KR20180137981A - 결정 형성 장치 및 이를 이용한 실리콘카바이드 단결정의 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘카바이드 단결정을 형성시키는 장치에 관한 것으로, 도가니와 종결정을 고정시킨 상태로 도가니 내로 도입는 침지부를 포함하고 있고, 침지부가 종결정의 상부와 하부를 제외한 나머지 부위를 고정시키도록 구성되어 있어, 이것이 도가니 내에 도입된 상태에서, 종결정의 상부와 하부가 각각 용융액에 접촉되면서, 상부에서의 제 1 결정 성장 및 하부에서의 제 2 결정 성장을 유도하는 결정 형성 장치를 제공한다.

Description

결정 형성 장치 및 이를 이용한 실리콘카바이드 단결정의 형성 방법 {Crystal Growth Apparatus and Forming Method for SiC Single Crystal using the Same}

본 발명은 결정 형성 장치 및 이를 이용한 실리콘카바이드 단결정의 형성 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 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 종결정의 상부와 하부에서 결정 성장이 유도되도록 하여, 결정 성장에 소요되는 시간은 단축하면서도, 결함이 거의 없는 고순도의 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있는 결정 형성 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 결정 형성 장치는,

적어도 하나의 실리콘카바이드(SiC) 종결정을 실리콘 및 탄소를 포함한 용융액 내에 침지시킨 상태로, 실리콘카바이드(SiC) 단결정으로 성장시키는 결정 형성 장치에 관한 것으로,

상기 용융액이 채워지는 도가니; 및

상기 종결정을 고정시킨 상태로 도가니 내로 도입되도록 구성되어 있는 침지부;를 포함하고 있고;

상기 침지부가,

지면과 평행한 가상의 축을 기준으로 구획되는 종결정의 상부와 하부를 제외한 나머지 부위를 기계적으로 고정시키도록 구성되어 있으며;

도가니 내에 도입된 상태에서, 상기 종결정의 상부와 하부가 각각 용융액에 접촉되어 상기 상부에서의 제 1 결정 성장 및 하부에서의 제 2 결정 성장을 유도하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 결정 형성 장치는, 종결정의 상부와 하부가 노출되도록 고정시키는 구조를 특징으로 하며, 이러한 구조에 기반하여, 종결정의 상부와 하부에서 각각 제 1 결정 성장과 제 2 결정 성장이 유도됨으로써, 보다 빠른 종결정의 결정 성장 속도를 기대할 수 있다.

본 발명에 따른 결정 형성 장치는 또한, 종결정의 상부에서 결함이 거의 없는 고순도의 단결정을 수득할 수 있는 특별한 효과를 발현하며 이를 달성하기 위한 상세한 구조는 본 발명의 비제한적인 예들을 통해 이하에 구체적으로 설명한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 침지부는,

상하 축을 따라 운동하고, 상기 축을 기준으로 회전하도록 구성되어 있는 샤프트 부; 및

상기 샤프트 부의 하단에 분리 가능한 형태로 결합되어 있고, 적어도 하나의 고정 부재를 포함하며, 상기 고정 부재의 내면 중 적어도 일부에 종결정이 끼워진 상태에서, 종결정을 용융액에 침지시키는 결정 성장부;

를 포함할 수 있다.

여기서, 고정 부재에 고정된 상태에서 노출되어 있는 종결정의 전면 중, 지면과 평행한 가상의 축을 기준으로 종결정의 상부와 하부가 구획되며;

상기 샤프트 부가 축 회전 할 때, 결정 성장부를 따라 유동하는 용융액의 흐름이 상기 종결정의 상부 전면과 하부 전면에 각각 접하면서, 제 1 결정 성장과, 제 2 결정 성장이 독립적으로 유도될 수 있다.

즉, 본 발명에서 종결정의 상부란, 복수의 결정 면들을 포함할 수 있는 종결정에서도 지면과 평행한 가상의 축에 대해 상대적으로 상부 쪽에 위치하는 결정 전면을 의미하고, 상세하게는 종결정이 고정 부재에 장착된 상태에서 상부 중에서도 고정 부재를 통해 상향으로 노출되어 있는 종결정의 전체 결정 면들을 의미한다.

