KR20200059022A - Manufacturing apparatus for siliconcarbide single crystal and manufacturing method of siliconcarbide single crystal - Google Patents

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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a manufacturing apparatus of a silicon carbide single crystal comprises: a crucible including an outer circumferential surface; an induction heating type heating member surrounding the crucible; and an SiC seed crystal provided inside the crucible, wherein the crucible includes a protrusion located on the outer peripheral surface.

Description

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 제조 방법{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICONCARBIDE SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD OF SILICONCARBIDE SINGLE CRYSTAL}Manufacturing apparatus and manufacturing method of silicon carbide single crystal {MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICONCARBIDE SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD OF SILICONCARBIDE SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal and a method for manufacturing a silicon carbide single crystal.

실리콘카바이드(SiC) 단결정은 내마모성 등의 기계적 강도와 내열성 및 내부식성이 우수하여 반도체, 전자, 자동차, 기계 분야 등의 부품소재로 많이 사용되고 있다.Silicon carbide (SiC) single crystal is widely used as a component material in the semiconductor, electronic, automotive, and mechanical fields due to its excellent mechanical strength such as wear resistance, heat resistance, and corrosion resistance.

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. For the growth of silicon carbide single crystals, for example, the Achison method of reacting carbon and silica in a high temperature electric furnace of 2000 degrees (° C) or higher, sublimation to grow single crystals by subliming at high temperature of 2000 degrees (℃) or higher using silicon carbide as a raw material And a solution growth method using a crystal pulling method. In addition, chemical vapor deposition using gas sources has been used.

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.However, the Achison method is very difficult to obtain a high-purity silicon carbide single crystal, and the chemical vapor deposition method may grow only at a limited level of the thickness of the thin film. Accordingly, research has been focused on a sublimation method of sublimating silicon carbide at high temperature to grow crystals. However, the sublimation method is also generally performed at a high temperature of 2400 ° C or higher, and there is a possibility that various defects such as micro-pipes and lamination defects are likely to occur, thereby limiting production cost.

본 발명은 별도의 추가 열원 없이도 특정 영역을 선택적으로 추가 가열하여 필요한 온도 분포를 제공하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법을 제공하고자 한다. The present invention is to provide an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal and a method for manufacturing a silicon carbide single crystal to provide a required temperature distribution by selectively heating a specific region without a separate additional heat source.

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.In addition, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly understood by those skilled in the art from the following description. Will be understandable.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 외주면을 포함하는 도가니, 상기 도가니를 둘러싸는 유도 가열식 가열 부재, 그리고 상기 도가니 내측으로 제공되는 SiC 종결정을 포함하고, 상기 도가니는 상기 외주면에 위치하는 돌출부를 포함한다. An apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment of the present invention includes a crucible including an outer circumferential surface, an induction heating type heating member surrounding the crucible, and a SiC seed crystal provided inside the crucible, wherein the crucible is the outer circumferential surface It includes a protrusion located at.

상기 돌출부는 전기 전도성을 가지는 금속 또는 흑연을 포함할 수 있다. The protrusion may include metal or graphite having electrical conductivity.

상기 돌출부의 지름은 상기 도가니의 지름의 101% 내지 120%일 수 있다. The diameter of the protrusion may be 101% to 120% of the diameter of the crucible.

상기 돌출부의 높이는 상기 도가니의 높이의 5% 내지 50%일 수 있다. The height of the protrusion may be 5% to 50% of the height of the crucible.

상기 돌출부는 상기 도가니에 탈착 가능할 수 있다. The protrusion may be detachable from the crucible.

상기 도가니의 외주면은 나사산을 포함하고, 상기 돌출부는 상기 나사산에 나사 체결되는 내주면을 포함할 수 있다. The outer peripheral surface of the crucible may include a thread, and the protrusion may include an inner peripheral surface screwed to the thread.

상기 도가니의 외주면은 원통형일 수 있다. The outer peripheral surface of the crucible may be cylindrical.

상기 도가니의 외주면의 지름은 하단으로 갈수록 작아질 수 있다. The diameter of the outer circumferential surface of the crucible may become smaller toward the bottom.

일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 도가니 내에 실리콘 및 금속을 포함하는 초기 원료를 투입하는 단계, 상기 도가니를 유도 가열식 가열 부재를 이용하여 가열하는 단계, 그리고 상기 도가니 내에 종결정을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 도가니를 가열하는 단계에서 유도 전류에 의해 상기 도가니의 외주면이 가열되며 돌출부가 위치하는 영역이 가열된다. A method of manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment includes the steps of introducing an initial raw material containing silicon and metal into a crucible, heating the crucible using an induction heating heating member, and providing seed crystals in the crucible Including a step, in the step of heating the crucible, an outer circumferential surface of the crucible is heated by an induced current and an area where the protrusion is located is heated.

