KR20130076418A - 실리콘카바이드 단결정 성장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SiC 단결정 성장장치에 관한 것으로, 내부에 SiC 단결정 원료가 장입되는 도가니; 상기 도가니를 감싸는 단열재; 상기 단열재의 외부에 형성되는 석영관 및 상기 석영관의 외측에 형성된 가열수단; 상기 도가니의 상측 내부에 부착되어 종자정이 부착되도록 하는 종자정 홀더; 및 상기 종자정 홀더와 이격 형성되고 상기 도가니의 내주면에 환형으로 형성되어 상기 SiC 단결정 원료를 유도하는 가이드링; 을 포함하는 SiC 단결정 성장장치를 제공하여, 도가니의 내주면에 가이드링을 형성하여 단결정과 다결정이 분리 형성되도록 함과 동시에 가이드링과 종자정간의 거리를 조절함으로써 SiC 단결정 원료의 낭비를 막을 수 있는 효과가 있다.

Description

실리콘카바이드 단결정 성장 장치{APPARATUS FOR GROWING OF SiC SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 SiC 단결정 성장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니의내부에 가이드링을 형성하고 가이드링과 종자정 사이의 거리에 따라 다결정의 성장을 억제할 수 있는 SiC 단결정 성장 장치에 관한 것이다.

대표적인 반도체 소자 재료로 사용된 Si이 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 SiC, GaN, AlN 및 ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다. 여기서, GaN, AlN 및 ZnO에 비해 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 있어, GaN, AlN 및 ZnO 등의 기판에 비해 각광을 받고 있다. 이러한 SiC 결정은 성장온도에 따라 여러 종류로 분류가 되는데 그 중에서 대표적인 SiC로 6H-SiC단결정은 LED소자로, 4H-SiC 단결정은 전력소자로써 쓰이고 있으며, 현재 친환경, 전력 손실 절감 차원에서 4H-SiC 단결정 기판을 제작하는 방법이 각광을 받고 있는 추세이다.

이러한 2인치 이상(2~6인치)의 4H-SiC, 6H-SiC 기판을 제작하기 위해서는 4H-SiC, 6H-SiC를 종자정으로 하여 상기 종자정을 종자정 홀더 상에 부착하고, 상기 종자정 상에 4H-SiC 또는 6H-SiC 단결정을 성장시킨다. 이를 위하여 종자정(4H-SiC, 6H-SiC)을 종자정 홀더에 부착시키고, 공정 시간이 경과함에 따라 상기 종자정(4H-SiC, 6H-SiC) 상에 4H-SiC 또는 6H-SiC 단결정이 성장된다.

그러나, 상기 단결정 성장공정 중 가열에 의한 도가니 내부온도가 균일하지 못하고 위치에 따른 온도 구배와 종자정이 있는 부위와 없는 부위, 그리고 종자정과 종자정이 없는 빈 공간의 단차에 의하여 다결정과 단결정이 성장되는 부위가 다르며 종자정의 중앙과 외각부위의 성장속도와 다결정과 단결정의 성장속도가 달라 다결정과 단결정이 같이 성장된다.

이러게 성장되는 다결정과 단결정은 모양이 볼록하게 자라면서 성장속도가 달라 스트레스를 받게 되고 서로 같이 성장되어 단결정과 붙어버리거나 단결정의 직경확장을 방해하고 이러한 스트레스로 인하여 가공 중 깨지거나 파손될 위험이 있다. 그러므로 다결정과 단결정으로 분리하는 방안이 모색되었다. 또한, 승화법에서 소스의 양은 한정이 되어있어, 다결정과 단결정이 같이 성장하게 되었을 때 성장되는 양은 제한 되어있어, 다결정을 억제시키는 방안이 강구되고 있었다.

본 발명의 실시예들은 도가니의 내주면에 가이드링을 형성하여 단결정과 다결정을 분리하고, 가이드링과 종자정의 거리에 따라 다결정을 억제시킬 수 있는 부위에 가이드링이 형성된 SiC 단결정 성장장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 내부에 SiC 단결정 원료가 장입되는 도가니; 상기 도가니를 감싸는 단열재; 상기 단열재의 외부에 형성되는 석영관 및 상기 석영관의 외측에 형성된 가열수단; 상기 도가니의 상측 내부에 부착되어 종자정이 부착되도록 하는 종자정 홀더; 및 상기 종자정 홀더와 이격 형성되고 상기 도가니의 내주면에 환형으로 형성되어 상기 SiC 단결정 원료를 유도하는 가이드링; 을 포함하는 SiC 단결정 성장장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 가이드링과 상기 종자정간의 거리는 5mm이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 가이드링은 상기 도가니 내부를 향해 돌출되면서 경사면이 형성되고, 종자정 홀더는 흑연 재질인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서의 도가니는 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물과 탄소로 이루어진 탄화물 또는 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물과 질소가 이루는 질화물로 도포될 수 있고, 단열재는 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 가열수단은 고주파 유도 코일일 수 있다.

