가스가 종자정으로 이동하는 속도를 향상시킬 수 있으므로, 단결정 성장률을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치는 종래 도가니 외부에 위치한 단열재에 의해 온도 구배를 향상시키는 것에 비해, 상기 단열재의 형상 변경 및 불량 등에 의해 영향을 받지 않고, 단열재의 소모량을 최소화할 수 있으므로 제조 비용의 절감을 가져올 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 (11)

  1. 도가니;
    상기 도가니의 상부에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더를 포함하고,
    상기 도가니는,
    상기 원료가 수용되는 원료 수용부를 둘러싸는 제 1 도가니부 및 상기 원료의 승화가 일어나는 가스 룸(gas room)을 둘러싸는 제 2 도가니부를 포함하고,
    상기 제 1 도가니부와 상기 제 2 도가니부는 서로 다른 열전도도를 가지는 단결정 성장 장치.
  2. 제 1항에 있어서.
    상기 제 1 도가니부와 상기 제 2 도가니부는 흑연을 포함하는 단결정 성장 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 도가니부는 밀도가 95% 내지 98% 인 흑연을 포함하는 단결정 성장 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 도가니부의 열전도도는 상기 제 1 도가니부의 열전도도보다 큰 단결정 성장 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 2 도가니부의 열전도도는 상기 제 1 도가니부의 열전도도 보다 10% 내지 50% 큰 단결정 성장 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도가니부의 두께와 상기 제 2 도가니부의 두께는 서로 다른 단결정 성장 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 도가니부의 두께와 상기 제 2 도가니 부의 두께의 비는 1.1:1 내지 2: 1 인 단결정 성장 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2 도가니부는 흑연 및 단열 부재를 포함하는 단결정 성장 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 도가니부는 흑연을 포함하는 내벽 및 단열 부재를 포함하는 외벽을 포함하는 단결정 성장 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 도가니부의 온도는 상기 제 1 도가니부의 온도보다 작은 단결정 성장 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 도가니부와 상기 제 2 도가니부의 온도 차이는 50℃ 내지 1000℃ 인 단결정 성장 장치.
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KR20160049432A (ko) * 2014-10-27 2016-05-09 오씨아이 주식회사 탄화규소 잉곳의 열처리 방법
CN111218716A (zh) * 2018-11-26 2020-06-02 昭和电工株式会社 SiC单晶锭的制造方法

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