KR20210001300A - 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 - Google Patents

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치 Download PDF

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KR20210001300A
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김대성
김정환
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주식회사 엘지화학
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

본 발명은, 측벽과 하부벽을 포함하고 상면이 개방되어 용융액의 수용 공간을 형성하는 도가니,
상기 도가니의 측벽을 둘러싸는 가열 부재,
상기 도가니 내측으로 연장되는 종결정 지지부,
상기 종결정 지지부의 일단에 연결된 실리콘카바이드(SiC) 종결정;
상기 도가니의 하부벽 외면에 결합되어 도가니를 회전시키고, 상기 종결정 지지부의 축과 동일 연장선 상에 위치하는 상기 회전 부재의 축을 가지는 회전 부재; 및
상기 도가니를 내장하는 반응 챔버를 포함하고,
상기 도가니는, 하부벽의 내부에 1층 이상의 단열 레이어를 포함하는, 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 제공한다.

Description

실리콘카바이드 단결정의 제조 장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICONCARBIDE SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 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.
따라서, 그라파이트 도가니 내에 Si을 비롯한 원료가 되는 금속들을 넣고, 유도 가열을 통해 도가니를 가열하여 금속 용융액을 형성하고, 종결정의 표면에 SiC 단결정을 성장시키는 용액 성장법의 연구가 활발하다.
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.
한편, 통상의 경우, 용융액을 형성하기 위한 수단으로 고주파 유도가열 장치를 이용하며, 유도 코일 안쪽으로 열의 방출을 막기 위한 단열재가 자리하게 되고 그 안쪽에 원료를 담은 도가니가 위치하게 된다. 유도가열의 특성 상 도가니의 측벽 부분이 발열체로 작용하게 되므로, 도가니 바깥쪽부터 가열이 시작된다. 따라서, 상대적으로 발열부와 멀리 떨어진 중앙부는 온도가 낮아지는 경향을 보이게 된다.
이 문제는 대구경 결정성장을 하는 경우, 도가니의 직경이 커지게 되므로, 더욱 두드러지게 나타난다. 이처럼 도가니 중앙 하단부의 온도가 낮아지면 적절한 온도구배를 형성하기 못하여 도가니 하부에서의 다결정 생성을 촉진하고, 종결정에서의 단결정 성장을 방해하는 요소로 작용하게 된다.
따라서, 이러한 문제를 해결하여 온도 구배가 작은 금속 용융물을 형성함으로써 고품질의 SiC 단결정 성장을 가능하게 하는 기술에 대한 필요성이 절실한 실정이다.
본 발명은 SiC 단결정의 품질 향상을 위해 종래에 비해 더욱 균일한 온도구배를 형성하여 다결정의 성장을 방지할 수 있는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 제공하고자 한다.
한편, 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 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는 측벽과 하부벽을 포함하고 상면이 개방되어 용융액의 수용 공간을 형성하는 도가니,
상기 도가니의 측벽을 둘러싸는 가열 부재,
상기 도가니 내측으로 연장되는 종결정 지지부,
상기 종결정 지지부의 일단에 연결된 실리콘카바이드(SiC) 종결정;
상기 도가니의 하부벽 외면에 결합되어 도가니를 회전시키고, 상기 종결정 지지부의 축과 동일 연장선 상에 위치하는 상기 회전 부재의 축을 가지는 회전 부재; 및
상기 도가니를 내장하는 반응 챔버를 포함하고,
상기 도가니는, 하부벽의 내부에 1층 이상의 단열 레이어를 포함한다.
상기 1층 이상의 단열 레이어는 열전도율이 24 ~ 26℃ 기준 1W/m·K 이하인 물질로 구성될 수 있고, 상기 1층 이상의 단열 레이어는 1800℃ 이상의 내열성을 가지는 물질로 구성될 수 있다.
이러한 상기 1층 이상의 단열 레이어는 구체적으로는, 그라파이트 섬유로 구성될 수 있다.