마찬가지로, 본 발명에서, 종결정의 하부는, 복수의 결정 면들을 포함할 수 있는 종결정에서도 지면과 평행한 가상의 축에 대해 상대적으로 하부 쪽에 위치하는 결정 전면을 의미하고, 더욱 상세하게는 종결정이 고정 부재에 장착된 상태에서 하부 중에서도 고정 부재를 통해 하향으로 노출되어 있는 종결정의 전체 결정 면들을 의미한다.

따라서, 비정형으로 연장된 복수의 결정 면들을 포함하는 종결정의 형태일 경우에도, 본 발명에 따른 결정 형성 장치를 이용하는 경우, 종결정의 상부와 하부 각각을 구성하는 결정 면들 전반에서 결정 성장이 유도될 수 있음을 충분히 이해할 수 있다.

결정 성장은 일반적으로 표면적이 상대적으로 넓은 부위에서 용융액이 고상됨에 따라 점진적으로 일어나며, 이를 위해, 종결정은 표면적이 넓은 부위를 가지도록 판형일 수 있고, 고정 부재의 형태, 예를 들어 원형, 다각형, 비정형 등의 구조에 대응하여 다양한 평면상 형상을 가질 수 있다.

이에, 본 발명의 고정 부재는, 상기 형상의 종결정 고정 시, 상부와 하부를 제외한 나머지 부위를 고정하도록 구성된 바, 상기 종결정의 상부와 하부의 결정 면 전체가 그대로 용융액에 노출 및 접촉되며, 이에 따라 상부와 하부 각각에서 결정 성장이 유도될 수 있다. 이는 결정 성장을 종결정의 편향된 일측에서 수행하는 장치와 비교하여 단결정으로의 결정 성장이 현저히 빠르다.

예를 들어, 종결정의 고정을 위해 접착제를 종결정 상부에 부가하거나, 혹은 상부의 결정 면을 가공하여 샤프트를 끼워 넣는 방식의 경우, 종결정 상부에 위치한 접착제나 샤프트 때문에 결정 성장이 온전히 이루어지지 않지만, 본 발명은 종결정의 하부뿐만 아니라, 상부도 용융액에 완전히 노출되기 때문에, 상, 하 양쪽에서 결정 성장을 유도할 수 있다.

이를 달성하기 위한 종결정의 고정 형태는, 본 발명에 따른 고정 부재의 형태에 기인하며, 구체적으로 고정 부재는, 종결정의 상, 하부가 모두 노출되도록 개방된 구조로서, 하나의 예에서, 상기 고정 부재는, 그라파이트 소재의 원형 링이고, 상기 종결정이 원형 링의 내면에 억지끼움 되어 고정되는 방식일 수 있다.

또 다른 예에서, 상기 고정 부재는, 소정의 간격으로 서로 이격되어 있으며 지면에 대해 평행한 복수의 지지체들이 원형 링의 내면으로부터 중심 방향으로 연장되어 있는 구조이고;

상기 종결정이 지지체들의 단부 내면에 억지끼움 되어 고정되는 구조일 수 있다.

이러한 구조에서는 상기 샤프트 부가 축 회전 할 때, 상기 지지체들이 용융액을 교반시킴으로써, 용융액의 신속한 대류를 유도하여 결과적으로 빠른 결정 성장을 유도할 수 있다.

이와는 달리, 상기 고정 부재는,

지면에 대해 평행하고, 소정의 간격으로 서로 이격되어 있는 복수의 지지체들이 원형의 제 1 링의 내면으로부터 중심 방향으로 연장되어 있고, 상기 지지체들의 단부들을 원형으로 연결하는 제 2 링이 상기 단부들에 연결되어 있는 구조이며;

상기 종결정이 제 2 링의 내면에 억지끼움 되어 고정되고;

샤프트 부가 축 회전 할 때, 상기 지지체들이 용융액을 교반시키도록 구성될 수도 있다.

