KR20150066015A - 탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치 - Google Patents

Abstract

SiC 단결정 성장 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 4인치 이상의 구경을 갖는 대구경 탄화규소(SiC) 단결정 성장에 적용되는 SiC 단결정 성장 장치에 있어서, 원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니, 종자정이 부착되는 종자정 받침대, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 석영관, 상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열 수단, 및 상기 도가니의 내부에 제공되어 상기 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 감소시키기 위한 온도 편차 감소부를 포함한다.

Description

탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치{GROWTH DEVICE FOR SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 4인치 이상의 구경을 갖는 대구경 단결정 SiC 성장에서 다공성 흑연(Porous graphite)을 활용하여 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 감소시켜 크랙 및 결함을 제어하여 크랙 및 결함의 발생 빈도를 최소화 하고, 최종적으로 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있도록 한 SiC 단결정 성장 장치에 관한 것이다.

종래에는 탄화규소(SiC) 단결정 성장방법으로 물리적 기상 이송법(Physical Vapor Transport)이 높은 수율과 고품질화된 실리콘 카바이드를 제작할 수 있는 장점이 있어, 현재 널리 통용 되고 있다. 상기 성장방법은 가열방법에 있어서 세부적으로 크게 유도가열과 저항가열로 분류가 되고, 대부분이 목표온도와 이에 도달하는 시간에 큰 제약이 없는 유도가열 방법을 주로 사용한다.

상기 방법은 4인치 이하의 구경이 작은 단결정 성장에 있어서 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나, 4인치 이상의 구경을 갖는 대구경 단결정 SiC 성장의 적용에 있어서 상기와 같은 방식 적용은 여러 가지 문제를 야기할 수 있다. 즉, 단결정의 직경이 넓어지게 되면 도가니 크기도 이에 비례하여 가로로 넓어지게 되므로 도가니 내벽부와 도가니 중심부의 온도 편차가 크게 되고, 원료 파우더의 균일한 승화가 불가능하게 된다. 이에 따라, 성장된 잉곳도 편평하지 못하며 중앙이 볼록해진 형태가 되기 때문에 고품질의 단결정 구현이 힘들어지는 문제점이 있다. 또한, 낮은 중심부의 온도에 의해 승화되지 못한 원료 파우더가 도가니 내부에 잔류하여 최종적으로 잉곳의 수율도 저하시키고, 단결정을 성장시키는 공정 시간이 길어지게 되는 한계점이 있었다(도 7 참조).

본 발명은 4인치 이상의 구경을 갖는 대구경 단결정 SiC 성장에서 다공성 흑연(Porous graphite)을 활용하여 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 감소시켜 크랙 및 결함을 제어하여 크랙 및 결함의 발생 빈도를 최소화 하고, 최종적으로 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있도록 한 SiC 단결정 성장 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 4인치 이상의 구경을 갖는 대구경 탄화규소 단결정 성장에 적용되는 탄화규소 단결정 성장 장치에 있어서,

원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니,

종자정이 부착되는 종자정 받침대,

상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 석영관,

상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열 수단, 및

상기 도가니의 내부에 제공되어 상기 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 감소시키기 위한 온도 편차 감소부를 포함하는 탄화규소 단결정 성장 장치가 제공될 수 있다.

상기 온도 편차 감소부는 상기 도가니의 내벽부에 상기 종자정 외각을 둘러싸도록 위치되고, 결정 성장 구간에서 상기 도가니 내벽에서 나오는 복사열을 제어하여 상기 도가니 내벽부와 중심부의 온도 분포를 균일하게 하기 위한 다공성 흑연층으로 이루어질 수 있다.

상기 다공성 흑연층은 상기 도가니 내벽부에 형성된 삽입홈에 다공성 흑연이 삽입 결합되어 이루어질 수 있다.

상기 삽입홈은 상기 도가니의 내벽부로부터 외벽부쪽으로 일정한 크기만큼 오목하게 형성될 수 있다.