상기 도가니의 외주면에 상기 돌출부를 결합시키는 단계를 포함할 수 있다. It may include the step of coupling the protrusion to the outer peripheral surface of the crucible.

상기 돌출부는 상기 도가니의 외주면을 따라 상하 이동할 수 있다. The protrusion may move up and down along the outer circumferential surface of the crucible.

상기 돌출부의 높이는 상기 도가니의 높이의 5% 내지 50%일 수 있다.The height of the protrusion may be 5% to 50% of the height of the crucible.

본 발명에 의하면 별도의 추가 열원 없이도 특정 영역을 선택적으로 추가 가열하여 필요한 온도 분포를 가지는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal and a method for manufacturing a silicon carbide single crystal having a required temperature distribution by selectively heating a specific region without a separate additional heat source.

도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 도가니의 사시도이고, 도 3b는 일 실시예에 따른 돌출부의 사시도이다.
도 4는 실시예 1에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이다.
도 5는 실시예 2에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이다.
도 6은 비교예 1에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이다.
도 7은 비교예 2에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이다.
도 8은 비교예 3에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이다.
도 9는 비교예 4에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이다.
1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment.
2 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment.
3A is a perspective view of a crucible according to an embodiment, and FIG. 3B is a perspective view of a protrusion according to an embodiment.
4 is a temperature distribution graph and simulation image for Example 1.
5 is a temperature distribution graph and simulation image for Example 2.
6 is a temperature distribution graph and a simulation image for Comparative Example 1.
7 is a temperature distribution graph and a simulation image for Comparative Example 2.
8 is a temperature distribution graph and a simulation image for Comparative Example 3.
9 is a temperature distribution graph and a simulation image for Comparative Example 4.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the present description, descriptions of already known functions or configurations will be omitted to clarify the subject matter of the present description.

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.In order to clearly describe the description, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar elements throughout the specification. In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present description is not necessarily limited to what is illustrated.

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.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly express the various layers and regions. In addition, in the drawings, thicknesses of some layers and regions are exaggerated for convenience of description. When a portion of a layer, film, region, plate, or the like is said to be "above" or "on" another portion, this includes not only the case where the other portion is "directly above" but also another portion in the middle.

도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다. An apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal and a method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment will be described with reference to FIG. 1. 1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment.

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. Referring to FIG. 1, a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment heats a reaction chamber 100, a seed crystal 210 and a crucible 300, and a crucible 300 positioned inside the reaction chamber 100 It includes a heating member 400, a rotating member 500 for rotating the crucible 300.

반응 챔버(100)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이다. 반응 챔버(100) 내부는 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.The reaction chamber 100 is a closed shape including an empty interior space. The interior of the reaction chamber 100 may be maintained in an atmosphere such as constant pressure. Although not shown, a vacuum pump and a gas tank for controlling the atmosphere may be connected to the reaction chamber 100. After the inside of the reaction chamber 100 is vacuumed using a vacuum pump and a gas tank for controlling the atmosphere, an inert gas such as argon gas may be filled.

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. The silicon carbide seed crystal 210 is a portion where a silicon carbide single crystal is grown, and is located in an upper region inside the crucible 300. Depending on the manufacturing process, the bottom surface of the silicon carbide seed crystal 210 may be positioned to contact the surface of the melt located in the crucible 300.

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. The silicon carbide seed crystal 210 is made of a silicon carbide single crystal. The crystal structure of the silicon carbide seed crystal 210 is the same as that of the silicon carbide single crystal to be manufactured. For example, when manufacturing a 4H polycrystalline silicon carbide single crystal, the 4H polycrystalline silicon carbide seed crystal 210 may be used. When using the 4H polycrystalline silicon carbide seed crystal 210, the crystal growth plane is a (0001) plane or a (000-1) plane, or an angle of 8 degrees or less from the (0001) plane or (000-1) plane. It can be a photo side.

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. The seed crystal shaft 230 is formed to extend to be connected to the upper surface of the silicon carbide seed crystal 210 to support the silicon carbide seed crystal 210 and to allow the silicon carbide seed crystal 210 to be positioned inside the crucible 300. do.

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.The seed crystal shaft 230 may be connected to the seed crystal rotating rod 250 and rotated together, and the seed crystal shaft 230 may move up or down by the seed crystal rotating rod 250.

