KR20180032412A - 실리콘카바이드 단결정 제조장치 및 실리콘카바이드 단결정 제조방법 - Google Patents

실리콘카바이드 단결정 제조장치 및 실리콘카바이드 단결정 제조방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조장치는 용융액이 장입되는 도가니, 상기 도가니 내로 연장되는 종결정 지지부, 상기 종결정 지지부의 일단에 연결된 실리콘카바이드 종결정, 및 상기 도가니의 외주면을 둘러싸는 가열 부재를 포함하고, 상기 종결정 지지부는 상기 도가니의 높이 방향으로 연장된 가열 전극을 포함한다.

Description

실리콘카바이드 단결정 제조장치 및 실리콘카바이드 단결정 제조방법{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD OF SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 실리콘카바이드 단결정 제조장치 및 실리콘카바이드 단결정 제조방법에 관한 것이다.
전력 반도체 소자(Power Semiconductor Device)는 전기 자동차 구동, 전력 시스템 효율화, 고주파 이동통신 등 전기 에너지를 사용하는 차세대 시스템에 있어서 필수 불가결한 핵심 소자로 인식되고 있다. 이를 위해서는 고전압, 대전류, 고주파수 등의 새로운 사용 환경에 맞는 소재의 선정이 필수적이다. 현재까지는 기존의 반도체 산업에서 널리 사용되던 실리콘 단결정이 전력 반도체 용도로도 사용되어 왔으나, 물성적인 한계로 인해 에너지 손실이 적고 보다 극한 환경에서 구동할 수 있는 차세대 반도체 소재의 하나로 화합물 반도체인 실리콘카바이드 단결정이 주목받고 있다.
실리콘카바이드 단결정의 성장을 위해서는, 예를 들어, 실리콘카바이드를 원료로 하여 2000도(℃) 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법, 결정 인상법(crystal pulling method)을 응용한 용액 성장법 등이 있다. 이외에도, 기체 소스를 사용하여 화학적으로 증착시키는 방법이 사용되고 있다.
그러나 화학적 기상 증착법은 박막으로만 두께가 제한된 수준으로 성장시킬 수 있다. 이에 따라 고온에서 실리콘카바이드를 승화시켜 결정을 성장시키는 승화법에 대한 연구에 집중되어 왔다. 그런데 승화법 역시 일반적으로 2400℃ 이상의 고온에서 이루어지고, 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 여러 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있다. 그러나 승화법 역시 일반적으로 2400℃ 이상의 고온에서 이루어지고, 대구경화가 어려우며 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 여러 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있다. 이에 결정 성장 온도가 승화법에 비해 낮고(1600 내지 2000도), 대구경화 및 고품질화에 유리한 것으로 알려진 용액 성장법에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 종결정을 용융액에 접촉시키는 공정에서 종결정과 용융액의 온도 차이를 제어하는 실리콘카바이드 단결정 제조장치 및 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조장치는 용융액이 장입되는 도가니, 상기 도가니 내로 연장되는 종결정 지지부, 상기 종결정 지지부의 일단에 연결된 실리콘카바이드 종결정, 및 상기 도가니의 외주면을 둘러싸는 가열 부재를 포함하고, 상기 종결정 지지부는 상기 도가니의 높이 방향으로 연장된 가열 전극을 포함한다.
상기 가열 전극은 흑연, 실리콘카바이드 및 금속 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 가열 전극은 제1 가열 전극 및 제2 가열 전극을 포함하고, 상기 제1 가열 전극 및 상기 제2 가열 전극은 이격될 수 있다.
상기 제1 가열 전극 및 상기 제2 가열 전극 사이의 이격된 공간에 절연 물질이 위치할 수 있다.
상기 제1 가열 전극 및 상기 제2 가열 전극 각각은 반원기둥(half cylinder) 형상일 수 있다.
상기 제1 가열 전극은 속이 빈 원기둥 형상이고, 상기 제2 가열 전극은 필라(pilar) 형상일 수 있다.
상기 제1 가열 전극 및 상기 제2 가열 전극의 평면상 테두리는 원 형상일 수 있다.
상기 가열 전극은 발열체를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조방법은 도가니에 원료를 장입하고 용융시켜 용융액을 준비하는 단계, 종결정 지지부와 연결된 종결정을 가열하는 단계, 상기 용융액과 상기 종결정을 접촉시키는 단계, 그리고 상기 종결정에서 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 종결정은 1400도(℃) 내지 2100 도(℃)로 가열될 수 있다.
