KR20160033853A

KR20160033853A - 대구경 단결정 성장장치 및 성장방법

Info

Publication number: KR20160033853A
Application number: KR1020140124405A
Authority: KR
Inventors: 여임규; 강덕홍; 전명철; 은태희; 박노형
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-03-29
Also published as: KR101619610B1

Abstract

본 발명은 대구경 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것으로, 도가니; 도가니의 외부에 설치되고, 도가니를 가열하는 코일; 도가니의 내부에서 하부에 배치되는 종자정; 및 도가니의 내부에서 측면에 배치되고, 원료 분말을 수용하는 용기를 포함하는 단결정 성장장치를 제공한다.

Description

대구경 단결정 성장장치 및 성장방법{Apparatus and method for growing large diameter single crystal}

본 발명은 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것으로, 특히 종자정을 고정하거나 부착시킬 필요가 없고, 또한 원료 분말을 완전히 소진시킬 수 있는 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것이다.

탄화규소 단결정 성장방법으로, PVT 법(Physical Vapor Transport)이 높은 수율과 고품질화된 탄화규소를 제작할 수 있는 장점이 있어, 현재 널리 통용 되고 있다. PVT 법은 종자정을 종자정 받침대에 접착 재료를 이용하여 부착하고, 종자정으로부터 잉곳 형태의 탄화규소를 성장시키는 방법이다.

도 1은 종래기술에 따른 종자정 부착 방법을 예시한 것으로, 종자정 부착 방법은 크게 두 가지로, 즉 흑연 받침대(1)와 탄화규소 종자정(3) 사이에 접착재료(2)를 도포하여 열처리를 하는 화학적 부착 방법(왼쪽), 흑연 받침대(1)와 탄화규소 종자정(3)를 걸림 턱(1a) 등을 통해 단순 체결하는 물리적 부착방법(오른쪽)으로 나뉜다. 이들 방법은 4인치 이상의 대구경 적용에 있어서, 여러 가지 문제를 야기할 수 있다. 그 중 가장 큰 문제는 흑연 받침대와 탄화규소 종자정 사이의 열팽창 계수차 문제이다.

도 1을 참고하면, 열팽창 계수가 상대적으로 큰 흑연 받침대(1)의 경우, 화살표로 표시된 바와 같이, 바깥쪽으로 향하는 인장응력을 받게 된다. 도 1의 화살표로 표시된 바와 같이, 탄화규소 종자정(3)은 안쪽으로 향하는 압축응력을 받게 된다.

탄화규소 성장은 2,000℃ 이상에서 수십 시간을 유지하게 되기 때문에, 두 물질의 열팽창 계수 차이에 따른 뒤틀림 현상으로 내부 응력(stress)이 증가하여, 접합 혹은 체결 면에서 미세 채널 및 기공 등의 불연속적인 결함을 발생시키게 된다. 이때 발생되는 결함은 성장 방향으로 계속 전파되어 동공 결함을 유발할 수 있고, 심할 경우 크랙(crack)이 발생할 수도 있다. 따라서, 고품질의 탄화규소 단결정을 생산하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 접착재료를 사용할 경우, 접착재료 자체가 불순물로 작용할 수 있고, 접착과정에서 이물질이 낄 수 있는 문제점도 있다.

본 발명의 목적은 탄화규소 종자정을 흑연 받침대에 부착시키지 않고 단순히 놓는 방식을 이용함으로써, 흑연 받침대와 탄화규소 종자정 사이의 열팽창 계수 차이를 완전히 배제시켜, 결함 및 크랙의 발생빈도를 최소화할 수 있는 단결정 성장장치 및 성장방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 원료 분말을 외각에 위치시켜 단결정 성장 후 완전히 소진시킴으로써, 원가를 절감할 수 있고 공정 수율을 증가시킬 수 있는 단결정 성장장치 및 성장방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 도가니; 도가니의 외부에 설치되고, 도가니를 가열하는 코일; 도가니의 내부에서 하부에 배치되는 종자정; 및 도가니의 내부에서 측면에 배치되고, 원료 분말을 수용하는 용기를 포함하는 단결정 성장장치를 제공한다.