이러한 고정 부재는, 하나 또는 둘 이상이 조합되어 결정 성장부를 구성할 수 있으며, 둘 이상일 경우, 고정 부재들이 소정의 간격으로 이격되도록 배열되고, 각 고정 부재들에 종결정들이 고정됨으로써, 복수의 종결정들을 단결정으로 결정 성장시키는 구조 역시 본 발명의 범주 하에 구현될 수 있다.

이상의 고정 부재는 모두 원형의 링을 포함하는 구조로 이루어져 있으나, 경우에 따라서는 두께가 얇은 종결정의 고정을 위해, 그루브 등의 홈이 형성된 고정 부재도 고려될 수 있다.

이에 대한 구체적인 예에서, 상기 결정 형성 장치는, 고정 부재로서, 종결정의 적어도 일부가 삽입되도록, 그것의 외주를 따라 그루브가 형성되어 있는 원통형의 고정 부재들을 적어도 둘 이상 포함할 수 있으며, 상기 고정 부재들은 지면과 평행한 선상에서 서로 이격되도록 배열된 상태에서 샤프트 부에 연결될 수 있다. 이러한 구조의 결정 형성 장치는, 종결정이 고정 부재들의 그루브에 삽입되는 형태로, 종결정을 고정시킬 수 있다.

상기 고정 부재들을 포함하는 결정 성장부는, 샤프트 부에 결합되는 연결부 및 상기 연결부와 고정 부재 사이에서 이들 각각에 결합되어 있는 복수의 봉상 체결부재들을 더 포함할 수 있다.

이러한 구조에서는 상기 샤프트 부가 축 회전 할 때, 상기 체결부재들에 유체 저항이 형성되면서, 상기 상부에 접하는 용융액의 흐름 속도가 하부에 접하는 용융액의 흐름 속도 대비 10% 내지 80%로 형성될 수 있다.

즉, 종결정의 상부를 흐르는 용융액 흐름은 체결부재들에 의해 낮은 유속을 지니며, 그로 인해, 상부에서의 결정 성장은 다소 느리게 진행되지만, 점진적 결정 성장으로 인한 단차가 상대적으로 넓되, 단차의 개수가 적게 형성되어 두께가 상대적으로 얇을 수 있고, 결정 단차 내에, 빈 공간이 형성될 확률이 현저히 낮다. 다시 말해, 종결정의 상부에서는 매우 매끄러운 결정 표면이 형성될 수 있으며, 이를 본 발명에서는 제 1 결정 성장이라 정의한다.

또한, 상기 연결부와 고정 부재는 서로 마주보는 배열 형태를 가지게 되며, 그로 인해, 종결정의 상부를 흐르는 용융액은 연결부와 고정 부재 사이에 설정된 공간에서 상대적으로 일정한 유량으로 유동할 수 있으며, 이 또한, 상기 종결정의 상부에서 점진적 결정 성장을 유도하는 주요한 이점이다.

상기 연결부와 고정 부재 사이에 형성되는 용융액의 유량을 조정하도록, 상기 체결부재들의 길이가 소망하는 형태로 구성될 수 있고, 체결부재들의 개수 또한, 상기 용융액의 흐름 속도를 가감하기 위해, 소망하는 개수로 구성될 수 있다.

한편, 종결정의 하부에서는 상대적으로 용융액의 흐름 속도가 빠르기 때문에, 결정 성장이 점진적이긴 하지만, 상부와 비교하여 그 속도가 빨라, 단차가 상대적으로 좁고 단차의 개수가 많게 형성되어 상대적으로 두께가 두꺼울 수 있다. 즉, 종결정의 하부에서는 결정 성장이 상당히 빠르게 진행될 수 있으며, 이를 본 발명에서는 제 2 결정 성장이라 지칭한다.

정리하면, 상기 상부에서의 제 1 결정 성장은, 상대적으로 얇은 제 1 결정 두께와 상대적으로 넓은 제 1 결정 단차를 형성하며;

상기 상부보다 용융액의 흐름 속도가 빠른 하부에서의 제 2 결정 성장은, 상기 제 1 결정 두께보다 상대적으로 두꺼운 제 2 결정 두께와, 상기 제 1 결정 단차 보다 상대적으로 좁은 제 2 결정 단차를 형성할 수 있다.

