KR20130074714A - 잉곳 제조 장치 - Google Patents

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KR20130074714A
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Abstract

실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 상기 원료 상에 위치하는 종자정을 고정하는 홀더; 및 상기 도가니 내부에 특정 성분을 선택적으로 통과시키는 필터부를 포함하고, 상기 필터부는 상기 도가니의 바닥면으로부터 경사지는 경사면을 포함한다.

Description

잉곳 제조 장치{APPARATUS FOR FABRICATING INGOT}
본 기재는 잉곳 제조 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.
그리고, 이러한 단결정을 슬라이싱 하여 웨이퍼를 생산할 수 있다. 한편, 단결정을 슬라이싱 할 때, 4 °또는 8 °등 각도를 형성하여 슬라이싱 하는데, 종래에는 단결정의 중심이 볼록하며, 이를 중심으로 곡률을 형성하는 형상이었기 때문에 효율적인 웨이퍼 생산이 어렵다는 문제가 있다.
실시예는 웨이퍼의 수율을 향상할 수 있는 단결정을 성장시킬 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 상기 원료 상에 위치하는 종자정을 고정하는 홀더; 및 상기 도가니 내부에 특정 성분을 선택적으로 통과시키는 필터부를 포함하고, 상기 필터부는 상기 도가니의 바닥면으로부터 경사지는 경사면을 포함한다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 통해 성장되는 단결정은 한쪽으로 치우쳐서 성장될 수 있다. 따라서, 단결정 성장 후, 상기 단결정을 슬라이싱(slicing) 하여 웨이퍼를 생산할 때, 로스(loss)를 줄일 수 있다. 즉, 상기 단결정을 슬라이싱 할 때, 4 °또는 8 °등 각도를 형성하여 슬라이싱 하는데, 종래에는 단결정의 중심이 볼록하며, 이를 중심으로 곡률을 형성하는 형상이었기 때문에 효율적인 웨이퍼 생산이 어려웠다. 그러나, 본 실시예를 통해 성장된 단결정은 비대칭적인 형상을 가지기 때문에 로스를 줄일 수 있고, 생산 가능한 웨이퍼도 증가할 수 있다. 따라서, 단결정의 수율을 향상할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 포함되는 필터부의 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 통해 성장하는 잉곳을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 종래의 잉곳 제조 장치로 성장된 잉곳의 웨이퍼 생산 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 잉곳 제조 장치로 성장된 잉곳의 웨이퍼 생산 영역을 설명하기 위한 도면이다.
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 1 내지 도 5를 참조하여, 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 포함되는 필터부의 단면도이다. 도 3은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 통해 성장하는 잉곳을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4는 종래의 잉곳 제조 장치로 성장된 잉곳의 웨이퍼 생산 영역을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 실시예에 따른 잉곳 제조 장치로 성장된 잉곳의 웨이퍼 생산 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 도가니(100), 필터부(120), 상부 덮개(140), 종자정 홀더(160), 단열재(200), 석영관(400) 및 발열 유도부(500)를 포함한다.
상기 도가니(100)는 원료(130)를 수용할 수 있다.
상기 도가니(100)는 상기 원료(130)를 수용할 수 있도록 원통형의 형상을 가질 수 있다.
상기 도가니(100)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 도가니(100)는 흑연으로 제작될 수 있다.
또한, 도가니(100)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 탄화물로는 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 원료(130)는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 더 구체적으로는, 상기 원료(130)는 탄화규소 화합물을 포함할 수 있다. 상기 도가니(100)는 탄화규소 분말(SiC powder) 또는 폴리카보실란(polycarbosilane) 을 수용할 수 있다.
이어서, 상기 도가니(100) 내부에 필터부(120)가 위치할 수 있다. 구체적으로, 상기 필터부(120)는 상기 원료(130) 상에 위치할 수 있다.
상기 필터부(120)는 상기 도가니(100)의 바닥면으로부터 경사지는 경사면(120b)을 포함한다. 구체적으로, 상기 필터부(120)는 제1 영역(1D) 및 제2 영역(2D)을 포함하고, 상기 제1 영역(1D) 및 상기 제2 영역(2D)에서의 기공의 크기가 서로 다르게 구비된다.
상기 제1 영역(1D)에 제1 기공(121a)이 포함된다.
상기 제2 영역(2D)은 상기 제1 영역(1D)에 인접하여 위치한다. 도 2를 참조하면, 상기 제2 영역(2D)은 상기 제1 영역(1D) 옆에 위치한다. 상기 제2 영역(2D)에 제2 기공(122a)이 포함된다.
상기 제1 기공(121a) 및 상기 제2 기공(122a)의 크기가 서로 다르게 구비된다. 구체적으로, 상기 제1 기공(121a)의 크기가 상기 제2 기공(122a)의 크기보다 작게 구비될 수 있다.
여기서, 상기 제1 기공(121a) 및 상기 제2 기공(122a)의 크기는 0.1 mm 내지 1 mm일 수 있다. 상기 제1 기공(121a) 및 상기 제2 기공(122a)의 크기가 0.1 mm 미만일 경우, 승화된 원료의 통과가 제한적일 수 있다. 또한, 상기 제1 기공(121a) 및 상기 제2 기공(122a)의 크기가 1 mm 초과할 경우, 상기 필터부(120)는 탄소 불순물 및 오염물질들을 흡착하는 역할을 하기 어려울 수 있다.
