KR20220013153A - 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조 및 이를 위한 장입방법 - Google Patents

승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조 및 이를 위한 장입방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면 원료가 장입되는 도가니, 상기 도가니의 내부에 배치되고, 상부에 구비된 종자정에 증착될 원료가 장입되는 원료장입부 및 상기 도가니를 가열하는 가열부를 포함한 승화식 단결정 증착기에 제공되는, 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조로서, 상기 원료장입부에 제1입경인 제1원료 및 상기 제1원료와 물리적으로 분리되고, 상기 제1입경보다 큰 제2입경인 제2원료를 포함 포함한다.

Description

승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조 및 이를 위한 장입방법{Raw material charging structure of sublimation single crystal deposition machine and charging method therefor}
본 발명은 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조 및 이를 위한 장입방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 승화 속도 제어가 용이한 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조 및 이를 위한 장입방법에 관한 것이다.
단결정을 증착시키는 방법에는 다양한 방법이 있다. 그 중 승화식 단결정 증착기는 도가니에 원료를 넣고 물리적으로 가열하여 승화시킨 후 상부에 구비된 저온의 종자정에서 증착되는 방법이다.
이때, 도가니의 상부는 저온으로 유지해야 하므로, 상부를 통해 원료를 가열할 수 없다. 즉, 원료의 상면 중 특히 중앙부분은 도가니의 가장자리에 비하여 저온으로 유지된다. 따라서, 주변에 비하여 저온에 해당되는 상면 중앙부는 온도가 낮아서 재결정화에 의한 입자성장이 일어나거나 승화가 느리게 일어나기 쉽다.
부위별로 승화 속도가 다르면, 종자정에서 증착이 균일하게 일어나지 않는 문제가 있다.
또한, 중앙에서 재결정화에 의한 입자성장이 일어나면 중앙에서의 승화속도가 크게 낮아지므로 증착 불균일이 더욱 심하게 일어나는 문제가 있다.
이를 해결하기 위한 발명으로 특허문헌1은 부위별 온도를 상이하게 가열하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 다수의 가열수단을 독립하여 제어하기 위하여 별도의 가열 수단을 구비해야 한다는 문제가 있다.
한편, 전술한 배경기술은 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
일본 등록특허 제5510421호 (2014.04.04)
본 발명의 일 실시예는 부위별 승화속도가 균일한 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 다져짐(compacted) 없이 다층구조로 장입하는 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 원료가 장입되는 도가니, 상기 도가니의 내부에 배치되고, 상부에 구비된 종자정에 증착될 원료가 장입되는 원료장입부 및 상기 도가니를 가열하는 가열부를 포함한 승화식 단결정 증착기에 제공되는, 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조로서, 상기 원료장입부에 제1입경인 제1원료 및 상기 제1원료와 물리적으로 분리되고, 상기 제1입경보다 큰 제2입경인 제2원료를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1입경은 500㎛이하일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제2입경은 1mm이상 11mm이하일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1원료와 상기 제2원료를 분리하는 분리층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 분리층은 다공성 흑연을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 제1원료 및 상기 제2원료는 SiC이고, 상기 종자정은 SiC 단결정일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 제2원료는 상기 원료장입부의 내측에 제공되고, 상기 제1원료는 상기 제2원료를 포위하도록 환형구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 제2원료는 상기 제1원료의 하부와 측부를 포위하는 오목구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 제2원료는 계단구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 제1원료는 상기 원료장입부의 내측에 제공되고, 상기 제2원료는 상기 제1원료를 포위하도록 환형구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 상기 제1원료는 상기 제2원료의 하부와 측부를 포위하는 오목구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 상기 제1원료는 계단구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법은, 승화식 단결정 증착기의 원료장입부에 승화 원료를 장입하는 방법에 