한편, 본 발명에서 샤프트 부는, 실질적으로 결정 성장부를 축 회전시켜, 결정 성장부 주변의 용융액을 대류 시키도록 구성되어 있는 바, 상기 샤프트 부의 회전 속도 역시, 결정 성장에 영향을 미치는 인자라 볼 수 있을 것이다.

만약, 상기 샤프트 부의 축 회전 속도가 과도하게 빠른 경우, 종결정의 상부와 하부를 흐르는 용융액의 흐름 속도 역시 빨라, 결정 성장이 편향된 부위에서 이루어지면서 매끄러운 결정 표면이 형성되기 어렵고, 반대로 샤프트 부의 축 회전 속도가 과도하게 느린 경우, 소망하는 두께로 결정 성장이 이루어지지 않을 수 있다.

이에, 본 발명의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 상기 샤프트 부의 분당 축 회전 속도가 3 rpm 내지 60 rpm 인 경우, 소망하는 수준의 결정 성장이 이루어짐을 확인하였고, 상세하게는 5 rpm 내지 40 rpm 에서 샤프트 부의 축 회전 속도가 가변적 또는 정속적으로 선택될 수 있다.

본 발명에서 상기 용융액은 금속 용융액을 더 포함할 수 있으며, 상기 금속은 예를 들어 크롬, 알루미늄, 티타늄 등일 수 있으나, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 또한, 상기 결정 형성 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법을 제공한다.

상기 방법은 구체적으로, 침지부의 결정 생성부에 종결정을 장착하고, 도가니 내에 용융액을 마련하는 과정;

침지부의 샤프트 부를 하강하여 종결정을 용융액에 침지시키는 과정; 및

샤프트 부를 축 회전시켜 종결정의 상부와 하부 각각에 용융액의 흐름을 형성하고, 상부에서의 제 1 결정 성장과, 하부에서의 제 2 결정 성장을 유도하는 과정;

을 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 결정 형성 장치는, 종결정의 상부와 하부에서 각각 제 1 결정 성장과 제 2 결정 성장을 유도함으로써, 보다 빠르게 단결정의 수득이 가능하고, 특히, 제 1 결정 성장에서 매끄러운 결정 표면을 형성할 수 있고, 제 2 결정 성장에서, 두꺼운 두께의 결정 형태를 달성할 수 있어, 양품의 제조가 가능한 동시에 제조 공정성이 우수한 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 결정 형성 장치의 모식도이다;
도 2는 결정 생성부의 사시도들이다;
도 3은 고정 부재에 종결정이 고정된 형태에 대한 수직 단면도이다;
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 결정 형성 장치를 이용하여 수득된 단결정의 확대 사진이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 결정 형성 장치의 모식도이다;
도 6은 도 5의 구성 중, 고정 부재를 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 7은 또 다른 실시예에 따른 고정 부재를 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 8은 또 다른 실시예에 따른 고정 부재들을 포함하는 결정 성장부의 모식도이다;
도 9는 도 8의 고정 부재의 확대도이다.

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.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 결정 형성 장치의 평면 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 결정 생성부의 사시도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 함께 참조하면, 결정 형성 장치(100)는, 용융액(10)이 채워진 도가니(120) 및 종결정(20)을 고정시킨 상태로 도가니(120) 내로 도입되도록 구성되어 있는 침지부(110)를 포함한다.

도가니(120)은 그라파이트로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라서는 내면에 가열 부재(도시하지 않음)을 추가로 구비할 수 있다.

침지부(110)는, 상하 축(Y)을 따라 운동하고, 상기 축(Y)을 기준으로 회전하도록 구성되어 있는 샤프트 부(300) 및 결정 성장부(200)를 포함한다. 일 예로서, 샤프트 부(300)는 그라파이트로 이루어질 수 있고, 결정 성장부(200)도 역시 그라파이트로 이루어질 수 있다.

결정 성장부(200)는 샤프트 부(300)의 하단에 분리 가능한 형태로 결합되는 연결부(220), 고정 부재(230) 및 연결부(220)와 고정 부재(230) 사이에서 이들 각각에 결합되어 있는 복수의 봉상 체결부재(240)들을 포함한다.