본 발명의 실시예들은 도가니의 내주면에 가이드링을 형성하여 단결정과 다결정이 분리 형성되도록 함과 동시에 가이드링과 종자정간의 거리를 조절함으로써 SiC 단결정 원료의 낭비를 막을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 종자정의 단면도 및 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 종자정이 종자정 홀더에 부착된 모습의 단면도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 종자정에서 형성된 단결정의 단면도 및 평면도이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 가이드링의 위치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단결정의 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가이드링과 종자정 거리와 다결정 성장의 높이의 관계를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.

이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 종자정(4H-SiC, 6H-SiC) 단면도이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 종자정(4H-SiC, 6H-SiC)의 평면도이다. 도 2a 및 도 2b는 실시예의 종자정을 종자정 홀더에 부착된 모습을 설명하기 위한 단면도 및 평면도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 종자정에 단결정이 형성된 모습의 단면도 및 평면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가이드링의 단면도이다.

이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정 성장장치에 대해 설명한다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 SiC 단결정 성장장치(400)는 내부에 단결정 원료가 장입되는 도가니(510)와, 상기 도가니(510)를 둘러싸는 단열재(520)와, 상기 도가니(510)의 상측 내부에 부착되어 종자정(200)이 부착되는 종자정 홀더(100)와, 상기 단열재의 외부에 형성되는 석영관(530)과, 상기 석영관(530)의 외부에 마련되어 도가니(510)를 가열하는 가열수단(540)을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 종자정(200)과 이격 형성되고 상기 도가니(510)의 내주면에 환형으로 형성되는 가이드링(500)을 포함한다.

나아가, 본 발명에 따른 실시예에서는 가열수단(540)을 독립적으로 작동시키기 위한 제어장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 가이드링(500)은 원하는 단결정의 크기에 따라서 높이를 달리할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가이드링(500)과 종자정(200) 사이의 거리(L)에 따른 다결정의 높이를 도시한 그래프인데, 도 7을 참조하면, 상기 가이드링(500)의 설치 위치는 상기 가이드링(500)과 종자정(200) 사이의 거리(L)가 5mm이하가 되도록 한다. 만약, L이 5mm보다 크다면 다결정(600)이 단결정(300)과 동시에 성장하여 불필요하게 커질 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서의 다결정(600)의 높이는 4mm이하로 유지할 수 있다.

상기 가이드링(500)은 SiC 단결정 분말이 승화하여 용이하게 종자정 홀더(100)에 부착되도록 안내하는 기능을 수행한다. 이를 위하여 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 가이드링(500)이 도가니(510)의 내부를 향하여 돌출되면서 경사지게 형성되도록 하였다. 또한, 상기 가이드링(500)은 단결정(300)이 성정할 수 있는 길을 안내하는 기능도 수행한다.

이때, 상기 도가니(510)는 실리콘카바이드의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작되어야 하는데, 예를 들어 흑연으로 제작되거나 흑연 재질 상에 실리콘카바이드의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 상기 흑연 재질 상에 도포되는 물질은 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)는 실리콘카바이드 분말 등을 사용할 수 있다.

상기 종자정 홀더(100)는 고밀도의 흑연을 이용하여 제작되고, 상기 종자정 홀더(100)에 전술한 바와 같이 종자정(200)을 부착한다. 그리고 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)를 가이드(500)가 사용된 도가니(510) 내의 상부에 장착하여, 상기 종자정(200) 상에 단결정(300)을 형성한다.

상기 단열재(520) 및 석영관(530)은 도가니(510) 외부에 마련되며, 도가니(510)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 단열재(520)는 SiC의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 단열재(520)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(510)를 둘러쌀 수도 있다.