상기 종결정 지지부는 가열 전극을 포함하고, 상기 가열 전극에 전압을 인가하는 단계를 통해 상기 종결정 지지부를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가열 전극은 발열체를 포함하고, 상기 가열 전극에 전압을 인가하는 단계를 통해 상기 발열체가 발열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가열 전극과 접촉하는 상기 종결정을 가열시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 용융액과 종결정이 접촉하는 공정에서 용융액과 종결정의 온도 차이를 제어할 수 있으며, 이에 따라 종결정에서 실리콘카바이드 다결정의 성장을 방지하고 향상된 품질의 실리콘카바이드 단결정을 성장시킬 수 있다. 또한 실리콘카바이드 단결정의 생산성 및 수득률이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 종결정을 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조장치의 개략적인 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 A 영역에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 변형 실시예에 따른 도 1의 A 영역에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 변형 실시예에 따른 도 1의 A 영역에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 변형 실시예에 따른 도 1의 A 영역에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 변형 실시예에 따른 종결정 지지부의 평면도이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조방법에 따른 개략적인 단면도이다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조방법에 따른 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 종결정을 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조장치의 개략적인 단면도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 A 영역에 대한 평면도 및 단면도이다.
우선 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 도가니(300), 도가니(300) 내부로 연장되는 종결정(210), 종결정 지지부(230) 및 이동 부재(250)와 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400)를 포함할 수 있다.
반응 챔버(100)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이고 그 내부가 일정한 압력 등의 분위기로 유지될 수 있다. 도시되지 않았으나 반응 챔버(100)에 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크가 연결될 수 있다. 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크를 이용하여 반응 챔버(100) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 기체와 같은 비활성 기체를 충전할 수 있다.
실리콘카바이드 종결정(210)은 후술할 종결정 지지부(230) 및 이동 부재(250)에 연결되어 도가니(300) 내측으로 위치할 수 있으며 특히 도가니(300) 내부에 제공되는 용융액과 접촉하도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면 실리콘카바이드 종결정(210)의 표면과 용융액 사이에 메니스커스가 형성될 수 있다. 메니스커스란 실리콘카바이드 종결정(210)의 하부면이 용융액과 접촉한 이후 살짝 들어올려지면서 발생하는 표면 장력에 의해 용융액 상에 형성되는 곡면을 지칭한다. 메니스커스를 형성하여 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 경우 다결정의 발생을 억제하여 보다 고품질의 단결정을 수득할 수 있다.
실리콘카바이드 종결정(210)은 실리콘카바이드 단결정으로 이루어진다. 실리콘카바이드 종결정(210)의 결정 구조는 제조하려는 실리콘카바이드 단결정의 결정 구조와 같다. 예를 들어, 4H 다형의 실리콘카바이드 단결정을 제조하는 경우, 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(210)을 이용할 수 있다. 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(210)을 이용하는 경우, 결정 성장면은 (0001)면 또는 (000-1)면이거나, (0001)면 또는 (000-1)면으로부터 8도 이하의 각도로 경사진 면일 수 있다.
종결정 지지부(230)는 실리콘카바이드 종결정(210)과 이동 부재(250)를 연결한다. 종결정 지지부(230)의 일단은 이동 부재(250)에 연결되고 타단은 종결정(210)에 연결될 수 있다.
종결정 지지부(230)는 도체인 물질로 이루어질 수 있으며, 일례로써 흑연, 실리콘카바이드, 금속 합금 재질로 이루어질 수 있다.
종결정 지지부(230)는 이동 부재(250)에 연결되어 도가니(300)의 높이 방향을 따라 상하 방향으로 이동할 수 있다. 구체적으로 종결정 지지부(230)는 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정을 위해 도가니(300) 내측으로 이동되거나 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정이 종료된 이후 도가니(300) 외측으로 이동될 수 있다. 또한 본 명세서는 종결정 지지부(230)가 상하 방향으로 이동하는 실시예를 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 어떠한 방향으로도 이동하거나 회전할 수 있으며, 이를 위한 공지의 수단을 포함할 수 있다.
종결정 지지부(230)는 이동 부재(250)에 탈착될 수 있다. 실리콘카바이드 단결정을 수득하기 위해 이동 부재(250)에 결합되어 도가니(300) 내측으로 제공될 수 있으며, 단결정의 성장 공정이 종료된 이후에는 이동 부재(250)로부터 분리될 수 있다.
