KR20180091344A - 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 제1 평균 지름을 가지는 실리콘 원료, 및 제2 평균 지름을 가지는 금속 첨가제 원료를 혼합하여 실리콘계 용융액을 형성하는 단계, 그리고 상기 실리콘계 용융액에 종결정을 접촉시켜 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 단계를 포함하고, 상기 제1 평균 지름은 약 5mm 내지 약 60mm이고, 상기 제2 평균 지름은 약 1mm 내지 약 40mm이다.

Description

실리콘카바이드 단결정의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.

전력 반도체 소자는 전기 자동차, 전력 시스템, 고주파 이동통신 등 전기 에너지를 사용하는 차세대 시스템에 있어서 핵심 소자이다. 이를 위해서는 고전압, 대전류, 고주파수 등에 적합한 소재의 선정이 필요하다. 실리콘 단결정이 전력 반도체 물질로 사용되어 왔으나 물성적인 한계로 인해, 에너지 손실이 적고 보다 극한 환경에서 구동될 수 있는 실리콘카바이드 단결정이 주목받고 있다.

실리콘카바이드 단결정의 성장을 위해서는, 일 예로 실리콘카바이드를 원료로 하여 2000도(℃) 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법, 결정 인상법을 응용한 용액 성장법, 그리고 기체 소스를 사용하는 화학적 기상 증착법 등이 사용되고 있다.

그러나 화학적 기상 증착법을 이용하는 경우 두께가 제한된 박막 수준으로만 성장시킬 수 있으며, 승화법을 이용하는 경우 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있다. 이에 결정 성장 온도가 승화법에 비해 낮고 대구경화 및 고품질화에 유리한 것으로 알려진 용액 성장법에 대한 연구가 진행되고 있다.

본 발명은 품질이 우수한 품질의 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있는 실리콘카바이드 단결정의 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.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 제1 평균 지름을 가지는 실리콘 원료, 및 제2 평균 지름을 가지는 금속 첨가제 원료를 혼합하여 실리콘계 용융액을 형성하는 단계, 그리고 상기 실리콘계 용융액에 종결정을 접촉시켜 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 단계를 포함하고, 상기 제1 평균 지름은 약 5mm 내지 약 60mm이고, 상기 제2 평균 지름은 약 1mm 내지 약 40mm이다.

상기 제1 평균 지름은 약 10 mm 내지 약 55 mm일 수 있다.

상기 제2 평균 지름은 약 1mm 내지 약 35mm일 수 있다.

수득된 상기 실리콘카바이드 단결정이 포함하는 기공의 부피는 약 15% 이하일 수 있다.

상기 실리콘 원료 및 상기 금속 첨가제 원료는 도가니 내에 장입되는 단계를 더 포함하고, 상기 도가니에 장입된 상기 실리콘 원료 및 상기 금속 첨가제 원료의 초기 충진율은 약 35% 이상일 수 있다.

상기 실리콘 원료 및 상기 금속 첨가제 원료의 at% 비율은 약 3:7 내지 약 7: 3일 수 있다.

상기 도가니는 그라파이트 재질이며, 상기 실리콘계 용융액에 탄소가 용출되는 단계를 더 포함할 수 있다.

전술한 방법으로 제조된 실리콘카바이드 단결정을 포함할 수 있다.

상기 실리콘카바이드 단결정 내부에 형성된 기공의 부피는 약 15% 이하일 수 있다.

이상과 같은 실시예에 의하면 수득된 실리콘카바이드 단결정은 기포를 포함하지 않을 수 있으며 품질이 우수할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 관한 단면도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 응고물의 단면 이미지이고, 도 3은 실시예 2에 따른 응고물의 단면이미지이고, 도 4는 비교예 1에 따른 응고물의 단면 이미지이다.

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.

이하에서는 도 1에 도시된 실리콘카바이드 단결정 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법에 대해 설명한다.

우선, 실리콘 원료 및 금속 첨가제 원료를 준비한다. 상기 금속 첨가제 원료는 실리콘계 용융액에 대한 탄소의 용해도를 향상시키기 위한 어떠한 금속도 가능하다. 실리콘 원료 및 금속 첨가제 원료는 필요한 당량으로 제공될 수 있으며, 일 예로 at%가 약 3:7 내지 7:3 비율을 가지도록 제공될 수 있다.

