KR20160057584A - 대구경 단결정 성장장치 - Google Patents

Abstract

도가니의 외곽과 중심부의 온도 차이를 최소화하여 종자정 및 단결정 잉곳의 외곽과 중심부의 온도차를 줄임으로써, 대구경 탄화규소 단결정의 품질을 향상시킬 수 있도록, 내부에 단결정 원료가 수용되는 도가니와, 상기 도가니를 둘러싸며 하단과 상단 중심에 유입구와 유출구가 형성된 단열재, 상기 도가니의 상단에 결합되어 종자정이 부착되는 종자정 홀더, 상기 단열재의 외부에 배치되는 석영관, 상기 석영관의 외부에 마련되어 도가니를 가열하는 가열수단, 상기 종자정 홀더 외측 상단에 형성되고 대류 현상을 발생하여 종자정홀더를 통해 종자정에 균일한 온도를 가하는 공간부를 포함하는 대구경 단결정 성장장치를 제공한다.

Description

대구경 단결정 성장장치{DEVICE FOR GROWING LARGE DIAMETER SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 대구경 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대구경의 탄화규소 단결정 성장장치에 관한 것이다.

탄화규소(SiC)는 내열성과 기계적 강도가 우수하고 방사선에 강한 성질을 지니며, 종래 Si 기판에 비하여 밴드갭이나 절연파괴강도가 우수하여 차세대 전력반도체 소자용 기판으로 활발한 연구가 이루어지고 있다. 탄화규소 기판을 이용한 반도체는 고전력에 사용이 가능하며, 에너지 변환시 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 청색광으로부터 자외선에 이르는 단파장 광 디바이스 및 고주파 고내압 전자 디바이스 등에서 탄화규소 단결정 웨이퍼의 수요가 높아지고 있다.

탄화규소의 단결정을 성장시키기 위해 PVT(physical vapor transport)법이 이용되고 있다. PVT법에 의한 단결정의 성장시 고주파 유도 가열에 의해 성장로 내부의 도가니가 발열 부재로 작용하기 때문에 도가니의 외곽과 중심간의 온도 차이가 발생한다.

단결정의 대구경화에 따라 도가니의 크기도 이에 비례하여 커지므로 도가니 외곽과 중심부의 온도 편차가 더 커지게 된다. 이에, 종자정과 단결정 잉곳 역시 외곽과 중앙부의 온도간에 편차가 발생되어, 성장된 잉곳도 중앙이 볼록해진 형태가 되어 고품질 단결정을 구현하기 어려워진다.

도가니의 외곽과 중심부의 온도 차이를 최소화하여 종자정 및 단결정 잉곳의 외곽과 중심부의 온도차를 줄임으로써, 대구경 탄화규소 단결정의 품질을 향상시킬 수 있도록 된 대구경 단결정 성장장치를 제공한다.

본 실시예의 성장장치는 내부에 단결정 원료가 수용되는 도가니와, 상기 도가니를 둘러싸며 하단과 상단 중심에 유입구와 유출구가 형성된 단열재, 상기 도가니의 상단에 결합되어 종자정이 부착되는 종자정 홀더, 상기 단열재의 외부에 배치되는 석영관, 상기 석영관의 외부에 마련되어 도가니를 가열하는 가열수단, 상기 종자정 홀더 외측 상단에 형성되고 대류 현상을 발생하여 종자정홀더를 통해 종자정에 균일한 온도를 가하는 공간부를 포함할 수 있다.

상기 공간부는 종자정 홀더 상단이 하방향으로 함몰되어 상단이 개방된 홈부를 포함할 수 있다.

상기 홈부의 폭방향 직경은 종자정 홀더에 부착되는 종자정의 직경 이상의 크기로 형성될 수 있다.

상기 홈부의 폭방향 직경은 100mm 이상일 수 있다.

상기 홈부의 축방향 깊이는 20 ~ 40mm 일 수 있다.

상기 홈부의 바닥면 두께는 2 ~ 10mm 일 수 있다.

상기 홈부의 상단과 상기 단열재 사이의 간격은 20 ~ 40mm 일 수 있다.

상기 석영관 내부로 유입되는 이너가스(inner gas)의 유속은 1 ~ 0.5cm/min 일 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 도가니 외곽과 중심의 온도차에 의해 발생되는 종자정 및 단결정 잉곳의 중심과 외곽의 온도차를 줄임으로써, 중앙부가 볼록하거나 오목하지 않은 평평한 잉곳을 성장시킬 수 있으며, 따라서, 고품질의 단결정을 구현할 수 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치에 의해 성장된 단결정 잉곳의 평탄도를 나타낸 사진이다.

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. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

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.

이하 본 실시예는 대구경의 탄화규소(SiC) 단결정을 성장하기 위한 장치를 예로서 설명한다. 본 실시예은 탄화규소 단결정에 한정되지 않으며 대구경의 다양한 단결정 성장을 위한 장치에 모두 적용가능하다.