있어서, 기설정된 높이만큼 제1입경의 제1원료를 장입하는 제1층 장입 단계 및 상기 1층 위의 제1 중심영역에 상기 제1입경과 상이한 제2입경의 제2원료를 채우고, 상기 제1중심영역을 포위하는 제1주변영역에 상기 제1원료를 채우는 제2층 장입 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 상기 제2층 장입 단계는, 상기 제1중심영역을 포위하도록 분리층을 형성하는 단계; 상기 제1중심영역에 상기 제2원료를 채우는 단계 및 상기 분리층을 포위하도록 상기 제1주변영역에 상기 제1원료를 채우는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 상기 분리층은 흑연 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 상기 분리층은 다공성일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 상기 제2층 장입 단계는,
상기 제1중심영역을 포위하도록 분리층을 형성하는 단계;
상기 분리층을 포위하도록 상기 제1주변영역에 상기 제1원료를 채우는 단계; 및
상기 제1중심영역에 상기 제2원료를 채우는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 의하면, 상기 제2층 장입단계 이후에, 상기 2층을 장입하는 단계에 채워진 2층 위의 제2 중심영역에 제2원료를 먼저 채우고, 상기 2층 위의 제2 주변영역에 제1원료를 채우는 3층을 장입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 승화식 단결정 증착기에 승화원료를 장입하는 방법은, 승화식 단결정 증착기의 원료장입부에 승화 원료를 장입하는 방법에 있어서, 상기 원료장입부의 중심영역과 상기 중심영역을 포위하는 주변영역을 분리하는 분리층을 삽입하는 단계 및 상기 중심영역에 제1입경의 제1원료를 채우고, 상기 주변영역에 상기 제1입경과 상이한 제2입경의 제2원료를 채우는 원료 장입 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 상기 원료 장입 단계 이후에 상기 분리층을 제거할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예에는 장입원료의 표면 전체의 승화기체의 양이 균등한 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예는 장입원료의 표면 전체의 승화율이 균등한 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예는 원료가 압력받는 것을 최대한 피하면서 오목구조를 형성하는 승화식 단결정 증착기에 승화원료를 장입하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조에서 승화기체의 흐름을 나타낸 구조도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 도 7의 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 위한 분리층의 구조를 나타낸 구조도이다.
도 9는 도 7의 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 설명하기 위한 단계별 구조를 나타낸 구조도들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조의 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 나타낸 순서도이다.
도 11 및12는 도 10의 다층구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 설명하기 위한 단계별 구조를 나타낸 구조도들이다.
도 13은 비교예에 따른 승화식 단결정 증착기의 장입구조와 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조의 온도 분포를 비교한 시뮬레이션 그래프이다.
도 14는 비교예에 따른 승화식 단결정 증착기의 장입구조와 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조의 온도 흐름을 비교한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 “중심영역”, “제1중심영역”, “제2중심영역”은 장입된 원료의 상면 가운데에서 수직으로 내린 선을 중심으로 가까운 영역에 해당하는 부분을 의미한다.
본 명세서에서 “주변영역”, ”제1주변영역”, “제2주변영역”은 장입된 원료의 상면 가운데에서 수직으로 내린 선을 중심으로 먼 영역에 해당하는 부분을 의미하며, “주변영역”, “제1주변영역”, “제2주변영역”은 상기 “중심영역”, “제1 중심영역” 및 “제2 중심영역”과 구분되어 상기 영역들을 포위하는 영역을 의미한다.
본 명세서에서 ““중심영역”, “제1 중심영역”, “제2 중심영역”과 “주변영역”, “제1 주변영역”, “제2 주변영역”의 크기는 특별하게 한정되지 않으며, 장입된 원료의 상면 가운데에서 수직으로 내린 선을 기준으로 상대적으로 가까운 영역이 “중심영역”, “제1 중심영역”, 제2 중심영역”으로 지칭될 수 있으며, 장입된 원료의 상면 가운데에서 수직으로 내린 선을 기준으로 상대적으로 먼 영역이 “주변영역”, “제1 주변영역”, “제2 주변영역”으로 지칭될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
도 1을 참조하면, 승화식 단결정 증착기는 종자정(110)에 원료의 단결정을 증착 또는 성장시키기 위한 장치로서, 원료가 장입되는 도가니(150), 도가니(150)의 내부에 배치되고, 상부에 구비된 종자정(110)에 증착될 원료가 장입되는 원료장입부(120, 130, 160) 및 도가니(150)를 가열하는 가열부를 포함한다.
