KR20150043691A - 탄화규소 단결정 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화규소 단결정 성장 장치에 관한 것으로서, 탄화규소 단결정이 성장되는 종자정 연결봉, 도가니 상부 벽 또는 용액 표면 방향 중 어느 하나 이상의 방향으로 냉각 가스를 분사할 수 있도록 하여, 탄화규소 종자정 또는 종자정 주위와 용액 내부의 온도 차이인 온도 구배를 증가시켜 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킬 수 있는 탄화규소 단결정 성장 장치에 관한 것이다.

Description

탄화규소 단결정 성장 장치 {Apparatus for growing silicon carbide single crystal}
본 발명은 탄화규소 단결정을 빠르게 성장시킬 수 있는 탄화규소 단결정 성장 장치에 관한 것이다.
반도체 재료로 가장 일반적으로 사용되고 있는 실리콘에 비해 우수한 특성을 가지고 있는 차세대 반도체 재료로서 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄(AlN) 등의 화합물 반도체 재료가 널리 연구되고 있다.
그 중에서도 특히 탄화규소는 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 열적 안정성 및 화학적 안정성이 뛰어나고, 열전도도가 4W/cm2 이상으로 매우 클 뿐만 아니라 동작 한계 온도가 실리콘의 200℃ 이하와 비교하여 350℃ 이하일 정도로 매우 높다. 또한 결정 구조가 3C 탄화규소, 4H 탄화규소, 6H 탄화규소인 경우에 대전력 및 저손실 변환장치용 반도체 재료로서 매우 우수하여, 최근 광반도체 및 전력 변환용 반도체 재료로서 주목 받고 있다.
통상적으로 탄화규소 단결정의 성장을 위해서는, 예를 들어 탄소와 실리카를 2000℃ 이상의 고온 전기로에서 반응시키는 애치슨(Acheson) 방법, 탄화규소(SiC)를 원료로 하여 2400℃ 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법이 있다. 이외에도, 기체 소스를 사용하여 화학적으로 증착시키는 방법이 사용되고 있다.
그러나 애치슨(Acheson) 방법은 고순도의 탄화규소 단결정을 얻기가 매우 어렵고, 화학적 기상 증착법은 박막으로만 두께가 제한된 수준으로 성장시킬 수 있다. 이에 따라 고온에서 탄화규소를 승화시켜 결정을 성장시키는 승화법에 대한 연구에 집중되어 왔다. 그런데 승화법 역시 일반적으로 2400℃ 이상의 고온에서 이루어지고, 마이크로 파이프(Micro pipe) 및 적층 결함(Stacking fault)과 같은 여러 결함이 방생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있는 문제점을 안고 있다.
이러한 승화법의 문제점을 해결하고자 초크랄스키법(Czochralski, 결정 인상법: crystal pulling method)을 응용한 액상 성장법이 도입되었다.
초크랄스키법은 융액으로부터 단결정을 성장하는 방법이다. 결정 형상이나 성질은 인상속도, 회전속도, 온도기울기 또는 결정방위에 따라 결정된다. 탄화규소 단결정을 위한 액상 성장법은 일반적으로 그라파이트 도가니 안에 실리콘 또는 탄화규소 분말을 장입한 후, 약 1700℃에서 1900℃의 고온으로 승온하여 도가니 상부에 위치한 탄화규소 종자정 표면에서부터 결정이 성장되도록 한다. 그러나 이러한 방법으로는 결정 성장의 속도가 50㎛/hr 이하로 매우 낮아 경제성이 떨어진다.
탄화규소의 성장 속도를 증대시키는 데에는 두 가지의 요건이 필요하다. 첫 번째로는 탄소의 용해도를 증대시켜 용액내에 탄화규소 액상의 양을 증대 시키는 것이며, 두 번째로는 종자정 혹은 종자정 주변의 온도를 용액 내부의 온도보다 더 낮게 유지하여 탄화규소의 과포화도를 증대시킴으로써 탄화규소 단결정 성장 속도를 증대시킬 수 있다.
