KR20170073834A - 탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

탄화규소(SiC) 단결정 성장장치에 관한 것으로, 내부에 탄화규소(SiC) 원료 물질이 장입되는 원료부를 구비하는 도가니; 상기 도가니의 천정부에 위치하며 탄화규소 종자정이 부착되는 종자정 홀더; 상기 도가니를 둘러싸는 단열재, 및 석영관; 상기 석영관 외부에 위치하며 상기 도가니를 가열하기 위한 가열 수단; 및 상기 원료부에 위치하고, 바닥면으로부터 돌출된 돌출부;를 포함하고, 상기 돌출부는 다공성 흑연(Porous graphite) 재질인 것인, 탄화규소 단결정 성장장치를 제공할 수 있다.

Description

탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치{GROWTH DEVICE FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}
탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치에 관한 것이다.
SiC 단결정은 차세대 전력반도체 소자용 기판으로 활발히 연구 개발 되고 있는 되고 있는 소재이다. 이는, 기존의 Si 기판에 비하여 밴드갭이 3배, 절연파괴강도가 9배 이상인 것으로 알려져 있다. 이에, SiC 기판을 이용한 반도체는 고전력에 사용이 가능하며, 에너지 변환 시 손실을 최소화 할 수 있다.
또한 SiC 디바이스는 고온에서 동작 시, 열 이탈에 의한 소자파괴를 방지할 수 있고, 냉각장치의 간소화가 기대된다. 이에, 실리콘을 대신할 차세대 전력 반도체 소자로 사용될 수 있다.
그러나, 승화법에 의해 성장되는 SiC 단결정은 성장 시 많은 결정학적 결함과 탄소 침입 결함을 형성하게 되며, 이러한 결함은 향후 소자 제작 시 문제를 발생시키게 되기 때문에 저결함의 단결정 성장이 요구되고 있다.
본 발명의 일 구현예는 승화법에 의한 SiC 단결정 제조시에, SiC 분말이 장입되는 원료부의 열전달을 향상시켜 장치 외각부에서 형성되는 탄소재(Carbon ash)의 형성을 지연시키고자 한다. 또한, 불가피하게 생성된 탄소재(Carbon ash)가 성장된 단결정 SiC 잉곳 내로 침입하기 전에 미리 걸러주어, 저결함의 SiC 단결정을 성장시킬 수 있는 SiC 단결정 성장 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예는, 내부에 탄화규소(SiC) 원료 물질이 장입되는 원료부를 구비하는 도가니; 상기 도가니의 천정부에 위치하며 탄화규소 종자정이 부착되는 종자정 홀더; 상기 도가니를 둘러싸는 단열재, 및 석영관; 상기 석영관 외부에 위치하며 상기 도가니를 가열하기 위한 가열 수단; 및 상기 원료부에 위치하고, 바닥면으로부터 돌출된 돌출부;를 포함하고, 상기 돌출부는 다공성 흑연(Porous graphite) 재질인 것인, 탄화규소 단결정 성장장치를 제공한다.
상기 돌출부는, 속이 빈 원통 형태인 것일 수 있다.
상기 다공성 흑연은, 밀도가 1g/cm3 이상, 및 1.4 g/cm3 이하인 것일 수 있다.
상기 다공성 흑연은, 공극률(Porosity)이 30% 이상, 및 50% 이하인 것일 수 있다.
상기 돌출부의 높이는, 상기 원료부와 높이가 동일하거나; 원료부의 높이 대비 0mm초과, 및 10mm이하 더 높은 것일 수 있다.
상기 돌출부의 두께는, 5mm 이상, 및 10mm 이하인 것일 수 있다.
상기 돌출부는, 상기 원료부의 바닥면 상의 위치를 기준으로, 원료부의 중심부와, 원료부의 외곽부 및 중심부의 중간 지점 사이에 위치하는 것일 수 있다.
상기 돌출부는, 상기 원료부의 열전달을 향상시키는 것일 수 있다.
상기 돌출부는, 상기 원료부로부터 상기 단결정 성장장치의 상부로 상승하는 탄소재(Carbon ash)를 걸러주는 것일 수 있다.
