KR20190114641A

KR20190114641A - 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법

Info

Publication number: KR20190114641A
Application number: KR1020180037650A
Authority: KR
Inventors: 이성수; 김정환
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-10-10
Also published as: KR102474145B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치는 단결정 성장 장치로서, 주챔버 내부에 배치되고, 융액이 장입되는 도가니, 상기 도가니의 외주면에 배치되는 단열 부재, 상기 도가니의 외측에 배치되는 가열부; 상기 단열 부재와 상기 도가니 사이에 배치되는 진동 부재; 및 상기 도가니 내부로 상하 이동하고, 실리콘 카바이드 종결정과 연결되는 풀링 샤프트를 포함한다.

Description

실리콘 카바이드 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법{SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL GROWTH DEVICE AND SINGLE CRYSTAL GROWTH METHOD OF USING THE SAME}

본 발명은 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 융액 내 기포를 제거하기 위한 진동 부재를 구비하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법에 관한 것이다.

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

실리콘 카바이드 단결정 성장 방법으로는, 탄소와 실리카를 섭씨 2000도 이상의 고온 전기로에서 반응시키는 애치슨 방법, 실리콘 카바이드를 원료로 하여 섭씨 2000도 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법, 결정 인상법(crystal pulling method)을 응용한 용액법 등이 있다.

그러나 애치슨 방법은 고순도의 실리콘 카바이드 단결정을 얻기가 매우 어렵고, 화학적 기상 증착법은 박막 수준으로 두께가 제한되는 문제가 있다. 승화법 역시 일반적으로 섭씨 2400도 이상의 고온에서 이루어지고, 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 여러 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있는바, 상기와 같은 한계가 없는 용액법에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

실리콘 카바이드 용액법은 도가니에 담겨진 실리콘, 탄소가 포함된 액상의 원료에서 고상의 단결정을 뽑아내는 방법으로, 상기 원료인 융액에는 다양한 경로를 통해 혼입된 기포(가스)가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 기포는 성장 중인 다결정에 혼입되어 성장된 결정의 내부에 다양한 크기의 공공(void)을 형성시키는 원인이 된다. 단결정 내부에 형성된 공공은 벌크 결정 내부의 결정학적 연속성을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 공공을 기점으로 결정 결함을 발생시키는 문제가 있으며, 최종적으로는 단결정의 전기, 기계적 특성을 저하시키는 등 치명적인 공정 결함을 일으키는 원인이 된다고 볼 수 있다.

상기와 같은 용액법의 문제를 해결하기 위하여 이용되는 방법으로, 융액 내 발생하는 기포 발생을 억제하기 위하여 순도가 높은 세라믹 부재와 금속 원료를 공정에 활용하는 방법이 있으며, 그 외에는 감압 또는 대기압 상태에서 장시간 중, 고온 유지시켜 불순물 및 트랩 가스를 제거하는 단계를 추가하는 방법도 있다. 그러나 이러한 방법은 공정을 추가함에 따라 전체 공정 시간이 길어지게 되어 전반적인 공정 효율을 떨어뜨리게 되는 문제가 있으며, 실질적으로 상기 방법만으로는 단결정 성장 중에 발생하는 융액 내 기포를 완전히 제거하는데 한계가 있다.

상기 설명한 바와 같이, 기존의 용액법의 경우 융액 내 기포를 제거하는 과정에서 어려움이 있었는바, 단결정 성장용 융액 내 기포를 보다 효과적으로 저감시킬 수 있는 기술에 대한 개발이 필요하다.

본 발명의 실시예들은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 단결정 성장용 융액 내 기포를 보다 효과적으로 저감시키는, 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치는, 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치로서, 주챔버 내부에 배치되고, 융액이 장입되는 도가니; 상기 도가니의 외주면에 배치되는 단열 부재; 상기 도가니의 외측에 배치되는 가열부; 상기 단열 부재와 상기 도가니 사이에 배치되는 진동 부재; 및 상기 도가니 내부로 상하 이동하고, 실리콘 카바이드 종결정과 연결되는 풀링 샤프트를 포함한다.