일례로 실리콘 외에 티타늄(Ti) 혹은 망간(Mn)을 일정 비율로 실리콘과 함께 혼합하여 결정 성장 속도를 높이는 방법이 있으며, 실리콘 외에 철(Fe)과 코발트(Co)를 일정 비율로 실리콘과 함께 사용하여 결정 성장 속도를 높이는 방법이 있다. 이러한 방법들은 실리콘 이외의 금속을 혼합하여 공융점(Eutectic point)을 형성시켜 실리콘 용액내에 도가니로부터 용해되어 나오는 탄소의 양을 증대시키는 효과를 발생시켜 탄화규소 단결정 성장 속도를 증대시킬 수 있다.
그리고 종자정 혹은 종자정 주변의 온도를 용액 내부의 온도보다 더 낮게 유지하여 탄화규소의 과포화도를 증대시킴으로써 탄화규소 단결정 성장 속도를 증대시키는 방법에서, 종자정과 용액 내부의 온도 구배는 주로 열원을 상부, 하부로 구분하여 종자정 위치의 열원의 온도를 감소시킴으로써 유도된다. 그러나 이러한 방법은 간접적으로 종자정 주변의 온도를 감소시키기 때문에 온도 구배를 증대시키는 데에는 한계점이 있다.
즉, 탄화규소 단결정 성장을 위한 액상 성장법에서 용액을 형성하기 위한 열은 저항 발열체로부터 발생하여 그라파이트 도가니를 가열하는 방식 혹은 유도 가열 방식으로 도가니를 직접적으로 가열하는 방식으로 전달되어 고체 실리콘 혹은 탄화규소 분말 원료를 용융시키게 된다. 또한, 탄화규소 단결정 성장 장치의 종자정은 종자정 연결봉에 부착되며, 그라파이트 도가니를 구성하고 있는 탄소 원자가 액상으로 분리되면서 탄화규소 액상이 형성되며, 이후 용액내로 퍼지고 그 중 일부가 종자정 주위로 이동하여 단결정 성장된다. 이때 용액 내부는 실리콘 용액과 탄화규소 용액이 혼재되어 있는 형태로 존재하고 있으며, 결정의 성장은 종자정에서 과포화된 탄화규소가 결정으로 고화됨으로써 일어나게 된다. 따라서 탄화규소의 과포화 량을 늘려 성장 속도를 증가시키기 위해서는 성장 장치에 특별한 장치를 적용하여 강제적으로 종자정 혹은 그 주위의 온도를 용액 내부의 온도보다 낮게 유지하여야 한다.
이와 관련된 종래 기술로는 미국공개특허(2007-0209573)인 "Method for preparing silicon carbide single crystal"(탄화규소 단결정을 준비하기 위한 방법)이 개시되어 있다.
US 2007-0209573 A1 (2012.04.19.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄화규소 종자정 또는 종자정 주위와 용액 내부의 온도 차이인 온도 구배를 증가시켜 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킬 수 있는 탄화규소 단결정 성장 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄화규소 단결정 성장 장치는, 내부가 일정한 압력으로 유지되는 반응실; 상기 반응실 내부에 구비되며, 상측이 개방되고 내측에 수용부가 형성되는 도가니; 상기 도가니를 가열하는 가열 수단; 상기 도가니의 수용부 상측에 배치되는 탄화규소 종자정; 상기 탄화규소 종자정에 결합되어 상측으로 연장 형성되는 종자정 연결봉; 및 상기 종자정 연결봉 주위의 일부 또는 전부를 둘러싸는 가스 분사관; 을 포함하며, 상기 가스 분사관에는 하나 이상의 방향으로 냉각 가스를 분사하는 가스 분사 노즐이 형성되며, 상기 가스 분사 노즐은 가스 분사관을 따라 하나 이상 형성된다.
또한, 상기 가스 분사관에 연결되어 냉각 가스의 온도를 조절하는 가스 냉각 장치를 더 포함한다.
