KR20170135218A - 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법 - Google Patents

탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화규소(SiC) 단결정을 성장시킬 때 단결정 잉곳의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하여 성장 후반부의 성장속도가 감소하는 문제를 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 이동시켜 온도구배를 유지함에 의해 성장 길이를 증대할 수 있는 탄화규소(SiC) 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다.
상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 탄화규소(SiC) 분말로 이루어진 소스가 하부에 충진되어 있으며, 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 탄화규소 단결정 잉곳이 성장되는 도가니; 상기 도가니로부터 이격된 외주에 설치되어, 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 갖고 상기 도가니를 가열하는 저항 가열 히터; 상기 저항 가열 히터의 외주면을 감싸는 단열재; 상기 도가니, 저항 가열 히터 및 단열재가 내장되고 캐리어 가스가 주입되는 진공챔버; 및 상기 진공챔버의 외부에 설치되며, 상기 도가니 내부에서 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 연동하여 상기 도가니를 승강시키기 위한 도가니 무빙 시스템;을 포함하며, 상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니를 상승시키는 것을 특징으로 한다.

Description

탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법{Apparatus for Growing SiC Single Crystal Ingot and Growing Method thereof}
본 발명은 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 탄화규소(SiC) 단결정을 성장시킬 때 단결정 잉곳의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하여 성장 후반부의 성장속도가 감소하는 문제를 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 이동시켜 온도구배를 유지함에 의해 성장 길이를 증대할 수 있는 탄화규소(SiC) 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는 탄소(C)와 규소(Si)의 화합물로 구성된 반도체로서, 열전도성, 내열성이 뛰어난 물리적, 화학적 성질을 가지고 있고, 전계 방출특성이 우수하여 최근에 다양한 전자 소자 및 반도체 재료로서 사용되고 있다.
탄화규소 단결정은 탄화규소를 일정 온도에서 용융 후 응고되는 과정에서 일정한 결정구조를 가지고 응고된 물질이다.
탄화규소는 동일한 조성으로 다양한 적층구조를 가지는 결정다형(Polytype) 현상을 나타내는 물질로써 1000 ~ 2700℃ 이상의 영역에 걸쳐 결정 구조가 다른 상이 존재하며, 모두 200여종이 넘는 결정다형이 존재한다. 그러나 대형의 단결정 성장이 가능한 안정상으로 존재할 수 있는 것은 육방정계(Hexagonal)로 현재 산업에서 요구되는 대표적은 타입은 4H, 6H 타입이다.
초 고순도 SiC 기판은 실리콘(Si)보다 열 전도도(~5.0W/cm)가 세배 높고, 절연파괴 강도(~3MV/cm)는 10배나 커서 고온과 고전압에서도 작동하는 에너지 효율적인 반도체를 만들 수 있으며, ~500℃의 높은 환경온도에서도 정상적으로 작동하는 부품을 개발할 수 있다. 이와 같이 SiC 반도체 소자는 인버터 기기나 가정용 파워모듈, 자동차용 파워 반도체 소자 등의 고성능화 및 저소비 전력화의 실현이 가능하다.
특히, 기존 규소(Si) 전력소자에 비하여 이론적으로 전력 소모가 1/100이므로 탄화규소 전력반도체로의 응용이 더욱 확대될 것으로 전망되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0089103호(특허문헌 1)에는 이중 석영관의 내측에 설치된 흑연제 도가니 내부에서 SiC 단결정 상의 원료인 SiC 분말을 승화 재결정화시켜 SiC 단결정 잉곳을 제조하는 제조 장치가 개시되어 있으나, 이 제조 장치는 이중 석영관 외주에 설치된 워크 코일에서 흑연제 도가니를 가열하여 잉곳을 성장시키는 방식으로, 한번의 제조 공정으로 하나의 탄화규소 단결정 잉곳을 제조할 수 있기에 제조 효율이 저하되는 단점이 있다.
또한, 특허문헌 1의 제조 장치는 유도가열방식에 의해 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하는 것으로, 도가니가 발열체 역할을 하고 있어 가열시 도가니에 형성되는 유도된 맴돌이 전류(eddy-current)가 안정되었다고 하더라도 단열재에 흡수되는 에너지와 도가니로 흡수되는 에너지의 비율 불균형이 발생하여 안정적 온도를 구현하는 것이 어렵고, 본래 설계한 열량 밸런스(공급되는 열량(Qin)과 제거되는 열량(Qout)의 차이 안정성) 대비 실제의 열량 안정성 확보가 어려운 단점을 가지고 있다.
또한, 탄화규소(SiC) 단결정(잉곳)의 주요 단결정 성장법인 기상법(PVT; Physical Vapor Transport)은 고순도의 SiC 분말을 밀폐된 그래파이트(Graphite) 도가니에서 유도가열방식으로 승화시킨 후 이를 시드(Seed) 단결정 위에 부착시켜서 잉곳(ingot)으로 얻어내는 방법이다.