일 실시예에 따른 실리콘 원료는 제1 평균 지름을 가질 수 있다. 상기 제1 평균 지름은 약 5 mm 내지 약 60 mm일 수 있으며, 바람직하게는 약 10 mm 내지 약 55 mm일 수 있다. 또한 일 실시예에 따른 금속 첨가제 원료는 제2 평균 지름을 가질 수 있다. 상기 제2 평균 지름은 약 1 mm 내지 약 40 mm일 수 있으며, 바람직하게는 약 1 mm 내지 약 35 mm일 수 있다.

기존 용융액에 실리콘카바이드 종결정을 접촉시켜 실리콘카바이드 단결정을 석출하는 공정에서, 실리콘카바이드 단결정 내부에는 기포 결함이 형성되는 문제가 있었다. 기포 결함은 초기 원료를 장입한 이후 용융하는 과정에서 용융액 내부에 잔존하게 된 기포나 실리콘 카바이드 종결정과 용융액의 접촉면 사이에 위치하는 분위기 가스에 의해 형성되는 것으로 보인다.

그러나 일 실시예에 따른 경우 초기 원료의 평균 지름(입도)를 전술한 수치범위로 제어함으로써 초기 원료 상태에서 형성되는 공간에 의한 기포를 감소시키고 이에 따라 용융액 내부에 잔존하는 기포를 감소시킬 수 있다.

구체적으로 실리콘 원료 및 금속 첨가제 원료 각각은 부정형의 분말이거나 덩어리 형태를 가질 수 있다. 이러한 형태를 가지는 초기 원료를 도가니 내에 장입하는 경우 분말 또는 덩어리 사이에 빈 공간이 형성된다. 도가니를 가열함에 따라 상기 빈 공간 중 일부는 외부로 빠져나가지 못한 채로 용융액 내부에 잔존하게 된다.

특히 초기 원료의 평균 지름이 전술한 수치 범위보다 작은 경우, 초기 원료 사이에 형성되는 공간의 개수가 많고 이에 따라 용융액 내부에 잔존하는 기포의 양이 많아질 수 있다. 따라서 실리콘카바이드 단결정은 상당량의 기포 결함을 포함하는 문제가 발생할 수 있다.

또한 초기 원료의 평균 지름이 전술한 수치 범위보다 큰 경우, 초기 원료 사이에 형성되는 공간이 작을 수 있으나 도가니 내의 초기 충진율이 좋지 않을 수 있다. 이에 따르면 제조 단가가 상승하거나 동일량을 수득하는데 소요되는 공정 시간이 증가할 수 있다.

그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 경우 도가니에 장입된 초기 원료들이 소정의 충진율을 가지면서 용융액으로 형성된 이후에도 내부에 형성되는 기포를 감소시킴으로써, 보다 향상된 품질의 실리콘카바이드 단결정을 제공할 수 있다.

이후 앞서 설명한 초기 원료를 도가니(300) 내에 투입한다. 도가니(300)에 투입된 초기 원료는 도가니(300) 내부 부피의 약 35% 이상을 차지할 수 있다. 즉, 초기 원료의 충진율은 약 35% 이상일 수 있다.

초기 원료를 실장하고 있는 도가니(300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 가열 부재(400)을 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니(300) 내의 초기 용융 원료는 실리콘계 용융액으로 변한다. 또한 일 예에 따라 도가니(300)가 그라파이트 재질인 경우, 도가니(300)로부터 탄소가 용출될 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 종결정(210) 상에 실리콘카바이드 단결정이 성장한다.

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.

이러한 제조 공정을 통해 석출된 실리콘카바이드 단결정은 기포 결함을 적게 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 기포 결함의 부피는 실리콘카바이드 단결정이 차지하는 총 부피의 약 15% 이하일 수 있다.

이하에서는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 사용되는 제조장치에 대해 도 1을 참조하여 간략하게 설명한다.

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.

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 표 1 및 도 2 내지 도 4를 참고하여 실시예 1 및 2와, 비교예 1에 대해 살펴본다.