여기서, 승화식 단결정 증착기에 제공되는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 장입구조는 원료장입부(120, 130, 160)에 제1입경의 제1원료(120) 및 제1원료(120)와 물리적으로 분리되고, 제1입경보다 큰 제2입경인 제2원료(130)를 포함한다.
도가니(150)는 탄소로 구성될 수 있다. 도가니(150)에 원료가 장입되며 도가니(150)는 원료의 승화점 이상으로 가열된다. 원료의 승화점이 높은 경우 도가니(150)는 그보다 높은 온도까지 견딜 수 있어야 한다. 또한, 가열부(140)로서 RF가열기를 사용할 경우 전도성도 높아야 한다. 이러한 요소를 모두 갖춘 재질로서 탄소가 있다. 그러나, 도가니(150)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 금속 중 고온에 견딜 수 있는 텅스텐 등의 소재를 사용할 수도 있다.
종자정(110)은 승화된 원료가 증착되는 시드일 수 있다. 따라서, 종자정(110)은 승화기체(昇華氣體, 180)가 증착될 때 형성되는 원료와 동일한 것이 바람직하다. 물론 동종의 단결정 이외에도 격자상수만 유사하다면 증착 자체는 가능하므로, 종자정(110)은 비정질 SiC 또는 흑연 시드일 수 있으며, 사파이어와 같이 육방정계의 단결정일 수 있다.
종자정(110)은 단결정일 수 있으며, 존 리파이닝(Zone refining), 인상법(초크랄스키법) 등 단결정을 만드는 어떠한 방법을 사용하여 제작하여도 무방하다.
원료장입부(120, 130, 160)는 도가니(150)의 하단에 원료가 장입되는 영역을 의미한다. 원료장입부(120, 130, 160)는 열을 제공하는 도가니(150)에 둘러싸여 있으므로 외부로부터 열을 주입받는다.
원료장입부(120, 130, 160)는 도가니 안의 전 영역일 수 있으나, 실질적으로는 도가니 전체의 높이에서 2/3이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 원료장입부(120, 130, 160)와 종자정(110)은 서로 이격될 수 있으며, 원료장입부(120, 130, 160)에 제공된 원료 표면에서 종자정(110)에 이르는 온도구배가 형성되며, 원료 표면에서 승화된 승화기체(180)가 종자정(110)에서 증착될 수 있다.
승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 제1입경의 제1원료(120) 및 제1원료(120)와 물리적으로 분리되고 제1입경보다 큰 제2입경인 제2원료(130)가 장입된 구조이다. 다시 말해서, 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 장입원료의 입경이 상이한 두 가지 이상의 원료가 구역별로 분리되어 장입된 구조이다. 따라서, 제1입경과 제2입경은 상이하며, 장입 높이 또는 장입 위치가 상이할 수 있다.
제1입경은 500㎛이하일 수 있으며, 제2입경은 1mm이상 11mm이하일 수 있다. 즉, 제1입경과 제2입경은 2배 이상 차이가 나는 것이 바람직하다.
제1원료(120)의 소재종류는 제2원료(130)의 소재종류와 동일한 편이 좋으나, 상이하여도 무방하다.
예를 들어, 제1원료(120)와 제2원료(130)는 SiC이고 종자정(110)도 SiC단결정일 수 있다. SiC 단결정은 큰 밴드갭을 가진 반도체로서 활용되고 있다. SiC의 대표적인 상업적 제조방법이 승화식 단결정 증착기를 사용하는 것이다. 본 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 SiC를 제작하기 위한 승화식 단결정 증착기에 활용될 수 있다.
SiC는 순물질이므로 증착원료 역시 순물질인 SiC일 수 있다. 제1원료(120)와 제2원료(130)가 동일한 종류의 물질인 경우 승화속도는 온도와 입경에만 좌우되므로 시뮬레이션 및 구현에 유리하다.
제1 원료(120)와 제2 원료(130)는 서로 물리적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 제1 원료(120)가 중심영역에 배치되고, 제2 원료(130)가 주변영역에 배치될 수 있다. 또한, 반대로 제2 원료(130)가 중심영역에 배치되고, 제1 원료120)가 중심영역에 배치될 수 있다.
또한, 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 제1원료(120)가 제2원료(130)의 하부와 측부를 포위하는 오목구조일 수 있으며, 제1원료(120)는 계단구조일 수 있다.