발명의 일 구현예는 승화법에 의한 SiC 단결정 제조시에, SiC 분말이 장입되는 원료부의 열전달을 향상시켜 장치 외각부에서 형성되는 탄소재(Carbon ash)의 형성을 지연시킬 수 있다. 또한, 불가피하게 생성된 탄소재(Carbon ash)가 성장된 단결정 SiC 잉곳 내로 침입하기 전에 미리 걸러주어, 저결함의 SiC 단결정을 성장시킬 수 있는 SiC 단결정 성장 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 모식도이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
일반적으로 탄화규소(SiC) 단결정 성장방법으로 유도가열을 활용한 PVT 법(Physical Vapor Transport)이 이용된다. 이는, 높은 수율을 갖고, 고품질화된 실리콘 카바이드를 제작할 수 있는 장점이 있어, 현재 널리 통용 되고 있다. 그러나, 유도가열 방식의 경우 반응기 외각이 가열되기 때문에, 반응기 외각과 내부 사이에 반경방향의(Radial) 온도 구배가 생기가 된다. 반응기 하부에 위치한 SiC 원료 분말에도 중심부와 외각부 사이에 온도 구배가 생기며, 외각에 있는 분말은 먼저 승화되어 탄소재(carbon Ash)를 형성하게 된다. 그 결과, 생성된 탄소재(carbon ash)의 승화로 인해 성장된 잉곳 내에 탄소입자 침입(carbon inclusion)을 일으키게 된다. 단결정 내 침입된 탄소입자는 향후 가공공정에서 핏을 형성하게 되며, 이로 인해 전력반도체용 기판으로 사용을 어렵게 할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 SiC 원료 분말이 위치하는 원료부에, 다공성 흑연 재질의 돌출부를 형성하였다. SiC 원료 분말이 위치하는 원료부에 다공성 흑연 원통을 설치함으로써 탄소재(Carbon ash)의 형성 후에 대류에 의해 상승하는 탄소재(carbon ash)를 걸러주어 성장된 잉곳 내에 탄소입자 침입(carbon inclusion)을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치의 모식도이다. 이하, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화규소 단결정 성장 장치를 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치(400)는 내부에 원료 물질이 장입되는 원료부를 구비하는 도가니(510); 상기 도가니의 천정부에 위치하며 탄화규소(SiC) 종자정(200)이 부착되는 종자정 홀더(100); 상기 도가니를 둘러싸는 단열재(520); 및 상기 단열재 외부에 위치하는 석영관(530); 상기 석영관 외부에 위치하며 상기 도가니(510)를 가열하기 위한 가열 수단(540); 및 상기 원료부에 위치하고, 바닥면으로부터 돌출된 돌출부(600);를 포함한다. 또한, 상기 종자정과 이격되어 위치하고, 상기 도가니(510)의 상부 내주면에 위치하는 가이드(500)를 더 포함할 수 있고, 가열수단(540)을 독립적으로 작동시키기 위한 제어장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 돌출부(600)는 다공성 흑연(Porous graphite) 재질의 속이 빈 원통 형태인 것일 수 있다.
통상적으로 단결정 성장 시, 도가니 외부에 위치하는 가열 수단을 통해 도가니를 2000℃ 이상으로 가열한다. 이 때, 도가니의 외각부부터 가열이 진행되기 때문에, 도가니 외각부와 내부 사이에 반경방향의(Radial) 온도 구배가 생기가 된다. 이에, 도가니의 원료부에 장입된 SiC 원료 분말도, 원료부 외각부에 위치하는 분말의 승화가 빨리 진행되어 탄소재(Carbon ash)를 형성하게 된다. 이러한 탄소재는 대류에 따라 도가니 상부로 상승하여 성장 중인 단결정 잉곳에 침입하여 단결정 제품의 품질을 저하시킬 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 구현예와 같이 원료부 내에 위치하는 다공성 흑연 재질의 돌출부가 형성되어 있는 경우, 열 전도도가 좋은 다공성 흑연 재질의 돌출부에 의해 원료부의 열전도도가 향상될 수 있다. 그 결과, 원료부의 외각부와 내부의 온도 편차를 줄일 수 있고, 탄소재(Carbon ash)의 형성을 지연 시킬 수 있다.
구체적으로, 단결정 성장에 사용하는 SiC 분말은 승화에 의해 Si, Si2C, SiC2 등의 가스를 생성하며, 승화량과 승화된 가스의 조성은 분말의 온도에 의해 결정된다. 분말부의 열전도도가 낮을 경우 반응기와 인접한 외각에서만 승화가 일어나게 되며, 이로 인해 탄소재(Carbon ash)가 생성되게 된다. 분말 부의 열전도도가 높을 수록, 외각부와 내부에서 승화가 일어나며 탄소재(Carbon ash)의 형성을 지연 시킬 수 있다.
또한 다공성 흑연 재질의 돌출부를 통해 주로 외각부에서 불가피하게 발생하는 탄소재(Carbon ash)를 미리 걸러낼 수 있다. 이에, 도가니 상부에 위치하는 성장중인 단결정 잉곳까지 도달하는 탄소재(Carbon ash)의 양 또한 감소 시켜, 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 다공성 흑연은, 순도가 99.9% 이상인 것일 수 있다. 고 순도의 다공성 흑연을 사용함으로써, 단결정 성장시 오염을 최소화 시킬 수 있다.
