KR20180036388A

KR20180036388A - 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법

Info

Publication number: KR20180036388A
Application number: KR1020160126933A
Authority: KR
Inventors: 이성수; 고정민; 박만식; 김대성; 이호림
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-04-09
Also published as: KR102103884B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는, 도가니, 상기 도가니 내부로 연장되는 실리콘카바이드 종결정, 상기 도가니 외주면을 가열하는 제1 가열 부재, 및 상기 도가니 하부면을 가열하는 적어도 하나의 제2 가열 부재를 포함한다.

Description

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD OF SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.

실리콘카바이드(SiC) 단결정은 내마모성 등의 기계적 강도와 내열성 및 내부식성이 우수하여 반도체, 전자, 자동차, 기계 분야 등의 부품소재로 많이 사용되고 있다.

통상적으로 실리콘카바이드 단결정의 성장을 위해서는, 예를 들어, 탄소와 실리카를 2000도(℃) 이상의 고온 전기로에서 반응시키는 애치슨 방법, 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 애치슨 방법은 고순도의 실리콘카바이드 단결정을 얻기가 매우 어렵고, 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.

본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 성장이 일어나는 종결정에 용융액을 효과적으로 제공하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 이를 이용한 제조 방법을 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.

상기 실리콘카바이드 종결정의 하부면과 상기 제2 가열 부재의 상부면이 마주할 수 있다.

상기 제2 가열 부재는 상기 도가니 자체에 실장될 수 있다.

상기 제2 가열 부재는 상기 도가니 내측의 하부면 위에 위치할 수 있다.

상기 제1 가열 부재와 상기 제2 가열 부재는 독립적으로 구동될 수 있다.

상기 제1 가열 부재는 상기 도가니의 외측면을 둘러쌀 수 있다.

일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 도가니 내에 용융 물질을 준비하는 단계, 상기 도가니의 외측면을 둘러싸는 제1 가열 부재로 가열하여 용융액을 준비하는 단계, 그리고 상기 도가니의 하부면을 제2 가열 부재로 가열하여 용융액을 대류시키는 단계를 포함한다.

상기 제2 가열 부재에 인접한 용융액의 온도가 상기 제1 가열 부재에 인접한 용융액의 온도보다 높을 수 있다.

상기 용융액은 상기 제2 가열 부재로부터 상기 종결정축을 향하는 방향 방향으로 대류할 수 있다.

상기 도가니 내의 하부면 중심 온도가 상기 도가니 내의 측면 온도보다 높은 상태에서 실리콘카바이드 종결정을 상기 용융액에 접촉시킬 수 있다.

상기 도가니의 내측 중심으로부터 상기 도가니의 외측면을 향할수록 상기 용융액의 온도가 낮아질 수 있다.

적어도 하나의 상기 제2 가열 부재는 상기 도가니의 하부면 위에 위치할 수 있다.

적어도 하나의 상기 제2 가열 부재는 상기 도가니의 하부면 내에 실장될 수 있다.

본 발명에 의하면 단결정이 성장하는 실리콘카바이드 종결정에 용융액을 효과적으로 제공할 수 있고 실리콘카바이드 단결정의 성장 속도가 증가하고 실리콘카바이드 단결정의 석출 효율이 증가할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 도가니 내측 위치에 따른 용융액의 온도를 나타낸 도면이다.
도 3, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7 각각은 도 1의 변형 실시예에 따른 제조 장치의 개략적인 단면도이다.도 8은 비교예에 따른 도가니 내측 위치에 따른 용융액의 온도를 나타낸 도면이다.
도 9 (a), (b), (c), (d) 각각은 실시예 1 내지 4에 따른 시뮬레이션 결과이고, 도 9(e)는 비교예에 따른 시뮬레이션 결과이다.
도 10(a)는 실시예에 따른 시뮬레이션 결과이고 도 10(b)는 비교예에 따른 시뮬레이션 결과이다.

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.

도 1 및 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법에 대해 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1의 실시예에 따른 도가니 내측 위치에 따른 용융액의 온도를 나타낸 도면이다.

우선 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 도가니(300), 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400)를 포함한다.