승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 제1원료(120)와 제2원료(130)의 물리적 분리를 더 명확히 하기 위하여 분리층(160)을 더 포함할 수 있다.
분리층(160)은 다공질일 수 있다. 이에, 분리층(160)은 제1원료(120)와 제2원료(130)를 물리적으로 분리하면서 동시에 제1원료(120)의 승화기체(180)와 제2원료(130)의 승화기체(180)의 흐름을 방해하지 않을 수 있다. 만약, 비공질의 분리층이 사용되는 경우, 승화기체(180)가 분리층(160)의 표면에서 정체될 수 있으며, 승화기체(180)가 과잉가열되거나 분리층(160)의 표면에서 증착될 수 있다.
분리층(160)은 흑연일 수 있다. 분리층(160)은 원료가 고온으로 승화되는 온도에도 승화하지 않는 것이 바람직하다. 따라서 도가니(150)와 동일한 원소로 만드는 것이 바람직하다. 특히 원료가 SiC인 경우 탄소가 증착의 이물질로서 작용하지 않기 때문에 유리하다.
도가니(150)가 가열되는 경우 도가니(150)에 주입된 열이 외부로 빠져나가는 것을 막기 위하여 도가니(150)의 외부에 단열재(170)를 더 포함할 수 있다. 단열재(170)는 흑연 펠트일 수 있다. 단열재(170)는 열전도율이 낮고, 열질량이 적고, 열 안정성이 좋고, 정성가스 또는 증기의 흡착율이 낮으며 내식성이 우수한 소재가 바람직하기 때문이다. 흑연 펠트는 위의 장점을 가진 대표적인 단열소재이다.
도가니(150)의 외부에 가열부(140)를 포함할 수 있다. 가열부(140)는 도가니(150)에 교류전원을 가해주는 RF식 가열기일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조에서 승화기체의 흐름을 나타낸 구조도이다.
제1원료(120) 및 제2원료(130)의 입경이 상이하므로 승화기체(180)는 각 원료에서 상이하게 거동한다. 원료의 입경에 따른 승화속도, 열전도도, 입자 사이의 기공 크기에 차이가 있기 때문이다.
종류 분말크기 승화속도 열전도도 기공크기
제1원료 미립 빠름 낮음 작음
제2원료 조립 느림 높음 큼
상기 [표1]은 제1원료(120) 및 제2원료(130)에서 승화속도, 열전도도, 기공크기를 나타낸 표이다.
입경이 작을수록 곡률이 크다. 따라서, 입자 표면의 원자는 상대적으로 높은 에너지 상태에 있다. 따라서, 고온에서 승화속도가 높다. 또한, 입자가 작을수록 동일한 거리 내에 입자의 수가 많으므로, 동일한 거리에서 열전도를 위해 열이 통과해야 하는 입자의 수가 많아질 수 있다. 입자와 입자 사이에는 접하는 면적이 작으므로 통과하는 입자의 수가 많을수록 열 전도도는 낮아진다. 또한, 입자의 크기와 기공의 크기는 비례하므로 입자의 크기가 작은 제1원료(120)는 기공의 크기가 작다. 따라서, 승화기체(180)의 흐름이 제1원료(120) 쪽이 제2원료(130)에 비하여 느린 특성을 갖는다.
도가니(150)는 외부에서 내부의 원료로 열을 전달하므로 원료의 입장에서는 가장자리일수록 온도가 높다. 따라서 주변영역의 승화는 빠르게 일어나고, 상대적으로 저온인 원료 상부의 중심영역은 저온으로서 쉽게 증착(재결정화에 의한 입자성장)된다. 이 경우 원료의 상부 중심영역은 기공이 막혀서 승화기체(180)를 배출하지 못하게 된다.
승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 제1원료(120)가 제2원료(130)의 하부와 측부를 포위하는 오목구조일 수 있다. 이 경우 제1원료(120)에서 승화된 다량의 승화기체(180)가 기공의 크기가 커서 상대적으로 빠져나가기 쉬운 제2원료(130)를 통해 빠져나가게 된다. 따라서, 중심의 승화기체(180)가 증대되어서 중심과 가장자리의 승화기체(180)의 부분압이 일정하게 유지되는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 제1원료(120)와 제2원료(130)는 도2의 장입구조와 반대되는 구조로 장입될 수 있다. 즉, 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 제2원료(130)가 제1원료(120)의 하부와 측부를 포위하는 오목구조일 수 있다.