본 발명에 따른 종결정 지지부(230)는 가열 전극(231a, 231b)을 포함할 수 있다. 우선 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종결정 지지부(230)는 두 개의 가열 전극(231a, 231b)을 포함하고 두 개의 가열 전극(231a, 231b)은 D1 방향으로 연장된 기둥 형태일 수 있으며 D2 방향으로 이격되어 있을 수 있다. 가열 전극(231a, 231b)은 종결정 지지부(230)의 하단부, 즉 종결정(210)과 접촉하는 영역에서 서로 연결될 수 있다.
가열 전극(231a, 231b) 각각은 전압을 인가하는 전압 인가부(미도시)와 연결될 수 있으며 가열 전극(231a, 23ab)에 전류가 통할 수 있다. 가열 전극(231a, 231b)에 전압이 인가되고 전류가 흐름에 따라 가열 전극(231a, 231b) 자체는 발열할 수 있으며 이에 따라 소정의 온도까지 상승할 수 있다.
종결정 지지부(230)는 이격된 가열 전극(231a, 231b) 사이에 위치하는 공간(235)을 포함할 수 있으며, 공간(235)은 빈 공간이거나 공간(235)에 절연 물질이 위치할 수 있다.
도가니(300)는 반응 챔버(100) 내부에 구비되며 상측이 개방된 용기 형태일 수 있으며 상부면을 제외한 외주면(300a) 및 하부면(300b)을 포함할 수 있다. 도가니(300)는 전술한 형태에 제한 없이 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태도 가능함은 물론이다. 도가니(300)는 실리콘 또는 실리콘카바이드 분말과 같은 용융 원료가 장입되어 수용될 수 있다.
도가니(300)는 그라파이트, 실리콘카바이드와 같이 탄소를 함유하는 재질일 수 있으며, 이와 같은 재질의 도가니(300) 자체는 탄소 원료의 공급원으로 활용될 수 있다. 또는 이에 제한되지 않고 세라믹 재질의 도가니를 사용할 수 있으며, 이때 탄소를 제공할 물질 또는 공급원 별도로 제공할 수 있다.
가열 부재(400)는 도가니(300)를 가열하여 도가니(300)에 수용된 물질을 용융시키거나 가열할 수 있다.
가열 부재(400)는 저항식 발열 수단 또는 유도 가열식 발열 수단을 사용할 수 있다. 구체적으로 가열 부재(400) 자체가 발열하는 저항식으로 형성되거나 가열 부재(400)가 인덕션 코일로 형성되고 인덕션 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(300)를 가열하는 유도 가열 방식으로 형성될 수도 있다. 그러나 전술한 방법에 제한되지 않고 어떠한 가열 부재도 사용될 수 있음은 물론이다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 제조장치는 회전 부재(500)를 더 포함할 수 있다. 회전 부재(500)는 도가니(300)의 하측면에 결합되어 도가니(300)를 회전시킬 수 있다. 도가니(300) 회전을 통해 균일한 조성의 용융액 제공이 가능한 바 실리콘카바이드 종결정(210)에서 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
이하에서는 도 3a 내지 도 6d를 참조하여 변형 실시예에 따른 종결정 지지부(230)에 대해 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 변형 실시예에 따른 도 1의 A 영역에 대한 평면도 및 단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 변형 실시예에 따른 도 1의 A 영역에 대한 평면도 및 단면도이고, 도 5a 및 도 5b는 변형 실시예에 따른 도 1의 A 영역에 대한 평면도 및 단면도이고, 도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 변형 실시예에 따른 종결정 지지부의 평면도이다.
우선 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 종결정 지지부(230)는 가열 전극(231a, 231b) 및 이격된 가열 전극(231a, 231b) 사이에 위치하는 공간(235)을 포함할 수 있다.
종결정 지지부(230)는 두 개의 가열 전극(231a, 231b)을 포함하고 두 개의 가열 전극(231a, 231b)은 D1 방향으로 연장된 기둥 형태일 수 있으며 D2 방향으로 서로 이격되어 있을 수 있다.
제1 가열 전극(231a)은 속이 빈 마카로니 형태의 원기둥일 수 있으며 제2 가열 전극(231b)은 필라(pilar) 형태의 원기둥일 수 있다. 제1 가열 전극(231a)의 평면상 가장자리 지름은 제2 가열 전극(231b)의 평면상 가장자리 지름보다 클 수 있으며 제2 가열 전극(231b)은 제1 가열 전극(231a)이 가지는 빈 공간 내에 위치할 수 있다.