고정 부재(230)는, 도면에서와 같이, 상부와 하부가 모두 개방된 구조의 O-링의 형태로서, 그라파이트 소재의 원형 링으로 이루어져 있다.

또한, 도 2에서와 같이, 원형 링의 개방된 내면에는, 종결정의 장착 시, 탄성적인 장착이 가능하도록 고무, 고분자 수지 등의 탄성 부재(250)가 부가될 수 있다.

이 경우, 실질적으로 탄성 부재(250)가 고정 부재(230)의 내면을 이룰 수 있다. 그러나, 이는 하나의 실시 형태로서, 탄성 부재가 원형 링의 개방된 내면에 부가되어 있지 않은 구조 또한, 본 실시예 따른 실시 형태로서 합체된다.

종결정(20)은 원형 링의 내면에 밀착되도록 억지끼움 되어 고정되며, 이와 같이 종결정(20)이 고정되면, 도 1에서와 같이 샤프트 부(300)가 운동하여 종결정(20)과 함께 결정 생성부를 용융액(10)에 침지시킨다.

여기서, 개방된 링의 상면과 하면을 통해 각각 노출되어 있는 종결정(20)의 전면 중, 지면(X)과 평행한 가상의 축(A-A')을 기준으로 종결정(20)의 상부(1)와 하부(2)가 구획된다.

이에 대해서는 도 3 도시된 고정 부재(230)에 종결정이 고정된 형태를 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서 종결정(20)의 상부(1)란, 복수의 결정 면들을 포함할 수 있는 종결정(20)에서도 지면과 평행한 가상의 축(A-A')에 대해 상대적으로 상부 쪽에 위치하는 결정 전면을 의미하고, 상세하게는 종결정(20)이 고정 부재(230)에 장착된 상태에서 상부 중에서도 고정 부재(230)의 개방된 부위를 통해 상향으로 노출되어 있는 종결정(20)의 전체 결정 면들을 의미한다.

마찬가지로, 본 발명에서, 종결정(20)의 하부(2)는, 복수의 결정 면들을 포함할 수 있는 종결정(20)에서도 지면과 평행한 가상의 축에 대해 상대적으로 하부(2) 쪽에 위치하는 결정 전면을 의미하고, 더욱 상세하게는 종결정(20)이 고정 부재(230)에 장착된 상태에서 상부 중에서도 고정 부재(230)의 개방된 부위를 통해 하향으로 노출되어 있는 종결정(20)의 전체 결정 면들을 의미한다.

다시 도 1과 도 2를 참조하면, 샤프트 부(300)가 축 회전 함에 따라, 결정 성장부(200) 주변을 유동하는 용융액(10)의 흐름이 종결정(20)의 상부 전면과 하부(2) 전면에 각각 접하게 되고, 상부(1)에서 제 1 결정 성장 및 하부(2)에서 제 2 결정 성장이 유도된다.

다만, 샤프트 부(300)가 축 회전 할 때, 체결부재(240)들에 의해 유체 저항이 형성되면서, 종결정(20)의 상부(1)에서 흐르는 용융액(10)의 흐름이 느려진다. 또한, 연결부(220)와 고정 부재(230)는 서로 마주보는 배열 형태를 가지게 되어 종결정(20)의 상부를 흐르는 용융액(10)은 연결부(220)와 고정 부재(230) 사이에 설정된 공간(260)에서 상대적으로 일정한 유량으로 유동하게 된다.

즉, 종결정(20)의 상부(1)를 흐르는 용융액(10) 흐름은 체결부재(240)들에 의해 낮은 유속과 일정한 유량을 지니며, 그로 인해, 상부(1)에서의 결정 성장은 다소 느리게 진행되지만, 점진적 결정 성장으로 인한 단차가 상대적으로 넓되, 단차의 개수가 적게 형성되어 두께가 상대적으로 얇을 수 있고, 결정 단차 내에, 빈 공간('결함')이 형성될 확률이 현저히 낮다. 정리하면, 종결정(20)의 상부(1)에서는 매우 매끄러운 결정 표면이 형성될 수 있으며, 이것이, 위의 제 1 결정 성장이다.