본 발명에서 종자정은 별도의 고정이나 부착 없이 도가니의 하면 또는 도가니 하부에 설치된 받침대 위에 단순히 놓아질 수 있다.

본 발명에서 도가니의 양측 내주면에는 중앙을 향해 돌출되는 걸림 턱이 형성되고, 용기는 걸림 턱에 걸리도록 설치될 수 있다.

본 발명에서 용기는 내통과 내통을 둘러싸도록 이격 배치되는 외통으로 구성되고, 위에서 볼 때 중앙이 뚫린 도넛 구조를 가지며, 내통은 상부와 하부가 모두 개방되어 전체적으로 뚫린 관통 홀을 형성하고, 외통의 상부는 개방되며, 외통의 하부 중 내통과 외통 사이는 밀폐되고, 내통과 외통 사이에는 원료 분말이 장입되는 공간이 형성될 수 있다.

본 발명에서 관통 홀의 직경은 도가니 내경의 20 내지 60%일 수 있다.

본 발명에서 온도 구배는 도가니의 상부가 높고 하부가 낮도록 형성될 수 있다.

본 발명에서 코일은 유도 가열 형태의 나선형 코일이고, 도가니의 상하방향으로 이동 가능하게 설치되며, 온도가 가장 높은 코일의 중앙 부분이 도가니의 상부 쪽에 위치하도록 배치될 수 있다.

본 발명에서 단결정은 탄화규소 단결정일 수 있다.

본 발명에서 단결정의 구경은 4인치 이상일 수 있다.

또한, 본 발명은 도가니; 도가니의 외부에 설치되고, 도가니를 가열하는 코일; 도가니의 내부에서 하부에 배치되는 종자정; 및 도가니의 내부에서 측면에 배치되고, 원료 분말을 수용하는 용기를 구비하는 단결정 성장장치의 용기에 원료 분말을 장입하는 단계; 및 원료 분말을 승화시켜 종자정 상에 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는 단결정 성장방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 원료 분말은 가열에 의해 승화되어 상승한 후, 용기에 형성된 관통 홀을 통해 하강하여 종자정까지 도달할 수 있다. 또한, 원료 분말은 도가니의 측면 쪽에 배치됨으로써, 단결정 성장 후 원료 분말이 완전히 소진될 수 있다.

본 발명에서 제안하고 있는 대구경 단결정 성장장치 및 성장방법을 사용하면, 종자정 부착이 필요 없기 때문에, 열팽창 계수 차이에 따른 결함 및 크랙 발생빈도를 최소화할 수 있다. 또한, 종자정과 흑연 받침대의 화학적 및 물리적 부착 공정이 필요 없게 됨에 따라, 4인치 이상, 예를 들어 5인치 및 6인치의 대구경 단결정 성장에도 그대로 적용할 수 있다.

또한, 원료 분말의 소진률 측면에서도 남는 분말이 없기 때문에, 원가를 절감할 수 있고 잉곳 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 종자정의 부착방법을 예시한 것으로, 왼쪽이 화학적 부착방법이고, 오른쪽이 물리적 부착방법이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄화수소 종자정 및 흑연 받침대의 배치도이다.
도 3은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 전체 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 성장장치 중 용기의 사시도이다.
도 5는 종래기술에 따른 단결정 성장장치의 전체 구성을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 내부에서 원료 분말의 흐름을 시뮬레이션을 활용하여 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따라 성장된 4인치 탄화규소 단결정 잉곳의 사진이다.
도 8은 본 발명에 따라 성장 후 남은 탄화규소 잔류 분말의 사진이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 대구경 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것으로, 본 발명의 특징은 크게 두 가지로 구성되는데, 첫 번째 특징은 종자정이 하부에 위치함으로써 종자정을 고정할 필요가 없게 된다는 것이다. 종자정의 고정이 필요 없음에 따라, 배경기술에서 설명한 흑연 받침대와 종자정의 열팽창 계수 차이를 고려하지 않아도 되는 장점이 있고, 추가적으로 종자정을 고정하는 공정 등이 생략됨으로써 공정시간이 상당히 단축될 수 있다.

