KR20200041166A - 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 제1 영역 및 제2 영역으로 구분된 도가니, 상기 도가니 내부로 연장되는 실리콘카바이드 종결정, 그리고 상기 도가니 외주면에 위치하는 가열 부재를 포함하고, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 차단 영역에 의해 분리된다.

Description

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD OF SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘카바이드(SiC) 단결정은 내마모성 등의 기계적 강도와 내열성 및 내부식성이 우수하여 반도체, 전자, 자동차, 기계 분야 등의 부품소재로 많이 사용되고 있다.
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 박막 두께 정도의 제한된 수준으로만 성장이 가능할 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 용액 성장법을 이용하며 균일한 품질을 가지는 실리콘카바이드 단결정을 수득할 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.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 제1 영역 및 제2 영역으로 구분된 도가니, 상기 도가니 내부로 연장되는 실리콘카바이드 종결정, 그리고 상기 도가니 외주면에 위치하는 가열 부재를 포함하고, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 차단 영역에 의해 분리된다.
상기 제1 영역은 상기 도가니 중심에 위치하고, 상기 제2 영역을 상기 제1 영역을 둘러쌀 수 있다.
상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 상기 차단 영역이 위치할 수 있다.
상기 차단 영역의 두께는 상기 도가니의 외주면의 두께보다 작을 수 있다.
상기 제1 영역이 차지하는 부피는 상기 제2 영역이 차지하는 부피보다 클 수 있다.
상기 제1 영역의 높이는 상기 제2 영역의 높이보다 클 수 있다.
상기 제2 영역의 높이는 상기 제1 영역의 높이보다 클 수 있다.
상기 제2 영역은 상기 도가니의 높이 방향을 따라 상기 제1 영역과 중첩할 수 있다.
상기 도가니는 복수의 제2 영역을 포함할 수 있다.
상기 복수의 제2 영역은 서로 다른 평면 크기를 가질 수 있다.
상기 차단 영역의 두께는 0.5 mm 내지 20 mm 일 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 도가니의 제1 영역 내에 실리콘 및 금속을 포함하는 초기 용융 원료를 준비하는 단계, 도가니의 제2 영역에 추가 장입 원료를 준비하는 단계, 상기 도가니를 가열하는 단계, 상기 제1 영역 내에 종결정축을 제공하는 단계, 그리고 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 차단 영역이 식각됨에 따라 상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 연결되는 단계는 포함한다.
상기 도가니를 가열함에 따라 상기 제1 영역 내에 제1 용융액이 형성되고, 상기 제2 영역 내에 제2 용융액이 형성되며 상기 제1 용융액과 상기 제2 용융액의 온도 차이는 20도 (℃) 이내일 수 있다.
상기 도가니는 그라파이트를 포함하고, 상기 차단 영역은 상기 금속에 의해 식각될 수 있다.
본 발명에 의하면 균일한 품질을 가지는 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 2b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 3b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 4b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 5b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 6b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
도 7a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 7b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
도 8a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 8b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 9b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 따른 개략적인 도면이다.
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.
도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 종결정(210) 및 도가니(300), 도가니(300)를 가열하는 가열 부재(400), 도가니(300)를 회전시키는 회전 부재(500)를 포함한다.
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 실리콘카바이드 단결정이 성장되는 부분으로, 도가니(300) 내측의 상부 영역에 위치한다. 제조 공정에 따라 실리콘카바이드 종결정(210)의 하면은 도가니(300) 내부에 위치하는 용융액 표면과 접촉하도록 위치할 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.
종결정축(230)은 실리콘카바이드 종결정(210)의 상부면과 연결되도록 연장 형성되어 실리콘카바이드 종결정(210)을 지지하며 실리콘카바이드 종결정(210)이 도가니(300) 내측에 위치할 수 있도록 한다.
종결정축(230)은 종결정 회전봉(250)에 연결되어 함께 회전하도록 결합될 수 있으며, 종결정축(230)은 종결정 회전봉(250)에 의해 상하로 이동하거나 회전할 수 있다.
도가니(300)는 반응 챔버(100) 내부에 구비되며 상측이 개방된 용기 형태일 수 있으며 상부면을 제외한 외주면 및 하부면을 포함할 수 있다. 그러나 전술한 형태에 제한 없이 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태도 가능함은 물론이며 제조 공정에 따라 상부면을 덮는 덮개 등을 포함할 수도 있다. 도가니(300)는 실리콘 또는 실리콘카바이드 분말과 같은 용융 원료가 장입되어 수용될 수 있다.