그러나, 유도가열방식의 경우 사용 후 도가니의 두께 변화에 따라 전류밀도가 동시에 변하여 도가니 내부의 온도 분포가 변화하는 문제가 발생한다. 이로 인해 성장 재현성을 확보하는데 어려움이 있다.
이에 반하여 저항 가열 방식의 경우 발열된 저항 가열 히터의 복사열로 인하여 도가니 온도를 승온하여 도가니의 재사용이 가능하고 설계된 방출열량과 투입열량으로 재현성이 용이하다.
그러나, 종래의 저항 가열 방식에서는 SiC 단결정이 성장이 진행됨에 따라 단결정의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하고 이로 인해 성장 후반부로 갈수록 잉곳의 성장속도가 감소하는 문제가 발생하게 된다.
저항 가열 방식에서는 SiC 단결정의 성장 속도가 지속적으로 유지되려면 최고치 온도를 갖는 소스의 표면과 최저치 온도를 갖는 씨드(잉곳) 표면 사이의 온도 구배(즉, 온도 편차)는 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
만약, 소스의 표면과 최저치 온도를 갖는 씨드(잉곳) 표면 사이의 거리가 감소하여 온도 구배(즉, 온도 편차)가 감소하게 되면, 승화된 탄화규소(SiC)의 재결정화 속도가 느려지게 잉곳의 성장속도가 감소하게 된다.
또한, 온도 구배(즉, 온도 편차)가 감소하게 되면, 승화된 후, 재결정화되지 않은 소스가 잉곳 표면이 아닌 다른 곳에 부착될 가능성이 증가하게 되어 성장효율이 감소하는 문제가 발생한다.
: 한국 공개특허공보 제10-2010-0089103호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 탄화규소(SiC) 단결정을 성장시킬 때 단결정 잉곳의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하여 성장 후반부의 성장속도가 감소하는 문제를 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 이동시켜 온도 구배를 유지함에 의해 성장 길이를 증대할 수 있는 탄화규소(SiC) 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 저항 가열 히터를 이용하여 발열이 진행되므로 열량의 밸런스를 설계한 그대로 구현이 가능하고, 저항 가열 히터에 형성된 온도 분포를 확인하여 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 적정한 속도로 변경하면 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하여 성장속도를 유지할 수 있는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 한번의 장치 가동으로 2개 이상의 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있어, 제조 효율을 향상시킬 수 있는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는 데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는, 탄화규소(SiC) 분말로 이루어진 소스가 하부에 충진되어 있으며, 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 탄화규소 단결정 잉곳이 성장되는 도가니; 상기 도가니로부터 이격된 외주에 설치되어, 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 갖고 상기 도가니를 가열하는 저항 가열 히터; 상기 저항 가열 히터의 외주면을 감싸는 단열재; 상기 도가니, 저항 가열 히터 및 단열재가 내장되고 캐리어 가스가 주입되는 진공챔버; 및 상기 진공챔버의 외부에 설치되며, 상기 도가니 내부에서 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 연동하여 상기 도가니를 승강시키기 위한 도가니 무빙 시스템;을 포함하며, 상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니를 상승시키는 것을 특징으로 한다.
상기 도가니 무빙 시스템은 상기 도가니의 상부에 일단이 연결되고 타단이 진공챔버 외부로 연장된 연결부; 회전력을 제공하는 승강 모터; 및 일단이 상기 연결부의 타단과 연결되며 타단이 상기 승강 모터의 모터 회전축과 기어결합되어 승강 모터의 회전에 따라 승강이 이루어지는 수직 회전축;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결부는 흑연봉으로 이루어지고, 상기 수직 회전축은 일단이 상기 연결부의 타단과 분리 가능하게 연결되며, 상기 연결부와 수직 회전축은 설정한 목표 위치까지 도가니를 상승시킨 이후에 도가니 내부의 열손실을 최소화하도록 연결부와 수직 회전축을 분리할 수 있다.
더욱이, 상기 수직 회전축과 승강 모터의 모터 회전축 사이의 기어결합은 랙-피니온(rack-pinion) 결합을 사용할 수 있다.