상기 진동 부재는 상기 도가니 내의 융액에 진동을 발생시킬 수 있다.

상기 진동 부재는, 진동을 발생시키는 진동 발생부; 및 일측은 상기 진동 발생부와 연결되고, 타측은 상기 도가니의 측벽과 접촉되는 진동 전달부를 포함할 수 있다.

상기 진동 부재는 열전도도가 낮은 재질일 수 있다.

상기 진동 전달부는 신축성을 가질 수 있다.

상기 진동 전달부는 탄소 펠트를 포함할 수 있다.

상기 진동 부재는 복수개의 진동 장치를 포함할 수 있다.

상기 가열부는, 상기 단열 부재의 외주면에 위치하는 제1 가열부; 및 상기 도가니와 상기 단열 부재 사이에 위치하는 제2 가열부를 포함할 수 있다.

상기 제1 가열부 및 상기 제2 가열부는 독립적으로 상기 도가니를 가열할 수 있다.

상기 제2 가열부는 상기 도가니를 국부적으로 가열시킬 수 있다.

주챔버 내부에 배치되는 도가니, 상기 도가니의 외주면에 배치되는 단열 부재, 및 상기 도가니 내부로 이동하고, 실리콘 카바이드 종결정과 연결되는 풀링 샤프트를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법에 있어서, 상기 단열 부재와 상기 도가니 사이에 배치되는 진동 부재가, 상기 도가니 쪽으로 이동하여 상기 도가니의 측벽에 배치되는 단계; 상기 진동 부재가 진동을 발생시키고, 상기 발생된 진동을 상기 도가니의 융액에 전달하는 단계; 및 상기 진동 부재가 하측으로 이동하는 단계를 포함한다.

상기 풀링 샤프트가 상기 도가니 외부로 이동하여, 상기 종결정을 상기 도가니의 융액 내부로 위치시켜 단결정을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 도가니의 외측에 배치되는 가열부가 상기 도가니를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 가열부는, 상기 단열 부재의 외주면에 위치하는 제1 가열부, 및 상기 도가니와 상기 단열 부재 사이에 위치하는 제2 가열부를 포함할 수 있다.

상기 제1 가열부 및 상기 제2 가열부가 독립적으로 상기 도가니를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 기존 용액법의 융액 내 기포 제거의 한계를 개선하기 위한 것으로, 도가니와 단열 부재 사이에 배치된 진동 부재를 이용하여 도가니에 직접적으로 진동을 전달하고, 도가니 자체의 진동으로 도가니 내의 융액에 진동을 효과적으로 전달함으로써, 단결정 성장용 융액 내 기포 발생률을 현저히 낮추어, 단결정 내부 공공(void)이 형성되는 것을 방지하여 결정 내부의 결정학적 연속성을 높일 수 있다.

또한, 도가니 자체가 탄소 성분을 포함하여, 실리콘 카바이드의 원료인 탄소 공급원이 되는 도가니를 직접 진동시켜, 도가니로부터의 탄소의 주입 효율을 극대화하여 단결정 성장 속도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 설명한 실시예의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법의 흐름도이다.
도 7은 도 6에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치의 모습을 순차적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 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 발명이 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.

또한, 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. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치(10)는, 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치로서, 주챔버(110) 내부에 배치되고, 융액(120)이 장입되는 도가니(100), 도가니(100)의 외주면에 배치되는 단열 부재(200), 도가니(100)의 외측에 배치되는 가열부(300), 단열 부재(200)와 도가니(100) 사이에 배치되는 진동 부재(400), 및 도가니(100) 내부로 이동하는 상하 이동되는 풀링 샤프트(500)를 포함한다. 풀링 샤프트(500)는 단부에 실리콘 카바이드 종결정(600)이 연결될 수 있다.