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 실리콘카바이드 단결정이 성장되는 부분으로, 도가니(300) 내측의 상부 영역에 위치한다. 실리콘카바이드 종결정(210)의 하면은 도가니(300) 내부에 위치하는 용융액 표면과 접촉하도록 위치할 수 있다.

실리콘카바이드 종결정(210)은 실리콘카바이드 단결정으로 이루어진다. 실리콘카바이드 종결정(210)의 결정 구조는 제조하려는 실리콘카바이드 단결정의 결정 구조와 같을 수 있다. 예를 들어, 4H 다형의 실리콘카바이드 단결정을 제조하는 경우, 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(210)을 이용할 수 있다. 이때 결정 성장면은 (0001)면 또는 (000-1)면이거나, (0001)면 또는 (000-1)면으로부터 8도 이하의 각도로 경사진 면일 수 있다.

종결정 연결봉(230)은 실리콘카바이드 종결정(210)의 상부면과 연결되도록 연장 형성되어 실리콘카바이드 종결정(210)을 지지하며 실리콘카바이드 종결정(210)이 도가니(300) 내측에 위치할 수 있도록 한다.

종결정 연결봉(230)은 종결정 회전봉(250)에 연결되어 함께 회전하도록 결합될 수 있으며, 종결정 연결봉(230)은 종결정 회전봉(250)에 의해 상하로 이동하거나 회전할 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. 그러나 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, SiC와 같이 탄소를 함유하는 물질로 이루어질 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 가열 부재(400)는 제1 가열 부재(410) 및 제2 가열 부재(420)를 포함할 수 있다.

제1 가열 부재(410)는 도가니(300) 내에 장입된 원료를 용융시켜 용융물을 형성하는 부재이다. 제1 가열 부재(410)는 도 1에 도시된 바와 같이 도가니(300)의 외주면에서 이격되어 반응 챔버(100)의 내부에 구비될 수 있다.

제2 가열 부재(420)은 도가니(300)의 하부면(300b)과 마주하도록 위치할 수 있다. 제2 가열 부재(420)은 도가니(300)의 하부면(300b)을 가열하고 도가니(300) 내에 위치하는 용융액 중 도가니(300) 하부 영역에 위치하는 용융액을 가열한다.

제2 가열 부재(420)의 상부면은 종결정(210)의 하부면과 마주하며 중첩할 수 있다. 제2 가열 부재(420)에 의해 가열된 용융액이 종결정(210)을 향하는 방향으로 대류되게 하기 위함이다.

또한 제2 가열 부재(420)은 도가니(300) 내부의 중심에 위치할 수 있다. 도가니(300) 내부의 중심으로부터 대류가 시작되어 용융액이 도가니(300)의 외측을 향해 대류되게 하기 위함이다.

일 실시예에 따른 제2 가열 부재(420)은 도가니(300)의 외주면(300a)에 인접하게 위치하는 용융액 보다 도가니(300)의 하부면(300b)에 인접하게 위치하는 용융액의 온도가 보다 높은 상태를 유지하도록 가열한다.

제2 가열 부재(420)에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 도가니(300)의 중심에 가까울수록 용융액의 온도가 높고 도가니(300)의 중심으로부터 멀어질수록, 도가니(300)의 외주면(300a)에 가까워질수록 용융액의 온도가 낮아진다.

용융액은 도가니(300)의 중심에서 외주면을 향하는 방향으로 대류될 수 있으며, 구체적으로 제2 가열 부재(420)에서 종결정(210)을 향하는 방향으로 대류될 수 있다. 이에 따르면 도가니(300)의 중심에서는 종결정(210)에 용융액을 제공하는 방향으로 대류할 수 있는 바, 실리콘카바이드 단결정의 성장 속도 및 수득 효율이 향상될 수 있다.

제2 가열 부재(420)은 적어도 하나일 수 있으며, 복수개의 제2 가열 부재(420)이 도가니(300) 내측에 위치할 수 있다. 다만 제조 장치가 복수의 제2 가열 부재(420)을 포함하는 경우에도 제2 가열 부재(420)으로부터 종결정(210)을 향해 용융액이 대류할 수 있도록 복수의 제2 가열 부재(420)이 위치할 수 있다.