상기 도가니의 바닥부를 상기 저항 가열 히터의 최고발열지점에 일치시킨 상태로 탄화규소 단결정의 성장을 개시하며, 상기 도가니를 이동시키는 도가니 이동 구간은 도가니 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부의 온도가 15℃ 이상으로 낮아지는 구간으로 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 상기 도가니가 다수개로 이루어지며, 상기 다수의 도가니 사이에 배치되어 상기 저항 가열 히터에서 가열된 열을 전달받고, 그 전달받은 열로 상기 다수의 도가니를 가열하는 다수의 보조 가열 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법은, 도가니의 하부에 탄화규소 분말로 이루어진 소스가 충진되어 있으며, 도가니의 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 있는 도가니를 준비하는 단계; 상기 도가니의 바닥부를 저항 가열 히터의 최고발열지점에 일치시킨 후, 저항 가열 히터로 도가니를 가열하여 탄화규소 단결정의 성장을 개시하는 단계; 및 승화된 탄화규소 소스를 탄화규소 단결정 시드 표면에 흡착시켜 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 저항 가열 히터는 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 가지며, 상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니 하부의 온도가 미리 설정된 온도로 낮아질 때까지 도가니를 상부로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 도가니의 이동 개시는 성장개시로부터 10시간 이후에 이동을 시작하는 것이 바람직하다.
상기 소스와 시드 사이의 온도 구배는 55℃ 내지 75℃ 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, SiC 단결정이 성장됨에 따라 단결정 잉곳의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하고 이로 인해 성장 후반부의 성장속도가 감소하는 문제가 발생하나, 본 발명에서는 성장 후반부에 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 이동시켜 온도 구배를 유지하는 방법으로 해결함으로써 성장 길이를 증대할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 별도의 저항 가열 히터를 이용하여 발열이 진행되므로 열량의 밸런스를 설계한 그대로 구현이 가능하고, 저항 가열 히터에 형성된 온도 분포를 확인하여 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 적정한 속도로 변경하면 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하여 성장속도를 유지할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 한번의 장치 가동으로 2개 이상의 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있어, 히터 및 내화물의 손상을 감소하여 불필요한 소모를 줄일 수 있으며, 제조 효율의 향상을 극대화할 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 발명에 적용된 저항가열방식은 별도의 저항 가열 히터를 이용하여 발열이 진행되므로 열량의 밸런스를 설계한 그대로 구현이 가능한 장점이 있으며, 이러한 특성을 바탕으로 저항 가열 히터에 형성된 온도 분포를 확인하여 적정한 속도를 이용하여 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 변경하면 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하여 성장속도를 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 다수의 도가니를 회전시켜 탄화규소 단결정 잉곳의 멀티 성장함으로써, 전체적인 반응 분위기 온도를 균일하게 만들어 주어 온도 구배를 동일하게 유지하고, 시드 표면에 승화된 원료가 고르게 흡착함으로써 성장된 탄화규소 단결정 잉곳의 단차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치를 설명하기 위한 개념적인 수직단면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치의 도가니 무빙 시스템을 설명하기 위한 개념적인 수평단면도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치를 설명하기 위한 개념적인 수직단면도,
도 4는 저항 가열 방식 히터를 사용한 성장장치에서 저항 가열 히터의 높이에 따른 도가니 내부의 온도 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치를 설명하기 위한 개념적인 수직단면도, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치의 도가니 무빙 시스템을 설명하기 위한 개념적인 수평단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 탄화규소 단결정 잉곳이 각각 성장되는 도가니(110); 상기 도가니(110)로부터 이격된 외주에 설치되어, 상기 도가니(110)를 가열하는 저항 가열 히터(200); 및 상기 저항 가열 히터(200)의 외주면을 감싸는 단열재(Insulator)(300);를 포함하여 구성된다.
상기 도가니(110)는 예를 들어, 그래파이트(graphite)로 이루어지고 밀폐된 구조를 가지며, 그 내부의 중공부(111)에는 고순도의 탄화규소(SiC) 분말로 이루어진 소스(Source)(112)가 하부에 충진되어 있고, 상부에는 탄화규소(SiC)가 승화된 후 재결정이 이루어도록 유도하는 탄화규소(SiC) 단결정 시드(Seed)(113)가 장착되어 있다.
여기서, 도가니(110), 저항 가열 히터(200) 및 단열재(300)는 캐리어 가스가 주입되는 진공챔버(150) 내부에 내장된다. 탄화규소 단결정 성장에 사용되는 캐리어 가스는 Ar과 N2가 사용될 수 있다.
저항 가열 히터(200)에 의해 도가니(110)를 가열하면, 도가니(110)의 소스(112)는 승화된 후 상승하여 상부에 위치한 단결정 시드(113)에 부착되면서 재결정이 이루어져서 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시키게 된다.
본 발명에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하기 위하여 도가니를 성장시간에 연동하여 도가니를 승강시키는 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 채용하고 있다.
우선, 도 2를 참고하면, 제1실시예에 따른 도가니 무빙 시스템(Moving System)은 연결부(510), 승강 모터(400), 및 수직 회전축(500)을 포함한다.
도 2의 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 도가니(110)의 상부에 예를 들어, 흑연봉으로 이루어진 연결부(510)의 일단이 연결되고, 타단(즉, 상단)은 진공챔버(150)의 외부로 연장되어 수직 회전축(500)에 연결되어 있다.