한편, 종결정(20)의 하부(2)에서는 용융액(10)의 흐름에 저항으로 작용하는 것이 없기 때문에 상대적으로 용융액(10)의 흐름 속도가 빠르고 종결정(20)에 접촉되는 용융액(10)의 유량도 일정하지 않은 바, 결정 성장이 점진적이기는 하지만, 상부(1)와 비교하여 그 속도가 빠르다.

또한, 단차의 너비가 상대적으로 좁되, 단차 다수가 형성되면서, 종결정(20)의 하부(2)에서 성장한 결정의 총 두께는 상대적으로 두껍다.

정리하면, 종결정(20)의 하부(2)에서는 결정 성장이 상당히 빠르게 진행될 수 있으며, 이것이 위의 제 2 결정 성장이다.

이와 관련하여, 도 1 내지 도 3에 도시된 결정 형성 장치를 이용하여, 하기 조건 하에, 종결정을 결정 성장시켜 실리콘카바이드 단결정을 수득하였고, 이 실리콘카바이드의 실제 사진을 도 4에 도시하였다.

- 용융액은 크롬 40 at%과 카본 및 실리콘을 포함하였고, 용융액의 온도는 약 1900도(℃)로 유지되었으며, 샤프트 부는 분당 5회 회전하였다.

도 4에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 결정 형성 장치를 이용하는 경우, 종결정의 상부와 하부에서 각각 제 1 결정 성장과 제 2 결정 성장을 유도되었음을 알 수 있고, 실리콘카바이드는 상부와 하부에서 각각 다른 결정 면을 가짐을 확인할 수 있다.

또한, 제 1 결정 성장이 유도된 상부에서 단차 형태는, 하부와 비교하여 면적이 상대적으로 넓고, 단차 개수가 상대적으로 적음을 알 수 있으며, 이에 따라 매끈한 형태임을 육안으로 확인할 수 있다. 이는 앞서 설명한 결정 성장부의 특수한 구조에 기반한다. 뿐만 아니라, 제 1 결정 성장이 유도된 상부에서는 투과 시, 결정면 전반에서 명도 차이가 없음을 확인할 수 있으며, 이는 결정 내에 빈 공간이 형성되지 않았음을 의미한다.

한편, 제 2 결정 성장이 유도된 하부에서 단차 형태는, 상부와 비교하여 단차 개수가 상대적으로 많되, 그 면적이 상대적으로 좁음을 알 수 있으며, 즉, 결정 성장이 상대적으로 두껍게 형성되었음을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 결정 형성 장치는, 소망하는 두께의 실리콘카바이드를 수득 하기까지 비교적 단시간이 소요될 수 있으며, 그럼에도 불구하고, 제 1 결정 성장에서 표면이 매끄러워 양질의 실리콘카바이드를 수득할 수 있고, 제 2 결정 성장에서는, 두께가 두꺼운 실리콘카바이드의 결정 형태를 수득할 수 있어, 품질과 결정 량의 두 가지 목적을 모두 달성할 수 있다. 이는 종래에는 존재하지 않았던 신규한 방식과 결과임에 주목해야 한다.

한편, 도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 결정 형성 장치가 모식적을 도시되어 있고, 도 6에는 도 5에서 고정 부재의 평면 모식도가 도시되어 있다.

도 5에 따른 결정 형성 장치(400)는, 도 1 내지 도 3에서의 그것 구조와 유사하나, 고정 부재(410)가 다른 구조로 이루어져 있다.

구체적으로 도 5와 도 6를 참조하면, 고정 부재(410)가 지면에 대해 평행하고 소정의 간격으로 서로 이격되어 있는 복수의 지지체들(420)이 원형의 제 1 링(411)의 내면으로부터 중심 방향으로 연장되어 있고, 지지체들(420)의 단부들을 원형으로 연결하는 제 2 링(412)이 상기 단부들(420)에 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.