도가니(100)는 주챔버(110) 내부에 배치되며, 상측이 개방된 용기 형태일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 실리콘 카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태로도 가능하다. 일반적으로 도가니(100)에는 실리콘 카바이드 성장에 주입되는 용융 원료가 장입되어 수용될 수 있다.

본 발명의 도가니(100)는 그라파이트, 실리콘 카바이드와 같이 탄소(C)를 함유하는 재질일 수 있으며, 탄소를 함유하는 도가니(100)는 그 자체로서 탄소 원료의 공급원으로 활용될 수 있다. 탄소를 함유하는 도가니(100)를 가열시켜 도가니(100)가 소정의 온도에 도달하게 되면, 도가니(100) 내부에 담긴 융액(120)은 탄소(C), 실리콘(Si)을 포함하는 융액(120)으로 변하게 된다. 도가니(100)를 가열시켜 융액(120)이 과포화도 상태가 되면, 융액(120)과 접촉하는 종결정(600) 상에 실리콘 카바이드 단결정이 성장될 수 있다.

풀링 샤프트(500)는 실리콘 카바이드 종결정(600)과 연결되어 종결정(600)을 상하 이동시킴으로써, 도가니(100)에 담긴 융액(120)으로 종결정(600)을 주입하는 역할을 한다.

단열 부재(200)는 도가니(100)의 외주면에 배치될 수 있으며, 도가니(100)에서 방출되는 열을 차단하는 역할을 한다. 즉, 단열 부재(200)는 도가니(100) 내부의 온도를 단결정 성장 온도로 유지시키는 기능을 할 수 있다.

실리콘 카바이드 단결정 성장에는 고온 상태가 필요하므로, 실시예에 따라서는, 단열 부재(200)로서 그라파이트 섬유를 압착시켜 일정 두께 이상으로 제작된 그라파이트 펠트(graphite felt)가 사용될 수 있다. 또한, 단열 부재(200)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(100)를 둘러쌀 수 있으나, 단열 부재(200)의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.

가열부(300)는 도가니(100)의 외측에 배치되어 도가니(100)를 가열시키는 역할을 한다. 실시예에 따라서는 가열부(300)는 유도 코일일 수 있으며, 이 경우 유도 코일에 전류를 흘려 도가니(100)를 가열시킴으로써, 도가니(100) 내부에 장입된 융액(120)을 가열시킬 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열부(300)는 도가니(100)의 외측에 배치될 수 있다. 다만, 가열부(300)는 도 1에 도시된 형태로 한정되는 것은 아니며, 복수의 가열부(300)가 다양한 형태로도 배치될 수 있는 바, 가열부(300)에 대한 구체적인 설명은 이하 도 5에서 상세히 설명하도록 한다.

진동 부재(400)는 진동을 발생시켜 도가니(100)에 진동을 전달하는 역할을 한다. 본 발명의 진동 부재(400)는 도가니(100)와 단열 부재(200) 사이에 배치될 수 있으며, 구체적으로는 도가니(100)의 일측면에 인접하게 배치되어 도가니(100)에 담긴 융액(120)에 진동을 전달할 수 있다.

도 1의 실시예의 진동 부재(400)는 도가니(100)의 일면에 접촉된 상태로 진동을 발생시켜 진동을 도가니(100)로 직접적으로 전달할 수 있으며, 이 경우 도가니(100)에 담긴 융액(120)에 진동을 손실 없이 전달할 수 있게 된다. 진동 부재(400)에서 발생되는 진동은 초음파, 저주파 진동일 수 있다.

진동 부재(400)는 열전도도가 낮은 재질일 수 있으며, 이는 주변에 배치된 도가니(100)로부터 열을 빼앗지 않도록 하기 위함이다. 진동 부재(400)는 후술하는 3 가지의 각 소재에 따른 열 특성을 활용하여, 도가니(100)의 국부 위치에 대하여, 적극적 또는 소극적 온도 제어 기능을 할 수 있다.