연결부(510)와 수직 회전축(500) 사이에는 열손실을 최소화하기 위하여 분리 가능하게 결합이 이루어진다. 이에 따라 연결부(510)와 수직 회전축(500)은 설정한 목표 위치까지 도가니를 상승시킨 이후에는 연결부(510)와 수직 회전축(500)을 분리하여 열손실을 최소화한다.
상기 도가니(110)와 수직 회전축(500) 사이를 연결하는 연결부(510)를 열전도도가 우수한 흑연봉으로 구성하는 것은 도가니(110)의 온도 구배에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다. 연결부(510)는 흑연봉 이외에 열전도도가 우수한 다른 재료를 사용하는 것도 가능하다.
상기 수직 회전축(500)은 지지 프레임(420)에 승강 가능하게 지지되며, 지지 프레임(420)에 설치된 승강 모터(400)로부터 연장된 모터 회전축(410)과 기어결합이 이루어져서 수직 회전축(500)을 승강시키는 구조를 가진다.
상기 수직 회전축(500)과 모터 회전축(410) 사이의 기어결합은, 예를 들어, 랙-피니온(rack-pinion) 결합을 사용할 수 있다. 즉, 모터 회전축(410)은 선단부에 톱니바퀴를 갖는 피니온을 적용하고 수직 회전축(500)에 랙을 적용하면, 모터 회전축(410)의 회전에 따라 피니온 구조의 수직 회전축(500)과 도가니(110)의 승강이 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 제1실시예에서는 승강 모터(400)에 의해 도가니(110)를 승강시키는 회전력 전달 구조를 랙-피니온 기어결합을 적용하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 다른 구조를 채용할 수 있다.
또한, 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 승강 모터(400)에 의해 도가니(110)를 승강시키는 기능과 도가니(110)를 회전시키는 기능을 동시에 갖도록 회전력 전달 구조를 채용할 수 있다.
제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에서 도가니를 회전시키는 기능을 갖는 경우 도가니의 전체적인 반응 분위기 온도를 균일하게 만들어 줌으로써 온도 구배를 더욱더 동일하게 유지하고, 시드 표면에 승화된 원료가 고르게 흡착함으로써 성장된 탄화규소 단결정 잉곳의 단차를 최소화할 수 있다.
이때, 도가니의 회전 속도는 1~100 cycle/Hr로 다양하게 진행할 수 있으며, 성장 단계에 따라 속도를 변경함에 따라 승화속도를 제어할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 도 3에 도시된 제2실시예의 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치와 같이, 단열재(300)와 저항 가열 히터(200) 내부에 다수의 도가니(110,120)가 설치된 구조를 채용하여, 생산성을 높일 수 있다.
도 3을 참고하면, 제2실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 탄화규소 단결정 잉곳이 각각 성장되는 다수의 도가니(110,120); 상기 다수의 도가니(110,120)로부터 이격된 외주에 설치되어, 상기 다수의 도가니(110,120)를 가열하는 저항 가열 히터(220); 상기 다수의 도가니(110,120)에 연결되어 상기 다수의 도가니(110,120)를 회전시키는 보조 연결부(531,532); 및 상기 저항 가열 히터(200)의 외주면을 감싸고, 상기 보조 연결부(531,532)가 통과되는 관통홀(311,312)이 형성되어 있는 단열재(300);를 포함하여 구성된다.
제2실시예에 따른 도가니 무빙 시스템(Moving System)은 제1실시예와 유사하게 다수의 도가니(110,120)의 상부에 각각 예를 들어, 흑연봉으로 이루어진 보조연결부(531,532)의 일단이 연결되고, 타단(즉, 상단)은 수평 연결부(533)에 연결되어 있다. 또한, 수평 연결부(533)에는 중앙에 흑연봉으로 이루어진 메인 연결부(510)의 일단이 연결되고, 타단은 진공챔버(150)의 외부로 연장되어 수직 회전축(500)에 연결되어 있다.
상기 도가니(110,120)와 수직 회전축(500) 사이를 연결하는 각종 연결부(510,531,532,533)를 열전도도가 우수한 흑연봉으로 구성하는 것은 도가니(110)의 온도 구배에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다.
상기 수직 회전축(500)은 지지 프레임(420)에 승강 가능하게 지지되며, 지지 프레임(420)에 설치된 승강 모터(400)로부터 연장된 모터 회전축(410)과 기어결합이 이루어져서 수직 회전축(500)을 승강시키는 구조를 가진다.
상기 수직 회전축(500)과 모터 회전축(410) 사이의 기어결합은 제1실시예와 동일하게 랙-피니온(rack-pinion) 결합을 사용할 수 있고, 다른 기어결합을 사용할 수 있다.
제2실시예에서 모터 회전축(410)은 선단부에 톱니바퀴를 갖는 피니온을 적용하고 수직 회전축(500)에 랙을 적용하면, 모터 회전축(410)의 회전에 따라 피니온 구조의 수직 회전축(500)과, 이에 연결된 연결부(510,531,532,533) 및 도가니(110,120)의 승강이 이루어질 수 있다.