도가니(300)는 그라파이트, SiC와 같이 탄소를 함유하는 물질로 이루어질 수 있다. 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 도가니(300)의 외주면에 위치할 수 있으며, 일 예로 도가니(300)의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
가열 부재(400)는 저항식 발열 수단 또는 유도 가열식 발열 수단을 사용할 수 있다. 구체적으로 가열 부재(400) 자체가 발열하는 저항식으로 가열 수단이거나 가열 부재(400)가 인덕션 코일을 포함하고 인덕션 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(300)를 가열하는 유도 가열 방식으로 도가니(300)를 가열할 수도 있다. 그러나 전술한 방법에 제한되지 않고 어떠한 가열 부재도 사용될 수 있음은 물론이다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 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)의 회전을 통해 균일한 조성의 용융액 제공이 가능한 바 실리콘카바이드 종결정(210)에 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
이하에서는 도 2a 내지 도 9b를 참조하여 도가니의 다양한 실시예에 대해 살펴본다. 도 2a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 2b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이고, 도 3a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 3b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이고, 도 4a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 4b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이고, 도 5a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 5b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이고, 도 6a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 6b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이고, 도 7a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 7b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이며, 도 8a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 8b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이고, 도 9a는 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이고 도 9b는 일 실시예에 따른 도가니의 평면도이다.
우선 도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 도가니(300)는 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)을 포함한다. 결정 성장 공정이 이루어지기 전의 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)은 차단 영역(330)에 의해 완전히 분리된 상태이다. 제1 영역(310) 및 제2 영역(320) 각각은 독립적인 공간을 가질 수 있다.
제1 영역(310)은 도가니(300)의 중심에 위치할 수 있다. 제1 영역(310)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으며 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다. 제2 영역(320)은 제1 영역(310)의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
차단 영역(330)은 도가니(300)의 외주면과 동일한 재질을 포함할 수 있다.
다음 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도가니(300)는 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)을 포함한다. 결정 성장 공정이 이루어지기 전의 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)은 차단 영역(330)에 의해 완전히 분리된 상태이다. 제1 영역(310) 및 제2 영역(320) 각각은 독립적인 공간을 가질 수 있다.
제1 영역(310)은 도가니(300)의 중심에 위치할 수 있다. 제1 영역(310)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으며 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다. 제2 영역(320)은 제1 영역(310)의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
차단 영역(330)은 도가니(300)의 외주면과 동일한 재질을 포함할 수 있다. 차단 영역(330)의 두께(t2)는 도가니(300)의 외주면의 두께(t1) 보다 얇을 수 있다.
일 실시예에 따르면 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정이 진행됨에 따라 추가 원료가 필요한 시간을 계산하여 차단 영역(330)의 두께를 정할 수 있다. 일 예로 도가니(300)의 외주면의 두께가 약 10 mm 내지 50 mm인 경우, 제1 영역(310)과 제2 영역(320) 사이의 차단 영역(330)의 두께는 약 0.5 mm 내지 약 20 mm일 수 있다.
일 예를 설명하면 제1 영역(310)에서 실리콘카바이드 단결정은 약 1800도(˚C) 내지 약 2200 도(˚C), 바람직하게는 약 1900 도(˚C) 내지 약 2100 도(˚C)에서 결정 성장될 수 있다. 이러한 온도 하에서 그라파이트 재질을 포함하는 도가니(300)의 에칭 속도는 0.01 mm/hour 내지 1 mm/hour, 바람직하게는 0.05 mm/hour 내지 0.8mm/hour, 보다 바람직하게는 0.1 mm/hour 내지 0.6 mm/hour일 수 있다. 용융액의 흐름을 증가시킬 수 있는 추가 구조물의 도입이나, 종결정축, 도가니축의 회전을 통해 차단 영역(330)의 에칭 속도는 증가될 수 있다.
여기서는 제1 영역(310)에 장입된 제1 용융액이 크롬 40~60%를 포함하고 1900 도(˚C) 내지 2100 도(˚C)의 결정성장 조건을 가지면서 0.4 mm/hour 내지 0.6 mm/hour의 그라파이트 에칭 속도를 가지는 공정을 예로 설명을 한다.