또한, 다공성 흑연은 밀도가 1g/cm3 이상, 및 1.4 g/cm3 이하이면서, 공극률(Porosity)이 30% 이상, 및 50% 이하인 것일 수 있다. 일반적으로 다공성 흑연의 경우 밀도와 공극률은 선형적인(linear) 상관관계를 가진다. 다공성 흑연은 고밀도 흑연(1.8 ~ 1.91 g/cm3) 에 비해 열전도도는 떨어지나 물질전달이 가능하다.
상기 범위의 밀도를 갖는 다공성 흑연을 사용하는 경우 밀도가 1g/cm3 이하인 다공성 흑연 대비 열전도도가 높은 이점이 있다.
상기 범위의 공극률을 갖는 다공성 흑연을 사용하는 경우 외각부에서 승화된 가스가 분말 중심부를 거쳐 종자정으로 전달되는 물질전달 속도 저하를 막을 있는 이점이 있다.
상기 다공성 흑연 재질의 돌출부의 높이는, 상기 원료부에 장입된 SiC 원료 분말의 높이와 동일하거나; 원료부에 장입된 SiC 원료 분말의 높이 대비 0mm초과, 및 10mm이하 더 높은 것일 수 있다. 돌출부의 높이가 너무 높은 경우 분말 부와 종자정 사이의 기상 공간의 온도에 영향을 주어, 단결정 성장이 일어나는 종자정 표면의 온도에 영향을 줄 수 있다. 돌출부의 높이가 너무 낮은 경우 SiC 원료 중 상부 외각부에 존재하는 원료로부터 발생하는 탄소재(Carbon ash)를 걸러주지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 속이 빈 원통 형인 돌출부의 두께는, 5mm 이상, 및 10mm 이하인 것일 수 있다. 돌출부의 두께가 너무 두꺼운 경우, 압력강하가 커져 물질전달 속도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 돌출부의 두께가 너무 얇은 경우, 열전달 효과가 미미한 문제가 발생할 수 있다.
상기 속이 빈 원통 형인 돌출부는, 상기 원료부의 바닥면 상의 위치를 기준으로, 원료부의 중심부와, 원료부의 외곽부 및 중심부의 중간 지점 사이에 위치하는 것일 수 있다.
열전달은 반응기 내벽에서 반경(Radial) 방향으로 일어나는데, 돌출부의 위치가 외각부와 너무 가깝거나 멀 경우에는 내부로 열을 전달하는 효과가 떨어지게 될 수 있다.
이하, 돌출부 이외의 다른 구성에 대해 설명한다.
상기 도가니(510)는 탄화규소(SiC)의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질로 제작되어야 하는데, 예를 들어 흑연으로 제작되거나 흑연 재질 상에 탄화규소(SiC)의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다.
구체적으로, 상기 흑연 재질 상에 도포되는 물질은 SiC 단결정이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물 또는 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.
상기 종자정 홀더(100)는 고밀도의 흑연을 이용하여 제작되고, 상기 종자정 홀더(100)에 전술한 바와 같이 종자정(200)을 부착한다. 그리고 종자정(200)이 부착된 종자정 홀더(100)를 가이드(500)가 사용된 도가니(510) 내의 상부에 장착하여, 상기 종자정(200) 상에 단결정을 형성한다.
상기 단열재(520) 및 석영관(530)은 도가니(510) 외부에 위치되며, 도가니(510)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 단열재(520)는 탄화규소(SiC)의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 관상 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 단열재(520)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(510)를 둘러쌀 수도 있다.
상기 가열수단(540)은 석영관(530) 외부에 마련되는데, 상기 가열수단(540)으로는 고주파 유도 코일이 사용될 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(510)를 가열하고, 단결정 원료(300)를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
상기 가이드(500)는 탄화규소(SiC) 단결정 분말이 승화하여 용이하게 종자정(200)에 부착되도록 안내하는 기능을 수행한다. 구체적인 가이드의 형상은, 필요에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 예시적으로, 도가니(510)의 내부를 향하여 돌출되면서 경사지게 위치할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 탄화규소(SiC) 단결정 성장 장치를 이용한 예시적인 탄화규소(SiC) 단결정의 제조에 대하여 설명한다.
도가니는 고밀도의 등방흑연으로 이루어져 있고, 반응기의 하부에 단결정 성장용 탄화규소(SiC) 원료분말이 있으며, 상부에는 종자정으로 사용되는 탄화규소(SiC) 단결정 시드(seed)가 위치한다. 탄화규소(SiC) 단결정 시드(seed)는 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC, 15R-SiC 등을 사용할 수 있다. 종자정(200)으로 직경 2 내지 6인치의 원 형상의 종자정을 사용할 수 있다.