전술한 바와 같이 원료의 중심영역은 주변영역에 비하여 온도가 낮다. 따라서, 동일한 입경인 경우 중심영역의 승화율이 주변영역의 승화율보다 낮다. 이 경우 승화가 쉬운 제1원료(120)가 상대적으로 온도가 낮은 중심영역에 배치되어 중심영역의 승화율을 높일 수 있다. 따라서, 전체적으로 균일한 속도로 승화가 일어날 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1원료(120) 또는 제2원료(130)가 중심영역에 구비된 원료의 하부 및 측부를 포위하는 구조이며, 제1원료(120) 또는 제2원료(130)는 중심영역으로 다가갈수록 높이가 낮아지는 계단구조일 수 있다. 계단 구조는 오목구조와 유사한 효과를 갖는다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 제1원료(120)와 제2원료(130)가 각각 1개 층으로 적층된 2층 구조일 수 있다. 예를 들어, 제1 원료(120)가 하부 1층에 배치되고, 제2 원료(130)가 상부 2층에 배치될 수 있다. 제1원료(120)와 제2원료(130)의 순서가 반대일 수 있다.
입경이 상대적으로 작은 제1원료(120) 위에 입경이 상대적으로 큰 제2원료(130)가 적층된 경우 제2원료(130)는 기공이 크므로 하부의 제1원료(120)에서 생성된 승화기체(180)를 용이하게 투과시킬 수 있다. 따라서 장입된 원료의 하부가 과도하게 가열되는 것을 막을 수 있다.
입경이 상대적으로 큰 제2원료(130) 위에 입경이 상대적으로 작은 제1원료(120)가 적층된 경우 제1원료(120)가 제2원료(130)보다 쉽게 승화되기 때문에 제1원료(120)와 제2원료(130)의 승화속도가 유사하게 제어될 수 있다.
평행한 2개층으로 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 형성할 때에는 분리층(160)이 불필요하다. 이는 도 9를 참조하여 후술한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 입경이 상대적으로 큰 제2원료(130)가 원료장입부의 내측에 제공되고, 입경이 상대적으로 작은 제1원료(120)는 제2원료(130)를 포위하도록 환형구조로 제공될 수 있다.
또는 입경이 상대적으로 작은 제1원료(120)가 원료장입부의 내측에 제공되고 입경이 상대적으로 큰 제2원료(130)는 제1원료(120)를 포위하도록 환형구조로 제공될 수 있다.
제1원료(120)와 제2원료(130)가 섞이지 않도록 분리층(160)이 제1원료(120)와 제2원료(130)의 사이에 구비될 수 있다.
제1원료(120)가 제2원료(130)에 비하여 승화속도가 빠르므로 제1원료(120)가 주변영역에 구비된 경우 제2원료(130)를 통해 중심영역으로 승화기체(180)가 배출될 수 있다.
제2원료(130)가 주변영역에 구비된 경우 온도가 상대적으로 낮은 중심영역의 제1원료(120)가 주변영역의 제2원료(130)와 유사한 속도로 승화되는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조를 나타낸 구조도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 제1원료(120)가 제2원료(130)의 하부와 측부를 포위하는 오목구조일 수 있다. 또는 제2원료(130)가 제1원료(120)의 하부와 측부를 포위하는 오목구조일 수 있다. 효과는 도 1 내지 도 3에서 설명한 계단식 구조와 동일하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 나타낸 순서도이다.
승화식 단결정 증착기의 장입구조에서 승화원료 사이의 공극이 중요하다. 승화기체(180)는 공극을 통해 빠져나가는데, 깊숙한 곳에 있는 원료의 승화기체(180)가 배출되지 않으면, 승화가 제대로 일어나지 않기 때문이다. 장입된 원료를 누른다면 공극이 줄어드는 다짐작용(compaction)이 일어난다. 따라서, 장입을 할 때 승화원료가 최대한 상하방향으로 눌리지 않고 빈틈없이 채워지는 방식으로 장입하는 것이 중요하다. 이를 위하여 아래와 같이 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법을 수행한다.