상기 삽입홈은 상기 도가니의 내벽부 상단부로부터 하부로 일정한 길이만큼 형성될 수 있다.

상기 다공성 흑연의 순도는 99%이상일 수 있다.

상기 다공성 흑연의 기공률(Porosity)은 70% 이상일 수 있다.

상기 다공성 흑연은 길이가 0.5 내지 1mm 일 수 있다.

결정 성장 구간에서 상기 다공성 흑연이 도가니 내벽에서 나오는 복사열을 제어하여 열반사 역할을 할 수 있도록 상기 도가니의 내부는 대기압하에서 가열수단에 의하여 2000℃ 내지 2300℃ 의 온도로 가열될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 4인치 이상의 구경을 갖는 대구경 단결정 SiC 성장에서 다공성 흑연(Porous graphite)을 활용하여 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 감소시킬 수 있으므로, 곡률반경이 큰 잉곳 제작 가능하며, 단결정과 다결정분리 가능하고, 격자 뒤틀림 현상 감소로 크랙 및 결함 생성 확률이 최소화될 수 있으며, 또한, 공정 안정화를 통하여 최종적으로 성장된 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치에 사용되는 다공성 흑연의 상세도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 도가니 상부를도시한 단면도와, 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 나타낸 도면이다.
도 4는 종래기술에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 도가니 상부를 도시한 단면도와, 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 흑연을 사용하여 성장된 잉곳을 나타낸 사진이다.
도 6은 종래기술에 따라 다공성 흑연을 사용하지 않고 성장된 잉곳을 나타낸 사진이다.
도 7은 유도 가열로 방식을 이용한 단결정 성장시 반응기(도가니)의 직경에 따라 도가니 내부 온도를 시물레이션 사진으로, 도면에서 왼쪽은 도가니 직경이 100mm인 경우이고, 오른쪽은 도가니 직경이 150mm인 경우를 나타낸다.

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 탄화규소 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치는, 4인치 이상의 구경을 갖는 대구경 탄화규소 단결정 성장에 적용될 수 있다.

SiC 단결정 성장 장치는 원료 물질(100)이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니(200), 종자정(500)이 부착되는 종자정 받침대(600), 도가니(200)를 둘러싸는 단열재(300) 및 석영관 (400), 석영관(400) 외부에 마련되어 도가니(200)를 가열하기 위한 가열 수단(700), 및 상기 도가니의 내부에 제공되어 상기 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 감소시키기 위한 온도 편차 감소부를 포함한다.

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.

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(400) 내의 상부에 장착하여, 상기 종자정(600) 상에 단결정을 형성한다.

단열재(300) 및 석영관(400)은 도가니(200) 외부에 마련되며, 도가니(200)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 이때, SiC의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 단열재(300)로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 단열재(300)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(200)를 둘러쌀 수도 있다.

가열수단(700)은 석영관(400) 외부에 마련되며, 예를 들어, 고주파 유도 코일이 이용될 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(200)를 가열하고, 원료 물질을 원하는 온도로 가열한다.

또한, 상기 온도 편차 감소부는 상기 도가니(200)의 내벽부에 상기 종자정(500) 외각을 둘러싸도록 위치되고, 결정 성장 구간에서 상기 도가니(200) 내벽에서 나오는 복사열을 제어하여 상기 도가니(200) 내벽부와 중심부의 온도 분포를 균일하게 하기 위한 다공성 흑연층(800)으로 이루어질 수 있다.

상기 다공성 흑연층(800)은 상기 도가니(200) 내벽부에 형성된 삽입홈(210)에 다공성 흑연이 충전되어 이루어질 수 있다.

상기 삽입홈(210)은 상기 다공성 흑연이 상기 도가니(200) 내벽부에서 나오는 복사열을 효과적으로 제어하여 상기 도가니(200) 내벽에 다결정 생성을 억제시킬 수 있도록, 상기 도가니(200)의 내벽부로부터 외벽부쪽으로 일정한 크기만큼 오목하게 형성되고, 상기 도가니(200)의 내벽부 상단부로부터 하부로 일정한 길이만큼 형성될 수 있다.

