KR20190064056A

KR20190064056A - 대구경 단결정 성장장치 및 이를 이용하는 성장방법

Info

Publication number: KR20190064056A
Application number: KR1020170163320A
Authority: KR
Inventors: 여임규; 전명철; 이승석; 은태희; 김장열; 서한석
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-10
Also published as: KR102475267B1

Abstract

본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치는, 원료가 장입되는 도가니; 상기 도가니를 감싸며 상, 하부가 개방된 석영관; 상기 석영관을 감싸는 제1 가열수단; 상기 석영관 내에서 상기 도가니의 하부 둘레에 배치되는 제2 가열수단; 및 상기 석영관 내에서 상기 도가니의 하부 중앙에 배치되는 제3 가열수단;을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 가열수단은 각각 독립적으로 작동하여 상기 도가니를 가열할 수 있다.

Description

대구경 단결정 성장장치 및 이를 이용하는 성장방법{APPARATUS FOR GROWING LARGE DIAMETER SINGLE CRYSTAL AND METHOD FOR GROWING USING THE SAME}

본 발명은 대구경 단결정 성장장치 및 이를 이용하는 성장방법에 관한 것이다.

대표적인 반도체 소자 재료로 사용된 규소(Si)가 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다.

여기에서, 질화갈륨 및 질화알루미늄에 비해 탄화규소는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한 탄화규소는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열 전도도를 가지고 있으며, 직경 6인치 이상의 대구경 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있어, 질화갈륨, 질화알루미늄 등의 기판에 비해 각광을 받고 있다.

근래에 들어 탄화규소의 경우 직경이 보다 확장되면서 6인치 기판은 생산이 가능한 정도로 발전하였지만, 6인치 초과의 기판(예를 들어, 8 내지 10인치 기판)의 생산은 현재 미비한 실정이다. 이러한 탄화규소의 단결정을 성장시키기 위해서는, 일반적으로 PVT 법(Physical Vapor Transport)을 이용한다.

즉, 먼저 탄화규소로 이루어진 종자정을 종자정 홀더에 부착하고, 이를 성장장비 내부에 장입한다. 그리고 도가니의 내부에 장입된 원료 물질 즉, 탄화규소 파우더를 가열하고, 이를 승화시켜 종자정에 단결정을 성장시킨다.

이때, 승화를 시키는 주된 원동력은 성장장치 내의 유도코일에 전류를 흘려주면 고주파에 의한 도가니 표피의 가열에 의해서 외부에서 내부로 열이 전도, 복사되어 이루어진다. 이러한 단결정 성장방법은 구경이 점점 커질수록 성장된 단결정의 품질 특성과 수율에 큰 영향을 미치게 된다.

한편, 종래에 6인치 이하 구경이 작은 경우, 단일 유도코일을 사용하여 가열하여도 단결정 제작에 있어서 큰 영향을 미치지 않는다.

그러나, 대구경 적용에 있어서 상기와 같은 단일 유도 코일 방식 적용은 여러 가지 문제를 야기할 수 있다. 단결정의 직경이 넓어지게 되면 도가니 크기도 이에 비례하여 가로로 넓어지게 되므로 도가니 내벽부와 도가니 중심부의 온도 편차가 크게 되고, 원료 파우더의 균일한 승화가 불가능하게 된다.

이에 따라, 성장된 잉곳도 편평하지 못하며 중앙이 볼록해진 형태가 되기 때문에 고품질의 단결정 구현이 힘든 문제점이 있다.

또한, 낮은 중심부의 온도에 의해 승화되지 못한 원료 파우더가 도가니 내부에 잔류하여 최종적으로 잉곳의 수율도 저하시키고, 단결정을 성장시키는 공정 시간이 길어지게 되는 한계점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 도가니의 수평온도편차를 차단하여 도가니의 균일한 승화가 가능해짐에 따라 중앙이 볼록하지 않은 편평한 잉곳을 만들어 고품의 단결정을 구현할 수 있는 대구경 단결정 성장장치 및 이를 이용하는 성장방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장는, 원료가 장입되는 도가니; 상기 도가니를 감싸며 상, 하부가 개방된 석영관; 상기 석영관을 감싸는 제1 가열수단; 상기 석영관 내에서 상기 도가니의 하부 둘레에 배치되는 제2 가열수단; 및 상기 석영관 내에서 상기 도가니의 하부 중앙에 배치되는 제3 가열수단;을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 가열수단은 각각 독립적으로 작동하여 상기 도가니를 가열할 수 있다.