더욱이, 제2실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 제1실시예와 유사하게 다수의 도가니(110,120)를 회전시키는 구조를 동시에 채용하는 것도 가능하다.
회전 모터(401)의 선단부에 나사모양으로 형성된 웜(430)이 외주부에 웜기어 구조를 갖는 수직 회전축(500)에 직각으로 결합되어 회전 모터(401)의 회전력을 전달하면 수직 회전축(500)을 회전시킬 수 있다.
상기 수직 회전축(500)의 회전력은 적절한 기어결합을 채용함에 따라 메인 연결부(510), 수평 연결부(533)를 통하여 보조연결부(531,532)를 회전시키는 것도 가능하다.
한편, 도 3에 도시된 제2실시예는 상기 도가니(110,120)가 2개인 경우를 예시하고 있으나, 이에 제한되지 않고 증가될 수 있다. 도가니(110,120)가 다수개인 경우 도가니(110,120) 사이에 배치되어 외곽에 설치된 저항 가열 히터(200)에서 가열된 열을 전달받아서, 전달받은 열로 대향된 도가니(110,120)의 대향면을 가열하는 다수의 보조 가열 히터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 저항 가열 히터(200)에 대향되는 다수의 도가니(110,120) 영역은 저항 가열 히터(200)에서 열을 지속적으로 전달받을 수 있으나, 다수의 도가니(110,120) 사이에 대향하는 영역은 저항 가열 히터(200)에 직접적으로 대향되어 있지 않아 저항 가열 히터(200)의 열을 충분히 전달받지 못할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 제2실시예에서는 다수의 도가니(110,120) 사이 영역에 다수의 보조 가열 히터를 배치시켜, 저항 가열 히터(200)에서 가열된 열을 다수의 보조 가열 히터가 전달받아 다수의 도가니(110,120)가 대향하는 영역을 가열함으로써, 다수의 도가니(110,120) 각각이 전체적으로 탄화규소 단결정 성장에 적합한 균일한 온도로 승온시킬 수 있다.
여기서, 다수의 보조 가열 히터는 저항 가열 히터(200)와 연결되어 있지 않으며, 저항 가열 히터(200)는 흑연 저항 히터이고, 다수의 보조 가열 히터는 전원에 연결되거나, 또는 전원에 연결되어 있지 않아 자체적으로는 히팅을 하지 못하고 저항 가열 히터(200)로부터 전달받은 열로 다수의 도가니(110,120) 사이 영역을 가열하는 히터의 기능을 수행한다. 이 보조 가열 히터를 보조 가열부로 지칭할 수 있으며, 저항 가열 히터(200)와 분리된 별도의 흑연봉으로 구현할 수 있다.
본 발명에서는 2개 이상의 도가니를 설치하여 탄화규소 단결정을 멀티 성장하기 위해서 2개 이상의 도가니를 2500℃ 이상을 가열할 수 있는 히터와, 각 도가니에 균일하게 캐리어 가스가 들어갈 수 있는 시스템의 구축이 필요하다.
따라서, 본 발명의 탄화규소 단결정 잉곳의 멀티 성장장치는 다수의 도가니각각에서 탄화규소 단결정 잉곳의 성장이 가능하다. 그리고, 저항 가열 히터는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 필요한 온도구배를 형성할 수 있으며, 이를 통해 4인치 2개 멀티 성장시 약 25%의 생산성 증가, 2인치 4개 성장하는 경우 약 35%의 생산성이 증가될 수 있다.
이하에 도 4를 참고하여 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법을 설명한다.
도 4는 저항 가열 방식 히터를 사용한 성장장치에서 저항 가열 히터의 높이에 따른 도가니 내부의 온도 관계를 나타내는 그래프이다.
(실시 예 1) 도가니의 이동 거리 설정
저항가열방식으로 2500℃까지 승온 확보된 SiC 단결정용 저항 가열 히터(220)의 온도분포는 도 4와 같이 나타났다.
저항가열식 성장에서 원활한 소스(112)의 승화 및 온도 구배를 크게 주기 위해 도가니 바닥부의 위치를 저항 가열 히터(220)의 하부에서 최고 발열 구간에 일치시킨 상태에서 SiC 단결정 잉곳을 성장시킨 경우 잉곳의 성장길이는 15mm 내외의 성장 길이가 확보되었다.
그러나, 잉곳의 성장이 진행됨에 따라 소스(112)와 잉곳의 거리가 줄어들어 온도 구배가 감소하는 문제가 발생한다.
이를 보상하기 위하여 본 발명에서는 도가니(110)의 바닥부 위치를 잉곳의 성정 시간에 따라 이동하기로 설정하였다.