한편 제1 가열 부재(410)과 제2 가열 부재(420)은 독립적으로 구동될 수 있다. 예를 들어, 제1 가열 부재(410)이 먼저 작동되어 용융액을 제1 온도까지 승온시킨다. 그 이후 제2 가열 부재(420)이 작동되어 제2 가열 부재(420)에 인접한 용융액을 제2 온도까지 승온시키도록 독립적으로 구동될 수 있다. 제1 가열 부재(410)과 제2 가열 부재(420)을 독립적으로 구동되는 수단은 공지의 기술일 수 있다. 일 예로, 상기 제1 온도는 약 1450도(℃) 내지 2000도(℃)이며, 상기 제2 온도는 용융액의 대류를 제어할 수 있는 소정의 온도 범위일 수 있다.

일 실시예에 따른 실리콘카바이드 제조 장치는 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)에 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.

이하에서는 전술한 실리콘카바이드 단결정 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법에 대해 설명한다.

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 제1 가열 부재(410)을 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니(300) 내의 초기 용융 원료는 탄소, 금속(일 예로, 크롬, 알루미늄, 티타늄 등) 및 실리콘을 포함하는 용융액으로 변한다.

도가니(300) 및 이에 실장된 용융액이 제1 온도에 도달한 이후, 제2 가열 부재(420)를 이용하여 제2 가열 부재(420)에 인접하게 위치하는 용융액이 제1 온도보다 높은 제2 온도가 되도록 가열한다. 이에 따르면 제2 가열 부재(420)에 인접하게 위치하는 용융액, 특히 도가니(300) 내에서 하부 영역에 위치하는 용융액이 도가니(300) 내의 상부 영역에 위치하는 용융액에 비해 높은 온도를 가지게 된다.

도가니(300) 내의 용융액이 전술한 바와 같은 온도 구배를 가지는 상태에서, 실리콘카바이드 종결정(210)을 용융액에 접촉시킨다.

대류 원리에 따라 도가니(300) 내의 하부 영역에서 상부 영역을 향해 용융액의 대류가 일어나고, 특히 제2 가열 부재(420)가 위치하는 도가니(300)의 중심에서 하부 영역에서 상부 영역을 향해 대류가 일어나는 바, 종결정(210)에 계속하여 용융액을 제공하는 공정이 가능하다. 종결정(210)에 용융액이 계속해서 공급되는 일 실시예에 따르면, 단결정의 성장 속도 및 단결정의 수득 효율이 향상될 수 있다.

이와 같이 도가니(300)를 소정의 온도에 도달시키는 한편, 도가니(300) 하부에서 상부로 갈수록 용융액의 온도가 서서히 저하되도록 구성하면, 용융액 내의 탄소의 용해도는 하부에서 상부로 갈수록 작아질 수 있다. 이 때문에, 종결정(210) 부근에서 실리콘카바이드 과포화 상태가 되면, 이 과포화도를 구동력으로 하여 종결정 상에 실리콘카바이드 단결정이 성장한다.

한편 실리콘카바이드 단결정은 용융액으로부터 실리콘 및 탄소를 취입하여 더욱 성장해간다. 이에 따라 용융액에 포함되는 실리콘 및 탄소는 점차 감소하고 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.

이하에서는 도 3 내지 도 7을 참조하여 도 1의 변형 실시예에 대해 설명한다. 도 3, 도 4, 도 5, 도 5 및 도 7 각각은 도 1의 변형 실시예에 따른 제조 장치의 개략적인 단면도이고, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 동일한 구성요소에 대해서는 설명을 생략할 수 있다.

도 3에 도시된 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 도가니(300), 및 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400)를 포함한다.

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. 한편 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. 일 실시예에 따른 가열 부재(400)는 제1 가열 부재(410) 및 제2 가열 부재(420)를 포함할 수 있다.

제1 가열 부재(410)는 도가니(300) 내에 장입된 원료를 용융시켜 용융물을 형성하는 부재이다. 제1 가열 부재(410)는 도 3에 도시된 바와 같이 도가니(300)의 외주면에서 이격되어 반응 챔버(100)의 내부에 구비될 수 있다.