상기 1층 이상의 단열 레이어의 총 두께는 도가니를 이루는 하부벽 두께의 10% 내지 80%일 수 있다.
또한, 상기 1층 이상의 단열 레이어는 하부벽의 중심부를 포함하도록 위치하고, 하부벽 외면의 전체 면적을 기준으로, 10% 내지 70%의 면적을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 도가니는 그라파이트로 이루어질 수 있고, 외주면이 원통형일 수 있다.
더 나아가, 상기 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는, 상기 도가니와 가열 부재의 사이에서, 반응 챔버 외부로 연장되는 종결정 지지부와 회전 부재의 형성위치를 제외한 도가니의 외면을 둘러싸도록 형성되어 도가니로부터 열방출을 방지하는 단열재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전 부재는 회전 부재의 축에 해당하는 부위에 도가니 하부벽에서 반응 챔버 외부까지 연장되는 중공부를 가지고, 상기 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는, 상기 반응 챔버 외부에서, 도가니의 하부벽 측에 위치하여 상기 회전 부재의 중공부를 통해 도가니의 온도를 측정하는 온도계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 따르면, 도가니 하부벽 내부에 단열 레이어를 구비함으로써, 용융액으로부터 도가니 하부로의 열빠짐 현상을 완화시켜 균일한 온도 구배를 형성할 수 있으므로, 도가니 하부에서 생성되는 다결정의 성장을 방지할 수 있는 바, 더욱 SiC 단결정의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다;
도 2는 일 실시예에 따른 단열 레이어의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 사용한 경우, 도가니 내 온도 분포를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다;
도 4는 본 발명과 비교를 위한 단열 레이어가 구비되어 있지 않은 실리콘카바이드 단결정의 제조장치를 사용한 경우, 도가니 내 온도 분포를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.
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 1에는, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치(100)는, 측벽(111)과 하부벽(112)를 포함하고 상면이 개방되어 용융액(113)의 수용 공간을 형성하는 도가니(110), 도가니(110)의 측벽(111) 둘러싸고 가열하는 가열 부재(130), 도가니(110) 내측으로 연장되는 종결정 지지부(140), 종결정 지지부(140)의 일단에 연결된 실리콘카바이드(SiC) 종결정(150), 도가니(110)의 하부벽(112)의 외면(112a)에 결합되어 도가니(110)를 회전시키는 회전 부재(160), 도가니(110)를 내장하는 반응 챔버(170), 도가니(110)와 가열 부재(130)의 사이에서 반응 챔버(170) 외부로 연장되는 종결정 지지부(140)와 회전 부재(160)의 형성위치를 제외한 도가니(110)의 외면을 둘러싸도록 형성되어 도가니(110)로부터 열방출을 방지하는 단열재(180), 및 반응 챔버(170) 외부에서 도가니(110) 내 용융액(113)의 온도를 측정하는 온도계(190)를 포함한다.
여기서, 회전 부재(160)의 축(B)은 종결정 지지부(140)의 축(A)와 동일 연장선 상에 위치한다.
상기에서 측벽(111)은 도가니(110)의 외주면을 형성하는 부분으로, 높이를 기준으로는 도가니(110)의 최상단에서부터, 용융액(113)이 장입되는 도가니(110) 내측의 바닥면까지의 부분을 의미하며, 하부벽(112)은 도가니(110)를 이루는 바닥부분에서의 벽으로, 높이를 기준으로는 측벽과 연장된 부분, 즉 도가니(110) 내측의 바닥면부터, 도가니(110)의 외측의 바닥면까지를 의미한다.
한편, 도가니(110)의 하부벽(112)의 내부에는 단열 레이어(120)를 포함한다.