또한 제1 가열 전극(231a) 및 제2 가열 전극(231b)은 종결정 지지부(230)의 하단부, 즉 종결정(210)과 접촉하는 영역에서 서로 연결될 수 있다. 따라서 가열 전극(231a, 231b)이 발열함에 따라 종결정 지지부(230)의 하단부 역시 발열할 수 있으며, 종결정 지지부(230)와 접촉하는 종결정(210)이 가열될 수 있다.
종결정 지지부(230)는 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b) 사이에 위치하는 공간(235)을 포함한다. 공간(235)은 빈 공간이거나 이에 제한되지 않고 상기 공간(235)에는 절연 물질이 위치할 수 있다. 절연 물질은 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b) 사이의 이격된 공간을 채우면서 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b)을 절연시킬 수 있다.
다음, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b)의 평면 가장자리는 가상의 원을 형성할 수 있으며, 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b) 각각은 D2-D3 방향 평면에서 반원의 호 형태일 수 있다.
구체적으로 종결정 지지부(230)를 D2-D3 방향 평면에서 살펴보면, 종결정 지지부(230)에 포함되는 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b)은 가상의 원을 형성할 수 있으며, 일 축을 기준으로 이격될 수 있다. 또한 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b)은 종결정(210)과 접촉하는 하단부에서 연결될 수 있다.
또한 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b)은 D2-D3 방향 평면에서 원 기둥 형상의 공간(235)을 포함할 수 있다. 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b) 사이에는 원 기둥 형상의 빈 공간(235)이 위치할 수 있으며, 이에 제한되지 않고 상기 공간(235)에는 절연 물질이 위치할 수 있다.
다음, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 변형 실시예에 따른 종결정 지지부(230)는 제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)을 포함할 수 있다.
제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)의 가장자리는 도 5a에 도시된 바와 같이 D2-D3 방향 평면에서 가상의 원을 형성할 수 있으며, 각각의 가열 전극(231a, 231b, 231c, 231d)은 하나의 원을 사등분한 부채꼴의 호와 대응하는 평면 형상을 가질 수 있다.
제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)은 전술한 평면 형상을 가지면서 D1 방향으로 연장된 기둥 형상일 수 있다.
제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)은 가상의 원 기둥을 형성할 수 있으며 내부가 원 기둥 내부에 공간(235)이 형성될 수 있다. 종결정 지지부(230)는 내부에 필라(pilar) 형태의 빈 공간(235)을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않고 상기 빈 공간(235)은 절연 물질로 채워질 수 있다.
제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)는 종결정(210)과 접촉하는 하단부에서 서로 연결될 수 있으며, 이에 제한되지 않고 이격되어 있는 실시예도 가능함은 물론이다.
변형 실시예에 따르면 제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)에는 전압이 인가되어 전류가 흐를 수 있으며, 이에 따라 가열 전극(231a, 231b, 231c, 231d)이 발열하면서 가열 전극(231a, 231b, 231c, 231d)의 하단부와 접촉하는 종결정(210)을 가열시킬 수 있다.
다음, 도 6a를 살펴보면, 변형 실시예에 따른 종결정 지지부는 부도체 재질로 이루어진 가열 전극(231) 및 가열 전극(231)이 포함하는 발열체(233)를 포함할 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이 종결정 지지부는 D2-D3 평면 형태가 원형인 가열 전극(231)을 포함할 수 있으며 이러한 형상에 제한되는 것은 아니다. 가열 전극(231)은 종결정 지지부의 몸체와 동일한 형태를 가지는 필라(pilar)일 수 있다.
가열 전극(231)은 열 전도 효율이 낮은 물질로 이루어질 수 있으며 이에 따라 종결정(210)에 열을 전달하는 별도의 발열체(233)를 더 포함할 수 있다.
발열체(233)는 열 전도 효율이 높은 물질로 이루어질 수 있으며 통상의 기술자가 선택 가능한 어떠한 물질도 가능하다.
발열체(233)는 D1 방향으로 연장된 막대 형상일 수 있으며, 종결정(210)과 접촉하는 종결정 지지부의 하단부에서 연결된 형태일 수 있다. 즉 가열 전극(231) 내부에는 두 개의 막대 형상과 이를 연결하는 연결부를 포함하는 발열체(233)가 위치할 수 있다.