제2 가열 부재(420)은 도가니(300)의 하부면(300b) 내에 실장될 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 도가니(300)의 하부면(300b)은 제2 가열 부재(420)을 포함할 수 있으며, 도가니(300)의 내측면에 노출되지 않도록 위치할 수 있다. 이에 따르면 제2 가열 부재(420)에 의해 용융액이 직접 가열되는 것을 방지하여 용융액의 온도 제어가 보다 용이할 수 있다.

제2 가열 부재(420)의 상부면은 종결정(210)의 하부면과 마주하며 중첩할 수 있다. 제2 가열 부재(420)에 의해 가열된 용융액이 종결정(210)을 향해 대류되게 하기 위함이다.

또한 제2 가열 부재(420)은 도가니(300) 내부의 중심에 위치할 수 있다. 도가니(300) 내부의 중심으로부터 도가니(300)의 외측을 향해 대류되게 하기 위함이다.

용융액은 도가니(300)의 중심에서 외주면을 향하는 방향으로 대류될 수 있으며, 제2 가열 부재(420)에서 종결정(210)을 향하는 방향으로 대류될 수 있다. 이에 따르면 도가니(300)의 중심에서는, 제2 가열 부재(420)로부터 종결정(210)을 향해 용융액이 계속해서 대류하는 현상이 있으며, 종결정(210)에 용융액을 제공하는 방향으로 대류할 수 있는 바, 실리콘카바이드 단결정의 성장 속도 및 수득 효율이 향상될 수 있다.

다음, 도 4를 참조하면 변형 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b)를 포함할 수 있다. 일 예로, 2 개의 제2 가열 부재(420a, 420b)를 포함할 수 있다.

복수의 제2 가열 부재(420a, 420b)의 위치는 제한되지 않으나 도 4에 도시된 바와 같이 도가니(300)의 중심축과 중첩하도록 위치할 수 있다.

복수의 제2 가열 부재(420a, 420b)는 서로 중첩하게 위치할 수 있다. 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b) 중 어느 하나(420a)는 도가니(300) 내부의 중심에 위치할 수 있으며, 나머지 다른 하나(420b)는 도가니(300) 하부면 자체에 실장된 형태일 수 있다.

도 5를 참조하면, 변형 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정의 제조 장치는 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b)를 포함할 수 있다. 일 예로, 2 개의 제2 가열 부재(420a, 420b)를 포함할 수 있다.

복수의 제2 가열 부재(420a, 420b)의 위치는 제한되지 않으나, 도 5에 도시된 바와 같이 도가니(300)의 중심에서 서로 중첩하도록 위치할 수 있다. 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b) 중 적어도 어느 하나(420a)는 도가니(300) 내부의 중심에 위치할 수 있으며, 나머지 다른 하나(420b)는 도가니(300) 하부면의 외측과 접하면서 위치할 수 있다.

도 6을 참조하면, 변형 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정의 제조 장치는 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b)를 포함할 수 있다.

복수의 제2 가열 부재(420a, 420b)의 위치는 제한되지 않으나, 도 6에 도시된 바와 같이 도가니(300)의 중심에서 서로 중첩하도록 위치할 수 있다. 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b) 중 적어도 어느 하나(420a)는 도가니(300) 하부벽 자체에 실장될 수 있으며, 나머지 다른 하나(420b)는 도가니(300) 하부면의 외측과 접하면서 위치할 수 있다.

도 7을 참조하면, 변형 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정의 제조 장치는 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b, 420c)를 포함할 수 있다. 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b, 420c)는 적어도 3 개의 제2 가열 부재(420a, 420b, 420c)를 포함할 수 있다.

복수의 제2 가열 부재(420a, 420b, 420c)의 위치는 제한되지 않으며, 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 제2 가열 부재(420a, 420b, 420c)가 서로 중첩하는 위치에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

복수의 제2 가열 부재(420a, 420b, 420c)는 각각 도가니(300) 하부면 내측에 위치하거나, 도가니(300) 하부면 자체에 실장되거나, 도가니(300) 하부면(300)의 외측면과 접촉하도록 위치할 수 있다.