승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법은 원료장입부의 중심영역과 중심영역을 포위하는 주변영역을 분리하는 분리층(160)을 삽입하는 단계(S710) 및 중심영역에 제1입경의 제1원료(120)를 채우고 주변영역에 제1입경과 상이한 제2입경의 제2원료를 채우는 원료장입단계(S720)를 포함한다. 이하 도 8을 참조하여 분리층(160)에 대하여 설명하고, 도 9를 참조하여 원통형 장입구조를 설명한다.
도 8은 도 7의 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 위한 분리층의 구조를 나타낸 구조도이다.
분리층(160)은 제1원료(120)와 제2원료(130)의 장입구조에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, (a)에 도시된 바와 같이, 상면이 없는 컵모양으로 형성될 수 있다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이, 컵의 하단 중심영역에 관통구(810)를 포함하는 구조일 수 있다. 또한, (c)에 도시된 바와 같이, 상면이 없는 컵모양의 구조물 상에 컵의 하단에 관통구(810)를 포함하는 컵모양의 구조물이 적층되어 역피라미드 형태로 구성될 수 있다.
분리층(160)은 내외부에 승화기체(180)를 자유롭게 투과하기 위한 구조이다. 따라서, 분리층(160)은 공극률이 30%이상의 다공성 흑연인 것이 바람직하다. 그러나, 공극률이 높아지면 흑연의 밀도가 저감하고, 열전도도가 떨어질 수 있다. 분리층(160)이 분리층(160)의 외부의 열을 내부로 전달하지 않으면 중심영역이 가열되지 않고, 중심영역의 승화가 원활히 일어나지 않는다. 따라서 열 전도도를 높이기 위하여 공극률은 70%이하이고, 분리층(160)의 밀도가 1g/cm3이상인 것이 바람직하다.
분리층(160)은 가능한 높은 순도인 것이 원료의 오염을 방지할 수 있어서 바람직하다. 따라서 분리층(160)의 순도는 99.9%이상인 것이 바람직하다.
도 9는 도 7의 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 설명하기 위한 단계별 구조를 나타낸 구조도들이다.
도 9를 참조하면, 우선 분리층(160)이 먼저 장입된다. 분리층(160)이 먼저 장입되어서 제1원료(120)와 제2원료(130)가 구분되면, 제1원료(120)와 제2원료(130)가 섞이는 일이 방지될 수 있다.
분리층(160)의 내부에 제2원료(130)가, 외부에 제1원료(120)가 장입된다. 제2원료(130)와 제1원료(120) 중 어느 것이 먼저 들어가도 무방하다. 도 9에서 묘사한 장입구조는 중심영역에 제2원료(130)가 장입되고 주변영역에 제1원료(120)가 장입된 구조이다. 중심영역에 제2원료(130)가, 주변영역에 제1원료(120)가 장입된 경우 도 2에서 설명한 바와 같이 장입원료의 표면 전체에서 승화기체(180)의 농도가 균일하게 제어되는 효과가 있다.
제1원료(120)와 제2원료(130)의 장입위치가 바꾸어 장입될 수도 있다. 다시 말해서, 중심영역에 제1원료(120)가 장입되고 주변영역에 제2원료(130)가 장입된 구조를 형성할 수 있다. 이 경우 도 3에서 설명한 바와 같이 중심영역과 주변영역의 승화 속도가 유사하게 제어되는 효과가 있다.
도 9와 같이 원통형인 분리층(160)을 사용하는 경우 장입 후 분리층(160)을 뽑아내는 방법으로 분리층을 제거할 수 있다.
도 4와 같이 중심영역과 주변영역이 아닌 상층과 하층으로 분리된 구조인에서 분리층(160)이 없어도 장입과정에서 섞일 염려가 없다. 따라서, 분리층(160)이 생략될 수 있다.
이상의 설명과 같이 단층구조인 경우 분리층(160)을 칸막이로 형성하여 장입하는 것으로 충분하다. 이하 다층구조를 형성하는 다른 방법에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조의 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 나타낸 순서도이고, 도 11 및12는 도 10의 다층구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법을 설명하기 위한 단계별 구조를 나타낸 구조도들이다.