제1 영역(310)과 제2 영역(320) 사이의 두께, 즉 차단 영역(330)의 두께가 10 mm인 경우, 약 17시간 내지 약 25 시간이 지나면 차단 영역(330)이 식각되어 제1 영역(310)과 제2 영역(320)이 연결될 수 있다. 차단 영역(330)의 두께가 5mm인 경우, 약 9시간 내지 약 13시간이 경과하면 차단 영역(330)이 식각되어 제1 영역(310)과 제2 영역(320)이 연결될 수 있다. 전술한 바에 따라 추가 원료가 장입되어야 하는 시간을 계산하여 차단 영역(330)의 두께를 선택할 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면 제1 영역(310)이 차지하는 부피는 제2 영역(320)이 차지하는 부피보다 작을 수 있다. 일 예로 제1 영역(310)이 차지하는 부피는 제2 영역(320)이 차지하는 부피의 50% 내지 99%일 수 있다. 제1 영역(310)과 제2 영역(320)의 높이가 동일한 경우, 제1 영역(310)의 평면 크기는 제2 영역(320)의 평면 크기보다 작을 수 있다.
다음 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 도가니(300)는 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)을 포함한다. 결정 성장 공정이 이루어지기 전의 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)은 차단 영역(330)에 의해 완전히 분리된 상태이다. 제1 영역(310) 및 제2 영역(320) 각각은 독립적인 공간을 가질 수 있다.
제1 영역(310)은 도가니(300)의 중심에 위치할 수 있다. 제1 영역(310)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으며 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다. 제2 영역(320)은 제1 영역의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
제1 영역(310)이 차지하는 부피는 제2 영역(320)이 차지하는 부피 보다 클 수 있다. 일 예로 제1 영역(310)이 차지하는 부피는 제2 영역(320)이 차지하는 부피의 101% 내지 200%일 수 있다. 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)이 동일한 높이를 가지는 경우, 제1 영역(310)의 평면 크기는 제2 영역(320)의 평면 크기보다 클 수 있다.
차단 영역(330)은 도가니(300)의 외주면과 동일한 재질을 포함할 수 있다. 차단 영역(330)의 두께(t2)는 도가니(300)의 외주면의 두께(t1) 보다 얇을 수 있다. 일 실시예에 따르면 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정이 진행됨에 따라 추가 원료가 필요한 시간을 계산하여 차단 영역(330)의 두께를 정할 수 있다. 일 예로 도가니(300)의 외주면의 두께가 약 10 mm 내지 50 mm 인 경우, 제1 영역(310)과 제2 영역(320) 사이의 차단 영역(330)의 두께는 약 0.5 mm 내지 약 20 mm일 수 있다.
다음 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 도가니(300)는 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)을 포함한다. 결정 성장 공정이 이루어지기 전의 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)은 차단 영역(330)에 의해 완전히 분리된 상태이다. 제1 영역(310) 및 제2 영역(320) 각각은 독립적인 공간을 가질 수 있다.
제1 영역(310)은 도가니(300)의 중심에 위치할 수 있다. 제1 영역(310)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으며 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다. 제2 영역(320)은 제1 영역의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
제1 영역(310)의 높이(h1)는 제2 영역(320)의 높이(h2) 보다 클 수 있다. 일 예로 제2 영역(320)의 높이(h2)는 제1 영역(310)의 높이(h1)의 50% 이상 내지 100% 미만일 수 있다.
일 예로 제1 영역(310)에 공급되는 초기 용융 재료는 고체 상태이며 이들이 용융되어 액체 상태가 되었을 때에는 부피가 감소하게 된다. 액체 상태의 초기 용융액은 제1 영역(310) 높이의 30% 내지 70%의 높이를 가질 수 있다. 제1 영역(310)에 실장되는 제1 용융액의 표면 높이는 제2 영역(320)과 중첩할 수 있다. 제1 용융액이 포함하는 금속 첨가제에 의해 제1 영역(310)과 제2 영역(320) 사이의 차단 영역(330)이 식각되어 제2 영역(320)으로부터 추가 원료를 포함하는 제2 용융액을 제공받을 수 있기 때문이다.
다음 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 도가니(300)는 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)을 포함한다. 결정 성장 공정이 이루어지기 전의 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)은 차단 영역(330)에 의해 완전히 분리된 상태이다. 제1 영역(310) 및 제2 영역(320) 각각은 독립적인 공간을 가질 수 있다.