상기 제3 가열수단과 상기 제2 가열수단은 상호 열적으로 분리되도록 소정의 간격으로 이격되어 배치되며, 상기 제3 가열수단은 상기 제2 가열수단보다 저항가열하는 정도가 높도록 구성될 수 있다.

상기 제2 가열수단과 상기 제3 가열수단은 각각 전류가 공급되어 상기 도가니를 저항가열하는 흑연판일 수 있다.

상기 제3 가열수단은 상기 제2 가열수단보다 높은 비저항값을 가질 수 있다.

상기 제2 가열수단은 중앙에 관통홀을 구비하며, 상기 제3 가열수단은 상기 관통홀 내에 상기 제2 가열수단과 접하지 않는 구조로 배치될 수 있다.

상기 제2 가열수단과 상기 도가니의 하부 사이에 에어갭(air gap)이 구될 수 있다.

상기 도가니는 상기 제3 가열수단이 배치되는 하부에 상기 제3 가열수단을 수용하는 수용홈을 구비할 수 있다.

본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장방법은, 종자정홀더에 종자정을 부착시키는 단계; 상기 종자정홀더를 원료가 장입된 도가니 내의 상부에 배치고정시키는 단계; 상기 원료를 승화시켜 상기 종자정에 부착시켜 단결정으로 성장되도록, 제1 가열수단으로 상기 도가니를 가열하는 제1 가열단계; 상기 도가니의 수평온도편차를 차단하도록 제2 가열수단으로 상기 도가니를 가열하는 제2 가열단계; 및 상기 도가니의 수평온도편차를 차단하도록 제3 가열수단으로 상기 도가니를 가열하는 제3 가열단계를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 가열수단은 각각 독립적으로 작동하여 상기 도가니를 가열할 수 있다.

상기 원료가 탄화규소(SiC)인 경우, 6인치 초과로서 결정다형이 6H-SiC(6H형 탄화규소) 또는 4H-SiC(4H형 탄화규소) 단결정으로 성장시킬 수 있다.

본 발명에 따른 대구경 단결정 성장장치 및 이를 이용하는 성장방법은, 도가니의 균일한 승화가 가능해짐에 따라 중앙이 볼록하지 않은 편평한 잉곳을 만들어 고품질의 단결정을 구현할 수 있는 효과를 가진다.

아울러, 낮은 중심부의 온도에 의해 승화되지 못한 원료 파우더로 인하여 잉곳의 수율이 저하되는 문제를 해결하여, 결과적으로 대구경 단결정 성장에 대한 공정시간의 지연을 차단할 수 있는 장점을 지닌다.

도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5c는 시뮬레이션을 활용하여 도가니 전체의 온도분포를 계산한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 시뮬레이션을 바탕으로 단결정 성장실험 후 원료분말을 종단면으로 절단한 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1을 참조하여 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치를 설명한다. 도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치(1)는 원료(M)가 장입되는 도가니(10), 도가니(10)를 감싸는 석영관(20), 도가니(10)를 가열하는 가열수단(30)을 포함할 수 있다.

도가니(10)는 몸체(12)와, 몸체(12) 상부를 선택적으로 폐쇄하는 커버(11)를 구비할 수 있다. 이때, 몸체(12) 내에는 분말상태의 원료(M)가 장입되고, 커버(11)의 하면에는 종자정홀더(13)가 장착될 수 있다.

종자정홀더(13)는 탄화규소로 이루어진 종자정(S)이 부착되는 부위로서, 이와 같은 종자정홀더(13)에 종자정(S)이 부착되면, 커버(11)가 몸체(12)를 덮어서 도가니(10) 내부에 종자정(S)이 배치되도록 한다.