여기서, 종결정(20)은 제 2 링(412)의 내면에 억지끼움 되어 고정되며, 샤프트 부(300)가 축 회전 하는 경우, 제 2 링(412)과 제 1 링(411)을 서로 연결하는 지지체들(420)은 용융액(10)을 교반시킨다.

따라서, 도 5에 따른 결정 형성 장치는 지지체들(420)이 용융액(10)의 신속한 대류를 유도하여 결과적으로 빠른 결정 성장을 유도할 수 있다.

또한, 인접한 지지체들(420) 사이에 공간(430)이 형성되고, 이 공간들(430)의 크기, 예를 들어 평면상 면적은 모두 동일할 수 있다. 이는 일정량의 용융액(10)이 위 공간들(430) 상에 머물면서 유동하게 되며, 그에 따라 종결정(20) 하부에서 대류하는 용융액(10) 흐름에 일종의 규칙성을 부여하여, 종결정(20) 상에 무분별한 결정 성장이 이뤄지는 현상을 억제할 수 있다.

도 1 내지 도 3의 설명에서와 마찬가지로, 본 실시예에 따른 결정 형성 장치 역시, 종결정의 상부와 하부에서 각각 제 1 결정 성장과 제 2 결정 성장을 유도하도록 구성되어 있음은 물론이며, 그로 인한 장점도 동일할 것이다.

도 7에는 이상의 고정 부재 구조와 다른 형태의 고정 부재가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 고정 부재(510)는, 소정의 간격으로 서로 이격되어 있으며 지면에 대해 평행한 복수의 지지체들(520)이 원형 링(512)의 내면으로부터 중심 방향으로 연장되어 있는 구조로 이루어져 있다.

여기서, 종결정(20)이 지지체들(520)의 단부 내면에 억지끼움 되어 고정되며, 샤프트 부(300)가 축 회전 할 때, 지지체들(520)이 용융액(10)을 교반시킬 수 있다.

도 5에서와 마찬가지로, 지지체들(520)에 의해, 종결정(20) 하부에서 대류하는 용융액(10) 흐름에 일종의 규칙성을 부여될 수 있으며, 이에 따라 종결정(20) 상에 무분별한 결정 성장이 이뤄지는 현상이 억제될 수 있다.

도 8에는 또 다른 형태의 고정 부재들을 포함하는 결정 성장부의 모식도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 고정 부재의 확대도가 도시되어 있다.

도 8과 도 9를 함께 참조하면, 결정 성장부(600)는 샤프트 부(도시하지 않음)의 하단에 분리 가능한 형태로 결합되는 연결부(610), 연결부(610)의 하단에서 소정의 간격으로 이격되어 결합되어 있는 복수의 봉상 체결부재들(620) 및 봉상 체결 부재들(610) 각각에 연결되는 고정 부재들(630)을 포함하고 있다.

고정 부재들(630) 각각은, 종결정(20)의 적어도 일부가 삽입되도록, 그것의 외주를 따라 그루브(640)가 형성되어 있는 원통형으로 이루어져 있다. 여기서, 고정 부재들(630)은 각각, 소정의 간격으로 이격되어 있는 봉상의 체결부재들(620)의 하단에 결합되면서, 지면과 평행한 선상에서 서로에 대해 이격되어 있다.

이러한 구조에서는 종결정(20)이 고정 부재들(630)의 모든 그루브(640)에 삽입되면서, 결정 성장부에 고정된다.

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: 결정 형성 장치
20: 종결정
10: 용융액
300: 샤프트 부
200: 침지부

Claims (11)