먼저, 진동 부재(400)는 비가열 및 비단열 소재로 구성될 수 있으며, 그 예로서 SiN, BN, AIN 등이 있다. 이는 진동 발생 기능만을 하는 부재에 사용되는 소재로서, 가열 기능이 없고 단열 효과가 낮은 소재이다.

다음으로는, 가열 소재로 구성될 수 있다. 이는 전기 전도도와 열전도도가 높고 고내열 특성의 소재로서 그 대표적인 예로, 그라파이트(Graphite)가 있다. 실시예에 따라서는 진동 부재(400)는 도가니(100)에 진동을 전달하는 기능 외에도, 도가니(100)를 가열시키는 기능, 즉, 적극적 온도 제어 기능을 할 수 있다. 이 경우, 진동 부재(400), 특히, 도가니(100)와 직접적으로 접촉되는 구성에는 가열 소재인 그라파이트(Graphite)가 이용될 수 있으며, 이에 대하여는 도 2에서 설명하도록 한다.

마지막으로, 단열 소재인 탄소 펠트(Carbon Felt)로 구성될 수 있다. 단열 소재를 이용하는 경우, 진동 부재(400)는 진동을 발생시키면서 해당 위치를 국부 단열시키는 기능을 할 수 있다. 이 경우는, 국부 단열에 의하여 국부적 온도 상승 효과가 발생하며, 도가니(100)에 온도 효과를 더한다는 측면에서, 소극적인 온도 제어 방법이라고 볼 수 있다.

설명한 바와 같이, 각각의 소재를 이용함으로써 도가니(100)의 국부 위치별 적극적 또는 소극적 온도 제어가 가능하며, 아래의 <표 1>은 각 소재의 물성에 대한 수치 범위를 나타낸다.

<표 1>

<표 1>의 가열 소재의 비저항 단위는 순도, 밀도, 온도에 따라 μΩm 단위까지 내려갈 수 있으며, 단열 소재의 경우, 온도에 따른 비저항 하강폭(전기 전도도 상승폭)이 제한되는 부재인 것이 바람직하다.

본 발명은 위에서 설명한 바와 같이, 진동 부재(400)를 이용하여 진동을 발생, 전달시키고, 실시예에 따라서는 도가니(100)를 가열시킴으로써, 단결정 성장 과정 중 융액(120) 내 용해되어 있는 기포를 제거하고, 이는 성장된 결정 내부의 공공(void) 형성을 방지하는 결과가 된다. 최종적으로는 벌크 결정 내부의 결정학적 연속성을 높이는 등 단결정 성장 공정에서의 효율을 높일 수 있도록 하는 것이다.

특히, 도가니(100)의 측벽에 직접적으로 진동을 전달함으로써, 위에서 설명한 융액(120) 내 기포를 제거하는 효과를 더욱 높일 수 있다. 이는 진동에너지는 거리에 반비례하는 것으로서, 도가니(100)와 떨어져 있는 축을 간접적으로 진동시키는 것에 비하여 도가니(100) 측벽을 직접적으로 진동시키는 것이 진동 효과를 더욱 효과적으로 전달하게 되기 때문이다.

뿐만 아니라, 본 발명은 탄소 공급의 원료가 되는 도가니(100)에 진동을 줌으로써 도가니(100)로부터 공급되는 원료 주입의 효율을 극대화시켜 단결정 성장 속도를 높이는 효과를 제공한다는 점에서 큰 의의가 있고, 이는 기존의 방식과 분명한 차이가 있음을 확인할 수 있다.