두 번째 특징은 원료 분말이 도가니의 측면 쪽에 배치됨으로써, 원가를 절감할 수 있고, 공정 수율이 증가되는 효과를 얻을 수 있다는 것이다. 코일의 유도가열의 특성상, 도가니 가장자리 온도가 중심부보다 높기 때문에, 종래기술에서는 불균일한 승화조건에 의해 중심부에 항상 잔류 분말이 남게 되면서 수율이 감소하였다. 그러나, 본 발명에서는 원료 분말이 도가니의 중심부에 없기 때문에, 잔류 분말 없이 원료 분말이 완전히 소진될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 탄화수소 종자정 및 흑연 받침대의 배치도로서, 본 발명에서는 탄화규소 종자정(10)을 화학적 또는 물리적 방법으로 고정시키지 않고, 종자정(10)을 도가니(30) 내부의 하면 또는 도가니(30)의 하부에 설치된 흑연 받침대(20) 위에 그냥 내려 놓기만 하면 된다.

종래기술에서는 흑연 도가니(graphite crucible) 내에서 탄화규소 종자정은 항상 상부에 위치하였기 때문에, 종자정을 고정시키는 공정이 필요하였다. 그러나, 본 발명처럼, 종자정(10)을 하부에 위치시키고, 상부와 하부 온도 구배를 반대로 만들어주게 되면, 종자정(10)을 고정시킬 필요가 없게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 전체 구성을 나타낸 단면도로서, 본 발명의 장치는 종자정(10), 받침대(20), 도가니(30), 용기(40), 단열재(50), 석영 유리(60), 코일(70) 등으로 구성될 수 있다.

종자정(10)은 단결정 성장의 기초가 되는 역할을 하며, 원료 분말이 승화된 후 종자정(10)에 도달하고, 종자정(10) 상에서 단결정이 성장하게 된다. 종자정(10)은 대략적으로 얇은 원판 형태로 제작될 수 있다. 종자정(10)은 성장될 단결정과 동일한 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 탄화규소 단결정을 성장시킨다면, 종자정(10)도 탄화규소로 제작할 수 있다.

종자정(10)은 도가니(30)의 내부에서 하부에 배치되며, 이러한 하부 배치가 본 발명의 주요 특징이다. 본 발명에서 종자정(10)은 별도의 고정이나 부착 없이, 도가니(30)의 하면 또는 도가니(30) 하부에 설치된 받침대(20) 위에 단순히 놓아질 수 있다. 종자정(10)이 하부에 위치함에 따라 종자정(10)을 고정할 필요가 없게 되고, 종자정의 고정이 필요 없음에 따라 받침대(20)와 종자정(10)의 열팽창 계수 차이를 고려하지 않아도 되며, 또한 종자정(10)을 고정하는 공정 등이 생략됨으로써 공정시간이 상당히 단축될 수 있다.

받침대(20)는 종자정(10)을 지지하는 역할을 하며, 대략 원판 또는 원통 형태로 제작될 수 있다. 받침대(20)는 도가니(30)와 동일하거나 유사한 재질, 예를 들어 흑연(graphite)으로 제작될 수 있다. 받침대(20)는 필요에 따라 설치하지 않을 수도 있다.