도가니(300)는 반응 챔버(100) 내부에 구비되며 상측이 개방된 용기 형태일 수 있으며 상부면을 제외한 외주면(310) 및 하부면(320)을 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. The crucible 300 is provided inside the reaction chamber 100 and may be in the form of an open container on the upper side, and may include an outer circumferential surface 310 and a lower surface 320 excluding the upper surface. However, any form for forming a silicon carbide single crystal is possible without limitation to the above-described form, and may include a cover covering the upper surface according to the manufacturing process. The crucible 300 may be accommodated by charging a molten raw material such as silicon or silicon carbide powder.

도가니(300)의 외주면(310) 및 하부면(320)은 흑연, 그라파이트, SiC와 같이 탄소를 함유하는 물질로 이루어질 수 있다. 이와 같은 재질을 포함하는 도가니(300)의 외주면(310) 및 하부면(320)은 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. The outer peripheral surface 310 and the lower surface 320 of the crucible 300 may be made of a material containing carbon, such as graphite, graphite, and SiC. The outer circumferential surface 310 and the lower surface 320 of the crucible 300 including such a material may be utilized as a source of carbon raw materials. Alternatively, a crucible made of a ceramic material may be used without being limited thereto, and a material or a source for providing carbon may be separately provided.

일 실시예에 따른 도가니(300)는 외주면(310) 상에 위치하는 돌출부(330)를 포함할 수 있다. The crucible 300 according to an embodiment may include a protrusion 330 positioned on the outer circumferential surface 310.

돌출부(330)는 외주면(310) 및 하부면(320)과 동일한 재질을 포함할 수 있으며 일 예로 흑연 재질을 포함할 수 있다. 또는 이에 제한되지 않고 돌출부(330)는 외주면(310) 및 하부면(320)과 상이한 물질을 포함할 수 있으며, 전도성이 있는 금속 재질을 포함할 수 있다. The protrusion 330 may include the same material as the outer circumferential surface 310 and the lower surface 320, and may include, for example, graphite material. Or, without being limited thereto, the protrusion 330 may include a material different from the outer circumferential surface 310 and the lower surface 320, and may include a conductive metal material.

돌출부(330)의 지름은 외주면(310)의 지름의 약 101% 내지 약 120%일 수 있다. 돌출부(330)가 도가니(300)의 외주면(310)에 결합되기 위해 돌출부(330)의 지름은 외주면(310)의 지름보다 클 수 있다. 또한 돌출부(330)의 지름이 과도하게 큰 경우 효과적인 열 전달이 어려울 수 있으므로 돌출부(330)의 지름은 외주면(310) 지름의 약 120% 이하일 수 있다. The diameter of the protrusion 330 may be about 101% to about 120% of the diameter of the outer circumferential surface 310. In order for the protrusion 330 to be coupled to the outer circumferential surface 310 of the crucible 300, the diameter of the protrusion 330 may be larger than the diameter of the outer circumferential surface 310. In addition, when the diameter of the protrusion 330 is excessively large, effective heat transfer may be difficult, so the diameter of the protrusion 330 may be about 120% or less of the diameter of the outer circumferential surface 310.

돌출부(330)는 외주면(310) 상에 결합되어 있으며 어떠한 높이에도 위치할 수 있다. 일 실시예에 따르면 돌출부(330)는 도가니(300) 내부에 위치하는 용융액(M)의 표면과 실질적으로 동일한 수준의 높이에 위치하거나 용융액(M)의 표면 보다 낮은 높이에 위치할 수 있다. 즉 돌출부(330)는 용융액(M)과 중첩하는 어떠한 높이에도 배치될 수 있다. 용융액의 온도 분포를 변화시키기 위함이다. The protrusion 330 is coupled on the outer circumferential surface 310 and may be located at any height. According to an embodiment, the protrusion 330 may be positioned at a height substantially equal to a surface of the melt M located inside the crucible 300 or at a lower height than the surface of the melt M. That is, the protrusion 330 may be disposed at any height overlapping the melt (M). This is to change the temperature distribution of the melt.

본 명세서는 도가니(300)가 하나의 돌출부(330)를 포함하는 실시예를 도시하였으나 이에 제한되지 않으며 도가니(300)는 복수의 돌출부(330)를 포함할 수 있다. Although the present specification shows an embodiment in which the crucible 300 includes a single protrusion 330, the present invention is not limited thereto, and the crucible 300 may include a plurality of protrusions 330.

