KR20190000618A - 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 - Google Patents

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 용액 성장법을 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 제조 장치에서, 도가니 및 상기 도가니 내로 장입되는 실리콘카바이드 종결정을 포함하는 챔버, 상기 챔버 외측에 위치하며 X선을 방출하는 X선 방출부, 그리고 상기 도가니를 투과한 X선을 감지하는 X선 검출부를 포함한다.

Description

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 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 위해, 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.
화학적 기상 증착법을 이용하는 경우 두께가 제한된 박막 수준으로 성장시킬 수 있으며, 승화법을 이용하는 경우 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있다. 결정 성장 온도가 승화법에 비해 낮고 대구경화 및 고품질화에 유리한 것으로 알려진 용액 성장법에 대한 연구가 진행되고 있다.
용액 성장법에 의해 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 공정에서 초기 원료들은 고온의 폐쇄된 도가니 내에 투입되므로 도가니 내에서 발생하는 공정을 직접 관찰할 수 없다. 이에 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 수득 공정 및 결과를 예측하고 있다. 그러나 실제 수득 공정에서 발생하는 변수나 결함을 예측하기는 어려우며 이러한 변수나 결함에 의해 실리콘카바이드 단결정의 품질 및 수득량이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 수득 공정을 관찰할 수 있는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 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 용액 성장법을 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 제조 장치에서, 도가니 및 상기 도가니 내로 장입되는 실리콘카바이드 종결정을 포함하는 챔버, 상기 챔버 외측에 위치하며 X선을 방출하는 X선 방출부, 그리고 상기 도가니를 투과한 X선을 감지하는 X선 검출부를 포함한다.
상기 도가니 내로 장입되는 초기 원료 조성에 따라 상기 X선 방출부로부터 방출되는 X선의 에너지가 상이할 수 있다.
상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 최소 투과 에너지는 50 내지 130 eV 일 수 있다.
상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 60 내지 200 eV 일 수 있다.
상기 초기 원료가 2 성분계 이고, 상기 X선의 최소 투과 에너지는 50 내지 130 eV 일 수 있다.
상기 초기 원료가 2 성분계이고, 상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 70 내지 170 eV 일 수 있다.
상기 초기 원료가 3 성분계이고, 상기 X선의 최소 투과 에너지는 80 내지 110 eV 일 수 있다.
상기 초기 원료가 3 성분계이고, 상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 110 내지 140 eV 일 수 있다.
상기 초기 원료가 4 성분계이고, 상기 X선의 최소 투과 에너지는 80 내지 110 eV 일 수 있다.
상기 초기 원료가 4 성분계이고, 상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 100 내지 140 eV 일 수 있다.
상기 X선 검출부는 3차원 데이터를 출력할 수 있다.
이상과 같은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법에 의하면, 실리콘카바이드 단결정이 수득되는 공정을 실시간으로 관찰할 수 있다. 이에 수득 공정을 최적화할 수 있으며 수득 공정에서 발생하는 결함 거동을 분석하여 품질이 향상된 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 일부에 대한 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 및 도 2를 참조하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법에 대해 도 1의 제조 장치를 참조하여 설명한다. 도 1은 실리콘카바이드 단결정을 성장시킬 때 사용되는 제조 장치의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 도가니(300), 도가니(300) 내부로 연장되는 종결정(210), 종결정(210)과 연결되는 종결정 지지부(230), 이동 부재(250) 및 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400)를 포함할 수 있다. 또한 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 반응 챔버(100) 외측에 위치하며 X선을 방출하는 X선 방출부(610), 도가니(300)를 투과한 X선을 검출하는 X선 검출부(620)를 포함한다.
본 명세서는 도시하지 않았으나 X선 방출부(610) 및 X선 검출부(620)에 연결된 제어 장치를 더 포함할 수 있다. 제어 장치에 X선 검출부(620)에 의한 검출 결과가 피드백되고 제어 장치를 통해 도가니(300) 내부 조건 등을 변경시킬 수 있다.
X선 방출부(610)는 도가니(300) 내에 투입되는 원료에 따라 상이한 에너지를 가지는 X선을 방출할 수 있다. 일 실시예에 따른 초기 원료 또는 초기 원료가 용융된 용융액은 2성분계, 3성분계 또는 4성분계일 수 있다. 이때 X선 방출부(610)는 각 성분계에 적절한 X선 파장 에너지를 제공함으로써 도가니(300) 내부의 관찰이 용이할 수 있다.
일 예로 X선 방출부(610)에서 방출되는 X선의 최소 투과 에너지는 50 내지 130 eV 일 수 있다. 보다 구체적으로 초기 원료가 2 성분계인 경우 상기 X선의 최소 투과 에너지는 50 내지 130 eV 일 수 있다. 초기 원료가 3 성분계인 경우, 상기 X선의 최소 투과 에너지는 80 내지 110 eV 일 수 있다. 초기 원료가 4 성분계인 경우, 상기 X선의 최소 투과 에너지는 80 내지 110 eV 일 수 있다. 즉, 제공되는 용융액에 따라 X선 방출부(610)에 요구되는 최소 투과 에너지는 상이할 수 있다.
또한 실리콘 카바이드 단결정의 수득 공정을 보다 명확한 이미지로 얻기 위해 X선 방출부(610)에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 60 내지 200 eV 일 수 있다. 초기 원료가 2 성분계인 경우, X선 방출부(610)에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 70 내지 170 eV 일 수 있다. 초기 원료가 3 성분계인 경우, X선 방출부(610)에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 110 내지 140 eV 일 수 있다. 초기 원료가 4 성분계인 경우, X선 방출부(610)에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 100 내지 140 eV 일 수 있다. 전술한 바와 같이 제공되는 용융액에 따라 X선 방출부(610)에 요구되는 투과 에너지의 적정 수준은 상이할 수 있다. 이에 대한 실시예를 하기 표 1에 나타냈다.
조성 최소 투과 에너지 (eV) 적정 투과 에너지
(eV)
2성분계 Si-Ti 57 73
Si-Ce 130 163
3성분계 Si-Fe-Al 95 128
Si-Mn-Al 89 118
Si-Y-Al 109 138
Si-Cr-Al 84 113
4성분계 Si-Cr-Sc-Al 82 109
Si-Mn-Ti-Al 82 108
Si-Y-M-n-Al 100 130
또한 X선 방출부(610)는 450 KV, 4.5 Ma의 고전력 형광 투시경을 이용할 수 있으며, 도가니(300)의 크기 및 두께에 따라 방출하는 X선의 에너지가 상이할 수 있다.
X선 검출부(620)는 도가니(300)를 통과한 X선을 감지하여 일정 데이터를 제공할 수 있다. 일 예로 100 μm 이하의 해상도를 가지는 이미지 내지 데이터를 제공할 수 있다. 또한 X선 검출부(620)는 3차원 또는 2차원 이미지 내지 데이터를 제공할 수 있다. 일 실시예에 따른 X선 검출부(620)는 X선을 검출하기 위한 어떠한 장치도 가능하며 디지털 평판형 X선 검출기일 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 X선 검출부(620)를 통해 용액 성장법에 의해 수득되는 실리콘카바이드 단결정의 수득 공정을 관찰할 수 있다. 구체적으로 수득 공정에서 발생 가능한 용융액 내의 결함을 관찰할 수 있다. 기포와 같은 결함 형성 원인 및 거동의 파악을 통해 고품질의 실리콘카바이드 단결정을 제공할 수 있다. 또한 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 비파괴적 방법으로 도가니(300) 내부를 관찰함으로써 수득 공정을 파악하는데 소요되는 시간 및 비용을 절감할 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 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 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.
이동 부재(250)는 구동부(미도시)에 연결되어 챔버(100) 내부를 이동하거나 회전할 수 있다. 이동 부재(250)는 상하 이동하거나 회전하기 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 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)에서 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
이하에서는 전술한 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 대해 설명한다.
실리콘계 용융 조성물을 포함하는 초기 용융 원료를 도가니(300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 도가니(300)가 탄소 재질을 포함하는 경우 초기 용융 원료는 탄소를 별도로 포함하지 않을 수 있으나, 이에 제한되지 않고 초기 용융 원료는 탄소를 포함할 수도 있다.
초기 용융 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 탄소(C), 실리콘(Si) 및 금속을 포함하는 용융액으로 변한다.
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.
이러한 공정 중에 X선 방출부(610)는 X선을 도가니(300)를 향해 조사할 수 있으며, 도가니(300) 내부를 통과한 X선이 X선 검출부(620)에 감지될 수 있다. 이를 통해 초기 원료의 감소 정도, 용융액에 발생하는 결함 등을 실시간으로 관찰하여 실리콘카바이드 단결정의 수득 상태를 확인할 수 있다. 또한 X선 검출부(620)에서 감지한 검출 결과를 소정의 제어 장치에 피드백 하여 도가니(300) 내부 환경, 원료 투입 등을 실시간으로 제어할 수 있다. 이를 통해 품질이 향상된 실리콘카바이드 단결정의 제공이 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: 챔버
210: 종결정
300: 도가니
400: 가열 부재
500: 회전 부재
610: X선 방출부
620: X선 검출부