도가니(30)는 종자정(10)과 원료 분말을 수용하고 단결정 성장이 이루어지는 곳이다. 도가니(30)의 내부에는 원료분말이 장입되는 내부공간이 마련된다. 도가니(30)는 예를 들어 흑연 재질의 원통형으로 제작될 수 있다. 도가니(30)의 양측 내주면에는 중앙을 향해 돌출되는 걸림 턱(32)이 형성될 수 있다. 이 걸림 턱(32)은 용기(40)를 장착하기 위해 형성한 것으로, 용기(40)는 걸림 턱(32)에 걸리도록 설치될 수 있다. 걸림 턱(32)의 위치는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 도가니(30)의 높이를 기준으로, 도가니(30)의 하면으로부터 20 내지 60%, 바람직하게는 30 내지 50%의 높이에 형성될 수 있다. 걸림 턱(32)의 위치에 따라 용기(40)의 크기 및 용량이 결정될 수 있다. 걸림 턱(32)의 폭도 특별히 제한되지 않고, 적절하게 설정될 수 있다.

용기(40)는 원료 분말을 수용하는 역할을 한다. 종래기술에서는 별도의 용기가 없었고, 원료 분말은 도가니 내부에 그냥 장입되어 도가니 하부에 쌓였다. 그러나, 본 발명에서는 종자정(10)이 도가니(30)의 하부에 위치함에 따라, 원료 분말을 도가니(30)에 그냥 장입할 수 없었고, 따라서 별도의 용기(40)를 마련하게 되었다.

용기(40)는 원료 분말의 완전 소진 및 승화된 원료 분말의 이동 등을 고려하여, 도가니(30)의 내부에서 측면에 배치될 수 있다. 용기(40)는 도가니(30)의 걸림 턱(32)에 걸리도록 설치될 수 있다. 용기(40)의 전체 직경은 두 걸림 턱(32) 사이의 간격보다 크므로, 용기(40)를 걸림 턱(32)에 걸리도록 내려놓으면, 종자정(10)과 마찬가지로, 별도의 고정 없이 용기(40)를 도가니(30) 내부에 장착할 수 있다. 용기(40)는 승화된 원료 분말의 이동 등을 고려하여, 도가니(30)의 상면과 일정한 간격을 두고 설치될 수 있다. 용기(40)는 도가니(30)와 동일하거나 유사하게, 예를 들어 흑연 재질의 원통형으로 제작될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 단결정 성장장치 중 용기의 사시도로서, 용기(40)는 외통(42), 내통(44), 밑면(46)으로 구성될 수 있다. 도 4와 도 8을 참고하면, 용기(40)는 위에서 볼 때 중앙이 뚫린 도넛 구조를 가질 수 있다.

외통(42)은 내통(44)을 둘러싸도록 이격 배치될 수 있다. 외통(42)의 상부는 개방되며, 외통(42)의 하부 중 내통(44)과 외통(42) 사이는 밑면(46)이 형성되어 밀폐될 수 있다. 외통(42)의 내주면 및 내통(44)의 외주면 그리고 밑면(46)을 경계로 하여, 외통(42)과 내통(44) 사이에는 공간이 형성되고, 이 공간이 바로 원료 수용공간이 될 수 있다. 즉, 외통(42)과 내통(44) 사이에 형성되는 공간에 원료 분말이 장입될 수 있다. 외통(42)의 외경은 도가니(30)의 내경과 동일하거나 약간 작을 수 있다.

내통(44)은 상부와 하부가 모두 개방되어 전체적으로 수직 방향으로 뚫린 관통 홀을 형성할 수 있다. 관통 홀은 승화된 원료 분말이 이동하는 통로 역할을 할 수 있다. 내통(44)의 내경인 관통 홀의 직경(D)은 용기(40)의 원료 수용 용량 및 원료 분말의 이동 등을 고려하여, 도가니(30) 내경의 20 내지 60%, 바람직하게는 30 내지 50%일 수 있다. 외통(42)과 내통(44)의 높이 및 두께 등은 특별히 제한되지 않고, 적절하게 설정될 수 있다.

용기(40)의 이러한 구조로 인해, 원료 분말은 도가니(30)의 측면에 배치될 수 있다. 코일(70)의 유도가열의 특성상, 도가니(30)의 수평방향으로 볼 때, 도가니(30)의 가장자리 온도가 중심부보다 높기 때문에, 종래기술에서처럼 원료 분말이 중심부에도 있으면, 온도가 상대적으로 낮은 중심부에는 항상 잔류 분말이 남게 되면서 수율이 감소하게 된다. 그러나, 본 발명에서는 원료 분말이 도가니(30)의 중심부에는 없고, 온도가 상대적으로 높은 도가니(30)의 측면 쪽에만 존재하기 때문에, 잔류 분말 없이 원료 분말이 완전히 소진될 수 있다.