제1 영역(310)은 도가니(300)의 중심에 위치할 수 있다. 제1 영역(310)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으며 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다. 제2 영역(320)은 제1 영역의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
제1 영역(310)의 높이(h1)는 제2 영역(320)의 높이(h2)보다 작을 수 있다. 일 예로 제2 영역(320)의 높이(h2)는 제1 영역(310)의 높이(h1)의 101% 내지 150%일 수 있다.
또한 도 6a에 도시된 바와 같이 제2 영역(320)은 제1 영역(310)을 하단에서 감싸는 형태를 가질 수 있다. 높이 방향을 따라 제2 영역(320)과 제1 영역(310)은 중첩할 수 있다. 이러한 형태에 따르면 제1 영역(310)에 실장되는 제1 용융액은 제2 영역(320)에 의해 중탕 효과를 받게 되어 제1 용융액의 온도 편차가 작아질 수 있다. 제1 용융액의 온도 편차가 작아짐에 따라 실리콘카바이드 다결정의 생성을 억제할 수 있다.
다음 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 도가니(300)는 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)을 포함한다. 결정 성장 공정이 이루어지기 전의 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)은 차단 영역(330)에 의해 완전히 분리된 상태이다. 제1 영역(310) 및 제2 영역(320) 각각은 독립적인 공간을 가질 수 있다.
제1 영역(310)은 도가니(300)의 중심에 위치할 수 있다. 제1 영역(310)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으며 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다. 제2 영역(320)은 제1 영역의 외주면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
또한 일 실시예에 따른 도가니(300)는 덮개(340)를 더 포함할 수 있다. 덮개(340)는 제2 영역(320)에 실장되는 제2 용융액의 증발로 인한 손실을 저감시키고 가열 효율을 높일 수 있다. 도 7a 및 도 7b의 실시예에 따른 덮개(340)는 다른 실시예에도 적용될 수 있음은 물론이다.
다음 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 도가니(300)는 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)을 포함한다. 결정 성장 공정이 이루어지기 전의 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)은 차단 영역(330)에 의해 완전히 분리된 상태이다. 제1 영역(310) 및 제2 영역(320) 각각은 독립적인 공간을 가질 수 있다.
제1 영역(310)은 도가니(300)의 중심에 위치할 수 있다. 제1 영역(310)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으며 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다. 제2 영역(320)은 제1 영역(310)과 별도로 위치할 수 있다. 제2 영역(320)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으나 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다.
다음 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 도가니(300)는 제1 영역(310) 및 복수의 제2 영역(320)을 포함한다. 결정 성장 공정이 이루어지기 전의 제1 영역(310) 및 복수의 제2 영역(320)은 차단 영역(330)에 의해 완전히 분리된 상태이다. 복수의 제2 영역(320) 각각은 독립적인 공간을 가질 수 있다.
제1 영역(310)은 도가니(300)의 중심에 위치할 수 있다. 제1 영역(310)은 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으며 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다.
복수의 제2 영역(320) 각각 역시 평면 상 원형 형태를 가질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 복수의 제2 영역(320) 각각은 서로 다른 평면 형태를 가질 수 있으며 서로 다른 크기를 가질 수 있다.
복수의 제2 영역(320) 각각은 동일한 조성의 용융액을 포함하거나 상이한 조성의 용융액을 포함할 수 있다. 복수의 제2 영역(320) 각각이 포함하는 용융액에 따라 수득되는 실리콘카바이드 단결정의 조성이 일정하게 유지되거나 성장이 이루어짐에 따라 물성이 다른 조성을 포함하는 실리콘카바이드 단결정이 수득될 수 있다.
본 명세서는 제1 영역(310)에서 실리콘카바이드 단결정의 결정 성장이 이루어지고, 제2 영역(320)에서 추가 원료가 제공되는 실시예에 대해 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며 제2 영역(320)에서 실리콘카바이드 단결정의 결정 성장이 이루어지고, 제1 영역(310)에서 추가 원료가 제공되는 실시예도 가능함은 물론이다.
또한 전술한 실시예들은 서로 조합될 수 있으며 각각의 실시예가 포함하는 구성이 다른 실시예에 적용될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 도 1에 도 10을 참조하여 전술한 실리콘카바이드 단결정 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 방법에 대해 설명한다. 도 10은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 따른 개략적인 도면이다.