전술한 도 3 내지 도 7은 가열 부재의 위치에 따른 다양한 실시예에 대해 설명하였으나, 이러한 가열 부재의 개수 및 위치 등에 제한되는 것은 아니다.

이하에서는 도 8을 참조하여 비교예에 대해 살펴본다. 도 8은 비교예에 따른 도가니 내측 위치에 따른 용융액의 온도를 나타낸 도면이다.

비교예에 따른 실리콘카바이드 제조 장치는 도가니(300)의 외주면을 따라 위치하는 제1 가열 부재(410)만을 포함하고, 실시예와 달리 제2 가열 부재(420)를 포함하지 않는다.

단순히 제1 가열 부재(410)만을 이용하여 초기 용융 원료를 가열하고 용융액을 형성하는 경우, 도가니(300)의 외주면(300a)에 인접한 용융액이 도가니(300)의 중심에 인접한 용융액 보다 높은 온도를 가지며, 이러한 온도 구배에 의해 용융액의 대류가 일어난다.

구체적으로 용융액은 도가니(300)의 외주면에서 도가니(300)의 중심을 향해 대류한다. 도가니(300)의 하부면(300b)에 수직한 단면을 살펴보면, 도 8에 도시된 바와 같이 비교예에 따른 제조 장치 내에 실장된 용융액은 도가니(300)의 중심에서 도가니(300)의 상부 영역에서 하부 영역을 향해 대류하는 용융액의 움직임이 있다. 즉, 종결정(210)에서 멀어지는 방향으로 용융액이 이동하는 바, 종결정(210)에 효과적으로 용융액을 제공하는 것이 어렵고 단결정의 성장 속도 및 수득 효율이 저하될 수 있다.

이하에서는 도 9(a) 내지 도 10(b)를 참조하여 실시예 및 비교예에 따른 시뮬레이션 결과를 살펴본다. 도 9 (a), (b), (c), (d) 각각은 실시예 1 내지 4에 따른 시뮬레이션 결과이고, 도 9(e)는 비교예에 따른 시뮬레이션 결과 이미지이고, 도 10(a)는 실시예에 따른 시뮬레이션 결과이고 도 10(b)는 비교예에 따른 시뮬레이션 결과이다.

도 9(a)은 실시예 1에 관한 것으로 제2 가열 부재가 도가니 내부 및 용융액의 중심에 위치한다. 제2 가열 부재는 저항 가열 방식으로 구동되며 발열 용량이 10 kW 이다. 도가니 내부의 용융액은 크롬 40 mol%를 포함하며 2173K로 가열되는 실시예이다. 도 9(b)는 실시예 2에 관한 것으로 제2 가열 부재가 도가니의 하부면 자체에 실장되는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하다. 도 9 (c)는 실시예 3에 관한 것으로 제2 가열 부재의 발열 용량이 5 kW 인 것을 제외하고 실시예 2와 동일하다. 도 9 (d)는 실시예 4에 관한 것으로, 제2 가열 부재가 유도 가열 방식을 이용하며 발열 용량이 80 kHz에서 35 kW인 것을 제외하고 실시예 2와 동일하다. 도 9(e)는 제2 가열 부재를 포함하지 않는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 관한 것으로 이를 제외하고 실시예 1과 동일하다.

각각의 실시예 및 비교예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 결정 성장 속도를 살펴본 결과, 실시예 1의 결정 성장 속도는 0.005 mm/h이고 탄소 농도의 최대값이 0.061이다. 실시예 2에 따른 결정 성장 속도는 0.002 mm/h이고 탄소 농도의 최대값은 0.057이다. 실시예 3에 따른 결정 성장 속도는 0.002 mm/h이고 탄소 농도의 최대값은 0.053이고, 실시예 4에 따른 결정 성장 속도는 0.003 mm/h이고 탄소 농도의 최대값은 0.061이다. 반면 비교예에 따른 결정 성장 속도는 0.0004 mm/h이고 탄소 농도의 최대값은 0.045로 확인되었다.

