KR20150066014A - SiC 단결정 성장 장치 - Google Patents

Abstract

SiC 단결정 성장 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 단결정 원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니, 상기 도가니의 외측에 제공되고, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재, 상기 단열재의 외부에 제공되고, 상기 도가니 및 상기 단열재를 둘러싸는 석영관, 종자정이 부착되는 종자정 받침대, 및 상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단을 포함하고, 상기 단열재는 상기 도가니 내부의 온도 분포를 균일하게 제어하기 위한 온도 분포 제어부를 포함한다.

Description

SiC 단결정 성장 장치{GROWTH DEVICE FOR SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 SiC 단결정 성장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유도가열 혹은 저항가열을 통하여 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는데 있어서 온도 구배 문제를 해결하여 성장된 잉곳의 중앙과 가장자리 높이가 같은 고품질 잉곳을 얻을 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 ZnO 에 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 있다. 현재 친환경, 전력 손실 절감 차원에서 4H-SiC 단결정 기판을 제작하는 방법이 각광을 받고 있는 추세이다.

이러한, 2인치 이상의 4H, 6H-SiC 기판을 제작하기 위해서는 종자정(4H, 6H-SiC)을 종자정 홀더 상에 부착하고, 종자정(4H, 6H-SiC) 상에 4H, 6H-SiC 단결정을 성장시킨다. 이를 위해, 종자정(4H, 6H-SiC)을 접촉되도록 종자정 홀더에 부착시킨다. 그리고, 공정 시간이 경과함에 따라 상기 종자정(4H, 6H-SiC)상에 4H, 6H-SiC 단결정이 성장된다.

이렇게 종자정을 이용하여 유도가열 혹은 저항가열 방법으로 단결정을 성장시킬 때, 도가니 내벽부와 도가니 중심부의 온도 편차가 발생하게 되어 성장된 잉곳의 품질에 영향을 미치게 된다. 즉, 종래에는 도가니 윗부분을 감싸고 있는 단열재의 두께가 일정하게 구성되어 있기 때문에, 성장된 잉곳의 중앙과 가장자리의 높이가 달라 오목(concave) 또는 볼록(convex) 형태가 되어 잔류 응력이 존재하게 되는 원인이 되며 추후 가공 공정이나 소자 응용에 문제를 야기하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 유도가열 혹은 저항가열을 통하여 SiC 단결정 잉곳을 성장시키는데 있어서 온도 구배 문제를 해결하여 성장된 잉곳의 중앙과 가장자리 높이가 같은 고품질 잉곳을 얻을 수 있는 SiC 단결정 성장 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 단결정 원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니,

상기 도가니의 외측에 제공되고, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재,

상기 단열재의 외부에 제공되고, 상기 도가니 및 상기 단열재를 둘러싸는 석영관,

종자정이 부착되는 종자정 받침대, 및

상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단을 포함하고,

상기 단열재는 상기 도가니 내부의 온도 분포를 균일하게 제어하기 위한 온도 분포 제어부를 포함하는 SiC 단결정 성장 장치가 제공될 수 있다.

상기 온도 분포 제어부는 상기 단열재의 일단부에 제공되고, 상기 단열재 일단부 두께를 변화시키기 위한 경사부로 이루어질 수 있다.

상기 경사부는 상기 도가니의 상단부 또는 하단부를 감싸는 상기 단열재의 상단부 또는 하단부에 형성될 수 있다.

상기 경사부는 상기 도가니의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니의 가장자리로 갈수록 하향 또는 상향 경사지게 형성될 수 있다.

상기 가열수단은 상기 석영관 외부에 마련되며, 유도 가열 방식 또는 저항 가열 방식이 이용될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 도가니내의 온도 분포를 효과적으로 제어함으로써, 단결정 원료인 SiC 분말의 승화가 가장자리뿐만 아니라 중심부에서도 활발하게 일어날 수 있고, 종자정 부근의 온도도 도가니의 수평 방향으로 일정하게 되고, 중앙부가 볼록하거나 오목하지 않은 평평한 잉곳을 성장시킬 수 있으며, 따라서, 고품질의 단결정을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도가니 중심부에서의 단열재의 두께와 도가니 가장자리에서의 단열재의 두께에 따른 성장된 단결정 잉곳의 평탄도를 나타낸 사진이다.
도 3은 도가니 중심부에서의 단열재의 두께와 도가니 가장자리에서의 단열재의 두께에 따른 성장된 단결정 잉곳의 평탄도를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 단결정 성장 장치는,

단결정 원료 물질(100)이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니(200),

상기 도가니(200)의 외측에 제공되고, 상기 도가니(200)를 둘러싸는 단열재(300),

상기 단열재의 외부에 제공되고, 상기 도가니(200) 및 상기 단열재를 둘러싸는 석영관(400),

종자정(500)이 부착되는 종자정 받침대(600), 및

상기 석영관(400) 외부에 마련되어 상기 도가니(200)를 가열하기 위한 가열수단(700)을 포함한다.