또한 본 명세서는 돌출부(300)가 도가니(300)의 외주면(310)을 둘러싸는 형태를 설명하였으나 이에 제한되지 않고 외주면(310)의 일부에만 위치하는 등과 같이 어떠한 형태도 가질 수 있음은 물론이다. In addition, although the present specification has described a shape in which the protrusion 300 surrounds the outer circumferential surface 310 of the crucible 300, the present invention is not limited thereto and may have any shape such as being located only on a part of the outer circumferential surface 310.

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. The heating member 400 may heat the crucible 300 to melt or heat the material accommodated in the crucible 300. The heating member 400 may be located on the outer circumferential surface of the crucible 300, for example, may have a shape surrounding the outer circumferential surface of the crucible 300.

본 명세서는 가열 부재(400)가 챔버(100) 내에 위치하는 실시예를 도시하였으나 이에 제한되지 않고 가열 부재(400)는 챔버(100) 외측에 위치하면서 도가니(300)의 외주면(310) 및 돌출부(330)를 둘러쌀 수 있다. Although the present specification shows an embodiment in which the heating member 400 is located in the chamber 100, the present invention is not limited thereto, and the heating member 400 is located outside the chamber 100 while the outer circumferential surface 310 and protrusion of the crucible 300 It can surround 330.

가열 부재(400)는 유도 가열식 가열 부재일 수 있다. 구체적으로 가열 부재(400)는 인덕션 코일을 포함하고 인덕션 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니(300)를 가열하는 유도 가열 방식으로 도가니(300)를 가열할 수 있다. 저항 가열 방식은 별도의 발열체에 의해 챔버 내의 전체 분위기를 가열하는 방식이므로 돌출부가 도가니 외주면 또는 용융액 내부의 온도 분포를 변화시키기 어려울 수 있다. The heating member 400 may be an induction heating type heating member. Specifically, the heating member 400 may include an induction coil and heat the crucible 300 by an induction heating method of heating the crucible 300 by flowing a high-frequency current through the induction coil. Since the resistance heating method is a method of heating the entire atmosphere in the chamber by a separate heating element, it may be difficult for the protrusion to change the temperature distribution inside the crucible outer circumferential surface or the melt.

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.The apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment may further include a rotating member 500. The rotating member 500 is coupled to the lower surface of the crucible 300 to rotate the crucible 300. High-quality silicon carbide single crystal can be grown on the silicon carbide seed crystal 210 as it is possible to provide a melt having a uniform composition through rotation of the crucible 300.

이하에서는 전술한 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 수득하는 제조 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, a production method for obtaining a silicon carbide single crystal using the above-described manufacturing apparatus for a silicon carbide single crystal will be described.

우선, 실리콘 및 금속을 포함하는 초기 용융 원료를 도가니(300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 분말 형태 또는 청크 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. First, an initial molten raw material containing silicon and metal is introduced into the crucible 300. The initial molten raw material may be in the form of a powder or a chunk, but is not limited thereto.

초기 용융 원료를 실장하고 있는 도가니(300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 유도 가열식 가열 부재(400)을 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니(300) 내의 초기 용융 원료는 실리콘 및 금속을 포함하는 용융액으로 변한다. 시간이 진행됨에 따라 용융액은 도가니(300)로부터 유입된 카본을 포함한다. 실시예에 따라 상기 초기 용융 원료는 카본을 포함할 수 있다. The crucible 300 on which the initial molten raw material is mounted is heated using an induction heating type heating member 400 in an inert atmosphere such as argon gas. Upon heating, the initial molten raw material in the crucible 300 changes to a melt containing silicon and metal. As time progresses, the melt contains carbon introduced from the crucible 300. Depending on the embodiment, the initial molten raw material may include carbon.

다음 도가니(300)가 소정의 온도에 도달한 이후, 도가니(300)의 온도는 유지되며 종결정(210) 표면에서 실리콘카바이드 단결정이 석출될 수 있다. 이는 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. 이에 제한되지 않고 도가니(300)의 온도를 서서히 저하시키면서 결정 성장을 진행할 수도 있다. After the next crucible 300 reaches a predetermined temperature, the temperature of the crucible 300 is maintained and silicon carbide single crystals may be deposited on the seed crystal 210 surface. This uses that the temperature of the seed crystal 210 is lower than the temperature of the melt in the crucible 300. When the silicon carbide becomes supersaturated near the seed crystal 210, a silicon carbide single crystal is grown on the seed crystal 210 using the supersaturation degree as a driving force. Without being limited thereto, crystal growth may be performed while gradually lowering the temperature of the crucible 300.