실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하는 경우 중심부에서의 결정 성장 속도가 비교예 대비 우수함을 확인하였으며, 탄소 농도의 최대값 역시 비교예 대비 우수함을 확인하였다. 도가니 내부의 중심 온도가 도가니 내부의 주변 온도 보다 높게 형성되는 경우 실리콘 카바이드 단결정의 석출 속도 및 석출량이 증가함을 확인하였다.

도 10(a)는 실시예 5로써 도가니 하부면의 내벽 자체에 실장된 제2 가열 부재를 포함하는 이미지이다. 제2 가열 부재는 발열 용량이 10 kW인 저항 가열 방식으로 구동된다. 도가니 내부에 실장된 용융액은 크롬 40 mol%를 포함하며 용융액의 온도가 2273 K로 가열된다. 반면 도 10(b)는 비교예 2로써 제2 가열 부재를 포함하지 않고 이를 제외한 조건은 실시예 5와 동일하다.

이러한 실시예 5 및 비교예 2에 대해 결정 성장 속도와 탄소 농도의 최대값을 살펴본 결과, 실시예 5에 따른 결정 성장 속도는 1.05 mm/h이고 탄소 농도의 최대값은 0.063이며, 비교예 2에 따른 결정 성장 속도는 0.205mm/h이고 탄소 농도의 최대값은 0.051임을 나타냈다. 용융액의 온도가 도 9 (a) 내지 도 9 (e) 보다 높은 경우에도, 도가니 중심에 위치하는 용융액의 온도가 도가니 주변에 위치하는 용융액의 온도보다 높은 실시예에 따라 단결정의 성장 속도 및 탄소 농도의 최대값이 우수함을 확인할 수 있었다.

정리하면, 일 실시예에 따라 제1 가열 부재 이외에 제2 가열 부재를 더 포함하는 경우, 용융액의 효과적인 대류가 가능한 바, 단결정의 결정 성장 속도가 향상되고 이로부터 석출되는 단결정의 품질이 우수할 수 있다.

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 연결봉
250: 종결정 회전봉
300: 도가니
410: 제1 가열 부재
420: 제2 가열 부재

Claims

도가니,
상기 도가니 내부로 연장되는 실리콘카바이드 종결정,
상기 도가니 외주면을 가열하는 제1 가열 부재, 및
상기 도가니 하부면을 가열하는 적어도 하나의 제2 가열 부재를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 제2 가열 부재는 상기 도가니 내부의 중심에 위치하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 제2 가열 부재는 상기 도가니 내측의 하부면 위에 위치하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 제2 가열 부재는 상기 도가니 자체에 실장된 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 제1 가열 부재와 상기 제2 가열 부재는 독립적으로 구동되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
제1항에서,
상기 실리콘카바이드 종결정의 하부면과 상기 제2 가열 부재의 상부면이 마주하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
도가니 내에 용융 원료를 준비하는 단계,
상기 도가니의 외주면을 제1 가열 부재로 가열하여 용융액을 준비하는 단계, 그리고
상기 도가니의 하부면을 제2 가열 부재로 가열하여 상기 용융액을 대류시키는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
제7항에서,
상기 제2 가열 부재에 인접한 상기 용융액의 온도는 상기 제1 가열 부재에 인접한 상기 용융액의 온도보다 높은 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
제7항에서,
상기 용융액은,
상기 제2 가열 부재로부터 상기 도가니 내로 연장된 실리콘카바이드 종결정을 향해 대류하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
제9항에서,
상기 도가니 내의 하부면 중심 온도가 상기 도가니 내의 측면 온도보다 높은 상태에서 상기 실리콘카바이드 종결정을 상기 용융액에 접촉시키는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
제7항에서,
상기 도가니의 내측 중심으로부터 상기 도가니의 외측면을 향할수록 상기 용융액의 온도가 낮아지는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
제7항에서,
상기 제1 가열 부재와 상기 제2 가열 부재는 독립적으로 구동되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
제7항에서,
적어도 하나의 상기 제2 가열 부재는 상기 도가니의 하부면 위에 위치하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
제7항에서,
적어도 하나의 상기 제2 가열 부재는 상기 도가니의 하부면 내에 실장된 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.