다음, 도 6b를 참조하면 종결정 지지부는 두 개의 가열 전극(231a, 231b)을 포함하고 두 개의 가열 전극(231a, 231b)은 D1 방향으로 연장된 기둥 형태일 수 있으며 D2 방향으로 서로 이격되어 있을 수 있다.
제1 가열 전극(231a)은 속이 빈 마카로니 형태의 원기둥일 수 있으며 제2 가열 전극(231b)은 필라(pilar) 형태의 원기둥일 수 있다. 제1 가열 전극(231a)의 평면상 가장자리 지름은 제2 가열 전극(231b)의 평면상 가장자리 지름보다 클 수 있으며 제2 가열 전극(231b)은 제1 가열 전극(231a)이 가지는 빈 공간 내에 위치할 수 있다.
또한 제1 가열 전극(231a) 및 제2 가열 전극(231b)은 종결정 지지부(230)의 하단부, 즉 종결정(210)과 접촉하는 영역에서 서로 연결될 수 있다. 따라서 가열 전극(231a, 231b)이 발열함에 따라 종결정 지지부(230)의 하단부 역시 발열할 수 있으며, 종결정 지지부(230)와 접촉하는 종결정(210)이 가열될 수 있다.
종결정 지지부(230)는 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b) 사이에 위치하는 공간(235)을 포함한다. 공간(235)은 빈 공간이거나 이에 제한되지 않고 상기 공간(235)에는 절연 물질이 위치할 수 있다. 절연 물질은 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b) 사이의 이격된 공간을 채우면서 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b)을 절연시킬 수 있다.
한편 가열 전극(231)은 열 전도 효율이 낮은 물질로 이루어질 수 있으며 이에 따라 종결정(210)에 열을 전달하는 별도의 발열체(233)를 더 포함할 수 있다. 발열체(233)는 열 전도 효율이 높은 물질로 이루어질 수 있으며 통상의 기술자가 선택 가능한 어떠한 물질도 가능하다.
발열체(233)는 D1 방향으로 연장된 막대 형상일 수 있으며, 본 명세서는 제2 가열 전극(231b) 내부에 위치하는 발열체(233)를 도시하였으나 이에 제한되지 않고 종결정(210)에 열을 전달하기 위한 어떠한 형상도 가능할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b)의 평면 가장자리는 가상의 원을 형성할 수 있으며, 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b) 각각은 D2-D3 방향 평면에서 반원의 호 형태일 수 있다.
또한 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b)은 D2-D3 방향 평면에서 원 기둥 형상의 공간(235)을 포함할 수 있다. 제1 가열 전극(231a)과 제2 가열 전극(231b) 사이에는 원 기둥 형상의 빈 공간(235)이 위치할 수 있으며, 이에 제한되지 않고 상기 공간(235)에는 절연 물질이 위치할 수 있다.
발열체(233a, 233b)는 D1 방향으로 연장된 막대 형상일 수 있으며, 종결정(210)과 접촉하는 종결정 지지부의 하단부에서 연결된 형태일 수 있다. 즉 가열 전극(231) 내부에는 두 개의 막대 형상과 이를 연결하는 연결부를 포함하는 발열체(233a, 233b)가 위치할 수 있다.
도 6d를 참조하면 변형 실시예에 따른 종결정 지지부(230)는 제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)을 포함할 수 있다.
제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)의 가장자리는 도 6d에 도시된 바와 같이 D2-D3 방향 평면에서 가상의 원을 형성할 수 있으며, 각각의 가열 전극(231a, 231b, 231c, 231d)은 하나의 원을 사등분한 부채꼴의 호와 대응하는 평면 형상을 가질 수 있다.
제1 가열 전극(231a), 제2 가열 전극(231b), 제3 가열 전극(231c), 및 제4 가열 전극(231d)은 가상의 원 기둥을 형성할 수 있으며 내부가 원 기둥 내부에 공간(235)이 형성될 수 있다. 종결정 지지부(230)는 내부에 필라(pilar) 형태의 빈 공간(235)을 포함할 수 있으며, 이에 제한되지 않고 상기 빈 공간(235)은 절연 물질로 채워질 수 있다.