도 3 및 6을 참고하면, 본 발명에서 온도 구배는 도가니(30)의 상부가 높고 하부가 낮도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 원료 분말은 도 3의 화살표로 표시된 순서와 방향으로 이동하게 되는데, 구체적으로 원료 분말은 온도가 높은 도가니(30)의 상부에서 가열에 의해 승화되어 상승한 후, 도가니(30)의 상부 중앙 부위에 모였다가, 용기(40)의 관통 홀을 통해 하강하면서, 온도가 낮은 도가니(30)의 하부에 위치하는 종자정(10)까지 도달할 수 있다. 원료 분말은 가열에 의해 최종적으로 완전히 소진될 수 있다.

단열재(50)는 단열을 통해 도가니(30)의 온도를 결정 성장 온도로 유지할 수 있도록 하는 역할을 한다. 단열재(50)는 도가니(30)를 둘러싸도록 설치될 수 있으며, 또한 단열재(50)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(30)를 둘러쌀 수 있다. 단열재(50)는 탄화규소의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 펠트 등을 이용할 수 있다. 구체적으로, 단열재(50)는 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다.

석영 유리(60)는 단열재(50)와 유사하게 열을 차단하는 역할을 한다. 석영 유리(60)는 외부에서 도가니(30)로, 반대로 도가니(30)에서 외부로, 또는 양쪽 방향 모두로 전달되는 열을 차단할 수 있다. 석영 유리(60)는 단열재(50)의 외부에 설치될 수 있다. 석영 유리(60)는 관 형태로 구성될 수 있으며, 그 내부로 냉각수가 순환될 수 있다.

코일(70)은 도가니(30)를 가열하는 가열수단의 역할을 한다. 코일(70)은 도가니(30)의 외부, 구체적으로 석영 유리(60)의 외부에 설치될 수 있다. 코일(70)은 유도 가열 형태의 나선형 코일로 구성될 수 있다. 예를 들어, 코일(70)은 고주파 유도 코일일 수 있으며, 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써, 도가니(30) 및 원료 분말을 가열할 수 있다. 유도가열은 전자기 유도에 의해 전기 에너지를 열 에너지로 변환시켜 가열하는 방법이다.

수평방향의 온도 구배를 살펴보면, 코일(70)은 도가니(30)의 외부에서 도가니(30)를 둘러싸고 있으므로, 도가니(30)의 측면 쪽의 온도가 높고 도가니(30)의 중심부의 온도는 낮게 된다. 이에 따라, 상술한 바와 같이, 원료 분말을 도가니(30)의 측면 쪽에 배치함으로써, 원료 분말을 완전히 소진시킬 수 있다.

수직방향의 온도 구배를 살펴보면, 유도가열의 특성상, 코일(70)의 각 부위마다 개별적으로 자장이 형성되고 전체적으로도 자장이 형성되며, 개별 부위의 자장과 전체 자장이 중첩되거나 합쳐져서 코일(70)의 중앙 부분(72)의 온도가 가장 높게 된다. 본 발명에서는 종자정(10)을 도가니(30)의 하부에 배치하므로, 도가니(30)의 수직방향의 온도 구배는 상부의 온도가 높고 하부의 온도가 낮아야 한다.

따라서, 온도가 가장 높은 코일(70)의 중앙 부분(72)이 도가니(30)의 상부 쪽에 위치하도록 배치함으로써, 도가니(30) 상부의 온도를 하부보다 높게 형성할 수 있다. 코일(70)의 중앙 부분(72)의 위치는 도가니(30)의 상부 쪽에 위치한다면 특별히 제한되지 않고, 반드시 도가니(30)의 상단일 필요는 없으며, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 도가니(30)의 상부에서 중간 정도의 위치에 배치될 수 있다.