이에 더하여, 도가니(10)는 적어도 일부분이 단열재(14)에 의해 외부에 노출되지 않도록 감싸질 수 있다. 이를 통해 가열수단(30)에 의해 가열되는 경우에 내부가 고온의 상태를 유지하도록 할 수 있다.

석영관(20)은 상,하부가 개방되 원통형 형상을 가지며, 내부에 도가니(10)가 배치되면 이러한 도가니(10)를 감싸는 구조를 이루게 된다.

석영관(20)의 개방된 상,하부에는 각각 플랜지(미도시)가 구비되어 석영관(20)을 폐쇄하도록 구성될 수 있다.

가열수단(30)은 제1 가열수단(31), 제2 가열수단(32), 제3 가열수단(33)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 가열수단(31, 32, 33)은 각각 독립적으로 작동하여 도가니(10)를 가열할 수 있다.

제1 가열수단(31)은 석영관(20) 둘레를 감싸는 구조로 제공되며, 고주파 전류가 공급되어 도가니(10)를 유도가열할 수 있다. 예컨대, 제1 가열수단(31)은 고주파 유도코일일 수 있다.

제1 가열수단(31)은, 고주파 유도코일 내에 도가니(10)를 배치시킨 상태에서 고주파 유도코일에 고주파 전류를 공급하면, 도가니(10)의 표면 가까이에 와류전류를 발생시켜 도가니(10)를 전체적으로 가열하게 된다.

한편, 수평방향 큰 직경을 이루는 대구경 단결정을 성장시키는데 있어서, 제1 가열수단(31)으로 수평방향에 대한 균일한 가열을 하기에는 한계가 있기 때문에, 수평온도편차를 줄이도록 제2 가열수단(32)과 제3 가열수단(33)이 도가니(10)를 추가가열하도록 구성될 수 있다.

즉, 제2 가열수단(32)과 제3 가열수단(33)은, 제1 가열수단(31)인 고주파 유도코일에 의해 도가니(10)가 와류전류에 의해 가열되는 과정에서, 도가니(10)의 수평온도의 편차를 차단하기 위해 도가니(10)의 중심부로 갈수록 온도가 떨어지는 문제점을 보완하는 역할을 수행할 수 있다.

도 1에서와 같이, 제2 가열수단(32)은 석영관(20) 내에서 도가니(10)의 하부 둘레(외곽부)에 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 가열수단(32)은 도가니(10)를 감싸는 단열재(14) 내에 배치될 수 있다.

제2 가열수단(32)은 대략 도가니(10)의 원통형 구조에 대응되도록 도가니(10)의 하면에 대응되게 원형판의 구조를 가질 수 있다. 그리고, 중앙에는 제3 가열수단(33)을 수용하기 위한 관통홀(32a)이 형성될 수 있다.

제2 가열수단(32)은 전류가 공급되어 도가니(10)를 저항가열하는 흑연판으로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 제2 가열수단(32)은 중심으로 갈수록 저항가열되는 정도가 높도록 구성될 수 있으며, 도가니(10)의 하면과 접한 상태에서 도가니(10)의 외측에서 중심부로 갈수록 높은 열로 가열하여 도가니(10)의 수평온도의 편차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

제2 가열수단(32)을 이루는 흑연판은 비저항값이 중심으로 갈수록 높은 것이 활용될 수 있다.

흑연판을 제조하는 과정에서 중심으로 갈수록 재료 고유의 저항값인 비저항값이 높도록 제조함에 따라, 이러한 흑연판에 전류가 흐르게 되면 중심으로 갈수록 저항가열이 높아지게 되어 도가니(10)의 수평온도의 편차를 줄이는 작용을 할 수 있다.

다른 일례로서, 비록 도면으로 도시되지는 않았지만, 흑연판은 중심으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 구조를 가질 수 있다. 즉, 흑연판은 중심으로 갈수록 저항전류가 발생되는 부위를 커지게 함에 따라 그에 따른 발열도 높아짐으로써, 전류가 흐르게 되면 중심으로 갈수록 고온의 열이 발생하여 도가니(10)의 수평온도의 편차를 줄일 수 있다.