1. 적어도 하나의 실리콘카바이드(SiC) 종결정을 실리콘 및 탄소를 포함한 용융액 내에 침지시킨 상태로, 실리콘카바이드(SiC) 단결정으로 성장시키는 결정 형성 장치에 관한 것으로,
   상기 용융액이 채워지는 도가니; 및
   상기 종결정을 고정시킨 상태로 도가니 내로 도입되도록 구성되어 있는 침지부;를 포함하고 있고;
   상기 침지부가,
   지면과 평행한 가상의 축을 기준으로 구획되는 종결정의 상부와 하부를 제외한 나머지 부위를 기계적으로 고정시키도록 구성되어 있으며;
   도가니 내에 도입된 상태에서, 상기 종결정의 상부와 하부가 각각 용융액에 접촉되어 상기 상부에서의 제 1 결정 성장 및 하부에서의 제 2 결정 성장을 유도하는 결정 형성 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 침지부는,
   상하 축을 따라 운동하고, 상기 축을 기준으로 회전하도록 구성되어 있는 샤프트 부; 및
   상기 샤프트 부의 하단에 분리 가능한 형태로 연결되어 있고, 적어도 하나의 고정 부재(fixing member)를 포함하며, 상기 고정 부재의 내면 중 적어도 일부에 종결정이 끼워진 상태에서, 종결정을 용융액에 침지시키는 결정 성장부;
   를 포함하고 있는 결정 형성 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   고정 부재에 고정된 상태에서 노출되어 있는 종결정의 전면 중, 지면과 평행한 가상의 축을 기준으로 종결정의 상부와 하부가 구획되고;
   상기 샤프트 부가 축 회전 할 때, 결정 성장부를 따라 유동하는 용융액의 흐름이 상기 종결정의 상부 전면과 하부 전면에 각각 접하면서, 제 1 결정 성장과, 제 2 결정 성장이 독립적으로 유도되는 결정 형성 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 결정 성장부는 샤프트 부에 결합되는 연결부 및 상기 연결부와 고정 부재 사이에서 이들 각각에 결합되어 있는 복수의 봉상 체결부재들을 더 포함하고 있고;
   상기 샤프트 부가 축 회전 할 때, 상기 체결부재들에 유체 저항이 형성되면서, 상기 상부에 접하는 용융액의 흐름 속도가 하부에 접하는 용융액의 흐름 속도 대비 10% 내지 80%로 형성되는 결정 형성 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 상부에서의 제 1 결정 성장은, 제 1 결정 두께와 제 1 결정 단차를 형성하며;
   상기 상부보다 용융액의 흐름 속도가 빠른 하부에서의 제 2 결정 성장은, 상기 제 1 결정 두께보다 두꺼운 제 2 결정 두께와, 상기 제 1 결정 단차보다 좁은 제 2 결정 단차를 형성하는 결정 형성 장치.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 고정 부재는, 그라파이트 소재의 원형 링이며, 상기 종결정이 원형 링의 내면에 억지끼움 되어 고정되는 결정 형성 장치.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 고정 부재는, 소정의 간격으로 서로 이격되어 있으며 지면에 대해 평행한 복수의 지지체들이 원형 링의 내면으로부터 중심 방향으로 연장되어 있는 구조이고;
   상기 종결정이 지지체들의 단부 내면에 억지끼움 되어 고정되며;
   샤프트 부가 축 회전 할 때, 상기 지지체들이 용융액을 교반시키는 결정 형성 장치.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 고정 부재는,
   지면에 대해 평행하고, 소정의 간격으로 서로 이격되어 있는 복수의 지지체들이 원형의 제 1 링의 내면으로부터 중심 방향으로 연장되어 있고, 상기 지지체들의 단부들을 원형으로 연결하는 제 2 링이 상기 단부들에 연결되어 있는 구조이며;
   상기 종결정이 제 2 링의 내면에 억지끼움 되어 고정되고;
   샤프트 부가 축 회전 할 때, 상기 지지체들이 용융액을 교반시키는 결정 형성 장치.
9. 제 2 항에 있어서,
   종결정의 적어도 일부가 삽입되도록, 그것의 외주를 따라 그루브가 형성되어 있는 원통형의 고정 부재를 적어도 둘 이상 포함하고 있고;
   상기 고정 부재들이 지면과 평행한 선상에서 이격되도록 배열된 상태에서 샤프트 부에 연결되어 있으며;
   상기 종결정이 고정 부재들의 그루브에 삽입되는 형태로, 종결정을 고정시키는 결정 형성 장치.
10. 제 2 항에 있어서, 상기 샤프트 부의 분당 축 회전 속도는 3 rpm 내지 60 rpm 인 결정 형성 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 용융액은 금속 용융액을 더 포함하는 결정 형성 장치.

Images