또한, 상기 가스 분사관은 상기 도가니의 직경보다 작게 형성되며, 상기 가스 분사 노즐은 상기 종자정 연결봉 방향으로 냉각 가스를 분사하는 제1노즐, 상기 도가니에 수용되는 용액 표면으로 냉각 가스를 분사하는 제2노즐 및 상기 도가니 측벽 상부 내측으로 냉각 가스를 분사하는 제3노즐 중 선택되는 어느 하나 또는 그 이상을 포함한다.
또한, 상기 가스 분사관은 상기 도가니의 직경보다 크게 형성되며, 상기 가스 분사 노즐은 상기 도가니 측벽 상부 외측으로 냉각 가스를 분사하는 제4노즐을 포함한다.
또한, 상기 종자정 연결봉에 결합되고 상측으로 연장 형성되어, 상기 탄화규소 종자정을 회전시키는 종자정 회전봉을 더 포함한다.
또한, 상기 가스 분사관은 상기 반응실 또는 종자정 회전봉에 고정된다.
또한, 상기 가스 분사관은 상기 종자정 연결봉 주위를 둘러싸는 원형 도넛, 타원형 도넛 및 다각형 도넛 중 선택되는 어느 하나의 형태로 형성된다.
또한, 상기 가스 분사관의 단면은 원형, 타원형 및 다각형 중 선택되는 어느 하나의 형태로 형성된다.
또한, 상기 도가니의 하측에 구비되어 상기 도가니를 회전시키는 회전 지지체를 더 포함한다.
또한, 상기 가열 수단은 상기 도가니의 외주면에서 이격되어 배치된다.
또한, 상기 가열 수단은 저항식 또는 유도 가열식으로 형성된다.
또한, 상기 도가니에 수용되는 용액의 온도 구배는 상하 방향으로 5℃/cm 이상으로 형성된다.
또한, 상기 반응실 내부에는 아르곤, 헬륨 및 질소 중 선택되는 어느 하나의 기체가 충전되며, 상기 반응실 내부의 진공도는 0.005 Torr 내지 1520 Torr 범위로 유지된다.
본 발명의 탄화규소 단결정 성장 장치는, 탄화규소 종자정 또는 종자정 주위와 용액 내부의 온도 차이인 온도 구배를 증가시켜 탄화규소의 과포화도를 증대시킴으로써 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치를 나타낸 정면 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치에서 가스 냉각 장치가 추가된 상태를 나타낸 정면 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 도 1의 도가니 부분을 상측에서 바라본 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 가스 분사관을 나타낸 도 3의 AA'방향 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치를 나타낸 정면 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 도 5의 도가니 부분을 상측에서 바라본 평면도.
도 7은 본 발명에 따른 가스 분사관을 나타낸 도 6의 BB'방향 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 가스 분사관의 변형된 실시예들을 나타낸 상측 평면도.
도 9는 본 발명에 따른 가스 분사관 및 가스 분사 노즐의 실시예들을 나타낸 단면도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 탄화규소 단결정 성장 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치를 나타낸 정면 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 도 1의 도가니 부분을 상측에서 바라본 평면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 가스 분사관을 나타낸 도 3의 AA'방향 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치(1000)는, 내부가 일정한 압력으로 유지되는 반응실(100); 상기 반응실(100) 내부에 구비되며, 상측이 개방되고 내측에 수용부(210)가 형성되는 도가니(200); 상기 도가니(200)를 가열하는 가열 수단(400); 상기 도가니(200)의 수용부(210) 상측에 배치되는 탄화규소 종자정(220); 상기 탄화규소 종자정(220)에 결합되어 상측으로 연장 형성되는 종자정 연결봉(230); 및 상기 종자정 연결봉(230) 주위의 일부 또는 전부를 둘러싸는 가스 분사관(500); 을 포함하며, 상기 가스 분사관(500)에는 하나 이상의 방향으로 냉각 가스를 분사하는 가스 분사 노즐(600)이 형성되며, 상기 가스 분사 노즐(600)은 가스 분사관(500)을 따라 하나 이상 형성된다.