제2 가열수단(32)은 단열재(14)로부터 연장되어 외부의 전기공급원(미도시)과 전기적으로 연계되고, 또한 제1 가열수단(31)을 작동제어하는 제어부(40)와도 전기적으로 연계되어 작동제어될 수 있다.

제3 가열수단(33)은 석영관(20) 내에서 도가니(10)의 하부 중앙(중심부)에 배치될 수 있다. 이 경우, 제3 가열수단(33)은 제2 가열수단(32)의 관통홀(32a) 내에 배치될 수 있다. 그리고, 제2 가열수단(32)과 열적으로 분리되도록 소정의 간격으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 제3 가열수단(33)과 제2 가열수단(32)과의 사이에는 단열재(14)가 채워질 수 있다.

제3 가열수단(33)은 도가니(10)의 하면과 접하는 부분이 도가니(10)의 하면에 대응되게 원형판의 구조를 가질 수 있다.

제3 가열수단(33)은 전류가 공급되어 도가니(10)를 저항가열하는 흑연판으로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 제3 가열수단(33)은 제2 가열수단(32)보다 저항가열하는 정도가 높도록 구성될 수 있으며, 도가니(10)의 하면 중심부에 배치된 상태에서 도가니(10)의 외측에서 중심부로 갈수록 높은 열로 가열하여 도가니(10)의 수평온도의 편차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

제3 가열수단(33)을 이루는 흑연판은 제2 가열수단(32)을 이루는 흑연판보다 비저항값이 높은 것이 활용될 수 있다. 즉, 제2 가열수단(32)의 흑연판보다 비저항값이 높은 재료를 사용해 흑연판을 제조할 수 있다. 예를 들어, 제3 가열수단(33)은 비저항값이 12μΩm보다 크고, 제2 가열수단(32)은 비저항값이 그 이하일 수 있다.

따라서, 도가니(10)의 하면을 기준으로 중심부에 배치되는 제3 가열수단(33)의 흑연판과 외곽부에 배치되는 제2 가열수단(32)의 흑연판에 각각 전류가 흐르게 되면, 중심으로 갈수록 저항가열이 높아지게 되어 도가니(10)의 수평온도의 편차를 보다 효과적으로 줄일 수 있다.

물론, 제3 가열수단(33)을 이루는 흑연판은 제2 가열수단(32)을 이루는 흑연판과 동일소재로 이루어질 수 있다. 즉, 동일한 비저항값을 가질 수 있다. 이 경우, 제3 가열수단(33)에 흐르는 전류와 제2 가열수단(32)에 흐르는 전류를 각각 다르게 제어하여 제3 가열수단(33)의 가열온도가 제2 가열수단(32)의 가열온도보다 더 높도록 조절할 수 있다.

제3 가열수단(33)은 단열재(14)로부터 연장되어 외부의 전기공급원(미도시)과 전기적으로 연계되고, 또한 제1 가열수단(31)과 제2 가열수단(32)을 작동제어하는 제어부(40)와도 전기적으로 연계되어 작동제어될 수 있다. 이 경우, 제3 가열수단(33)은 제2 가열수단(32)과 독립적으로 작동제어될 수 있다.

이와 같이 구성되는 대구경 단결정 성장장치(1)는, 도가니(10)의 하부에서 저항가열을 발생시키고 아울러 중심으로 갈수록 높은 저항가열이 이루어지도록 하는 흑연판인 제2 가열수단(32)과 제3 가열수단(33)이 각각 구비됨으로써, 도가니(10)의 수평온도편차를 차단하여 도가니(10)의 균일한 승화가 가능해짐에 따라 중앙이 볼록하지 않은 편평한 잉곳을 만들어 고품질의 단결정을 구현할 수 있다.

아울러, 낮은 중심부의 온도에 의해 승화되지 못한 원료(M) 분말로 인하여 잉곳의 수율이 저하되는 문제를 해결하여, 결과적으로 대구경 단결정 성장에 대한 공정시간의 지연을 차단할 수 있다.

도 2에서는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치의 변형예를 개략적으로 나타내고 있다.