상기 제1 영역(1D) 및 상기 제2 영역(2D)의 두께가 서로 다르게 구비된다. 구체적으로, 상기 제1 영역(1D)의 두께(T1)가 상기 제2 영역(2D)의 두께(T2)보다 두껍게 구비된다. 따라서, 상기 제1 영역(1D)의 높이가 상기 제2 영역(2D)의 높이보다 높게 구비된다.
즉, 상기 제1 영역(1D)에 포함되는 상기 제1 기공(121a)의 크기는 상기 제2 기공(122a)보다 작고, 두께는 상기 제2 영역(2D)보다 두껍다. 이와 유사하게, 상기 제2 영역(2D)에 포함되는 상기 제2 기공(122a)의 크기는 상기 제1 기공(121a)보다 크고, 두께는 상기 제1 영역(1D)보다 얇다.
상기 제2 영역(2D)에서는 상기 제1 영역(1D)에서보다 승화된 원료가 더 많이 통과하기 때문에 단결정의 성장률이 상대적으로 빠르다. 이와 반대로, 상기 제1 영역(1D)에서는 승화된 원료가 적게 통과하기 때문에 단결정이 성장률이 상대적으로 느리다.
한편, 상기 원료는 제1 원료부(1SD) 및 제2 원료부(2SD)를 포함한다. 상기 제1 원료부(1SD)는 상기 제1 영역(1D)의 하부에 위치한다. 상기 제2 원료부(2SD)는 상기 제2 영역(2D)의 하부에 위치한다. 상기 제1 원료부(1SD)의 높이 및 상기 제2 원료부(2SD)의 높이가 서로 다르다. 즉, 상기 원료(130)의 표면은 상기 도가니(100)의 바닥면으로부터 경사지는 경사면을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 원료부(1SD)의 높이가 상기 제2 원료부(2SD)의 높이보다 높다.
상기 제1 원료부(1SD) 및 상기 종자정(170) 사이의 거리가 상기 제2 원료부(2SD) 및 상기 종자정(170) 사이의 거리가 서로 다르게 구비된다. 구체적으로, 상기 제1 원료부(1SD) 및 상기 종자정(170) 사이의 거리가 상기 제2 원료부(2SD) 및 상기 종자정(170) 사이의 거리보다 가깝다.
상기 원료(130)와 상기 종자정(170) 사이의 거리가 위치에 따라 다르게 구비됨으로써, 단결정의 성장률을 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 원료부(2SD) 및 상기 종자정(170) 사이의 거리가 멀면, 상기 제2 원료부(2SD) 및 상기 종자정(170) 사이의 수직 온도 구배가 상승하여, 단결정 성장률이 높을 수 있다.
따라서, 도 3을 참조하면, 단결정(I)이 한쪽으로 치우쳐서 성장될 수 있다. 따라서, 단결정 성장 후, 상기 단결정을 슬라이싱(slicing) 하여 웨이퍼를 생산할 때, 로스(loss)를 줄일 수 있다. 즉, 상기 단결정을 슬라이싱 할 때, 4 °또는 8 °등 각도를 형성하여 슬라이싱 하는데, 도 4를 참조하면, 종래에는 단결정의 중심이 볼록하며, 이를 중심으로 곡률을 형성하는 형상이었기 때문에 효율적인 웨이퍼 생산이 어려웠다. 그러나, 도 5를 참조하면, 본 실시예를 통해 성장된 단결정은 비대칭적인 형상을 가지기 때문에 로스를 줄일 수 있고, 생산 가능한 웨이퍼도 증가할 수 있다. 따라서, 단결정의 효율을 향상할 수 있다.
상기 필터부(120)는 다공질(porous)일 수 있다. 즉, 상기 필터부(120)는 다수의 기공(122)을 포함할 수 있다. 상기 기공(122)들은 매우 작은 크기의 탄소 불순물 및 오염물질들을 흡착할 수 있다. 또한, 상기 필터부(120)는 SiC2, Si2C 및 Si를 투과하여 상기 종자정(170)으로 이동시킬 수 있다.
상기 필터부(120)는 멤브레인을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 필터부(120)는 탄소계 멤브레인일 수 있다.
상기 탄소계 멤브레인은 흑연분말을 압축 성형 및 하소하여 제조될 수 있다. 상기 탄소계 멤브레인은 내구성, 투과성 및 불순물 여과특성이 우수하다. 따라서, 상기 필터부(120)로 상기 탄소계 멤브레인이 사용될 경우, 고품질의 단결정이 제조될 수 있다.
그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니므로, 상기 필터부(120)는 내구성, 투과성 및 불순물 여과특성이 우수한 다양한 물질을 포함할 수 있다.
상기 필터부(120)가 상기 원료(130) 상부에 위치함으로써, 상기 원료(130)의 표면을 평탄하게 유지할 수 있고, 상기 원료(130)로 유입될 수 있는 이물질을 차단할 수 있다. 또한, 상기 필터부(120)는 성장 초기 원료(130)의 승화속도를 제어함으로써, 고품질의 단결정 성장이 가능하다.
또한, 상기 필터부(120)는 특정 성분을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 필터부(120)는 탄소 불순물을 흡착할 수 있다. 즉, 상기 원료(130)로부터 생성된 탄소 불순물이 상기 단결정 성장 과정에 참여하는 것을 방지할 수 있다. 상기 탄소 불순물이 상기 단결정으로 이동할 경우, 상기 단결정에 결함을 발생시킬 수 있다.
이어서, 상기 도가니(100)의 상부에 상부 덮개(140)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 상부 덮개(140)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(140)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(100)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(100)의 외부에 위치한다. 상기 발열 유도부(500)는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 도가니(100) 및 상기 도가니(100)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 도가니(100)에 수용되는 상기 원료를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
상기 발열 유도부(500)에서 유도 가열되는 중심 영역이 상기 도가니(100)의 중심부보다 낮은 위치에 형성된다. 따라서, 상기 도가니(100)의 상부 및 하부에 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 즉, 발열 유도부(500)의 중심부인 핫존(hot zone, HZ)이 상기 도가니(100)의 중심에서 상대적으로 낮은 위치에 형성되어, 핫존(HZ)을 경계로 상기 도가니(100)의 하부의 온도가 상기 도가니(100) 상부의 온도보다 높게 형성된다. 또한, 상기 도가니(100)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 단결정(I)으로 성장된다.
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 (13)