단열 레이어(120)는 도가니(110)의 하부벽(112)을 통해 손실되는 열을 차단하여, 도가니(110) 내에서 온도 구배가 작은 용융액(113)을 형성할 수 있도록 도와주고, 이에 따라, 도가니(110) 하부벽(112) 근처의 온도가 저하됨에 따라, 이 근처에서 생성될 수 있는 SiC 다결정의 성장을 방지할 수 있는 바, 더욱 고품질의 SiC 단결정의 성장이 가능하다.
더욱 구체적으로, 단열 레이어(120)는 단열재(180)과는 별개로 도가니(110) 내 하부벽(112) 내부에 형성된다. 따라서, 반응 챔버(170) 외부로 연장되는 회전 부재(160)의 형성으로 인해 하부벽(112) 외면에서는 완전히 단열할 수 없는 형태로부터 자유롭게 하부벽(112)으로의 열손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이러한 단열 레이어(120)는 고온에서 견디면서도 열전도율이 낮은 소재라면 한정되지 아니한다.
구체적으로, 단열 레이어(120)는 열전도율이 24 ~ 26℃ 기준 1W/m·K 이하인 물질로 구성될 수 있으며, 상세하게는, 25℃ 기준 1W/m·K 이하인 물질로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 열전도율은 표준평판법(Standard Plate Method)을 이용하여 측정하였다. 측정에 필요한 식은 아래 식 1과 같다.
[식 1]
Q/S = (λm/d) x (Ts-Tu) (식1-1)
= (λs/ds) x (Tu-T0) (식1-2)
상기 식 1에서, Q: 열유량, S: 표준평판의 열유속면적(상수), λm: 시료의 열전도율, d: 시료의 두께(상수), Ts: 시료 표면의 온도, Tu: 시료와 표준평판 접촉부의 온도, λs: 표준평판의 열전도도(상수), ds: 표준평판의 두께(상수), T0: 측정평판과 표준평판 접촉부의 온도이다.
측정을 위한 분위기 가스는 질소를 이용하였으며, 시료의 상부를 저항가열 히터로 가열하였고 하부의 측정평판에 일정 유량의 순환수를 흘려주면서 유입구와 유출구 사이의 온도 차를 측정하였다. 시료의 상부 표면과 각 평판 사이에도 온도계를 설치하여 열량 공급에 따른 온도 변화를 측정하였다.
상기 계산은 먼저 순환수의 양과 순환수의 온도차로부터 열유량 Q를 구하고 Q/S값을 고정하였다. 다음으로 Tu를 가정하는데 (Tu+T0)/2를 표준평판의 온도 매개변수로 하고 표준평판의 열전도율 λs를 구한 후 식1-2로 Tu를 산출한다. 이후 Tu의 가정치와 산출치가 일치할 때까지 계산을 반복한다. 다음으로 식1-1로부터 시료의 열전도율 λm을 구한다. 이때 시료의 평균 온도 Tm은 Tm=(Ts+Tu)/2로 나타낼 수 있다. 이렇게 구한 시료의 열전도율은 시료의 평균온도 Tm에 따라 그래프 상에 플롯하여 온도에 따른 열전도율 변화를 비교하여 구할 수 있다.
상기 범위를 벗어나 보다 높은 열전도율을 가지는 경우, 단열의 역할을 충분히 수행할 수 없는 바, 바람직하지 않다.
또한, 단열 레이어(120)은 도가니 및 용융액의 온도가 1800℃ 이상으로 상승하기 때문에 1800℃ 이상의 내열성을 가지는 물질로 구성될 수 있다.
이러한 성질을 가지는 물질은, 하나의 예로서, 그라파이트 섬유일 수 있다.
즉, 본 발명에 있어서, 단열 레이어(120)는 그라파이트 섬유로 구성될 수 있다.
또한, 단열 레이어(120)는 도 1에서 도시한 바와 같이 하나의 층으로 이루어질 수도 있으나, 도 2에서와 같이 2층으로 이루어질 수도 있다.
도 2에는 하나의 예로서 단열 레이어(120)의 구조를 모식적으로 도시하였다.