우선, 실리콘 및 금속 첨가제를 포함하는 초기 용융 원료를 그라파이트 재질의 도가니(300)의 제1 영역(310) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 유동성을 가지는 형태일 수도 있다.
또한 도가니(300)의 제2 영역(320)에는 결정 성장 공정에서 추가로 장입할 필요가 있는 원료를 투입한다. 일 예로 제2 영역(320)에는 실리콘을 장입하거나 실리콘, 금속 첨가제를 장입할 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고 필요에 따라 제2 영역(320)에는 별도의 첨가제 또는 제1 영역(310)에 투입된 금속 첨가제와 다른 종류의 금속 첨가제를 장입할 수도 있다.
이후 도가니(300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 가열 부재(400)을 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니(300)의 제1 영역(310) 내의 초기 용융 원료는 실리콘 및 금속을 포함하는 제1 용융액(M1)으로 변한다. 시간이 진행됨에 따라 제1 용융액(M1)은 도가니(300)로부터 유입된 카본을 포함한다. 그러나 이에 제한되지 않고 실시예에 따라 초기 용융 원료가 카본을 포함할 수 있다.
이후 제1 영역(310) 내로 종결정축(230)을 하강시켜 종결정(210)이 제1 용융액(M1)과 접촉하도록 한다. 도가니(300)가 소정의 온도에 도달한 이후, 도가니(300)의 온도는 유지되며 종결정(210) 표면에서 실리콘카바이드 단결정이 석출될 수 있다. 이때 석출 공정은 종결정(210)의 온도가 도가니(300) 내부의 용융액의 온도보다 낮은 것을 이용한다. 종결정(210) 부근에서 실리콘카바이드 과포화 상태가 되면, 이 과포화도를 구동력으로 하여 종결정(210) 상에 실리콘카바이드 단결정이 성장한다. 추가로 도가니(300)의 온도를 서서히 저하시키면서 결정 성장을 진행할 수도 있다.
실리콘카바이드 단결정은 제1 용융액(M1)으로부터 실리콘 및 탄소를 취입하여 더욱 성장해간다.
이때 제1 영역(310)에 위치하는 고온의 제1 용융액(M1)은 금속을 포함하며 금속은 그라파이트 재질의 도가니를 에칭할 수 있다. 일 실시예에 따르면 고온의 제1 용융액(M1)에 의해 제1 영역(310)과 제2 영역(320) 사이의 차단 영역(330)이 에칭될 수 있다. 시간이 경과함에 따라 차단 영역(330)의 에칭 정도가 진행되면서 제1 영역(310)과 제2 영역(320)은 연결될 수 있다.
그 결과 제2 영역(320)에 공급된 실리콘을 포함하는 용융액 또는 실리콘 및 금속 첨가제를 포함하는 용융액(M2)이 제1 영역(310)으로 제공될 수 있다. 일 실시예에 따르면 제조 공정 중에 실리콘 또는 금속 첨가제 등의 원료를 공급하는 것이 가능할 수 있다.
또한 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)은 하나의 도가니(300) 내에 위치하며 동일한 가열 부재(400)를 통해 가열될 수 있다. 따라서 제2 영역(320)에 실장된 실리콘을 포함하는 용융액 또는 실리콘 및 금속 첨가제를 포함하는 용융액(M2)은 제1 영역(310)에 실장된 용융액(M1)과 실질적으로 동일한 온도를 가질 수 있다.
일 예로 제2 영역(320)에 실장된 제2 용융액(M2)과 제1 영역(310)에 실장된 제1 용융액(M1)의 온도 차이는 약 20도 (℃) 이하일 수 있다. 실리콘카바이드 단결정이 석출되는 결정 성장 온도가 약 1800도 (℃) 내지 약 2200 도(℃)이므로 제1 용융액(M1)과 제2 용융액(M2)의 온도 차이는 성장 온도의 약 1% 정도에 해당하므로 결정 성장에 영향을 주지 않을 수 있다.
제1 영역(310)과 제2 영역(320)이 연결됨에 따라, 제2 영역(320)에서 제1 영역(310)으로 공급되는 제2 용융액(M2)은 제1 용융액(M1)과 같은 온도를 가지며 제공될 수 있다. 제1 영역(310)에 실장된 제1 용융액(M1)의 온도가 급격하게 변하는 것을 막을 수 있다.