도 2를 참조하면, 제2 가열수단(32)과 도가니(10)의 하부 사이에 에어갭(air gap)(AG)이 구비될 수 있다. 제2 가열수단(32)은 도가니(10)의 하부와의 사이에 개재되는 에어갭(AG)에 의해 소정 간격으로 도가니(10)의 하면과 이격될 수 있다.

제2 가열수단(32)은 제3 가열수단(33)과 같이 도가니(10)를 직접 가열하지 못하고 간접 가열할 수 있으며, 이에 따라 제3 가열수단(33)보다 낮은 온도로 도가니(10)를 가열하게 된다. 이를 통해서 도가니(10)의 중심부의 온도를 외곽부보다 높일 수 있다.

도 3에서는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 대구경 단결정 성장장치의 변형예를 개략적으로 나타내고 있다.

도 3을 참조하면, 도가니(10)는 제3 가열수단(33)이 배치되는 하부에 제3 가열수단(33)을 수용하는 수용홈(15)을 구비할 수 있다. 수용홈(15)은 도가니(10)의 하면 중심부에서 소정 깊이로 함몰되어 형성될 수 있으며, 따라서 도가니(10)는 중심부의 두께가 외곽부의 두께보다 얇은 비대칭 구조를 가질 수 있다. 제3 가열수단(33)은 수용홈(15)에 삽입되는 구조로 배치될 수 있다. 이를 통해서 도가니(10)의 중심부의 온도를 외곽부보다 높일 수 있다.

도 4를 참조하여 상술된 대구경 단결정 성장장치(1)를 이용한 대구경 단결정 성장방법을 살펴보기로 한다. 이때, 대구경 단결정 성장장치(1)의 구성요소에 대한 구체적인 구조는 이미 상술되었기 때문에 생략하기로 한다.

먼저, 도가니(10) 내부에 원료(M)를 장입시킨다. 그리고, 탄화규소로 이루어진 종자정(S)을 마련하고, 종자정홀더(13)에 종자정(S)을 부착시킨다(S10). 이어서, 종자정(S)이 결합된 종자정홀더(13)를 도가니(10) 내의 상부에 배치고정시킨다(S20). 여기서, 원료(M)는 분말상태로 제공될 수 있다.

즉, 종자정홀더(13)가 장착된 도가니(10)의 커버(11)를 도가니(10)의 몸체(12)에 덮어서 종자정(S)이 도가니(10) 내에서 상부에 위치되도록 한다.

다음으로, 제1 가열수단(31)으로 도가니(10)를 가열하는 제1 가열단계를 수행하여 원료(M)를 승화시킴으로써 종자정(S)에 부착시켜 단결정으로 성장시킨다(S30).

예를 들어, 대략 1000℃ 미만의 온도와 진공압력으로 2시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니(10)에 포함된 불순물을 제거한다. 이후, 불활성 가스, 예컨대 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니(10) 내부 및 도가니(10)와 단열재(14) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 여기서, 불활성 가스를 이용한 퍼징(purging) 공정을 2 내지 3회 반복하는 것이 바람직하다.

이어서, 압력을 대기압으로 높인 후, 제1 가열수단(31)을 이용해 도가니(10)를 대략 2000℃ 내지 2300℃의 온도로 가열한다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정다형의 발생을 방지하기 위함이다.

즉, 먼저 대기압을 유지하며 원료(M)를 성장 온도까지 승온시킨다. 그리고, 성장장치 내부를 대략 0.2torr 내지 20torr로 압압하여 성장 압력으로 유지시키면서 원료(M)를 승화시켜 단결정을 성장시킨다.

한편, 도가니(10)가 제1 가열수단(31)을 통해 가열되는 제1 가열단계 과정에서, 도가니(10)에 수평온도편차가 발생하여 원료(M)의 불균일한 승화 및 중앙이 볼록한 잉곳이 형성되는 저품질의 단결정 성장을 방지하기 위해, 본 발명의 기술적인 특징으로서 도가니(10)를 추가가열하는 제2 가열단계(S40)와 제3 가열단계(S50)를 수행한다.