한편 일 실시예에 따른 경우 도가니(300)를 가열하는 공정은 돌출부(330)가 위치하는 영역을 가열하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따른 가열 부재(400)는 유도 가열식 가열 부재이므로 돌출부(330)가 위치하는 영역은 다른 외주면(310)에 비해 보다 많은 유도 전류를 받아 별도의 가열 수단 없이 돌출부(330)가 위치하는 영역의 온도를 높일 수 있다. Meanwhile, according to an embodiment, the process of heating the crucible 300 includes heating the area where the protrusion 330 is located. Since the heating member 400 according to an embodiment is an induction heating type heating member, the region where the protrusion 330 is located receives more induction current than other outer circumferential surfaces 310, and the protrusion 330 is located without additional heating means. The temperature of the zone can be increased.

일 예로 도 1에 도시된 바와 같은 위치에 돌출부(330)가 위치하는 경우, 외주면(310)을 기준으로 높이 방향을 따라 갈수록 외주면(310)의 온도가 낮아질 수 있다. 그러나 일 실시예에 따라 높이 방향 중간에 위치하는 돌출부(330)를 포함하는 경우 온도가 저하되는 현상을 저감시키면서 돌출부(330)가 배치된 영역의 온도를 높일 수 있다. For example, when the protrusion 330 is positioned at the position as illustrated in FIG. 1, the temperature of the outer circumferential surface 310 may be lowered as it goes along the height direction relative to the outer circumferential surface 310. However, according to an exemplary embodiment, when the protrusion 330 located in the middle of the height direction is included, the temperature of the region where the protrusion 330 is disposed may be increased while reducing the phenomenon that the temperature decreases.

실리콘 카바이드 단결정을 수득하기 위한 용액 성장법에서 단결정을 성장시키는 구동력은 온도 구배에 의한 용융액 내의 과포화 형성이다. 즉, 온도 구배뿐만 아니라 고온 영역과 저온 영역이 용융액 내의 어느 부분에 위치하는지도 안정적인 성장을 위해 중요하다. 특히 특정 위치에 핫스팟(Hot Spot)이나 콜드스팟(Cold Spot)이 형성되는 경우 실리콘카바이드 다결정 석출이나 도가니의 부식(Corrosion)을 가속화시킬 수 있으며 원하는 형태의 단결정을 얻기 어렵다. 또한 용융액 표면에 위치하는 종결정에서의 단결정 석출을 위해 용융액 하부를 상부보다 고온으로 유지하나 이 경우 용융액 표면과 도가니 내벽이 만나는 지점으로부터 다결정이 자라게 될 위험이 크다. 그러나 일 실시예에 따른 도가니(300)는 특정 위치에 배치 가능한 돌출부(330)를 포함함으로써 필요한 온도 분포를 제공하는 것이 용이할 수 있다. The driving force for growing a single crystal in a solution growth method for obtaining a silicon carbide single crystal is the formation of supersaturation in the melt by a temperature gradient. That is, not only the temperature gradient, but also where the hot and cold regions are located in the melt is important for stable growth. In particular, when a hot spot or a cold spot is formed at a specific location, it is possible to accelerate polycrystalline precipitation of silicon carbide or corrosion of the crucible, and it is difficult to obtain a single crystal of a desired shape. In addition, for precipitation of single crystals from seed crystals located on the surface of the melt, the lower part of the melt is maintained at a higher temperature than the upper part. However, the crucible 300 according to an embodiment may be easy to provide a required temperature distribution by including a protrusion 330 that can be disposed at a specific location.

일 실시예에 따른 경우 도가니(300) 내부를 별도의 추가 열원 없이도 특정 영역의 추가 가열이 가능하므로 요구되는 온도 분포를 만족시키는 것이 용이할 수 있다. According to an embodiment, since the inside of the crucible 300 can be additionally heated in a specific region without a separate additional heat source, it may be easy to satisfy a required temperature distribution.

이하에서는 도 2 내지 도 3b를 참조하여 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대해 설명한다. 도 2는 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다. 도 3a는 일 실시예에 따른 도가니의 일부 구성에 대한 사시도이고, 도 3b는 일 실시예에 따른 돌출부의 사시도이다. 전술한 실시예에서 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략할 수 있다. Hereinafter, an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 3B. 2 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment. 3A is a perspective view of a part of a crucible according to an embodiment, and FIG. 3B is a perspective view of a protrusion according to an embodiment. Descriptions of the same components as those described in the above-described embodiment may be omitted.