도 2는 도 1에서 설명한 실시예의 변형예를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 진동 부재(400)는 진동을 발생시키는 진동 발생부(410), 및 일측은 진동 발생부(410)와 연결되고 타측을 도가니(100)의 측벽과 접촉되는 진동 전달부(420)를 포함할 수 있다. 위에서 설명한 도 1에 도시된 실시예의 경우, 진동 발생부(410), 진동 전달부(420)가 일체형으로 이루어진 진동 부재(400)임에 반하여, 도 2에 도시된 변형예에서는 각각이 별도의 구성으로 이루어진 것을 확인할 수 있다. 도가니(100)와 직접적으로 접촉되는 부분인 진동 전달부(420)는, 진동 발생부(410)로부터 발생된 진동을 도가니(100)로 효과적으로 전달하기 위하여 신축성이 있는 재질일 수 있으며, 진동 전달부(420)의 소재는 단열 소재인 탄소 펠트일 수도 있다.

일 실시예에 따라서는, 진동 전달부(420)는 진동을 전달하는 기능뿐만 아니라, 도가니(100)를 가열시키는 기능을 할 수 있다. 이 경우, 진동 전달부(420)의 소재는 그라파이트(Graphite)일 수 있다. 이와 같이, 그라파이트 소결체를 이용하는 경우는 코일의 고주파 유도 자기장에 의하여 유도 가열될 수도 있다. 즉, 진동 전달부(420)에 가열 소재를 이용함으로써, 가열 소재의 유도 가열을 기반으로 하는 가열 장치 기능을 추가할 수 있는 것이다. 한편, 가열 소재를 이용하는 경우 유도 가열 방식이 아닌, 저항 가열 방식이 적용될 수 있음은 물론이다. 이와 같이, 진동 전달부(420)에 가열 소재를 사용하여, 진동을 발생시키면서 해당 위치의 국부 가열을 할 수 있도록 구성할 수 있으며, 이때, 국부 가열은 진동 발생 부위의 기포 제거, 진동 효과를 증폭시킬 수 있다.

상기 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 일 실시예로서 진동 전달부(420)가 가열 소재로 구성됨으로써 진동 기능, 가열 기능을 동시에 가질 수 있는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시예로서 이하의 도 5에서 후술하는 바와 같이 진동 전달부(420)에서의 가열이 아닌, 별도의 가열부(300)로서, 제2 가열부(320)를 포함할 수도 있다.

도 3은 도 2에 따른 단결정 성장 장치로서, 도 2의 절단선 A-A'를 따라 나타낸 단면도이다.

도 3을 통하여, 하나 이상의 진동 전달부(420)가 도가니(100)에 접촉되어 있는 것을 확인할 수 있다. 진동 부재(400)는 도 3에서와 같이 복수 개의 진동 장치를 포함할 수 있으나, 도가니(100) 외면을 둘러싼 하나의 진동 부재(400)의 형태일 수도 있다.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치의 단면도이다.

구체적으로는, 진동 부재(400)가 대칭되도록 배치된 도 3과는 달리, 도 4는 진동 부재(400)가 비대칭하게 배치된 실시예를 나타낸다. 진동 부재(400)의 배치를 도 4와 같이 하는 경우, 융액(120) 내에서 비대칭하게 발생되는 기포를 제거하는 효과가 있다.

또한, 실시예에 따라서, 진동 부재(400)의 진동 전달부(420)가 가열 소재로 구성된 경우라면, 도가니(100)를 비대칭하게 가열시키는 효과와 동시에 비대칭하게 발생되는 기포를 제거하는 효과가 있음도 물론이다.

우선, 기존의 일반적인 공정의 경우, 도가니(100)의 편심, 고주파 워크 코일의 편심, 비대칭 챔버 형상 등으로 인하여 도가니(100) 내 융액(120)의 위치 별 환경 편차가 발생하는 문제가 있었다. 이는 공정 중 도가니(100)의 온도 환경의 편차를 야기한다. 온도 편차는 도가니(100) 내 융액(120) 석출 또는 도가니(100) 내벽 침식의 위치 별 편차로 이어지게 되어, 최종적으로는 균일한 공정 환경을 조성하기 어렵게 한다. 기본적으로, 고상 및 액상으로부터의 기포 발생 양상은 주위 온도 조건에 영향을 받는 바, 도가니 내에 발생한 상기 온도 편차 문제는 도가니로부터의 기포 발생의 위치 별 편차 문제로 이어질 가능성이 높다.