도가니(30)의 수직 방향의 온도 구배를 제어하기 위해, 코일(70)은 도가니(30)의 상하(수직) 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 코일(70)의 승강 수단은 특별히 제한되지 않고, 피스톤과 실린더 메커니즘, 랙과 피니언 메커니즘 등 통상적인 승강 수단을 채용할 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 탄화규소 단결정 성장에 유용하게 적용될 수 있으며, 다른 재료의 단결정 성장에도 적용될 수 있음을 물론이다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 소구경의 단결정뿐만 아니라 대구경의 단결정 성장에 적용 가능하며, 특히 4인치 이상의 대구경 단결정 성장에 유용하게 적용될 수 있다. 대구경 단결정 성장이 가능한 이유는 종자정(10)의 고정이 필요 없기 때문이다.

도 5는 종래기술에 따른 단결정 성장장치의 전체 구성을 나타낸 단면도로서, 종래 장치는 받침대(1), 종자정(3), 도가니(4), 원료 분말(5), 단열재(6), 석영 유리(7), 코일(8) 등으로 구성될 수 있다.

도 2 내지 4에 예시된 본 발명의 장치와 비교하면, 종래 장치에서는 종자정(3)이 본 발명과 정반대로 도가니(4)의 상부에 위치한다. 또한, 종자정(3)은 도 1에 예시된 바와 같이, 받침대(1)에 접착재료(2)를 통해 부착되거나, 물리적으로 고정되고, 이에 따라 두 물질의 열팽창 계수 차이에 따른 상술한 문제점들이 발생하게 된다. 또한, 종래 장치에서는 별도의 용기가 사용되지 않고, 원료 분말(5)은 도가니(4)의 하부에 그대로 장입되어 쌓인다. 그리고, 원료 분말(5)은 도가니(4)의 중심부에도 있음에 따라, 원료 분말(5)은 단결정 성장 후에도 완전히 소진되지 못하고, 도가니(4)의 중심부에 항상 잔류 분말이 남게 된다. 또한, 종래 장치에서는 종자정(3)이 도가니(4)의 상단에 위치하므로, 도가니(4)의 수직방향의 온도 구배는 본 발명과 정반대로 상부의 온도가 낮고 하부의 온도가 높아야 한다. 상부의 온도가 낮고 하부의 온도가 높게 되는 온도 구배를 형성시키려면, 본 발명과 반대로 코일(8)의 중심부가 도가니(4)의 하부 쪽에 위치해야 한다. 도 3과 5를 비교하면 확인할 수 있듯이, 본 발명의 코일(70)은 전체적으로 위쪽으로 배치되어 있고, 종래기술에서 코일(8)은 아래쪽으로 배치되어 있다.

또한, 본 발명은 상술한 장치를 이용한 단결정 성장방법을 제공하는데, 본 발명의 방법은 원료 분말을 도가니의 측면 쪽에 배치함으로써, 단결정 성장 후 원료 분말을 완전히 소진시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, PVT 방법을 이용하여 종자정(10)에 탄화규소 단결정을 성장시킬 수 있다. 이를 위해, 먼저 탄화규소로 이루어진 종자정(10)을 마련하고, 종자정(10)을 도가니(30)의 하부에 설치된 흑연 받침대(20)에 단순히 올려놓는다. 다음, 도 4와 같은 용기(40)를 도가니(30)의 걸림 턱(32)에 걸리도록 장착한 후, 원료물질을 용기(40)에 장입한다. 원료물질을 미리 용기(40)에 장입한 후, 용기(40)를 장착할 수도 있다. 그리고 나서, 1,000℃ 미만의 온도와 진공압력으로 2시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니(30)에 포함된 불순물을 제거한다. 이후, 불활성 가스, 예를 들어 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니(30) 내부 및 도가니(30)와 단열재(50) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 여기서, 불활성 가스를 이용한 퍼징(purging) 공정을 2 내지 3회 반복하는 것이 바람직하다. 이어서, 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단인 코일(70)을 이용하여 도가니(30)를 2,000℃ 내지 2,300℃의 온도로 가열한다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위함이다. 즉, 먼저 대기압을 유지하면서 원료 물질을 성장 온도까지 승온시킨다. 그리고, 성장장치 내부를 1 torr 내지 20 torr로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 원료 물질을 승화시켜 단결정을 성장시킨다.