우선 도 2를 참조하면 일 실시예에 따른 도가니(300)는 외주면(310), 하부면(320) 및 돌출부(330)를 포함할 수 있다. 이때 일 실시예에 따른 외주면(310)의 지름은 하단으로 내려갈수록 작아질 수 있다. 외주면(310)은 컵(cup) 형태를 가질 수 있다. First, referring to FIG. 2, the crucible 300 according to an embodiment may include an outer circumferential surface 310, a lower surface 320 and a protrusion 330. At this time, the diameter of the outer circumferential surface 310 according to an embodiment may be smaller as it goes down to the bottom. The outer circumferential surface 310 may have a cup shape.

본 명세서는 도가니(300)의 외주면(310)이 원통 형태이거나 하단이 개방된 컵 형태인 실시예를 도시 및 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 다양한 형태를 가질 수 있음은 물론이다. Although this specification has shown and described an embodiment in which the outer circumferential surface 310 of the crucible 300 is in the form of a cylinder or the bottom is an open cup, it is of course not limited thereto and can have various forms.

다음 도 3a를 참조하면 일 실시예에 따른 도가니(300)의 외주면(310)은 나사산(310a)을 포함할 수 있다. 또한 도 3b에 도시된 바와 같이 일 실시예에 따른 돌출부(330)는 외주면(310)의 나사산(310a)에 나사 체결되기 위한 내주면을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3A, the outer circumferential surface 310 of the crucible 300 according to an embodiment may include a thread 310a. Also, as illustrated in FIG. 3B, the protrusion 330 according to an embodiment may include an inner circumferential surface for screwing to the thread 310a of the outer circumferential surface 310.

돌출부(330)는 도가니(300)의 외주면(310)에 결합되거나 분리될 수 있다. 또한 돌출부(330)는 도가니(300)의 외주면(310)의 나사산(310a)을 따라 상하 이동할 수 있으며 추가적인 온도 가열이 필요한 위치에 배치될 수 있다. The protrusion 330 may be coupled to or separated from the outer circumferential surface 310 of the crucible 300. In addition, the protrusion 330 may move up and down along the thread 310a of the outer circumferential surface 310 of the crucible 300 and may be disposed at a position where additional temperature heating is required.

일 실시예에 따른 도가니(300)를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 별도의 열원을 추가하지 않더라도 추가 가열이 필요한 위치에 돌출부를 배치시킴에 따라 필요한 온도 분포를 손쉽게 달성할 수 있다. The apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal including the crucible 300 according to an embodiment may easily achieve a required temperature distribution by arranging protrusions at a position where additional heating is required even without adding a separate heat source.

이하에서는 도 4 내지 도 9를 참조하여 실시예 및 비교예에 따른 도가니 내의 온도 분포에 대해 살펴본다. 도 4는 실시예 1에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이고, 도 5는 실시예 2에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이고, 도 6은 비교예 1에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이고, 도 7은 비교예 2에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이고, 도 8은 비교예 3에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이고, 도 9는 비교예 4에 대한 온도 분포 그래프 및 시뮬레이션 이미지이다.Hereinafter, a temperature distribution in a crucible according to Examples and Comparative Examples will be described with reference to FIGS. 4 to 9. FIG. 4 is a temperature distribution graph and simulation image for Example 1, FIG. 5 is a temperature distribution graph and simulation image for Example 2, and FIG. 6 is a temperature distribution graph and simulation image for Comparative Example 1, and FIG. 7 Is a temperature distribution graph and simulation image for Comparative Example 2, FIG. 8 is a temperature distribution graph and simulation image for Comparative Example 3, and FIG. 9 is a temperature distribution graph and simulation image for Comparative Example 4.

우선 도 4를 참조하면 실시예 1에 따라 외주면(310) 상에 결합된 돌출부(330)를 포함하는 경우 돌출부(330)가 위치하는 영역 근처에서 일부 온도 상승이 있음을 알 수 있다. 도 4에 나타난 바와 같이 유도 가열식 가열 부재(400)를 이용하여 가열하는 경우, 돌출부(330)가 위치하는 영역에서 돌출부(330)에 의한 온도 변화가 발생함을 확인하였다.First, referring to FIG. 4, when the protrusion 330 coupled to the outer circumferential surface 310 is included according to the first embodiment, it can be seen that there is some temperature rise near the region where the protrusion 330 is located. When heating using the induction heating type heating member 400 as shown in Figure 4, it was confirmed that the temperature change caused by the protrusion 330 occurs in the region where the protrusion 330 is located.