상기의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 진동 부재(400)를 비대칭하게 배치하여, 진동을 비대칭하게 전달하고, 실시예에 따라서는, 비대칭하게 가열시키도록 하였다. 즉, 도가니(100)에 위치별 온도 편차를 감소시키고, 기포 발생이 미진한 지역의 기포 발생을 촉진시킴으로써, 도가니(100)로부터의 석출, 침식, 기포 발생 등의 위치 별 편차를 감소시키도록 하는 것이다.

또한, 도가니(100) 내 상하 온도 구배는 단결정 성장을 위해 반드시 필요한 요소이다. 다만, 실질적으로는 과도한 온도 구배가 생성되게 되어, 도가니(100) 내벽 융액(120) 표면의 위치, 즉, 고체, 액체, 기체 계면에 실리콘 카바이드 다결정이 형성되는 경우가 있다. 이러한 다결정의 형성은 단결정의 성장을 방해하는 공정 에러 중에 하나인 바, 문제가 되어 왔다.

본 발명에서는 위와 같은 다결정 성장을 막기 위하여, 도가니(100) 내 온도 구배를 제어하는 방법으로서 도가니(100)의 상하방향 국부 영역을 가열시킬 수 있다. 이는, 도가니(100)의 상하 온도 구배를 최적화함으로써 이를 제어할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치의 단면도이다.

본 실시예에 따르면, 가열부(300)는 도 5에 도시된 바와 같이 단열 부재(200)의 외주면에 위치하는 제1 가열부(310), 및 도가니(100)와 단열 부재(200) 사이에 위치하는 제2 가열부(320)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명은 기존의 단결정 성장 장치에서 이용되는 단열 부재(200) 외측에 배치되는 가열부(300) 외에, 제2 가열부(320)를 더 포함할 수 있다.

제1 가열부(310)는 단열 부재(200)의 외주면에 배치된 것으로 도 1에 도시된 가열부(300)일 수 있다. 제1 가열부(310)는 유도 코일일 수 있으며, 제1 가열부(310)를 통하여 도가니(100)는 가열될 수 있다.

제2 가열부(320)는 도가니(100)에 근접하게 배치될 수 있다. 실시예에 따라서는, 제2 가열부(320)는 도가니(100)를 국부적으로 가열시킬 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 2개로 구성되어 대칭되게 배치될 수 있다. 제2 가열부(320)의 개수, 배치되는 형태가 도 5에 도시된 것에 한정되는 것은 아니며, 제2 가열부(320)는 진동 부재(400)의 개수, 배치 형태에 영향을 받을 수 있다. 즉, 진동 부재(400)의 배치형태에 따라 제2 가열부(320)의 개수, 배치형태가 상이해질 수 있다.

제2 가열부(320)는 도 5에 도시된 바와 같이, 도가니(100)에 접촉되게 배치될 수 있으나, 또 다른 실시예에 따라서는 도가니(100)에 접촉되는 형태가 아닐 수 있다. 이 경우, 제2 가열부(320)는 제1 가열부(310)보다 도가니(100)에 근접한 어느 위치에 배치될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제2 가열부(320)는 도 5에서와 같이 별도의 구성으로 포함될 수 있으나, 다른 실시예에 따라서는 진동 전달부(420)가 가열 소재로 이루어짐으로써, 제2 가열부(320)의 역할을 동시에 할 수도 있다.

도 2의 풀링 샤프트(500)의 이동 방향을 기준으로, 제2 가열부(320)의 하단에서부터 상단까지의 길이는 융액(120)이 장입되는 도가니(100) 깊이보다 길거나 짧을 수 있다. 실시예에 따라서는, 제2 가열부(320)의 길이는 도가니(100)의 깊이와 동일한 길이일 수도 있다. 도 5에서는 제2 가열부(320)가 도가니(100) 일부를 감싸는 형태이나, 제2 가열부(320)가 도가니(100) 전체를 감싸는 형태일 수도 있는바, 제2 가열부(320)의 형태를 제한하지 않는다.