도 2를 참조하면, 단열 레이어(120)는 상부 레이어(121)와 하부 레이어(122)의 2층 구조로 이루어져 있다.
물론, 3층 이상의 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
한편, 다시 도 1로 돌아가, 단열 레이어(120)가 몇층으로 구성되었는지와 상관없이, 단열 레이어(120)의 총 두께(t)는 도가니(110)를 이루는 하부벽(112)의 두께(T)의 10% 내지 80%일 수 있고, 상세하게는 20% 내지 70%, 더욱 상세하게는 30% 내지 60%일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 단열 레이어(120)의 두께가 너무 두꺼운 경우에는, 하부벽이 상대적으로 얇아지게 되므로, 탄소 용출로 인한 도가니 벽면의 식각에 따라 쉽게 단열재가 손상되는 문제가 있고, 단열 레이어(120)의 두께가 너무 얇은 경우에는 단열 효과가 저하되어 바람직하지 않다.
또한, 단열 레이어(120)의 위치 및 크기와 관련하여, 단열 레이어(120)는 도가니(110)의 하부벽(112)의 중심부를 포함하도록 위치하고, 하부벽(112) 외면(112a)의 전체 면적(W)을 기준으로, 10% 내지 70%의 면적을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 너무 작은 크기로 형성되는 경우에는 도가니(110)의 하부벽(112)을 통한 열손실을 충분히 막을 수 없고, 너무 큰 크기로 형성되는 경우에는 유도코일에 의해 가열되는 도가니 하부 외곽 측벽으로부터의 내부 방향으로의 열전달이 오히려 줄어들게 되므로 공정 및 비용 측면에서 효율성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
단열 레이어(120)은 도가니(110) 하부벽(112)으로부터의 열 손실을 효과적으로 방지할 수 있는 형상이라면 한정되지 아니하고, 상면의 형상이 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.
이하에서는, 실리콘카바이드 단결정 제조 장치(100)의 그 밖의 부재에 대해 설명하며, 본 발명의 구조에서 단열 레이어가 더욱 효과적인 이유에 대해서 설명한다.
먼저, 도가니(110)는 반응 챔버(170) 내부에 구비되며 측벽(111)이 이루는 외주면이 원통형인, 상면이 개방된 컵 형태일 수 있고, 그러나 전술한 형태에 제한 없이 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 용융액이 장입될 수 있는 어떠한 형태도 가능함은 물론이며 제조 공정에 따라 상부면을 덮는 덮개 등을 포함할 수도 있다. 이러한 도가니(110) 내에 실리콘 또는 실리콘카바이드 분말, 또는 금속과 같은 용융액(113)이 장입되어 수용된다.
도가니(110)는 흑연, 그라파이트, SiC와 같이 탄소를 함유하는 물질로 이루어질 수 있고, 또는 이에 제한되지 않고 세라믹 재질의 도가니를 사용할 수도 있음은 물론이며, 이때 탄소를 제공할 물질 또는 공급원 별도로 제공할 수 있다. 상세하게는 탄소 원료의 공급원으로 활용될 수 있는 그라파이트로 이루어질 수 있다.
가열 부재(130)는 도가니(110)를 가열하여 도가니(110)에 수용된 물질을 용융시키거나 가열하여 용융액(113)을 형성할 수 있다. 가열 부재(120)는 도가니(110)의 측벽(111)과 이격되어 위치할 수 있으며, 일 예로 도가니(110)의 측벽(111)과 이격된 상태로 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
본 명세서에서는 가열 부재(130)가 챔버(170) 내에 위치하는 실시예를 도시하였으나 이에 제한되지 않고 챔버(170) 외측에 위치하는 구성도 본 발명의 범주에 포함될 수도 있다.
가열 부재(130)는 유도 가열식 가열 부재이며, 구체적으로 가열 부재(130)는 인덕션 코일을 포함하고 인덕션 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써, 와류 전류에 의한 열 발생으로 도가니(110)를 가열하는 유도 가열 방식이다.