본 발명의 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에 채용된 저항 가열 히터는 도 4에 도시된 바와 같이, 온도가 일정 높이 이상으로 갈수록 하강하는 폭이 증가하는 특성을 나타내고 있다.
즉, 저항 가열 히터의 특성을 살펴보면 도가니(110)의 위치를 저항 가열 히터(220)의 상부로 이동시켜서 도가니(110)의 하부, 즉, 소스(112)의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부, 즉 시드(113)의 온도 변화 폭은 15℃ 이상으로 낮아지는 구간을 갖는 것을 알 수 있다.
따라서, SiC 단결정을 성장시킬 때, 도가니를 상승시키면 성장후반부에 시드(113), 즉, 잉곳과 소스(112)의 간격이 줄어들어 온도 구배가 줄어드는 것을 보상할 수 있게 된다.
단, 도가니(110)의 높이를 더 올릴수록 이 보상폭을 크게 할 수 있으나, 이 경우는 소스(112)의 승화를 결정하는 도가니(110) 하부의 온도가 낮아짐에 따라 승화량이 감소하여 큰 효과를 기대하기 어렵다.
본 발명에서는 도가니(110) 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부의 온도가 15℃ 이상으로 낮아지는 구간을 도가니 이동 구간으로 설정하였다.
(실시예 2) 이동 시간 설정
본 발명에 따른 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 적용하기 이전의 SiC의 성장속도를 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다. 총 50시간 동안 성장 진행하였으며 10시간 간격으로 질소를 투입하여 성장 계면을 측정하였다.
성장 시간(Hr) 잉곳 성장 길이(mm) 구간 성장 길이(mm) 성장속도(mm/Hr)
10 4 4.0 0.4
20 7.3 3.3 0.33
30 10.3 3.0 0.30
40 13 2.7 0.27
50 15 2.0 0.2
상기한 표 1을 참고하면, 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 적용하지 않고 도가니를 고정시킨 상태로 SiC의 성장속도를 측정한 결과, 성장 시간이 증가함에 따라 성장 속도는 감소하였다. 즉, 성장시간이 10시간(Hr)인 경우 성장속도는 0.4mm/Hr이나, 성장시간이 50Hr인 경우 성장속도는 0.2mm/Hr로 점차적으로 낮아져서 초기 성장 속도의 50% 수준임을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 표 1을 참고할 때, 성장시간이 10시간(Hr)인 경우 성장속도는 0.4mm/Hr로 가장 높게 나타나고 있으므로 성장 초기에는 도가니를 고정시킨 상태로 성장을 진행하는 것이 바람직하며, 도가니의 승강은 초기의 성장속도를 유지하기 위하여 10시간 이후 이동을 시작하는 것이 바람직하다.
(실시예 3) 도가니 무빙 방식 성장
앞선 두 가지의 설정 요소, 즉, 도가니 이동 구간을 도가니(110) 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부의 온도가 15℃ 이상으로 낮아지는 구간으로 설정하고, 도가니의 승강 개시시간은 10시간 이후 이동을 시작하는 2가지 조건을 추가하여 실제 성장 중 도가니 무빙 방식으로 SiC 단결정의 성장을 실시하여 SiC의 성장속도를 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
이때, 상기 실시예 2와 동일한 소스의 양을 투입하였고 시드(Seed)로는 6H (0001)면을 사용하였다. 성장온도는 2300~2500℃, 성장압력은 10Torr로 진행하였다.
도 4를 참고하면, 히터 하부의 최고발열지점은 성장온도가 2500℃인 히터 높이가 100mm인 지점이고, 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 사용하여 최고발열지점에 도가니(110)의 바닥부를 일치시킨 상태로 성장을 개시한다.
이 경우, 도가니(110)의 바닥부, 즉, 소스(112)와 도가니의 상부, 즉 시드(113) 사이의 온도 구배는 55℃ 내지 75℃로 설정되는 것이 최적의 성장속도를 갖게 된다. 만약, 소스(112)와 시드(113) 사이의 온도 구배를 60℃로 설정한 경우, 시드(113)의 온도는 2440℃로 설정되고 이때 시드(113)의 히터 높이는 340mm에 설정된다. 따라서, 도가니(110) 내부에 소스(112)와 시드(113) 사이의 거리는 240mm로 설정된다.
그 후, 총 50시간 동안 성장을 진행하며, 도가니(110)의 상승은 10시간 동안 성장을 진행한 이후에 이동을 시작하여 40시간에 걸쳐서 도가니(110) 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때까지 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 이용하여 도가니(110)를 서서히 상승시킨다.
40시간에 걸쳐서 도가니(110) 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때까지 도가니(110)를 상승시킨 경우 도가니(110) 하부의 온도는 2490℃가 되고, 이때 도가니(110) 하부의 히터 높이는 180mm에 위치하며, 이때 시드(113)의 히터 높이는 420mm(즉, 180mm + 240mm(소스와 시드 사이의 거리)), 시드(113)의 온도는 2417℃로 얻어진다(도 4 참조).