	실시예 1	실시예 2	비교예 1
실리콘 원료의 제1 평균 지름	20 mm	50mm	2 mm
금속 첨가제의 제2 평균 지름	5 mm	30mm	1 mm
실리콘 원료 및 금속 첨가제 원료의 at% 비율	6:4	6:4	6:4
도가니 내부 충진율	50%	40%	55%
응고물의 기포 면적율	10%	8%	40%

표 1을 참조하면, 실시예 1 및 2에 따라 초기 원료에 포함되는 실리콘 원료의 제1 평균 지름은 약 20 내지 50 mm이고, 금속 첨가제 원료의 제2 평균 지름은 약 5 내지 30 mm이다. 비교예 1에 따른 실리콘 원료의 제1 평균 지름은 약 2 mm이고 금속 첨가제 원료의 제2 평균 지름은 약 1mm이다. 각각의 실시예1, 실시예2, 및 비교예 1에서 실리콘 원료 및 금속 첨가제 원료는 6:4의 at% 비율로 혼합되었다.

실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1에 따른 각각의 초기 원료를 도가니에 장입한 결과, 실시예 1 및 2는 약 40 내지 50% 의 내부 충진율을 나타냈고 비교예 1은 약 55%의 내부 충진율을 나타냈다.

다음, 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1을 도가니 내에서 용융시키고 실리콘카바이드 단결정을 수득한 이후 도가니 내에 잔류하는 응고물을 통해 내부에 형성되는 기포 결함을 살펴보았다.

도 2 및 도 3을 각각 참조하면 실시예 1 및 실시예 2에 따른 응고물의 단면은 실리콘 카바이드 결정 사이에 기포(검정색으로 표시됨)가 일부 존재하는 것을 확인하였다. 표 1에 나타난 바와 같이 실시예 1에 따른 응고물의 단면에서 기포가 차지하는 면적은 약 10%임을 확인하였다. 또, 실시예 2에 따른 응고물의 단면에서 기포가 차지하는 면적은 약 8%임을 확인하였다.

반면 도 4를 참조하면, 비교예 1에 따른 응고물의 단면은 절반 가까이 기포임을 확인할 수 있었다. 구체적으로 단면 이미지에서 기포가 차지하는 면적이 약 40%임을 확인하였다.

실시예 1 및 2의 경우 평균 지름이 크므로, 초기 원료 사이에 형성되는 공간의 개수가 적을 수 있으며 이에 따라 용융액에 잔류하거나 최종적으로 남겨진 응고물에 포함되는 기포의 개수가 적을 수 있음을 확인하였다. 그러나 비교예 1의 경우 초기 원료들의 평균 지름이 작으므로, 초기 원료 사이에 형성되는 공간의 개수가 상대적으로 많을 수 있다. 따라서 용융액에 잔류하거나 최종적으로 남겨진 응고물에 포함되는 기포의 개수가 많을 수 있음을 확인하였다.

정리하면, 실시예에 따른 실리콘 원료 및 금속 첨가제 원료는 도가니에 장입되었을 때 소정의 초기 충진율을 만족하면서도 기포가 적게 형성됨을 확인할 수 있었다.

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: 챔버
210: 종결정
300: 도가니
400: 가열 부재
500: 회전 부재

Claims (9)

1. 제1 평균 지름을 가지는 실리콘 원료, 및 제2 평균 지름을 가지는 금속 첨가제 원료를 혼합하여 실리콘계 용융액을 형성하는 단계, 그리고
   상기 실리콘계 용융액에 종결정을 접촉시켜 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 평균 지름은 약 5mm 내지 약 60mm이고, 상기 제2 평균 지름은 약 1mm 내지 약 40mm인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
2. 제1항에서,
   상기 제1 평균 지름은 약 10 mm 내지 약 55 mm인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
3. 제1항에서,
   상기 제2 평균 지름은 약 1mm 내지 약 35 mm인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
4. 제1항에서,
   수득된 상기 실리콘카바이드 단결정이 포함하는 기공의 부피는 약 15% 이하인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
5. 제1항에서,
   상기 실리콘 원료 및 상기 금속 첨가제 원료는 도가니 내에 장입되는 단계를 더 포함하고,
   상기 도가니에 장입된 상기 실리콘 원료 및 상기 금속 첨가제 원료의 초기 충진율은 약 35% 이상인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
6. 제1항에서,
   상기 실리콘 원료 및 상기 금속 첨가제 원료의 at% 비율은 약 3:7 내지 약 7: 3인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
7. 제5항에서,
   상기 도가니는 그라파이트 재질이며,
   상기 실리콘계 용융액에 탄소가 용출되는 단계를 더 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항으로 제조된 실리콘카바이드 단결정.
9. 제8항에서,
   상기 실리콘카바이드 단결정 내부에 형성된 기공의 부피는 약 15% 이하인 실리콘카바이드 단결정.
   

Images