이와 같이 유도 가열을 이용하므로 도가니(110)의 측벽(111)은 잘 가열되는 반면, 도가니(110)의 중앙부는 잘 가열되지 않아 수평 방향의 온도 구배가 생긴다. 그리고 이는 도가니(110)의 크기가 커질수록 더욱 심해지는 경향을 나타내므로, 도가니(110) 하부벽(112) 근처에서 다결정의 생성을 촉진하는 문제가 있다.
반면, 본 발명에 따르면 단열 레이어(120)를 도가니(110)의 하부벽(112) 내부에 구비하고 있는 바, 하부벽(112)에서의 열손실을 줄여 상기 문제를 해결할 수 있다.
실리콘카바이드 종결정(150)은 실리콘카바이드 단결정이 성장되는 부분으로, 도가니(300) 내측의 상부 영역에 위치하여 종결정(150)의 하면은, 제조 공정에 따라 도가니(110) 내부에 위치하는 용융액(113) 표면과 접촉하도록 위치할 수 있다.
또한, 실리콘카바이드 종결정(150)은 실리콘카바이드 단결정으로 이루어진다. 실리콘카바이드 종결정(150)의 결정 구조는 제조하려는 실리콘카바이드 단결정의 결정 구조와 같다. 예를 들어, 4H 다형의 실리콘카바이드 단결정을 제조하는 경우, 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(150)을 이용할 수 있다. 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정(150)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 지지부재(140)는 종결정(150)이 용융액(113)에 접촉하거나, 접촉하지 않도록 상하 방향으로 이동 가능하게 하고, 종결정(150)을 회전시킬 수 있다.
회전 부재(160)는 도가니(110)의 하부벽(112)의 외면(112a)에 결합되어 도가니(110)를 회전시킬 수 있다. 이는 가열 부재(130)가 그 형태상 약간의 비대칭성을 가지고 있으므로 균일한 가열을 위함이다. 도가니(110)의 회전을 통해 균일한 조성의 용융액(113) 제공이 가능한 바 실리콘카바이드 종결정(150)에 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
이때, 회전 부재(160)의 축(B)은, 종결정 지지부(140)의 축(A)과 동일 연장선 상에 위치한다.
또한, 회전 부재(160)는 회전 부재(160)의 축(B)에 해당하는 부위에 도가니(110)의 하부벽(112)에서 반응 챔버(170)의 외부까지 연장되는 중공부(161)을 포함한다. 이는, 이후 설명할 온도계(190)으로서, 도가니(110)의 온도를 측정하는 온도계(190)가 중공부(161)을 통해 도가니(110)의 하부벽(112) 온도를 용이하게 측정하기 위함이다.
따라서, 도가니(110)의 하부벽(112)에는 반응 챔버(170)의 외부까지 연장되는 회전 부재(160)가 형성되므로, 하부벽(112) 외면에는 열손실을 방지하기 위한 단열재가 형성될 수 없다. 또한, 회전 부재(160)의 축(B)에 대응되는 부위에는 온도 측정을 위한 중공부(161)도 형성되므로, 도가니(110)의 하부벽(112)을 통한 열손실이 더욱 증가하게 된다.
이때, 본 발명에 따른 단열 레이어(120)는, 회전 부재(160)의 형성에 영향을 받지 않고, 하부벽(112)으로부터 열손실을 효과적으로 차단할 수 있는 바, 보다 균일한 온도 구배를 형성하여, 하부벽(112) 근처에서 온도 저하를 효과적으로 방지할 수 있는 바, 다결정의 성장을 방지하여 고품질의 SiC 단결정 성장이 가능하다.
반응 챔버(170)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이다. 반응 챔버(170) 내부는 일정한 압력 등의 분위기로 유지될 수 있다. 도시되지 않았으나 반응 챔버(170)에 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크가 연결될 수 있다. 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크를 이용하여 반응 챔버(170) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 기체와 같은 비활성 기체를 충전할 수 있다.