발열체(233a, 233b, 233c, 233d)는 D1 방향으로 연장된 막대 형상일 수 있으며, 종결정(210)과 접촉하는 종결정 지지부의 하단부에서 연결된 형태일 수 있다. 즉 가열 전극(231) 내부에는 네 개의 막대 형상과 이를 연결하는 연결부를 포함하는 발열체(233a, 233b, 233c, 233d)가 위치할 수 있다.
이하에서는 도 7a, 도 7b 및 도 7c를 참조하여 전술한 실리콘카바이드 단결정 제조장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법에 대해 간략하게 설명한다. 도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조방법에 따른 개략적인 단면도이다. 도 7a 내지 도 7c는 개략적인 종결정 지지부(230)을 도시한 도면이며 본 발명의 실시예에 따라 종결정 지지부(230)는 가열 전극을 포함하고 전압을 전달받아 발열할 수 있다.
우선, 실리콘 및 탄소를 포함하는 초기 용융 원료를 도가니(300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 초기 용융 원료를 실장하고 있는 도가니(300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 가열 부재(400)을 이용하여 가열한다. 도 7a에 도시된 바와 같이 가열에 따라 도가니(300) 내의 초기 용융 원료는 탄소 및 실리콘을 포함하는 용융액으로 변한다.
다음, 도 7b에 도시된 바와 같이 종결정 지지부(230) 및 종결정(210)을 용융액에 접촉시킨다. 다만 본 발명의 실시예에 따른 종결정 지지부(230)는 가열 전극을 포함하고 전류가 흐름에 따라 발열할 수 있으며 용융액과 실질적으로 동일한 온도로 가열될 수 있다. 또한 일 실시예에 따라 가열 전극이 발열체를 더 포함하는 경우 발열체에서 발생하는 열이 종결정(210)을 가열할 수 있다. 종결정 지지부(230)와 맞닿는 종결정(210)은 용융액의 온도와 실질적으로 동일한 온도인 상태에서 용융액과 접촉하도록 제공될 수 있다.
도가니(300)가 소정의 온도에 도달한 이후, 도가니(300) 내의 용융액의 온도는 서서히 저하되어 가고, 용융액 내의 탄소의 용해도가 작아진다. 이 때문에, 종결정(210) 부근에서 실리콘카바이드 과포화 상태가 되면, 이 과포화도를 구동력으로 하여 도 7c에 도시된 바와 같이 종결정(210) 상에 실리콘카바이드 단결정(SC)이 성장하며 소량의 실리콘카바이드 다결정(PC)이 성장될 수 있다.
실리콘카바이드 단결정이 성장함에 따라 용융액으로부터 실리콘카바이드를 석출하는 조건이 변할 수 있다. 이때 시간의 경과에 따라 용융액의 조성에 맞도록 실리콘 및 탄소를 첨가하여 용융액을 일정 범위 내의 조성으로 유지할 수 있다. 첨가되는 실리콘 및 탄소는 연속적으로 또는 비연속적으로 투입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조장치 및 제조방법은 종결정(210)과 접촉하는 종결정 지지부(230)가 발열함에 따라 이와 접촉하는 종결정(210)이 용융액과 실질적으로 동일한 온도를 가진 상태에서 용융액과 접촉할 수 있도록 한다. 이에 따르면 용융액과 종결정(210)이 닿았을 때 이들의 온도 차이로 인해 종결정(210) 주변부에 실리콘카바이드 다결정이 석출되는 것을 억제할 수 있다.
이하에서는 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조방법에 따른 개략적인 단면도이다. 도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조방법에 따른 개략적인 단면도이다.
우선 도 7a와 동일하게 실리콘 및 탄소를 포함하는 초기 용융 원료를 도가니(300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 초기 용융 원료를 실장하고 있는 도가니(300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 가열 부재(400)을 이용하여 가열한다. 도 8a에 도시된 바와 같이 가열에 따라 도가니(300) 내의 초기 용융 원료는 탄소 및 실리콘을 포함하는 용융액으로 변한다.
종결정 지지부(230)와 용융액 사이의 온도 차이가 커지는 것을 방지하기 위해 종결정 지지부(230)를 용융액에 가깝게 위치시키는 경우, 용융액의 증기가 종결정(210)과 접촉하여 종결정(210)이 오염되는 위험이 있다.