도 1은 본 실시예에 따라 대구경의 탄화규소 단결정을 성장하기 위한 단결정 성장장치의 단면을 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 대구경 단결정 성장장치(100)는 내부에 단결정 원료가 수용되는 도가니(10)와, 도가니(10)를 둘러싸며 하단과 상단 중심에 유입구(22)와 유출구(24)가 형성된 단열재(20), 상기 도가니(10)의 상단에 결합되어 종자정(32)이 부착되는 종자정 홀더(30), 상기 단열재(20)의 외부에 배치되는 석영관(40), 상기 석영관(40)의 외부에 마련되어 도가니(10)를 가열하는 가열수단(42), 상기 종자정 홀더(30) 외측 상단에 형성되고 종자정홀더를 통해 종자정에 균일한 온도를 가하도록 대류 현상을 발생시키는 공간부(50)를 포함할 수 있다.

이하 설명에서 도 1의 y축은 축방향이라 하고, x축은 폭방향이라 하며, 상단 상부 상방향이라 함은 도 1에서 y축 방향을 따라 위쪽을 의미하며 하단 하부 하방향이라 함은 그 반대인 아래쪽을 의미한다.

상기 도가니(10)는 그 내부에 단결정 원료와 종자정(32)을 수용한다. 단결정 원료는 에치슨법에 의해 제작된 탄화규소 결정 원료 분말이고, 종자정(32)은 [0001]면을 가지는 4H 폴리타입의 탄화규소 단결정 웨이퍼일 수 있다. 종자정(32)은 도가니(10)의 상단에 설치되는 종자정 홀더(30)의 내면에 장착된다.

상기 석영관(40)은 도시하지 않은 진공 배기 장치 및 이너가스 유량 조절계와 연결되어 단결정 성장 과정에서 내부가 고진공으로 배기됨과 아울러 아르곤 가스와 각종 도핑 가스(질소, 트리메틸알루미늄, 트리메틸붕소 등)를 제공받을 수 있다.

상기 단열재(20)는 석영관(40) 내부에서 도가니(10)를 감싸며 설치된다. 상기 단열재(20)는 도가니(10)의 온도를 결정 성장 온도로 유지한다. 단열재(20)의 하단 중앙부에는 석영관(40)으로 공급된 가스가 단열재(20) 내부로 유입될 수 있도록 유입구(22)가 형성된다. 단열재(20)의 상단 중앙부에는 단열재(20) 내부로 유입된 가스가 배출되는 유출구(24)가 형성된다.

이에, 석영관(40)으로 공급된 가스는 단열재(20)의 유입구(22)를 통해 단열재(20) 내부로 유입되어 단열재(20)와 도가니(10) 사이의 틈새를 따라 위로 이동되고, 단열재(20) 상단의 유출구(24)를 통해 흘러나간다.

상기 종자정 홀더(30)는 도가니(10) 상단에 결합되며, 도가니(10) 내측을 향하는 하단은 종자정(32)이 부착되는 부착면을 이룬다. 상기 종자정 홀더(30)의 외측 상단에는 단열재(20) 내부로 유입된 공기를 대류시키기 위한 공간부(50)가 형성된다.

대류란 가열된 기체가 유동되면서 열전달되는 현상이다. 상기 공간부(50)는 단열재(20) 내부로 유입된 가스가 종자정 홀더(30) 위쪽에서 대류할 수 있도록 제공된 공간이다.

본 실시예에서, 상기 공간부(50)는 종자정 홀더(30) 상단이 하방향으로 함몰되어 상단이 개방된 홈부(52)를 포함한다. 상기 홈부(52)는 상단이 용기 형태를 이룬다.

이에, 홈부(52)를 포함하여 종자정 홀더(30) 외측면에 공간부(50)를 형성함으로써, 단열재(20) 내부로 유입된 가스가 유출구(24)를 통해 빠져나가기 전에 공간부(50)에서 대류하면서 열전달이 이루어지게 된다. 이러한 대류 현상에 의한 열전달은 종자정(32)이 설치된 종자정 홀더(30)의 바로 위쪽 홈부(52)에서 이루어짐에 따라 종자정 홀더(30)의 홈부(52) 바닥면에는 대류에 의한 보다 균일해진 열이 가해진다. 따라서, 종자정(32)에도 전체적으로 균일한 열이 전달되어 외곽부와 중심부의 온도차가 줄게 된다.

본 실시예에서, 상기 홈부(52)의 폭방향 직경은 종자정 홀더(30)에 부착되는 종자정(32)의 직경과 같거나 종자정(32)의 직경보다 큰 크기로 형성될 수 있다. 이에, 홈부(52)의 바닥면과 종자정(32)의 크기는 동일하게 된다. 따라서 홈부(52) 내부 공간에서 대류 현상에 의해 전달되는 열은 홈부(52) 바닥면을 통해 종자정(32) 전체 면에 고르게 가해질 수 있게 된다. 만약 홈부(52)의 직경이 종자정(32)의 직경보다 작으면, 종자정(32)의 외곽부에는 홈부(52)의 대류에 의한 열이 홈부(52)의 바닥면을 통해 전달되지 않아 종자정(32)에 온도차가 발생된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 홈부(52)의 폭방향 직경(D1)은 100mm 이상일 수 있다. 즉, 상기와 같이 공간부(50)를 형성함으로써, 그 결과로 본 실시예의 대구경 단결정 성장장치는 종자정(32)의 직경을 100mm 이상으로 하여, 4인치 이상의 직경을 갖는 고품질 탄화규소 단결정을 제작할 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 홈부(52)의 축방향 깊이(D2)는 20 ~ 40mm 로 형성될 수 있다. 상기 홈부(52)의 축방향 깊이가 20mm보다 작은 경우에는 홈부(52)의 공간 크기가 너무 작아 대류 현상이 충분히 일어나지 못한다. 상기 홈부(52)의 축방향 깊이가 40mm를 넘게되면 단열재의 단열효과를 급속히 감소시켜 단결정 성장을 위해 투입되는 에너지의 양을 증가시킨다.