따라서 일 실시예에 따르면 시간이 경과하더라도 용융액(M)의 조성이 균일하게 유지될 수 있으므로 이로부터 수득되는 실리콘카바이드 단결정의 품질이 균일하고 우수할 수 있다.
본 실시예와 달리 온도가 낮은 제2 용융액이 제공되는 경우 제1 용융액의 온도가 낮아지고, 제1 용융액의 탄소 용해도가 낮아지면서 실리콘카바이드의 급격한 석출로 인해 다결정 실리콘카바이드가 석출될 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 경우, 결정성장 공정이 계속해서 진행되는 경우에도 도가니 내에 포함되는 용융액의 조성이 일정하게 유지될 수 있다. 따라서 제조 공정 초반에 수득되는 실리콘카바이드 단결정과 제조 공정 후반에 수득되는 실리콘카바이드 단결정의 물성/특성이 균일하게 유지될 수 있다. 수득되는 실리콘카바이드 단결정의 품질이 균일할 수 있다.
다른 실시예에 따라 수득되는 실리콘카바이드 단결정의 물성 또는 성질을 다르게 할 필요가 있는 경우, 제2 영역에는 제1 영역과 다른 조성을 가지는 원재료를 공급하여 실리콘카바이드 단결정의 성장 두께에 따라 다른 성질을 가지는 실리콘카바이드 단결정을 수득할 수도 있다.
이와 달리 도가니가 하나의 영역만을 포함하는 비교예에 따른 경우, 탄소는 도가니로부터 계속해서 공급될 수 있으며 촉매와 같은 역할을 하는 금속은 용융액 내에 계속해서 포함될 수 있다. 그러나 실리콘카바이드 단결정의 결정 성장이 진행되면서 용융액 상에 포함되는 실리콘은 계속해서 감소할 수 있다. 따라서 장시간 동안 결정 성장이 진행되는 경우 용융액 내의 실리콘 비율이 감소할 수 있다. 또한 결정 성장 온도가 높을 경우, 용융액 내의 금속이 증발하여 용융액의 조성을 변하게 할 수 있다. 이러한 경우 초기에 수득된 실리콘카바이드 단결정과, 후기에 수득된 실리콘카바이드 단결정의 특성 또는 물성 차이가 발생되는 문제가 있을 수 있다.
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.
300: 도가니
310: 제1 영역
320: 제2 영역
330: 차단 영역
400: 가열 부재

Claims (14)

  1. 제1 영역 및 제2 영역으로 구분된 도가니,
    상기 도가니 내부로 연장되는 실리콘카바이드 종결정, 그리고
    상기 도가니 외주면에 위치하는 가열 부재를 포함하고,
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 차단 영역에 의해 분리된 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 영역은 상기 도가니 중심에 위치하고,
    상기 제2 영역을 상기 제1 영역을 둘러싸는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 상기 차단 영역이 위치하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 차단 영역의 두께는 상기 도가니의 외주면의 두께보다 작은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 영역이 차지하는 부피는 상기 제2 영역이 차지하는 부피보다 큰 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 영역의 높이는 상기 제2 영역의 높이보다 큰 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 제2 영역의 높이는 상기 제1 영역의 높이보다 큰 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 제2 영역은 상기 도가니의 높이 방향을 따라 상기 제1 영역과 중첩하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 도가니는 복수의 제2 영역을 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 복수의 제2 영역은 서로 다른 평면 크기를 가지는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  11. 제1항에서,
    상기 차단 영역의 두께는 0.5 mm 내지 20 mm 인 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  12. 도가니의 제1 영역 내에 실리콘 및 금속을 포함하는 초기 용융 원료를 준비하는 단계,
    도가니의 제2 영역에 추가 장입 원료를 준비하는 단계,
    상기 도가니를 가열하는 단계,
    상기 제1 영역 내에 종결정을 제공하는 단계, 그리고
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 차단 영역이 식각됨에 따라 상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 연결되는 단계는 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 도가니를 가열함에 따라
    상기 제1 영역 내에 제1 용융액이 형성되고,
    상기 제2 영역 내에 제2 용융액이 형성되며
    상기 제1 용융액과 상기 제2 용융액의 온도 차이는 20도 (℃) 이내인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
  14. 제12항에서,
    상기 도가니는 그라파이트를 포함하고,
    상기 차단 영역은 상기 금속에 의해 식각되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
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