따라서, 상기 삽입홈(210)의 크기는 상기 삽입홈(210)에 다공성 흑연이 충전되면, 상기 다공성 흑연층(800)의 내측면이 상기 도가니(200)의 내벽부와 일치되도록 형성될 수 있다.

상기 다공성 흑연(Porous graphite)의 순도는 상기 도가니(200)의 내부에 위치되므로 오염문제를 최소화 시킬 수 있도록 99%이상이어야 한다.

또한, 상기 다공성 흑연의 기공률(Porosity)은 상기 도가니(200) 내벽에서 오는 복사열을 충분히 방출시킬 수 있도록 70% 이상이어야 한다.

상기 다공성 흑연은 섬유재질 이어야 하고, 유도 가열간섭을 피하기 위해 길이 0.5 내지 1mm 인 것이 바람직하다(도 2 참조).

이하에서, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 작동에 대해서 설명한다.

본 발명의 일 실시예에서는 물리적 기상 이송법(PVT: Physical Vapor Transport)을 이용하여 종자정 상에 4H-SiC로 이루어진 단결정을 성장시킨다. 이를 위해 먼저 상기 도가니(200)의 내부에 원료 물질(100)을 장입한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 흑연층(800)의 다공성 흑연은 상기 도가니(200) 내벽부에 형성된 삽입홈(210)에 삽입되어 상기 종자정(500) 외각을 둘러싸도록 위치된다. SiC로 이루어진 종자정(500)을 마련하고, 접착제를 이용하여 종자정(500)을 종자정 받침대(600)에 부착한다. 이어서, 종자정(500)이 부착된 종자정 받침대(600)를 SiC 단결정 성장 장치 내로 인입시키고, 이를 도가니(200) 내부 상부에 장착한다.

그리고, 1000℃ 미만의 온도와 진공압력으로 2 시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니(200)에 포함된 불순물을 제거한다. 이후, 불활성 가스 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니(200) 내부 및 도가니(200)와 단열재(300) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 여기서 불활성 가스를 이용한 퍼징(purging) 공정을 2 내지 3회 반복하는 것이 바람직하다. 이어서 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단(700)을 이용하여 도가니(200)를 2000℃ 내지 2300℃ 의 온도로 가열한다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위함이다.

즉, 먼저 대기압을 유지하며 원료 물질(100)을 성장 온도까지 승온시킨다. 이 때, 열의 이동은 표피가열에 의한 전도(conduction)의 영향이 지배적이다. 그리고, SiC 단결정 성장 장치의 내부를 1 torr 내지 20 torr 로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 원료 물질(100)을 승화시켜 단결정을 성장시킨다. 이 때, 전도 보다는 복사(radiation)가 종자정(500)의 온도구배에 지배적인 영향을 미치게 된다.

결정 성장 구간에서 상기 다공성 흑연층(800)의 다공성 흑연은 도가니(200) 내벽에서 나오는 복사열을 제어하는 일종의 열 반사(thermal reflection) 역할을 한다. 종래에는 도 4에 도시된 바와 같이, 도가니 외벽에서 들어오는 열을 내부로 그대로 전달 하여 도가니(200) 외각과, 도가니(200) 중심부의 온도편차가 커지게 된다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다공성 흑연은 도가니(200) 외벽에서 들어오는 열을 한번 걸러주어서 다공성 흑연층(800)을 기준으로 다공성 흑연층(800)의 내부는 상대적으로 균일한 온도 분포를 가지고 다공성 흑연층의 외부, 즉 도가니(200) 내벽부는 반사열에 의해 온도가 높아짐으로써, 도가니(200) 내벽에 다결정 생성을 억제 시킬 수 있는 효과도 있다.