단결정 성장에 있어서 용액법의 경우, 승화법과는 달리, 도가니(100) 내부의 융액(120)의 흐름을 제어하는 것이 중요하며, 이러한 도가니(100)에 담긴 융액(120)의 흐름은 도가니(100) 내부에서 융액(120)의 위치별 온도에 영향을 받는 것으로서, 융액(120)의 흐름을 제어하는 위치별 온도 제어는 단결정 성장에 있어서 중요한 요인이 된다.

따라서, 본 실시예에 따른 제1 가열부(310), 제2 가열부(320)를 포함하는 구성, 특히, 도가니(100)의 국부 가열이 가능한 제2 가열부(320)의 구성은, 위치별 온도 제어를 함으로써 융액(120)의 흐름을 효과적으로 제어하기 위함이기도 하다.

제1 가열부(310) 및 제2 가열부(320)는 독립적으로 도가니(100)를 가열할 수 있다. 즉, 제1 가열부(310)와 제2 가열부(320) 중 어느 하나만이 도가니(100)를 가열하도록 열원이 공급될 수도 있고, 제1 가열부(310) 및 제2 가열부(320)가 동시에 도가니(100)를 가열하도록 열원이 공급될 수 있으며, 제1 가열부(310)와 제2 가열부(320)를 연결하기 위한 장치를 별도로 구비하지 않을 수 있다.

이하에서는, 상기에서 설명한 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치(10)를 이용한 단결정 성장 방법에 대하여 설명하기로 한다. 우선, 도 1에 도시된 구성을 이용한 일 실시예로서, 단열 부재(200)와 도가니(100) 사이에 배치되는 진동 부재(400)가, 도가니(100) 쪽으로 이동하여 도가니(100)의 측벽에 배치되는 단계, 진동 부재(400)가 진동을 발생시켜 도가니(100) 및 융액(120)에 진동을 전달하는 단계, 및 진동 부재(400)가 하측으로 이동하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서는, 도 2에 도시된 진동 발생부(410), 및 진동 전달부(420)로 구성된 진동 부재(400)를 이용한 방법이 있을 수 있으며, 이하 도 6 및 도 7에서는 도 2에 도시된 구성을 이용한 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법의 흐름도이며, 도 7은 도 6에서의 흐름도에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치의 모습을 순차적으로 도시한 도면이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치(10)를 이용한 단결정 성장 방법은, 진동을 발생시키는 진동 발생부, 및 일측은 진동 발생부와 연결되며 타측은 도가니의 측벽과 접촉되는 진동 전달부를 포함하는 진동 부재가, 상측으로 이동하여 진동 전달부가 도가니의 측벽과 접촉되는 단계(S100, 도 7(b)), 진동 발생부가 진동을 발생시키고, 발생된 진동을 진동 전달부를 통하여 도가니의 융액에 전달하는 단계(S200, 도 7(c)), 진동 부재가 하측으로 이동하는 단계(S300, 도 7(d))를 포함하며, 풀링 샤프트가 하측으로 이동하여, 종결정을 도가니 내부의 융액으로 위치시켜 단결정을 성장시키는 단계(S400, 도 7(e))를 더 포함할 수 있다.

또한, 실리콘 카바이드 단결정 성장 방법에서, 진동 부재가 상측으로 이동하기 전 단계로서, 가열부가 도가니를 가열시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 예로서, 도 7의 흐름도에서는 도 7(a) 단계에서 가열 단계가 진행될 수 있다. 이와 같은 가열 단계는 도가니에 진동을 발생시키기 전까지만 진행되거나, 진동을 발생시키면서 동시에 진행될 수도 있으며, 진동 발생이 완료된 이후에도 진행될 수 있다. 또한, 가열부가 도가니를 가열시키는 시기를 다르게 하기 위하여, 제1 가열부 및 제2 가열부가 독립적으로 동작하여 도가니를 가열시킬 수도 있다.