다음 도 5를 참조하면 실시예 2에 따라 외주면(310) 상에 결합된 돌출부(330)를 포함하는 경우 돌출부(330)가 상대적으로 외주면(310)의 상부에 위치하는 경우에도 돌출부(330)가 위치하는 영역에서 온도 상승이 발생함을 확인하였다. 실시예 2 역시 유도 가열식 가열 부재(400)를 사용하여 도가니를 가열한 경우이다. 이에 따르면 돌출부(330)를 특정 위치에 배치시키고 유도 가열식 가열 부재(400)를 사용하여 가열함으로써 용융액의 온도 분포를 제어할 수 있음을 확인하였다.Referring to FIG. 5, in the case of including the protrusion 330 coupled on the outer circumferential surface 310 according to the second embodiment, even when the protrusion 330 is relatively positioned above the outer circumferential surface 310, the protrusion 330 It was confirmed that a temperature rise occurred in the region located. The second embodiment is also a case where the crucible is heated using the induction heating type heating member 400. According to this, it was confirmed that the temperature distribution of the melt can be controlled by arranging the protrusion 330 at a specific position and heating it using the induction heating type heating member 400.

도 6을 참조하면 별도의 돌출부를 포함하지 않는 비교예 1은 유도 가열식 가열 부재(400)를 이용하여 도가니의 외주면(310)을 가열하는 경우에도 도가니의 하단에서 상단을 향해 갈수록 온도가 감소함을 확인하였다. 특히 도 6의 비교예 1을 도 4의 실시예 1과 비교하면, 도 4에서 돌출부(330)가 위치한 영역 대비 외주면(310)의 온도가 상당히 저하됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, in Comparative Example 1, which does not include a separate protrusion, even when heating the outer circumferential surface 310 of the crucible using the induction heating type heating member 400, the temperature decreases toward the top from the bottom of the crucible. Confirmed. In particular, when comparing Comparative Example 1 of FIG. 6 with Example 1 of FIG. 4, it can be seen that the temperature of the outer circumferential surface 310 is significantly reduced compared to the region in which the protrusion 330 is located in FIG. 4.

다음 도 7은 별도의 돌출부를 포함하지 않으면서 저항 가열식 가열 부재를 사용하는 비교예 2에 관한 시뮬레이션 이미지이다. 비교예 1과 유사하게 도가니의 하단에서 상단을 향해 갈수록 외주면의 온도가 감소함을 확인하였다. Next, FIG. 7 is a simulation image of Comparative Example 2 using a resistance-heating heating member without including a separate protrusion. Similar to Comparative Example 1, it was confirmed that the temperature of the outer circumferential surface decreases from the bottom of the crucible toward the top.

도 8은 외주면(310)에 결합된 돌출부(330)를 포함하고 저항 가열식 가열 부재를 이용하여 가열한 경우의 시뮬레이션 이미지 및 온도 분포 그래프이다. 도 8에 나타난 바와 같이 도가니가 돌출부(330)를 포함하는 경우에도 저항 가열식 가열 부재를 이용하여 도가니를 가열하는 경우에는 돌출부(330)가 위치하는 영역에서 온도 상승이 발생하지 않았음을 확인하였다. 8 is a simulation image and a temperature distribution graph when the protrusion 330 coupled to the outer circumferential surface 310 is heated using a resistance heating type heating member. As shown in FIG. 8, even when the crucible includes the protruding portion 330, when heating the crucible using the resistance heating type heating member, it was confirmed that the temperature rise did not occur in the region where the protruding portion 330 is located.

도 9는 도가니의 외주면(310)에서 상대적으로 상측에 결합된 돌출부(330)를 포함하고 저항 가열식 가열 부재를 이용하여 가열한 경우의 시뮬레이션 이미지이다. 도 9에 나타난 바와 같이 도가니가 돌출부(330)를 포함하더라도 돌출부를 포함하지 않는 비교예 1에 대해 눈에 띄는 온도 변화가 발생하지 않음을 확인하였다. 즉 저항 가열식 가열 부재를 사용하는 경우 돌출부의 포함 여부에 상관 없이 원통형 도가니와 동일한 온도 변화 양상을 나타냄을 확인하였다. FIG. 9 is a simulation image when a protrusion 330 coupled to an upper side of the crucible is circumferentially coupled and heated using a resistance-heating heating member. As shown in FIG. 9, it was confirmed that even if the crucible includes the protrusion 330, there is no noticeable temperature change for Comparative Example 1 without the protrusion. That is, it was confirmed that, when a resistance heating type heating member was used, it exhibited the same temperature change pattern as a cylindrical crucible regardless of whether a protrusion was included.