단열재(180)는, 도가니(110)와 가열 부재(130) 사이에서, 반응 챔버(170)의 외부로 연장되는 종결정 지지부(140)와, 회전 부재(160)의 형성위치를 제외한 도가니(110)의 외면을 둘러싸도록 형성되어, 도가니(110)로부터 열방출을 방지한다.
이러한 단열재(180)는 단열 레이어(120)와 마찬가지로, 열전도율이 낮고, 고온에서의 내열성을 가지는 물질이라면 한정되지 아니하고, 예를 들어, 그라파이트 섬유일 수 있다.
다만, 단열재(180)는 상기에서 설명한 바와 같이, 종결정 지지부(140)와, 회전 부재(160)의 형성 위치에는 형성될 수 없다. 이때, 종결정 지지부(140)가 형성되는 도가니(110)의 상부는 종결정 지지부(140)의 일단에 형성되는 종결정(150)에서 온도 구배에 의한 주위보다 낮은 온도를 형성하여, SiC 단결정을 성장시켜야 되므로, 문제되지 않으나, 회전 부재(160)가 형성되는 위치에서 콜드 스팟이 형성되면, 다결정의 성장이 문제될 수 있다.
그러나, 본 발명에 따르면, 도가니(110)의 하부벽(112)의 내부에 단열 레이어(120)를 구비하므로, 회전 부재(160)의 형성과 상관 없이 도가니(110)의 하부벽(112)에서의 열손실을 방지할 수 있으므로, 하부벽(112) 근처에서의 다결정 성장을 방지할 수 있다.
온도계(190)는 반응 챔버(170) 외부에서, 도가니(110)의 하부벽(112) 측, 구체적으로는, 회전 부재(160)가 형성되고, 회전 부재(160)의 중공부(161)에 대응하는 위치에 형성되어, 회전 부재(160)의 중공부(161)를 통해 도가니(110)의 온도를 측정한다.
이는 회전 부재(160)에 의해 도가니(110)가 회전되므로, 회전에 의해 위치 변경이 없는 도가니(110)의 정중앙 부분을 측정하기 때문이다.
한편, 일반적으로 용융액(113)의 온도는 통상 1800℃ 이상의 고온으로 형성되므로, 일반적인 온도계로는 온도를 측정할 수 없으며, 상기 온도 이상의 온도까지 측정할 수 있는 특수 온도계로 측정할 수 있다. 예를 들어, 방사 온도계를 사용하여 측정할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치(100)가 온도계(190)를 구비하여 도가니(110)의 정중앙부에서의 온도를 측정하기 위해서는 회전 부재(160)에서 축(B)에 대응하는 부위에 중공부(161)가 형성되어야 하고, 이로부터 상기 중공부 역시 열이 빠지는 통로로 작용하게 되므로, 이러한 열손실을 효과적으로 방지할 수 있어야 한다. 그러나, 기존의 단열재로는 이러한 손실을 막을 수 없는 바, 도가니(110)의 하부벽(112) 근처의 용융액(113)이 주변보다 낮은 온도로 인해 다결정이 석출되기 쉽다.
반면, 본 발명에 따르면, 단열 레이어(120)를 도가니(110)의 하부벽(112) 내부에 포함함으로써 상기와 같은 열손실을 효과적으로 방지할 수 있어, 상기와 같은 구조에서 더욱더 효과적이다.
이하에서는, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예에 따른 도가니 내의 용융액의 온도 차의 시뮬레이션 이미지를 도시하였다.
도 3은 실시예에 따른 도가니 내의 용융액의 온도 차 시뮬레이션 이미지이며, 도 4는 비교예에 따른 도가니 내의 용융액의 온도 차 시뮬레이션 이미지이다.