이와 같이, 탄화규소 성장에 있어서 도가니(200)는 열원 재료로, 상온에서 2300℃ 이상으로 승온, 가열된다. 2000℃ 이하에서는 유도가열의 표피 효과로 인해 전도(conduction)의 영향이 지배적이지만 2000℃ 이상에서는 복사(radiation)의 영향이 더욱더 지배적으로 바뀌게 된다. 상기 다공성 흑연층(800)의 다공성 흑연을 사용, 상기의 복사열을 보다 효율적으로 활용하여 상기 도가니(200) 내벽부와 중심부의 온도 편차를 감소시키고, 최종적으로 고품질의 단결정을 얻을 수 있다.

[실시예]

(발명예)

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 흑연을 사용하여 성장된 잉곳을 나타낸 사진이다.

도 5에 따르면, 다공성 흑연층의 다공성 흑연의 효과로 잉곳의 중심부와 외각부의 높이 편차가 작고, 잉곳 외각에 다결정이 생성되지 않음을 확일 할 수 있다.

(비교예)

도 6은 종래기술에 따라 다공성 흑연을 사용하지 않고 성장된 잉곳을 나타낸 사진이다.

도 6에 따르면, 종래기술에 따라 성장된 잉곳은, 도가니의 내벽부와 중심부의 온도편차 때문에 중심부와 외각부의 높이 편차가 상대적으로 크게 된다. 이는 잉곳 내부 격자구조의 휨 현상이 발생하여 결함 또는 크랙이 발생될 수 있다. 또한, 잉곳 외각에 다결정이 생성되어 단결정과 서로 붙어 있기 때문에, 추후 가공시 응력 완화로 인한 잉곳의 크랙 문제를 야기할 수 있다.

100: 원료 물질 200: 도가니
300: 단열재 400: 석영관
500: 종자정 600: 종자정 받침대
700: 가열수단 800: 다공질 흑연층

Claims (9)

1. 4인치 이상의 구경을 갖는 대구경 탄화규소(SiC) 단결정 성장에 적용되는 탄화규소 단결정 성장 장치에 있어서,
   원료 물질이 장입되는 내부 공간이 마련된 도가니,
   종자정이 부착되는 종자정 받침대,
   상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 석영관,
   상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열 수단, 및
   상기 도가니의 내부에 제공되어 상기 도가니 내벽부와 중심부의 온도 편차를 감소시키기 위한 온도 편차 감소부
   를 포함하는 탄화규소 단결정 성장 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 온도 편차 감소부는 상기 도가니의 내벽부에 상기 종자정 외각을 둘러싸도록 위치되고, 결정 성장 구간에서 상기 도가니 내벽에서 나오는 복사열을 제어하여 상기 도가니 내벽부와 중심부의 온도 분포를 균일하게 하기 위한 다공성 흑연층으로 이루어지는 탄화규소 단결정 성장 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 다공성 흑연층은 상기 도가니 내벽부에 형성된 삽입홈에 다공성 흑연이 충전되는 탄화규소 단결정 성장 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 삽입홈은 상기 도가니의 내벽부로부터 외벽부쪽으로 일정한 길이만큼 오목하게 형성되는 탄화규소 단결정 성장 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 삽입홈은 상기 도가니의 내벽부 상단부로부터 하부로 일정한 길이만큼 형성되는 탄화규소 단결정 성장 장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 다공성 흑연의 순도는 99%이상인 탄화규소 단결정 성장 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 다공성 흑연의 기공률(Porosity)은 70% 이상인 탄화규소 단결정 성장 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 다공성 흑연은 길이가 0.5 내지 1mm 인 탄화규소 단결정 성장 장치.
9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   결정 성장 구간에서 상기 다공성 흑연이 도가니 내벽에서 나오는 복사열을 제어하여 열반사 역할을 할 수 있도록 상기 도가니의 내부는 대기압하에서 가열수단에 의하여 2000℃ 내지 2300℃ 의 온도로 가열되는 탄화규소 단결정 성장 장치.
   

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