따라서, 총 50시간 동안 성장이 완료된 상태일 때, 도가니(110) 하부(즉, 소스(112))와 시드(113) 사이의 온도 차이(온도 구배)는 73℃로 나타나므로 성장을 개시할 때의 온도 구배보다 감소하는 것을 막을 수 있다.
즉, 도가니(110)의 하부(즉, 소스(112))의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부(즉, 시드(113))의 온도 변화 폭은 23℃로 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 SiC 단결정을 성장시킬 때, 도가니(110)를 이송시킴에 따라 성장후반부에 시드(113), 즉, 잉곳과 소스(112)와의 간격이 줄어들어 온도 구배가 줄어드는 것을 보상할 수 있게 된다.
설정한 목표 위치까지 이동을 한 이후에는 연결부와 수직 회전축을 분리하여 열손실을 최소화하였다. 성장 중 이동에 따른 진공챔버의 진공의 변화와 온도의 변화는 없었다.
성장 시간(Hr) 잉곳 성장 길이(mm) 구간 성장 길이(mm) 성장속도(mm/Hr)
10 4 4.0 0.4
20 7.8 3.8 0.38
30 11.6 3.8 0.38
40 15.1 3.5 0.35
50 18.4 3.3 0.33
상기 표 2를 참고하면, 도가니 무빙 방식의 성장으로 50시간 성장이 완료된 SiC 단결정의 길이는 18.4mm로 도가니 고정 방식의 15mm와 대비할 때 23%의 길이 증가를 보였다. 성장속도에서도 성장 후반으로 갈수록 성장속도가 50% 감소되는 도가니 고정 방식과 달리 17%의 감소만 확인되었다.
실시예 3에서는 실시예 2의 도가니 고정 방식과 동일한 원료 승화량을 보였으나 성장에 기여한 원료의 양이 증가하였다. 이로 인하여 SiC 단결정의 성장길이가 증가한 것으로 보이며, 또한 도가니의 다른 부분에 증착된 SiC 원료가 감소하여 도가니의 손실이 줄어드는 부수적인 효과도 확인하였다.
실시예 3에서는 도가니(110)의 하부(즉, 소스(112))의 온도가 10℃ 낮아지도록 도가니의 상승 개시 후 40시간의 성장시간 동안 도가니의 상승 속도를 균일하게 조절하는 것이나, 도가니의 상승 속도를 잉곳의 성장속도에 대응하도록 조절하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 저항가열식 기상법(PVT; Physical Vapor Transport)을 통한 SiC 성장 시 도가니 무빙 시스템을 이용하여 SiC 단결정의 성장길이를 확보할 수 있음을 확인하였다.
또한, 성장 시간에 걸쳐 성장속도를 일정하게 유지함으로써 전체 단결정의 품질을 일정하게 유지할 수 있음을 확인하였으며 기존 성장 조건에서 성장 길이를 증대하기 위해 원료 및 성장 시간을 증가시키지 않고서도 SiC 단결정의 성장 길이를 증가할 수 있었다.
더욱이, 본 발명에서는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에 도가니 무빙 시스템을 채용하여 온도 구배를 유지하기 위한 도가니 승강방법과 온도분포 균일화를 위한 도가니 회전방법을 결합한 고품질 SiC 성장 방법을 제시한다.
도가니 회전방법의 경우 도가니를 회전함으로써 전체적인 반응 분위기 온도를 균일하게 만들어 줌으로써 온도 구배를 동일하게 유지하고 시드 표면에 승화된 원료가 고르게 흡착함으로써 성장된 SiC 잉곳의 단차를 최소화할 수 있다.
또한, 도가니 무빙 시스템을 이용한 도가니 승강방법에 의해 히터 내부의 도가니 위치 변화를 통하여 온도 구배를 유지하여 Flat한 계면이 성장 완료시까지 진행되며 잉곳의 길이를 증가시킬 수 있다.
더욱이, 다수 개의 도가니를 회전시키는 도가니 회전방법과 도가니 승강방법을 결합하면 다수의 잉곳을 보다 길게 성장시킬 수 있어 생산성 향상을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 한번의 장치 가동으로 2개 이상의 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있어, 히터 및 내화물의 손상을 감소하여 불필요한 소모를 줄일 수 있으며, 제조 효율의 향상을 극대화할 수 있는 잇점이 있다.
그리고, 본 발명은 저항가열방식의 저항 가열 히터를 이용하여 발열이 진행되므로 열량의 밸런스를 설계한 그대로 구현 가능한 장점이 있다. 이러한 특징을 바탕으로 히터의 크기를 변형할 시 도가니를 하나가 아닌 2개 이상을 설치하여 한 번의 성장에 동시에 여러 개의 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 장점이 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 도가니를 회전함으로써 전체적인 반응 분위기 온도를 균일하게 만들어 줌으로써 온도 구배를 동일하게 유지하고, 시드 표면에 승화된 원료가 고르게 흡착하게 함으로써 성장된 탄화규소 단결정 잉곳의 단차를 최소화할 수 있다.