제2 가열단계(S40)와 제3 가열단계(S50)는, 제1 가열수단(31)인 고주파 유도코일에 의해 도가니(10)가 가열되는 과정에서, 제2 가열수단(32)과 제3 가열수단(33)인 각 흑연판에 의해 도가니(10)를 추가 가열하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 제2 가열수단(32)과 제3 가열수단(33)의 각 흑연판은 전류가 공급되어 도가니(10)를 저항가열하도록 구성되는데, 바람직하게 도가니(10)의 중심부에 배치된 제3 가열수단(33)이 도가니(10)의 외곽부에 배치된 제2 가열수단(32)보다 가열 정도가 더 높도록 구성됨으로써, 도가니(10)에서 상대적으로 낮은 온도를 유지하는 중심부를 더욱더 가열하여 도가니(10)의 수평온도편차를 줄이도록 한다.

결과적으로, 도가니(10)의 하부에서 저항가열을 발생시키고 아울러 중심으로 갈수록 높은 저항가열이 이루어지도록 하는 제2 가열수단(32)과 제3 가열수단(33)에 의해 도가니(10)가 추가가열됨으로써, 도가니(10)의 균일한 승화가 가능해짐에 따라 중앙이 볼록하지 않은 편평한 잉곳을 만들어 고품질의 단결정을 구현할 수 있다.

아울러, 낮은 중심부의 온도에 의해 승화되지 못한 원료(M) 파우더로 인하여 잉곳의 수율이 저하되는 문제를 해결하여, 결과적으로 대구경 단결정 성장에 대한 공정시간의 지연을 차단할 수 있다.

도 5는 시뮬레이션을 활용하여 도가니 전체의 온도분포를 계산한 도면이며, 도가니 내부 선은 온도구배를 나타내는 등고선이다.

도 5a에서 도 5c로 갈수록 도가니 하부의 원료 부분과 상부의 종자정 부분에서 모두 수평온도구배가 개선되고 있음을 확인할 수 있다. 이는 제2 가열수단과 제3 가열수단을 활용하여 수평온도편차를 감소시킬 수 있음을 나타낸다.

여기서 원료 하단부의 수평온도구배는 0.5℃/㎝ 내지 1.5℃/㎝가 바람직하다. 1.5℃/㎝보다 크게 되면 중심부와 외곽부의 균일한 승화가 불가능하고, 0.5℃/㎝보다 작으면 승화 효율이 감소한다.

종자정의 온도구배는 0.1℃/㎝ 내지 0.3℃/㎝가 바람직하다. 0.3℃/㎝보다 크면 잉곳의 스트레스(stress)가 증가하여 크랙이 발생할 수 있고, 0.1℃/㎝보다 작으면 볼록한 잉곳 형상을 얻기 힘들다.

도 6은 위의 시뮬레이션을 바탕으로 단결정 성장실험 후 원료분말을 종단면으로 절단한 사진이다. 도 6a 내지 도 6c에서와 같이, 좌측에서 우측으로 수평온도구배가 개선되는 것을 확인할 수 있다.

온도구배는 육안으로 관찰될 수 있는데, 미반응 원료분말과 반응된 카본재(ash) 상태의 경계선이 좌측인 도 6a의 경우 크게 휘어져 있는 것을 확인할 수 있고, 우측인 도 6c로 갈수록 중심부에 평행하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 열유속(heat flux)에 의한 미반응 분말의 형태도 좌측은 크고 불균일하며, 우측으로 갈수록 작고 균일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

한편, 성장된 단결정 잉곳의 형상을 보고 온도구배를 유추할 수 있다. 예컨대, 수평온도편차가 클 경우 형상이 볼록(convex) 또는 오목(concave)할 것이며, 편차가 작을 경우 편평(flat)한 형상을 가진다.

곡률반경(curvature) k값의 경우 0.15~0.25의 범위를 가지는 것이 바람직하다. 0.25보다 큰 경우 잉곳의 형상이 너무 볼록하여 스트레스에 의한 품질이 저하되고, 0.15보다 작은 경우 다형(polytype)침입 및 LAGB 등의 결함이 생성될 수 있다.