상기 도가니(200)는 SiC의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 흑연으로 제작되거나 흑연 재질 상에 SiC의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 물질은 SiC 단결정이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 금속 탄화물로는 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. 또한, 이러한 도가니(200) 내에는 원료 물질(100)이 장입되는데, 상기 원료 물질(100)은 분말 형태인 것이 바람직하다.

상기 단열재(300) 상기 도가니(200) 외부에 마련되며, 도가니(200)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 이 때, SiC의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 단열재(300)로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 단열재(300)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(200)를 둘러쌀 수도 있다.

또한, 상기 단열재(300)는 상기 도가니(200) 내부의 온도 분포를 균일하게 제어하기 위한 온도 분포 제어부를 포함할 수 있다.

상기 온도 분포 제어부는 상기 단열재(300)의 일단부에 제공되고, 상기 도가니(200) 내부의 중앙부와 가장자리의 온도 분포가 동일하게 될 수 있도록 상기 단열재(300)의 일단부 두께를 변화시키기 위한 경사부(310, 320)로 이루어질 수 있다.

상기 경사부(310, 320)는 상기 도가니(200)의 내부에서 상기 도가니(200)의 폭방향으로 발생되는 열 구배가 없도록 상기 도가니(200)의 상단부 또는 하단부를 감싸는 상기 단열재(300)의 상단부 또는 하단부에 형성될 수 있다.

여기서, 상기 단열재(300)의 상단부는 종자정이 위치한 상기 도가니(200)의 상단부를 감싸고 있으며, 상기 단열재(300)의 하단부는 단결정 원료 물질(100)이 장입되는 상기 도가니(200)의 하단부를 감싸고 있다.

상기 경사부(310)는 상기 도가니(200)의 폭방향 중앙부로 갈수록 상기 단열재(300)의 두께를 두껍게 형성할 수 있도록 상기 도가니(200)의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니(200)의 가장자리로 갈수록 하향 경사지게 형성될 수 있다.

또한, 상기 경사부(320)는 상기 도가니(200)의 폭방향 중앙부로 갈수록 상기 단열재(300)의 두께를 두껍게 형성할 수 있도록 상기 도가니(200)의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니(200)의 가장자리로 갈수록 상향 경사지게 형성될 수 있다.

상기 경사부(310, 320)의 하향 또는 상향 경사 각도는 상기 도가니(200) 내부에서 상기 도가니(200)의 폭방향으로 발생되는 열 구배가 없도록 상기 도가니(200)의 폭방향을 기준으로 일정한 각도로 형성될 수 있다.

상기 종자정 받침대(600)는 종자정(500)을 지지하는 수단으로써, 고밀도의 흑연을 이용하여 제작된다. 그리고, 상기 종자정(500)이 부착된 종자정 받침대(600)를 도가니(200) 내의 상부에 장착하여, 상기 종자정(600) 상에 단결정을 형성한다.

상기 가열수단(700)은 상기 석영관(400) 외부에 마련되며, 유도 가열 방식 또는 저항 가열 방식이 이용될 수 있다. 예컨대, 유도 가열 방식의 경우, 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(200)를 가열하고, 원료 물질(100)을 원하는 온도로 가열한다.

하기에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 SiC 단결정 성장 장치의 작동을 설명한다. 본 실시예에서는 물리적 기상 이송법(PVT: Physical Vapor Transport)을 이용하여 종자정(500) 상에 예컨대, 4H 또는 6H-SiC로 이루어진 SiC 단결정을 성장시킨다. 이를 위해 먼저, SiC로 이루어진 종자정(500)을 마련하고, 접착제를 이용하여 종자정(500)을 종자정 받침대(600)에 부착한다.

이 때, 상기 종자정(500)의 일면이 성장면이 되도록 종자정 받침대(600)에 부착하는 것이 바람직하다. 물론, 이에 한정되지 않고 상기 종자정(500)의 다른 면이 성장면이 되도록 종자정 받침대(600)에 부착할 수 있다.

이어서, 상기 종자정(500)이 부착된 종자정 받침대(600)를 단결정 성장 장치 내로 인입시키고, 이를 상기 도가니(200) 내부 상부에 장착한다. 이 때, 상기 종자정 받침대(600)에 부착된 종자정(500)의 성장면이 상기 도가니(200) 내부 상측에 배치되도록 하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 상기 종자정(500)의 일면이 상기 도가니(200)의 내부 상측에 대응 배치되도록 한다. 그리고, 도가니(200)의 내부에 SiC 파우더와 Si 파우더가 혼합된 실시예에 따른 원료 물질을 장입한다. 이어서, 예컨대, 1300℃ 내지 1500℃의 온도와 진공압력으로 예컨대, 2 시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니(200)에 포함된 불순물을 제거한다. 이후, 불활성 가스 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 상기 도가니(200) 내부 및 상기 도가니(200)와 상기 단열재(300) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 이어서, 압력을 대기압으로 높인 후, 상기 가열수단(700)을 이용하여 도가니(200)를 예컨대, 2000℃ 내지 2300℃의 온도로 가열한다. 본 실시예에서는 가열수단(700)의 재질은 흑연이다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위함이다. 즉, 먼저 대기압을 유지하며 원료물질을 성장 온도까지 승온시킨다. 그리고, 성장장치 내부를 10 torr 내지 20 torr 으로 감압하여 성장 압력을 유지시키면서, 단결정 원료물질을 승화시켜 단결정을 성장시킨다.