또한, 상기 홈부(52)의 바닥면 두께(D3)는 2 ~ 10mm 로 형성될 수 있다.

상기 홈부(52)의 바닥면 두께가 2mm보다 작은 경우에는 종자정 부착 시 취급이 용이하지 않으며, 상기 홈부(52)의 바닥면 두께가 10mm를 넘게 되면 대류에 의한 열방출 효과가 감소된다.

또한, 상기 홈부(52)의 상단과 상기 단열재(20) 사이의 간격(D4)은 20 ~ 40mm 로 형성될 수 있다. 상기 홈부(52)의 상단과 단열재(20) 사이의 간격이 20mm보다 작은 경우에는 공간부(50)의 크기가 작아져 대류 현상이 충분히 일어나지 못한다. 상기 간격이 40mm를 넘는 경우에는 전체 설비의 크기가 커질 뿐 효과의 상승은 나타나지 않는다.

본 실시예에서, 상기 공간부(50) 내에서 가스의 대류 현상에 의한 효과를 높일 수 있도록, 상기 석영관(40) 내부로 유입되는 이너가스(inner gas)의 유속은 1 ~ 0.5cm/min로 설정할 수 있다. 이너가스의 유속이 상기 범위를 벗어나게 되면 단결정 성장을 위한 내부 온도 제어와 에너지 효율성에 안좋은 영향을 줄 수 있다.

(실시예)

본 실시예에 따른 장치를 통해 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하였다. 본 실시예에서, 종자정의 직경은 100mm 이며, 종자정 홀더에 형성된 홈부는 깊이 20mm, 직경 100mm, 두께10mm로 형성하였다. 그리고 홈부와 단열재 사이는 20mm의 간격을 두었다.

탄화규소로 이루어진 종자정을 마련하고, 접착제를 이용하여 종자정을 종자정 홀더에 부착하였다. 도가니(10) 내부에는 SiC 파우더와 Si 파우더가 혼합된 원료 물질을 장입하고, 종자정 홀더는 도가니(10) 상단에 결합하였다. 그리고, 준비 과정을 거쳐 도가니(10)를 2000℃ 내지 2300℃의 온도로 가열하고, 내부압력을 유지하면서 단결정 원료 물질을 승화시켜 단결정을 성장시켰다.

도 2는 본 실시예에 따라 제조된 탄화규소 잉곳을 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 장치를 통해 단결정 잉곳의 중심부와 외곽부 사이의 온도차가 최소화되어 대구경의 잉곳임에도 불구하고 매우 평평한 형상의 잉곳을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10 : 도가니 20 : 단열재
22 : 유입구 24 : 유출구
30 : 종자정 홀더 32 : 종자정
40 : 석영관 42 : 가열수단
50 : 공간부 52 : 홈부

Claims (8)

1. 성장장치는 내부에 단결정 원료가 수용되는 도가니와, 상기 도가니를 둘러싸며 하단과 상단 중심에 유입구와 유출구가 형성된 단열재, 상기 도가니의 상단에 결합되어 종자정이 부착되는 종자정 홀더, 상기 단열재의 외부에 배치되는 석영관, 상기 석영관의 외부에 마련되어 도가니를 가열하는 가열수단, 상기 종자정 홀더 외측 상단에 형성되고 대류 현상을 발생하여 종자정홀더를 통해 종자정에 균일한 온도를 가하는 공간부를 포함하는 대구경 단결정 성장장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공간부는 종자정 홀더 상단이 하방향으로 함몰되어 상단이 개방된 홈부를 포함하는 대구경 단결정 성장장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 홈부의 폭방향 직경은 종자정 홀더에 부착되는 종자정의 직경 이상의 크기로 형성되는 대구경 단결정 성장장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 홈부의 폭방향 직경은 100mm 이상인 대구경 단결정 성장장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 홈부의 축방향 깊이는 20 ~ 40mm 인 대구경 단결정 성장장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 홈부의 바닥면 두께는 2 ~ 10mm 인 대구경 단결정 성장장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 홈부의 상단과 상기 단열재 사이의 간격은 20 ~ 40mm 인 대구경 단결정 성장장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 석영관 내부로 유입되는 이너가스의 유속은 1 ~ 0.5cm/min 인 대구경 단결정 성장장치.

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