우선 도 3는 도 1에 도시한 바와 같은 구조의 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 사용하였고, 단열 레이어는 하나의 층으로 그라파이트 섬유로 구성되었다. 단열 레이어의 두께는 도가니의 하부벽 두께의 25%의 두께(약 5mm)이며, 그 넓이는 하부벽 외면의 48%(약 36cm2)이다.
용융액 원료의 구성은 실리콘 60%, 크롬 40%로 하였다.
온도 분포 시뮬레이션은 결정성장 전문 시뮬레이션 프로그램인 CGSim(Ver.18.3, STR社, 러시아)을 이용하였고, 온도 측정의 기준점은 도가니의 중앙 하부 외곽면으로 하였으며, 기준 온도는 1900도로 설정하였다.
도 3을 참조하면, 도가니 내의 온도 구배도 보다 균일하고(△T = 0.7℃), 하부벽 근처의 온도가 낮아짐 없이 종결정 근처가 가장 낮은 온도이므로, 과포화 용액이 형성되어 단결정이 잘 성장할 것이라는 것을 예상할 수 있다.
도 4는 도 3에서 단열 레이어가 없는 것을 제외하고는 동일한 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 사용하였다.
도 4를 참조하면, 도가니 내의 온도 구배도 크며(△T = 1.7℃), 용융액 중앙 하부, 즉, 도가니의 하부벽 근처의 온도가 가장 낮아, 이부분에서 용액이 과포화되므로, 다결정이 석출될 것을 예상할 수 있는 바, SiC 단결정의 품질이 저하된다.
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.

Claims (10)

  1. 측벽과 하부벽을 포함하고 상면이 개방되어 용융액의 수용 공간을 형성하는 도가니,
    상기 도가니의 측벽을 둘러싸는 가열 부재,
    상기 도가니 내측으로 연장되는 종결정 지지부,
    상기 종결정 지지부의 일단에 연결된 실리콘카바이드(SiC) 종결정;
    상기 도가니의 하부벽 외면에 결합되어 도가니를 회전시키고, 상기 종결정 지지부의 축과 동일 연장선 상에 위치하는 상기 회전 부재의 축을 가지는 회전 부재; 및
    상기 도가니를 내장하는 반응 챔버를 포함하고,
    상기 도가니는, 하부벽의 내부에 1층 이상의 단열 레이어를 포함하는, 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 1층 이상의 단열 레이어는 열전도율이 24 ~ 26℃ 기준 1W/m·K 이하인 물질로 구성되는 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 1층 이상의 단열 레이어는 1800℃ 이상의 내열성을 가지는 물질로 구성되는 실리콘카바이드 단결정 제조 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에서,
    상기 1층 이상의 단열 레이어는 그라파이트 섬유로 구성되는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 1층 이상의 단열 레이어의 총 두께는 도가니를 이루는 하부벽 두께의 10% 내지 80%인 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 1층 이상의 단열 레이어는 하부벽의 중심부를 포함하도록 위치하고, 하부벽 외면의 전체 면적을 기준으로, 10% 내지 70%의 면적을 가지도록 형성되는 실리콘카바이드 단결정의 제조장치.
  7. 제1항에서,
    상기 도가니는 그라파이트로 이루어진 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 도가니의 외주면은 원통형인 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는, 상기 도가니와 가열 부재의 사이에서, 반응 챔버 외부로 연장되는 종결정 지지부와 회전 부재의 형성위치를 제외한 도가니의 외면을 둘러싸도록 형성되어 도가니로부터 열방출을 방지하는 단열재를 더 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
  10. 제1항에서,
    상기 회전 부재는 회전 부재의 축에 해당하는 부위에 도가니 하부벽에서 반응 챔버 외부까지 연장되는 중공부를 가지고, 상기 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치는, 상기 반응 챔버 외부에서, 도가니의 하부벽 측에 위치하여 상기 회전 부재의 중공부를 통해 도가니의 온도를 측정하는 온도계를 더 포함하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치.
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