다음, 도 8b에 도시된 바와 같이 종결정 지지부(230) 및 종결정(210)을 용융액에 접촉시킨다. 다만 비교예에 따른 종결정 지지부(230)는 별도의 발열 공정을 포함하지 않는 바 종결정(210)과 용융액 사이에는 온도 차이가 있을 수 있다. 이 경우 종결정(210)의 주변부에서는 순간적으로 용융액 내의 실리콘카바이드 과포화 현상이 가속되어 실리콘카바이드 다결정(PC)이 도 8b와 같이 성장될 수 있다. 따라서 실리콘카바이드 단결정의 품질 및 생산성이 저하되는 문제가 있다.
한편, 도 8c에 도시된 바와 같이 실리콘카바이드 단결정의 시드(seed)로 사용되는 종결정(210)의 주변부에 실리콘카바이드 다결정(PC)이 석출됨에 따라 용융액의 손실이 발생한다. 또한 도 8c에 도시된 바와 같이 다결정이 과도하게 성장하는 경우 도가니(300)의 내벽과 접촉할 수 있으며, 성장된 실리콘카바이드 다결정은 온도 조절을 통해 다시 융해시키는 등의 제거가 어려운 문제점이 있다.
정리하면, 본 발명의 실시예와 같이 종결정 지지부에 포함되는 가열 전극 자체가 발열하거나 가열 전극이 발열체를 포함함으로써 발열하여 종결정 지지부와 접촉하는 종결정을 소정의 온도로 가열시킬 수 있으며, 이에 따라 용융액과 종결정은 실질적으로 동일한 온도를 가질 수 있는 바, 용융액과 종결정의 접촉 공정에서 온도 차에 따른 실리콘카바이드 다결정의 석출을 방지하고 고품질의 실리콘카바이드 단결정의 석출이 가능하다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 반응 챔버
210: 종결정
230: 종결정 지지부
250: 이동 부재
300: 도가니
400: 가열 부재

Claims (13)

  1. 용융액이 장입되는 도가니,
    상기 도가니 내로 연장되는 종결정 지지부,
    상기 종결정 지지부의 일단에 연결된 실리콘카바이드 종결정, 및
    상기 도가니의 외주면을 둘러싸는 가열 부재를 포함하고,
    상기 종결정 지지부는 상기 도가니의 높이 방향으로 연장된 가열 전극을 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조장치.
  2. 제1항에서,
    상기 가열 전극은 흑연, 실리콘카바이드 및 금속 합금 중 어느 하나로 이루어진 실리콘카바이드 단결정 제조장치.
  3. 제1항에서,
    상기 가열 전극은 제1 가열 전극 및 제2 가열 전극을 포함하고,
    상기 제1 가열 전극 및 상기 제2 가열 전극은 이격된 실리콘카바이드 단결정 제조장치.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 가열 전극 및 상기 제2 가열 전극 사이의 이격된 공간에 절연 물질이 위치하는 실리콘카바이드 단결정 제조장치.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 가열 전극 및 상기 제2 가열 전극 각각은 반원기둥(half cylinder) 형상인 실리콘카바이드 단결정 제조장치.
  6. 제3항에서
    상기 제1 가열 전극은 속이 빈 원기둥 형상이고, 상기 제2 가열 전극은 필라(pilar) 형상인 실리콘 카바이드 단결정 제조장치.
  7. 제3항에서,
    상기 제1 가열 전극 및 상기 제2 가열 전극의 평면상 테두리는 원 형상인 실리콘카바이드 단결정 제조장치.
  8. 제1항에서,
    상기 가열 전극은 발열체를 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조장치.
  9. 도가니에 원료를 장입하고 용융시켜 용융액을 준비하는 단계,
    종결정 지지부와 연결된 종결정을 가열하는 단계,
    상기 용융액과 상기 종결정을 접촉시키는 단계, 그리고
    상기 종결정에서 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조방법.
  10. 제9항에서,
    상기 종결정은 1400도(℃) 내지 2100 도(℃)로 가열되는 실리콘카바이드 단결정 제조방법.
  11. 제9항에서,
    상기 종결정 지지부는 가열 전극을 포함하고,
    상기 가열 전극에 전압을 인가하는 단계를 통해 상기 종결정 지지부를 가열하는 단계를 더 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조방법.
  12. 제11항에서,
    상기 가열 전극은 발열체를 포함하고,
    상기 가열 전극에 전압을 인가하는 단계를 통해 상기 발열체가 발열하는 단계를 더 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조방법.
  13. 제11항에서,
    상기 가열 전극과 접촉하는 상기 종결정을 가열시키는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조방법.
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