상기 종자정을 접착제를 이용하여 종자정 홀더에 부착한다. 이어서, 종자정이 부착된 종자정 홀더를 성장장치 내로 인입시키고, 이를 도가니 내부 상부에 장착한다.
그리고 1000℃ 미만의 온도와 진공압력으로 2시간 이상, 및 3시간 이하의 시간 동안 도가니를 가열하여 도가니에 포함된 불순물을 제거한다.
이후, 불활성 가스 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니 내부 및 도가니와 단열재 사이에 남아있는 공기를 제거한다.
이어서 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단을 이용하여 도가니를 2000℃ 이상, 및 2300℃ 이하의 온도로 가열한다. 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위함이다.
즉, 먼저 대기압을 유지하며 원료 물질을 성장 온도까지 승온시킨다. 그리고, 성장장치 내부를 1 torr 내지 20 torr 로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 원료 물질을 승화시켜 단결정을 성장시킨다.
성장이 진행됨에 따라 온도가 높은 외각부의 탄화규소(SiC) 원료 분말의 승화가 빨리 진행되어 탄소재(Carbon ash)가 발생한다.
이 때 탄화규소(SiC) 원료 분말이 위치하는 분말 부에 밀도가 1g/cm3 이상, 및 1.4 g/cm3 이하이면서, 공극률(Porosity)이 30% 이상, 및 50% 이하인 다공성 흑연 재질의 돌출부를 설치하면 대류에 의해 상승하는 탄소재(Carbon ash)를 걸러주게 된다. 돌출부는 속이 빈 원통형이며, 두께 5mm 이상, 및 10 mm 이하로 할 수 있다.
다공성 흑연 원통의 높이는 분말 부 높이와 동일하거나 분말 부 높이 대비 10mm 이상 차이가 나지 않도록 한다. 또한 위치(X)는 분말 중심부와 외각부의 1/2 지점을 넘지 않게 한다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 종자정 홀더
200 : 탄화규소 종자정
300 : 원료부
400 : 탄화규소 단결정 성장장치
500 : 가이드
510 : 도가니
520 : 단열재
530 : 석영관
540 : 가열 수단
600 : 돌출부

Claims (9)

  1. 내부에 탄화규소(SiC) 원료 물질이 장입되는 원료부를 구비하는 도가니;
    상기 도가니의 천정부에 위치하며 탄화규소 종자정이 부착되는 종자정 홀더;
    상기 도가니를 둘러싸는 단열재, 및 석영관;
    상기 석영관 외부에 위치하며 상기 도가니를 가열하기 위한 가열 수단; 및
    상기 원료부에 위치하고, 바닥면으로부터 돌출된 돌출부;를 포함하고,
    상기 돌출부는 다공성 흑연(Porous graphite) 재질인 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
  2. 제 1항에서,
    상기 돌출부는,
    속이 빈 원통 형태인 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
  3. 제 2항에서,
    상기 다공성 흑연은,
    밀도가 1g/cm3 이상, 및 1.4 g/cm3 이하인 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
  4. 제 3항에서,
    상기 다공성 흑연은,
    공극률(Porosity)이 30% 이상, 및 50% 이하인 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
  5. 제 4항에서,
    상기 돌출부의 높이는,
    상기 원료부와 높이가 동일하거나; 원료부의 높이 대비 0mm초과, 및 10mm이하 더 높은 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
  6. 제 5항에서,
    상기 돌출부의 두께는,
    5mm 이상, 및 10mm 이하인 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
  7. 제 6항에서,
    상기 돌출부는,
    상기 원료부의 바닥면 상의 위치를 기준으로,
    원료부의 중심부와, 원료부의 외곽부 및 중심부의 중간 지점 사이에 위치하는 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
  8. 제 6항에서,
    상기 돌출부는,
    상기 원료부의 열전달을 향상시키는 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
  9. 제 8항에서,
    상기 돌출부는,
    상기 원료부로부터 상기 단결정 성장장치의 상부로 상승하는 탄소재(Carbon ash)를 걸러주는 것인,
    탄화규소 단결정 성장장치.
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WO2020045833A1 (ko) * 2018-08-30 2020-03-05 에스케이씨 주식회사 반절연 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시키는 방법 및 탄화규소 단결정 잉곳 성장 장치
KR102088924B1 (ko) * 2018-09-06 2020-03-13 에스케이씨 주식회사 탄화규소 단결정 잉곳 성장 장치

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