실시예에 따라서는, 종결정이 도가니 내부의 융액에 위치하여 단결정을 성장시키는 단계와 진동 부재에서 진동을 발생시키는 단계가 동시에 진행될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법은, 진동 부재가 도가니에 접촉되어 직접적으로 진동을 전달함으로써 융액 내 기포를 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소 공급의 원료가 되는 도가니에 진동을 줌으로써 도가니로부터 공급되는 원료 주입의 효율을 극대화시켜 단결정 성장 속도를 높일 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 단결정 성장 장치
100: 도가니
110: 주챔버
120: 융액
200: 단열 부재
300: 가열부
310: 제1 가열부
320: 제2 가열부
400: 진동 부재
410: 진동 발생부
420: 진동 전달부
500: 풀링 샤프트
600: 종결정

Claims

실리콘 카바이드 단결정 성장 장치로서,
주챔버 내부에 배치되고, 융액이 장입되는 도가니;
상기 도가니의 외주면에 배치되는 단열 부재;
상기 도가니의 외측에 배치되는 가열부;
상기 단열 부재와 상기 도가니 사이에 배치되는 진동 부재; 및
상기 도가니 내부로 상하 이동하고, 실리콘 카바이드 종결정과 연결되는 풀링 샤프트를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제1항에 있어서,
상기 진동 부재는 상기 도가니 내의 융액에 진동을 발생시키는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제1항에 있어서,
상기 진동 부재는,
진동을 발생시키는 진동 발생부; 및
일측은 상기 진동 발생부와 연결되고, 타측은 상기 도가니의 측벽과 접촉되는 진동 전달부를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제1항에 있어서,
상기 진동 부재는 열전도도가 낮은 재질인 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제3항에 있어서,
상기 진동 전달부는 신축성을 갖는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제3항에 있어서,
상기 진동 전달부는 탄소 펠트를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제1항에 있어서,
상기 진동 부재는 복수개의 진동 장치를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제1항에 있어서,
상기 가열부는,
상기 단열 부재의 외주면에 위치하는 제1 가열부; 및
상기 도가니와 상기 단열 부재 사이에 위치하는 제2 가열부를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 가열부 및 상기 제2 가열부는 독립적으로 상기 도가니를 가열하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
제8항에 있어서,
상기 제2 가열부는 상기 도가니를 국부적으로 가열시키는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치.
주챔버 내부에 배치되는 도가니, 상기 도가니의 외주면에 배치되는 단열 부재, 및 상기 도가니 내부로 이동하고, 실리콘 카바이드 종결정과 연결되는 풀링 샤프트를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법에 있어서,
상기 단열 부재와 상기 도가니 사이에 배치되는 진동 부재가, 상기 도가니 쪽으로 이동하여 상기 도가니의 측벽에 배치되는 단계;
상기 진동 부재가 진동을 발생시키고, 상기 발생된 진동을 상기 도가니의 융액에 전달하는 단계; 및
상기 진동 부재가 하측으로 이동하는 단계를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 방법.
제11항에 있어서,
상기 풀링 샤프트가 상기 도가니 외부로 이동하여, 상기 종결정을 상기 도가니의 융액 내부로 위치시켜 단결정을 성장시키는 단계를 더 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 방법.
제11항에 있어서,
상기 도가니의 외측에 배치되는 가열부가 상기 도가니를 가열하는 단계를 더 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 방법.
제13항에 있어서,
상기 가열부는,
상기 단열 부재의 외주면에 위치하는 제1 가열부, 및 상기 도가니와 상기 단열 부재 사이에 위치하는 제2 가열부를 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 방법.
제14항에 있어서,
상기 제1 가열부 및 상기 제2 가열부가 독립적으로 상기 도가니를 가열하는 단계를 더 포함하는 실리콘 카바이드 단결정 성장 방법.