Claims (11)

  1. 용액 성장법을 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 제조 장치에서,
    도가니 및 상기 도가니 내로 장입되는 실리콘카바이드 종결정을 포함하는 챔버,
    상기 챔버 외측에 위치하며 X선을 방출하는 X선 방출부, 그리고
    상기 도가니를 투과한 X선을 감지하는 X선 검출부를 포함하는 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 도가니 내로 장입되는 초기 원료 조성에 따라 상기 X선 방출부로부터 방출되는 X선의 에너지가 상이한 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 최소 투과 에너지는 50 내지 130 eV 인 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 60 내지 200 eV인 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  5. 제3항에서,
    상기 초기 원료가 2 성분계 이고,
    상기 X선의 최소 투과 에너지는 50 내지 130 eV인 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  6. 제4항에서,
    상기 초기 원료가 2 성분계이고,
    상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 70 내지 170 eV인 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  7. 제3항에서,
    상기 초기 원료가 3 성분계이고,
    상기 X선의 최소 투과 에너지는 80 내지 110 eV인 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  8. 제4항에서,
    상기 초기 원료가 3 성분계이고,
    상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 110 내지 140 eV인 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  9. 제3항에서,
    상기 초기 원료가 4 성분계이고,
    상기 X선의 최소 투과 에너지는 80 내지 110 eV인 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  10. 제4항에서,
    상기 초기 원료가 4 성분계이고,
    상기 X선 방출부에서 방출되는 X선의 투과 에너지는 100 내지 140 eV인 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  11. 제1항에서,
    상기 X선 검출부는 3차원 데이터를 출력하는 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
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