일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 유도 가열식 가열 부재를 포함하고, 도가니의 외주면에 위치하는 돌출부를 포함함으로써, 별도의 추가 열원 없이도 온도 제어가 가능할 수 있다. The apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal according to an embodiment includes an induction heating type heating member, and includes a protrusion located on an outer circumferential surface of the crucible, so that temperature control can be performed without a separate additional heat source.

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.In the foregoing, although specific embodiments of the present invention have been described and illustrated, the present invention is not limited to the described embodiments, and it is common knowledge in the field of this technology that various modifications and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is obvious to those who have it. Therefore, such modifications or variations should not be individually understood from the technical spirit or viewpoint of the present invention, and the modified embodiments should belong to the claims of the present invention.

300: 도가니
310: 외주면
330: 돌출부
400: 가열 부재
300: crucible
310: outer peripheral surface
330: protrusion
400: heating member

Claims (14)

외주면을 포함하는 도가니,
상기 도가니를 둘러싸는 유도 가열식 가열 부재, 그리고
상기 도가니 내측으로 제공되는 SiC 종결정을 포함하고,
상기 도가니는 상기 외주면에 위치하는 돌출부를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
Crucible including the outer peripheral surface,
An induction heating heating element surrounding the crucible, and
SiC seed crystal provided inside the crucible,
The crucible is a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus including a protrusion located on the outer peripheral surface.
제1항에서,
상기 돌출부는 금속 또는 흑연을 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
In claim 1,
The protrusion is an apparatus for producing a silicon carbide single crystal containing metal or graphite.
제1항에서,
상기 돌출부의 지름은 상기 도가니의 외주면 지름의 101% 내지 120%인 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
In claim 1,
The diameter of the protrusion is 101% to 120% of the diameter of the outer circumferential surface of the crucible.
제1항에서,
상기 돌출부의 높이는 상기 도가니의 높이의 5% 내지 50%인 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
In claim 1,
The height of the protrusion is 5% to 50% of the height of the crucible silicon carbide single crystal manufacturing apparatus.
제1항에서,
상기 돌출부는 상기 도가니에 탈착 가능한 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
In claim 1,
The protrusion is a device for manufacturing a silicon carbide single crystal detachable from the crucible.
제5항에서,
상기 도가니의 외주면은 나사산을 포함하고,
상기 돌출부는 상기 나사산에 나사 체결되는 내주면을 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
In claim 5,
The outer peripheral surface of the crucible includes a thread,
The protrusion is a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus including an inner circumferential surface that is screwed to the thread.
제1항에서,
상기 도가니의 외주면은 원통형인 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
In claim 1,
The outer peripheral surface of the crucible is a silicon carbide single crystal manufacturing apparatus.
제1항에서,
상기 도가니의 외주면의 지름은 하단으로 갈수록 작아지는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
In claim 1,
The apparatus for manufacturing a silicon carbide single crystal whose diameter of the outer circumferential surface of the crucible becomes smaller toward the bottom.
도가니 내에 실리콘 및 금속을 포함하는 초기 원료를 투입하는 단계,
상기 도가니를 유도 가열식 가열 부재를 이용하여 가열하는 단계, 그리고
상기 도가니 내에 종결정을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 도가니를 가열하는 단계에서 돌출부가 위치하는 영역이 가열되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
Injecting the initial raw material containing silicon and metal in the crucible,
Heating the crucible using an induction heating type heating member, and
Providing a seed crystal in the crucible,
In the step of heating the crucible, a method for producing a silicon carbide single crystal in which a region where a protrusion is located is heated.
제9항에서,
상기 도가니의 외주면에 상기 돌출부를 결합시키는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
In claim 9,
A method for producing a single crystal of silicon carbide, comprising the step of coupling the protrusion to the outer circumferential surface of the crucible.
제10항에서,
상기 돌출부는 상기 도가니의 외주면을 따라 상하 이동하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
In claim 10,
The protrusion is a method of manufacturing a silicon carbide single crystal that moves up and down along the outer circumferential surface of the crucible.
제9항에서,
상기 돌출부는 금속 또는 흑연을 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
In claim 9,
The protrusion is a method of manufacturing a silicon carbide single crystal containing a metal or graphite.
제9항에서,
상기 돌출부의 지름은 상기 도가니의 외주면의 지름의 101% 내지 120%인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
In claim 9,
The diameter of the protrusion is 101% to 120% of the diameter of the outer circumferential surface of the crucible.
제9항에서,
상기 돌출부의 높이는 상기 도가니의 높이의 5% 내지 50%인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
In claim 9,
The height of the protrusion is 5% to 50% of the height of the crucible, a method for producing a silicon carbide single crystal.
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