우선, 반응실(100)은 내부가 중공되며 밀폐된 챔버 형태로 형성되어, 그 내부가 일정한 압력으로 유지된다. 그리고 도시되지는 않았으나 반응실(100)에는 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크가 연결되어, 반응실(100) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 기체와 같은 비활성 기체 또는 n형 단결정으로의 도핑(doping)을 위한 질소 기체로 충전될 수 있다.
도가니(200)는 반응실(100) 내부에 구비되며, 내측에 수용부(210)가 형성되어 상측이 개방된 용기 형태로 형성된다. 그리고 도가니(200)의 수용부(210)에는 실리콘 또는 탄화규소 분말이 장입되어 수용될 수 있으며, 실리콘과 탄화규소의 혼합물 또는 실리콘과 탄화규소의 화합물이 장입될 수도 있다. 이때, 도가니(200)는 흑연(그라파이트) 재질로 형성되어 그 자체가 탄소의 공급원으로 활용될 수도 있다.
가열 수단(400)은 도가니(200)를 가열하여 도가니(200)에 수용되는 물질이 용융될 수 있도록 한다. 이때, 가열 수단(400)은 도시된 바와 같이 도가니(200)의 외주면에서 이격되어 반응실(100)의 내부에 구비될 수 있다.
탄화규소 종자정(220)은 탄화규소 단결정이 성장되는 부분으로, 도가니(200) 수용부(130)의 상측에 배치되며, 도가니(200) 내부에 용융된 용액 표면에 탄화규소 종자정(220)의 하면이 접촉되도록 배치될 수 있다.
그리고 종자정 연결봉(230)이 탄화규소 종자정(220)의 상측에 연장 형성되어 탄화규소 종자정(220)이 지지된다. 이때, 종자정 연결봉(230)은 종자정 회전봉(240)에 연결되어 함께 회전하도록 결합될 수 있으며, 종자정 연결봉(230)은 상하로 이동 가능하도록 형성될 수 있다.
가스 분사관(500)은 가스 공급관(700)으로부터 공급된 냉각 가스가 유입되는 부분으로서, 종자정 연결봉(230) 주위의 일부 또는 전부를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 가스 분사관(500)은 종자정 연결봉(230)의 외주면에서 일정거리 이격되도록 배치되어 종자정 연결봉(230)을 둘러싸는 형태로 형성되되, 둘레의 일부분을 둘러싸거나 전체를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
이때, 가스 분사관(500)에는 가스 분사 노즐(600)이 형성되고, 가스 분사 노즐(600)은 하나 이상의 방향으로 냉각 가스를 분사하도록 형성되며, 가스 분사관(500)을 따라 하나 이상 형성된다.
즉, 가스 분사 노즐(600)은 도 1과 같이 도가니(200)의 상부, 도가니(200) 내부에 수용되어 용융된 용액 표면 및 종자정 연결봉(230) 중 선택되는 어느 하나 이상의 방향으로 냉각 가스를 분사할 수 있도록 형성되며, 가스 분사 노즐(600)은 가스 분사관(500)을 따라 다수개가 형성될 수 있다.
이때, 분사되는 가스는 반응실(100) 내부의 압력 조절을 이한 가스와 동일한 종류의 기체로서, 성장되는 탄화규소 단결정에 포함될 수 있는 원하지 않는 불순물이 함유되는 것을 방지할 수 있다.
그리하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치는, 종자정 또는 종자정 주위와 도가니에 수용되어 용융된 용액 내부의 온도 차이인 온도 구배를 증가시켜 탄화규소의 과포화도를 증대시킴으로써 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 가스 분사관(500)에 연결되어 냉각 가스의 온도를 조절하는 가스 냉각 장치(800)를 더 포함한다.