상기 가열수단(540)은 석영관(530) 외부에 마련되는데, 상기 가열수단(540)으로는 고주파 유도 코일이 사용될 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(510)를 가열하고, 단결정 원료(350)를 원하는 온도로 가열할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정의 제조에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명의 실시예에에서는 종자정으로 4H-SiC 시드(seed) 또는 6H-SiC 시드를 이용하여 종자정(200) 상에 단결정(300)을 성장시키기 위해 종자정(200)을 마련한다. 본 발명에 따른 실시예에서는 4H-SiC, 6H-SiC로 종자정(200)을 마련하였으나 이에 한정되지 않고 다양한 종류의 종자정(3C-SiC, 15R-SiC 등등)을 마련할 수 있다. 이때, 종자정(200)으로 직경 2~6인치의 원 형상의 종자정을 사용한다. 이러한 종자정(200)은 후속 공정에서 종자정 홀더(100) 상에 부착된다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종자정 홀더(100) 상에 종자정(200)을 부착한다. 이때, 슈가(sugar), 카본 페이스트 및 포토레지스트 중 어느 하나를 이용하여 종자정 홀더(100) 상에 종자정(200)을 부착한다. 상기 부착 방법은 이에 한정되지 않고 종자정 홀더(100)의 상면에 종자정(200)를 부착시킬 수 있는 다양한 접착제를 사용하여도 무방하다.

이어서, 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)를 성장장치(400) 내로 장입하여 도가니(510) 상측 내부에 장착한다. 이때, 종자정 홀더(100)의 하부면이 도가니(510) 내부의 상측에 부착되도록 하여, 종자정 홀더(100)에 부착된 종자정(200)의 상면이 도가니(510)의 상측에 대응 배치되도록 한다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 종자정(200) 상에서 단결정(300)이 성장된 것을 알 수 있다. 단결정(300)을 성장시키기 위해, 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)를 성장장치(400) 내로 인입시키는데, 이때 상기 도 4의 가이드링(500)을 사용하여 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)를 성장장치(400) 내로 인입시켜 종자정(200) 상에 단결정(300)을 성장시키도록 한다.

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(400) 내부를 20mbar 내지 60mbar로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 단결정 원료(350)를 승화시켜 단결정(300)을 성장시킨다.

도 6은 가이드링의 높이에 따른 생성된 단결정의 사진인데, 도 6a는 가이드링(500)과 종자정(200) 사이의 거리(L)가 5mm보다 큰 경우이고, 도 6b는 L이 5mm 이하인 경우의 단결정(300)과 다결정(600)의 성장 모습을 나타낸 것이다.

도 6에서 알 수 있듯이, 가이드링(500)을 낮은 위치에 형성하여 사용한 단결정(300)에서는 단결정(300) 주위에 많은 양의 다결정(600)이, 가이드링(500)을 보다 높은 위치에 형성하여 사용한 단결정(300)은 다결정(600)이 비교적 억제되어 성장되었다. 따라서, 이와 같이 가이드링(500)에서 종자정(200)상에 단결정(300)을 성장시킴으로써, 단결정 성장시 다결정이 억제되어 비교적 질량이 큰 4H-SiC, 6H-SiC 단결정을 성장시킬 수 있음을 알 수 있다.

이는 도 7에 도시된 바와 같이 종자정과 가이드링 사이의 거리가 작아질수록 다결정의 높이가 작아지는 것으로부터 예측 가능하다.

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.

Claims (7)

1. 내부에 SiC 단결정 원료가 장입되는 도가니;
   상기 도가니를 감싸는 단열재;
   상기 단열재의 외부에 형성되는 석영관 및 상기 석영관의 외측에 형성된 가열수단;
   상기 도가니의 상측 내부에 부착되어 종자정이 부착되도록 하는 종자정 홀더; 및
   상기 종자정 홀더와 이격 형성되고 상기 도가니의 내주면에 환형으로 형성되어 상기 SiC 단결정 원료를 유도하는 가이드링;
   을 포함하는 SiC 단결정 성장장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가이드링과 상기 종자정간의 거리는 5mm이하인 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 성장장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가이드링은 상기 도가니 내부를 향해 돌출되면서 경사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 성장장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 종자정 홀더는 흑연 재질인 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 성장장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 도가니는 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물과 탄소로 이루어진 탄화물 또는 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물과 질소가 이루는 질화물로 도포되는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 성장장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 단열재는 복수의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 성장장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 가열수단은 고주파 유도 코일인 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 성장장치.

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