바람직하게, 상기와 같은 대구경 단결정 성장방법을 통해, 원료(M)가 탄화규소(SiC)인 경우, 고품질의 6인치 초과로서 결정다형이 6H-SiC(6H형 탄화규소) 또는 4H-SiC(4H형 탄화규소) 단결정을 성장시킬 수 있다. 참고로, 탄화규소는 다양한 결정다형을 갖고 있으며, 이를 구별하기 위해 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC 등으로 구분하여 부르고 있다. 이때, SiC(탄화규소) 앞의 숫자는 이러한 적층주기를 표시한 것으로서 특정한 결정방향(hexagonal 축계에서 0001방향)으로의 적층주기가 달라서 생기는 것으로, 예를 들어 3C-SiC의 경우 3층이 하나의 단위가 되어 주기적으로 반복되고, 4H-SiC의 경우 4층, 6H-SiC의 경우 6층 등으로 구성된다. 또한, SiC(탄화규소) 앞의 영문은 결정추계를 의미하는 것으로서 C는 정방정계(Cubic)를 의미하고, H는 육방정계(hexagonal), R은 능면정계(Rhombohedral)를 의미한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1... 대구경 단결정 성장장치
10... 도가니
20... 석영관
30... 가열수단
31... 제1 가열수단
32... 제2 가열수단
33... 제3 가열수단
40... 제어부
M... 원료
S... 종자정

Claims

원료가 장입되는 도가니;
상기 도가니를 감싸며 상, 하부가 개방된 석영관;
상기 석영관을 감싸는 제1 가열수단;
상기 석영관 내에서 상기 도가니의 하부 둘레에 배치되는 제2 가열수단; 및
상기 석영관 내에서 상기 도가니의 하부 중앙에 배치되는 제3 가열수단;
을 포함하고,
상기 제1 내지 제3 가열수단은 각각 독립적으로 작동하여 상기 도가니를 가열하는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 제3 가열수단과 상기 제2 가열수단은 상호 열적으로 분리되도록 소정의 간격으로 이격되어 배치되며,
상기 제3 가열수단은 상기 제2 가열수단보다 저항가열하는 정도가 높도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 가열수단과 상기 제3 가열수단은 각각 전류가 공급되어 상기 도가니를 저항가열하는 흑연판인 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제3 가열수단은 상기 제2 가열수단보다 높은 비저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 가열수단은 중앙에 관통홀을 구비하며, 상기 제3 가열수단은 상기 관통홀 내에 상기 제2 가열수단과 접하지 않는 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 가열수단과 상기 도가니의 하부 사이에 에어갭(air gap)이 구비되는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 도가니는 상기 제3 가열수단이 배치되는 하부에 상기 제3 가열수단을 수용하는 수용홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장장치.
종자정홀더에 종자정을 부착시키는 단계;
상기 종자정홀더를 원료가 장입된 도가니 내의 상부에 배치고정시키는 단계;
상기 원료를 승화시켜 상기 종자정에 부착시켜 단결정으로 성장되도록, 제1 가열수단으로 상기 도가니를 가열하는 제1 가열단계;
상기 도가니의 수평온도편차를 차단하도록 제2 가열수단으로 상기 도가니를 가열하는 제2 가열단계; 및
상기 도가니의 수평온도편차를 차단하도록 제3 가열수단으로 상기 도가니를 가열하는 제3 가열단계를 포함하고,
상기 제1 내지 제3 가열수단은 각각 독립적으로 작동하여 상기 도가니를 가열하는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장방법.
제8항에 있어서,
상기 제3 가열수단과 상기 제2 가열수단은 상호 열적으로 분리되도록 소정의 간격으로 이격되어 배치되며,
상기 제3 가열수단은 상기 제2 가열수단보다 저항가열하는 정도가 높도록 구성되는 것을 특징으로 하는 구경 단결정 성장방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 원료가 탄화규소(SiC)인 경우, 6인치 초과로서 결정다형이 6H-SiC(6H형 탄화규소) 또는 4H-SiC(4H형 탄화규소) 단결정으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 대구경 단결정 성장방법.