  1. 원료를 수용하는 도가니;
    상기 원료 상에 위치하는 종자정을 고정하는 홀더; 및
    상기 도가니 내부에 특정 성분을 선택적으로 통과시키는 필터부를 포함하고,
    상기 필터부는 상기 도가니의 바닥면으로부터 경사지는 경사면을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는 제1 영역 및 상기 제1 영역에 인접하여 위치하는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에서의 기공의 크기가 서로 다른 잉곳 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기공의 크기는 0.1 mm 내지 1 mm 인 잉곳 제조 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역에 제1 기공이 포함되고, 상기 제2 영역에 제2 기공이 포함되며 상기 제1 기공의 크기가 상기 제2 기공의 크기보다 작은 잉곳 제조 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 두께가 서로 다른 잉곳 제조 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 영역의 두께가 상기 제2 영역의 두께보다 두꺼운 잉곳 제조 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 원료는 상기 제1 영역 하부에 위치하는 제1 원료부 및 상기 제2 영역 하부에 위치하는 제2 원료부를 포함하고, 상기 제1 원료부의 높이 및 상기 제2 원료부의 높이가 서로 다른 잉곳 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 원료부의 높이가 상기 제2 원료부의 높이보다 높은 잉곳 제조 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 원료부 및 상기 종자정 사이의 거리가 상기 제2 원료부 및 상기 종자정 사이의 거리가 서로 다른 잉곳 제조 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 원료부 및 상기 종자정 사이의 거리가 상기 제2 원료부 및 상기 종자정 사이의 거리보다 가까운 잉곳 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는 상기 원료 상에 위치하는 잉곳 제조 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는 멤브레인을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 멤브레인은 탄소계 멤브레인인 잉곳 제조 장치.
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