도 6은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 내부에서 원료 분말의 흐름을 시뮬레이션을 활용하여 나타낸 것으로, 시뮬레이션을 활용하여 반응기 내부 원료 분말의 흐름을 나타내었다. 도 3 및 6을 참고하면, 상부에서 승화된 원료분말이 중심부의 통로, 즉 용기(40)의 관통 홀을 통하여 하부로 내려오게 되고, 하부에 위치한 종자정(10)까지 도달되는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따라 성장된 4인치 탄화규소 단결정 잉곳의 사진으로, 잉곳 표면이 경면처럼 표면 조도가 낮기 때문에 내부 응력(stress)에 따른 결함이 발생이 적다고 할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따라 성장 후 남은 탄화규소 잔류 분말의 사진으로, 대부분의 분말이 승화 반응에 사용되었기 때문에, 흑연재(ash)만 남아있음을 확인할 수 있다.

1, 20: 받침대
1a, 32: 걸림 턱
2: 접착재료
3, 10: 종자정
4, 30: 도가니
5: 분말
6, 50: 단열재
7, 60: 석영 유리
8, 70, 72: 코일
40: 용기
42: 외통
44: 내통
46: 밑면

Claims

도가니;
도가니의 외부에 설치되고, 도가니를 가열하는 코일;
도가니의 내부에서 하부에 배치되는 종자정; 및
도가니의 내부에서 측면에 배치되고, 원료 분말을 수용하는 용기를 포함하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
종자정은 별도의 고정이나 부착 없이 도가니의 하면 또는 도가니 하부에 설치된 받침대 위에 단순히 놓아지는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
도가니의 양측 내주면에는 중앙을 향해 돌출되는 걸림 턱이 형성되고, 용기는 걸림 턱에 걸리도록 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
용기는 내통과 내통을 둘러싸도록 이격 배치되는 외통으로 구성되고, 위에서 볼 때 중앙이 뚫린 도넛 구조를 가지며, 내통은 상부와 하부가 모두 개방되어 전체적으로 뚫린 관통 홀을 형성하고, 외통의 상부는 개방되며, 외통의 하부 중 내통과 외통 사이는 밀폐되고, 내통과 외통 사이에는 원료 분말이 장입되는 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제4항에 있어서,
관통 홀의 직경은 도가니 내경의 20 내지 60%인 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
코일은 유도 가열 형태의 나선형 코일이고, 도가니의 상하방향으로 이동 가능하게 설치되며, 온도가 가장 높은 코일의 중앙 부분이 도가니의 상부 쪽에 위치하도록 배치되고, 온도 구배는 도가니의 상부가 높고 하부가 낮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
단결정은 탄화규소 단결정인 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
단결정의 구경은 4인치 이상인 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
도가니; 도가니의 외부에 설치되고, 도가니를 가열하는 코일; 도가니의 내부에서 하부에 배치되는 종자정; 및 도가니의 내부에서 측면에 배치되고, 원료 분말을 수용하는 용기를 구비하는 단결정 성장장치의 용기에 원료 분말을 장입하는 단계; 및
원료 분말을 승화시켜 종자정 상에 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는 단결정 성장방법.
제9항에 있어서,
원료 분말은 가열에 의해 승화되어 상승한 후, 용기에 형성된 관통 홀을 통해 하강하여 종자정까지 도달하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
제9항에 있어서,
원료 분말은 도가니의 측면 쪽에 배치됨으로써, 단결정 성장 후 원료 분말이 완전히 소진되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.