즉, 도 2와 같이 가스 분사관(500)으로 공급되는 냉각 가스의 온도조절을 위해, 가스 냉각 장치(800)가 가스 공급관(700)에 설치되어 가스 공급관(700)을 직접 또는 간접적인 방법으로 냉각시켜 가스 공급관(700)을 따라 흐르는 가스의 온도를 냉각시킬 수 있다. 그리하여 가스 냉각 장치(800)에 의해 분사되는 가스의 온도를 냉각하여 탄화규소 종자정(220)과 용액 내부의 온도 구배를 더욱 크게 하거나, 온도 구배의 크기를 제어할 수 있으며, 필요로 하는 가스의 양과 압력을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 가스 분사관(500)은 상기 도가니(200)의 직경보다 작게 형성되며, 상기 가스 분사 노즐(600)은 상기 종자정 연결봉(230) 방향으로 냉각 가스를 분사하는 제1노즐(610), 상기 도가니(200)에 수용되는 용액 표면으로 냉각 가스를 분사하는 제2노즐(620) 및 상기 도가니(200) 측벽 상부 내측으로 냉각 가스를 분사하는 제3노즐(630) 중 선택되는 어느 하나 또는 그 이상을 포함한다.
즉, 제1노즐(610)은 종자정 연결봉(230) 방향으로 냉각 가스를 분사하여 종자정 연결봉(230) 또는 탄화규소 종자정(220)의 온도를 직접적으로 감소시키고, 제2노즐(620)은 도가니(200) 내부에 수용되어 용융된 용액 표면으로 가스를 분사하여 용액 표면의 온도를 직접적으로 감소시키며, 제3노즐(630)은 도가니(200) 측벽 상부 내측으로 가스를 분사하여 가열 수단(400)에 의해 가열된 도가니(200)의 상부 쪽의 온도만 감소시켜 결과적으로는 용액 표면의 온도를 감소시킬 수 있다.
이와 같이 가스 분사 노즐(600)은 제1노즐(610), 제2노즐(620) 및 제3노즐(630) 중 선택되는 어느 하나 또는 그 이상을 포함하여, 탄화규소 종자정(220)과 용액 내부의 온도 차이인 온도 구배를 크게 하여 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 가스 분사관(500)은 상기 도가니(200)의 직경보다 크게 형성되며, 상기 가스 분사 노즐(600)은 상기 도가니(200) 측벽 상부 외측으로 냉각 가스를 분사하는 제4노즐(640)을 포함한다.
이는, 도 5와 같이 가스 분사관(500)이 도가니(200)의 외벽과 가열 수단(400) 사이의 상측에 형성되어, 도가니(200)의 측벽 상부 외측으로 냉각 가스를 분사할 수 있도록 제4노즐(640)이 형성되는 것이다.
그리하여 도가니(200)의 측벽 상부를 냉각시킴으로써, 탄화규소 종자정(220)과 용액 내부의 온도 구배를 크게 할 수 있어 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킬 수 있으며, 용액 표면으로 냉각 가스를 분사하지 않으므로 용액 표면의 흔들림을 방지할 수 있어 보다 안정적으로 탄화규소 단결정이 성장될 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 종자정 연결봉(230)에 결합되고 상측으로 연장 형성되어, 상기 탄화규소 종자정(220)을 회전시키는 종자정 회전봉(240)을 더 포함한다.
즉, 종자정 연결봉(230)에 종자정 회전봉(240)이 연결되어 탄화규소 종자정(220)을 회전시킬 수 있도록 구성되어, 탄화규소 종자정(220)이 회전될 수 있어 균일하게 탄화규소 단결정이 성장되도록 할 수 있다.
이때, 종자정 회전봉(240)은 하단이 종자정 연결봉(230)에 결합되고, 상단이 반응실(100)의 외부로 노출되도록 형성되어, 종자정 회전봉(240)의 상단에 회전 수단(미도시)이 결합될 수 있다. 또한, 상기 종자정 회전봉(240), 종자정 연결봉(230) 및 탄화규소 종자정(220)은 상하로 이동 가능하도록 형성될 수 있으며, 탄화규소 종자정(220)에 탄화규소 단결정이 성장됨에 따라 탄화규소 종자정(220)을 상측으로 이동시키면서 탄화규소 단결정이 성장되도록 할 수 있다.