이 때, 상기 단열재(300)는 상기 도가니(200) 내부의 온도 분포를 균일하게 제어하기 위한 온도 분포 제어부를 포함하고, 상기 온도 분포 제어부는 상기 단열재(300)의 일단부에 제공되고, 상기 단열재(300)의 일단부 두께를 변화시키기 위한 경사부(310, 320)로 이루어지고, 상기 경사부(310, 320)는 상기 도가니(200)의 상단부 또는 하단부를 감싸는 상기 단열재(300)의 상단부 또는 하단부에 형성되어 있다.

또한, 상기 경사부(310)는 상기 도가니(200)의 폭방향 중앙부로 갈수록 상기 단열재(300)의 두께를 두껍게 형성할 수 있도록 상기 도가니(200)의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니(200)의 가장자리로 갈수록 일정한 각도 하향 경사지게 형성되고, 상기 경사부(320)는 상기 도가니(200)의 폭방향 중앙부로 갈수록 상기 단열재(300)의 두께를 두껍게 형성할 수 있도록 상기 도가니(200)의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니(200)의 가장자리로 갈수록 일정한 각도 상향 경사지게 형성되어 있으므로, 상기 도가니(200) 내부의 중앙부와 가장자리의 온도 분포가 동일하게 될 수 있게 되며, 이에 따라, 상기 도가니(200)의 내부에서 상기 도가니(200)의 폭방향으로 발생되는 열 구배가 없게 되거나 최소화된다.

또한, 도 2는 도가니 중심부에서의 단열재의 두께와 도가니 가장자리에서의 단열재의 두께에 따른 성장된 단결정 잉곳의 평탄도를 나타낸 사진이고, 도 3은 도가니 중심부에서의 단열재의 두께와 도가니 가장자리에서의 단열재의 두께에 따른 성장된 단결정 잉곳의 평탄도를 나타낸 그래프이다.

[실시예]

단열재 두께의 비(a/b)를 1.2로 하였을 때, 성장된 단결정 잉곳의 평탄도(c/d)가 1.03으로 나타났다. 여기서, a는 도가니 중심부에서의 단열재 두께이며, b는 도가니 가장자리에서의 단열재 두께이며, 또한, c는 잉곳 중심부 높이이고, d는 잉곳 가장자리 높이이다. 따라서, 종자정 부근의 열구배를 도가니의 수평방향으로 최소화한 결과라 할 수 있다(도 2, 도 3 참조).

[비교예]

이에 비하여, 단열재 두께의 비(a/b)가 각각 1, 0.8일 경우는 성장된 단결정 잉곳의 평탄도(c/d)가 각각 1.2, 1.5로 확인되었으며, 이 결과는 도가니 내부 종자정 부근의 열구배가 큰 것에 기인한다(도 2, 도 33 참조).

100: 단결정 원료 물질 200: 도가니
300: 단열재 310, 320: 경사부
400: 석영관 500: 종자정
600: 종자정 받침대 700: 가열수단

Claims (5)

1. 단결정 원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니,
   상기 도가니의 외측에 제공되고, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재,
   상기 단열재의 외부에 제공되고, 상기 도가니 및 상기 단열재를 둘러싸는 석영관,
   종자정이 부착되는 종자정 받침대, 및
   상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단
   을 포함하고,
   상기 단열재는 상기 도가니 내부의 온도 분포를 균일하게 제어하기 위한 온도 분포 제어부를 포함하는 SiC 단결정 성장 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 온도 분포 제어부는 상기 단열재의 일단부에 제공되고, 상기 단열재 일단부 두께를 변화시키기 위한 경사부로 이루어지는 SiC 단결정 성장 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 경사부는 상기 도가니의 상단부 또는 하단부를 감싸는 상기 단열재의 상단부 또는 하단부에 형성되는 SiC 단결정 성장 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 경사부는 상기 도가니의 폭방향 중앙부를 중심으로 상기 도가니의 가장자리로 갈수록 하향 또는 상향 경사지게 형성되는 SiC 단결정 성장 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가열수단은 상기 석영관 외부에 마련되며, 유도 가열 방식 또는 저항 가열 방식이 이용되는 SiC 단결정 성장 장치.
   

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