아울러 다수의 도가니를 일체로 회전시키면 히터 내부의 국부적인 온도 편차까지도 해소되어 보다 안정적인 탄화규소 단결정 잉곳의 멀티 성장이 가능하다.
본 발명의 제1 및 제2 실시예의 장치에서 히터는 다양한 형태로 구현할 수 있고, 원형 히터, 사각히터, 양면 히터 등이 사용 가능하다.
본 발명에 따르면, 전위 결함이 적은 양질의 탄화규소 단결정을 재현성 좋게 얻을 수 있다. 특히, 대구경의 잉곳이 될수록 이 효과는 크다. 이러한 SiC 단결정으로부터 잘라낸 기판 및 에피택셜 웨이퍼를 사용하면, 전기적 특성이 우수한 고주파ㆍ고내압 전자 디바이스, 광학적 특성이 우수한 청색 발광 소자를 제작할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에서 도가니를 성장시간에 연동하여 도가니를 승강시키는 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 채용함에 의해 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하여 성장 길이를 증대할 수 있고 성장속도를 유지할 수 있는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에 적용된다.
110,120: 도가니 111,121: 중공부
112,122 : 소스 113,123: 단결정 시드
150: 진공챔버 200,220: 저항 가열 히터
311,312; 관통홀 400: 승강모터
401: 회전모터 410: 모터 회전축
420: 지지 프레임 430: 웜
300: 단열재 500: 수직회전축
510: 메인 연결부 531,532: 보조연결부
533: 수평연결부

Claims (10)

  1. 탄화규소(SiC) 분말로 이루어진 소스가 하부에 충진되어 있으며, 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 탄화규소 단결정 잉곳이 성장되는 도가니;
    상기 도가니로부터 이격된 외주에 설치되어, 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 갖고 상기 도가니를 가열하는 저항 가열 히터;
    상기 저항 가열 히터의 외주면을 감싸는 단열재;
    상기 도가니, 저항 가열 히터 및 단열재가 내장되고 캐리어 가스가 주입되는 진공챔버; 및
    상기 진공챔버의 외부에 설치되며, 상기 도가니 내부에서 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 연동하여 상기 도가니를 승강시키기 위한 도가니 무빙 시스템;을 포함하며,
    상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니를 상승시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도가니 무빙 시스템은
    상기 도가니의 상부에 일단이 연결되고 타단이 진공챔버 외부로 연장된 연결부;
    회전력을 제공하는 승강 모터; 및
    일단이 상기 연결부의 타단과 연결되며 타단이 상기 승강 모터의 모터 회전축과 기어결합되어 승강 모터의 회전에 따라 승강이 이루어지는 수직 회전축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결부는 흑연봉으로 이루어지고, 상기 수직 회전축은 일단이 상기 연결부의 타단과 분리 가능하게 연결되며,
    상기 연결부와 수직 회전축은 설정한 목표 위치까지 도가니를 상승시킨 이후에 도가니 내부의 열손실을 최소화하도록 연결부와 수직 회전축을 분리하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수직 회전축과 승강 모터의 모터 회전축 사이의 기어결합은 랙-피니온(rack-pinion) 결합을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도가니 무빙 시스템에 결합되어 도가니를 회전시키기 위한 회전수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도가니의 바닥부를 상기 저항 가열 히터의 최고발열지점에 일치시킨 상태로 탄화규소 단결정의 성장을 개시하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도가니를 이동시키는 도가니 이동 구간은 도가니 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부의 온도가 15℃ 이상으로 낮아지는 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도가니는 다수개로 이루어지며,
    상기 다수의 도가니 사이에 배치되어 상기 저항 가열 히터에서 가열된 열을 전달받고, 그 전달받은 열로 상기 다수의 도가니를 가열하는 다수의 보조 가열 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 멀티 성장장치.
  9. 도가니의 하부에 탄화규소 분말로 이루어진 소스가 충진되어 있으며, 도가니의 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 있는 도가니를 준비하는 단계;
    상기 도가니의 바닥부를 저항 가열 히터의 최고발열지점에 일치시킨 후, 저항 가열 히터로 도가니를 가열하여 탄화규소 단결정의 성장을 개시하는 단계; 및
    승화된 탄화규소 소스를 탄화규소 단결정 시드 표면에 흡착시켜 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 저항 가열 히터는 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 가지며,
    상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니 하부의 온도가 미리 설정된 온도로 낮아질 때까지 도가니를 상부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 도가니의 이동 개시는 성장개시로부터 10시간 이후에 이동을 시작하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법.
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