그리고 종자정 회전봉(240)이 회전됨에 따라 분사되는 냉각 가스에 의해 균일하게 냉각될 수 있어 용액 내부의 온도 구배를 더욱 크고 균일하게 할 수 있다.
또한, 상기 가스 분사관(500)은 상기 반응실(100) 또는 종자정 회전봉(240)에 고정될 수 있다.
즉, 가스 분사관(500)은 가스 공급관(700)에 연결되어 가스 공급관(700)이 반응실(100)에 고정되어 고정된 상태에서 냉각 가스를 분사하도록 구성될 수도 있으며, 가스 분사관(500)이 종자정 회전봉(240)에 고정되어 종자정 회전봉(240)과 함께 가스 분사관(500)이 회전되면서 냉각 가스를 분사하도록 구성될 수도 있다.
또한, 상기 가스 분사관(500)은 상기 종자정 연결봉(230) 주위를 둘러싸는 원형 도넛, 타원형 도넛 및 다각형 도넛 중 선택되는 어느 하나의 형태로 형성된다.
즉, 도 6 및 도 8과 같이 가스 분사관(500)은 상측에서 바라보았을 때 원형의 도넛형태 또는 타원형의 도넛형태로 형성될 수 있다. 그리고 높은 온도로 가열되는 도가니(200) 및 용액의 열에 의해 변형되지 않는 흑연 재질로 형성될 수 있는데, 이때 흑연 재질은 원형 또는 타원형으로 형성되기 어려우므로 다각형 형태의 도넛 형태로 형성되어 가스 분사관(500)이 종자정 연결봉(230) 주위를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 가스 분사관(500)의 단면은 원형, 타원형 및 다각형 중 선택되는 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
즉, 도 9와 같이 가스 분사관(500)의 단면 또한 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있으며, 흑연 재질로 형성되는 경우 다각형 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 도가니의 하측에 구비되어 상기 도가니를 회전시키는 회전 지지체를 더 포함한다.
이는 도가니(200)의 하측을 지지하도록 형성되는 회전 지지체(300) 및 회전 지지체(300)에 연결된 지지체 회전봉(310)에 의해 도가니(200)가 회전될 수 있도록 형성되어, 종자정 회전봉(240)의 회전에 의해 종자정 연결봉(230)이 회전되는 것과 마찬가지로 냉각 가스에 의해 용액 표면을 균일하게 냉각할 수 있어 용액 내부의 온도 구배를 더욱 크고 균일하게 할 수 있다.
또한, 상기 가열 수단(400)은 상기 도가니(200)의 외주면에서 이격되어 배치된다. 즉, 가열 수단(400)이 도가니(200)의 외주면에서 이격되도록 배치되어, 도가니(200)의 측벽 상부측을 용이하게 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 가열 수단(400)은 저항식 또는 유도 가열식으로 형성된다.
즉, 가열 수단(400)은 도가니(200)를 가열할 수 있는 어떠한 형태로든 형성될 수 있으며, 가열 수단(400) 자체가 발열되는 저항식으로 형성되거나 가열 수단(400)이 인덕션 코일로 형성되어 도가니(200)가 유도 가열되는 방식으로 형성될 수도 있다. 이때, 가열 수단(400)이 유도가열식으로 형성되는 경우 가열 수단(400)이 반응실(100)의 외부에 형성되어 내부의 도가니(200)를 가열하도록 구성될 수도 있다.
또한, 상기 도가니(200)에 수용되는 용액의 온도 구배는 상하 방향으로 5℃/cm 이상으로 형성된다.
즉, 가스 분사관(500)의 가스 분사 노즐(600)에서 분사되는 냉각 가스에 의해 도가니(200)에 수용되어 용융된 용액의 온도 구배가 일정크기 이상으로 유지되도록 하여, 탄화규소 단결정의 성장속도를 증대시킬 수 있다.
그리고 상기 반응실(100) 내부에는 아르곤, 헬륨 및 질소 중 선택되는 어느 하나의 기체가 충전되며, 상기 반응실(100) 내부의 진공도는 0.005 Torr 내지 1520 Torr 범위로 유지된다.
즉, 반응실(100) 내부가 비활성 기체 또는 n형 단결정으로의 도핑을 위한 기체로 충전되어 성장되는 탄화규소 단결정에 포함될 수 있는 원하지 않는 불순물이 함유되는 것을 방지할 수 있으며, 반응실(100) 내부의 진공도를 일정하게 유지시켜 용액내 탄화규소의 과포화도를 증대시킴으로써 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증대시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 탄화규소 단결정 성장 장치
100 : 반응실
200 : 도가니
210 : 수용부 220 : 탄화규소 종자정
230 : 종자정 연결봉 240 : 종자정 회전봉
300 : 회전 지지체 310 : 지지체 회전봉
400 : 가열 수단
500 : 가스 분사관
600 : 가스 분사 노즐
610 : 제1노즐 620 : 제2노즐
630 : 제3노즐 640 : 제4노즐
700 : 가스 공급관
800 : 가스 냉각 장치

Claims (13)

  1. 내부가 일정한 압력으로 유지되는 반응실;
    상기 반응실 내부에 구비되며, 상측이 개방되고 내측에 수용부가 형성되는 도가니;
    상기 도가니를 가열하는 가열 수단;
    상기 도가니의 수용부 상측에 배치되는 탄화규소 종자정;
    상기 탄화규소 종자정에 결합되어 상측으로 연장 형성되는 종자정 연결봉; 및
    상기 종자정 연결봉 주위의 일부 또는 전부를 둘러싸는 가스 분사관; 을 포함하며,
    상기 가스 분사관에는 하나 이상의 방향으로 냉각 가스를 분사하는 가스 분사 노즐이 형성되며, 상기 가스 분사 노즐은 가스 분사관을 따라 하나 이상 형성되는 탄화규소 단결정 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분사관에 연결되어 냉각 가스의 온도를 조절하는 가스 냉각 장치를 더 포함하는 탄화규소 단결정 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분사관은 상기 도가니의 직경보다 작게 형성되며,
    상기 가스 분사 노즐은 상기 종자정 연결봉 방향으로 냉각 가스를 분사하는 제1노즐, 상기 도가니에 수용되는 용액 표면으로 냉각 가스를 분사하는 제2노즐 및 상기 도가니 측벽 상부 내측으로 냉각 가스를 분사하는 제3노즐 중 선택되는 어느 하나 또는 그 이상을 포함하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분사관은 상기 도가니의 직경보다 크게 형성되며,
    상기 가스 분사 노즐은 상기 도가니 측벽 상부 외측으로 냉각 가스를 분사하는 제4노즐을 포함하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 종자정 연결봉에 결합되고 상측으로 연장 형성되어, 상기 탄화규소 종자정을 회전시키는 종자정 회전봉을 더 포함하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 분사관은 상기 반응실 또는 종자정 회전봉에 고정되는 탄화규소 단결정 성장장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분사관은 상기 종자정 연결봉 주위를 둘러싸는 원형 도넛, 타원형 도넛 및 다각형 도넛 중 선택되는 어느 하나의 형태로 형성되는 탄화규소 단결정 성장 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분사관의 단면은 원형, 타원형 및 다각형 중 선택되는 어느 하나의 형태로 형성되는 탄화규소 단결정 성장 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 도가니의 하측에 구비되어 상기 도가니를 회전시키는 회전 지지체를 더 포함하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가열 수단은 상기 도가니의 외주면에서 이격되어 배치되는 탄화규소 단결정 성장 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가열 수단은 저항식 또는 유도 가열식인 탄화규소 단결정 성장 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 도가니에 수용되는 용액의 온도 구배는 상하 방향으로 5℃/cm 이상인 탄화규소 단결정 성장 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반응실 내부에는 아르곤, 헬륨 및 질소 중 선택되는 어느 하나의 기체가 충전되며, 상기 반응실 내부의 진공도는 0.005 Torr 내지 1520 Torr 범위인 탄화규소 단결정 성장 장치.
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