다층구조의 승화식 단결정 증착기의 원료 장입방법은, 기설정된 높이만큼 제1입경의 제1원료(120)를 장입하는 제1층 장입단계(S1010) 및 1층 위의 제1 중심영역에 제1입경과 상이한 제2입경의 제2원료(130)를 장입하고, 제1중심영역을 포위하는 제1주변영역에 제1원료(120)를 채우는 제2층 장입단계(S1020)를 포함한다.
제3층(1220)을 형성하기 위하여, 제2층 장입단계 이후에 제2층 장입단계(S1020)에 채워진 제2층(1130) 위의 제2중심영역에 제2원료(130)를 먼저 채우고, 제2층(1130) 위의 제2 주변영역에 제1원료(120)를 채우는 제3층 장입단계(S1030)를 더 포함할 수 있다.
제2층 장입단계(S1020)는 도 11에 도시된 바와 같이 3단계에 걸쳐 수행된다.
(a)와 같이 제1중심영역을 포위하도록 제1분리층(1120)이 형성된다.(S1022)
제1분리층(1120)은 최초로 장입되는 제2원료(130)가 제1중심영역을 벗어나서 제1주변영역까지 혼입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 만일 제1원료(120)가 먼저 장입된다면, 제1원료(120)가 제1주변영역을 벗어나서 제1중심영역까지 혼입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 제1층(1110)이 눌려서 공극이 줄어들지 않도록 제1분리층(1120)이 제1층(1110)위에 놓일 수 있다.
제1중심영역에 제2원료(130)를 채운다.(S1024)
제1분리층(1120)을 포위하도록 제1주변영역에 제1원료(120)를 채운다.(S1026)
제1원료(120)와 제2원료(130) 중 어느 것을 먼저 채워도 무방하다. 즉 제1분리층(1120)을 포위하도록 제1주변영역에 제1원료(120)를 채우고, 제1중심영역에 제2원료(130)를 채우는 것도 무방하다.
중심영역의 구조를 역피라미드 구조로 형성할 수 있다. 제1중심영역은 제1층(1110)과 상이한 제2원료(130)를 채우기 때문에 제1중심영역은 제1층(1110)과도 분리되어야 한다. 따라서 제1분리층(1120)은 하면이 막힌 컵모양으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 12의 (d) 내지 (f)를 참조하면, 제3층 장입 단계(S1030)는 제2중심영역을 포위하도록 제2분리층을 형성하는 단계, 제2중심영역에 제2원료(130)를 채우는 단계 및 제2분리층(1210)을 포위하도록 제2주변영역에 제1원료(120)를 채우는 단계를 포함할 수 있다. 제2분리층(1210)은 제1분리층(1120)보다 클 수 있다. 중심영역의 구조를 역피라미드 구조로 형성한다면, 상부에 위치한 제2중심영역의 크기는 하부에 위치한 제1중심영역의 크기보다 커야 하기 때문이다.
또한. 제2분리층(1210)은 제1분리층(1120)의 상부의 넓이만큼 제2분리층(1210)의 하면에 관통구(810)를 구비할 수 있다.
관통구(810)는 분리층(160)보다 승화기체(180)를 원활히 통과시키므로 제1분리층(1120) 내부에 장입된 제2원료(130)에서 올라오는 승화기체(180)가 제2분리층(1210) 내부로 쉽게 이동할 수 있다.
도 13은 비교예에 따른 승화식 단결정 증착기의 장입구조와 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조의 온도 분포를 비교한 시뮬레이션 그래프이다.
(a)는 비교예에 따른 승화식 단결정 증착기의 장입구조를 승화시킬 때의 온도 분포를 나타낸 시뮬레이션 그래프이다. 미세원료로만 채웠으므로 승화기체(180)는 쉽게 배기되기 어렵다. 승화기체(180)가 제대로 배출되지 않으므로 열의 유동이 어렵다. 따라서, 온도구배선이 수평방향으로 중심까지 고온으로 유지될 수 있으며, 이로 인하여 승화기체(180)가 표면으로 쉽게 이동하지 않게 된다. 이를 (a)에서 확인할 수 있다.
(b)는 도 6의 (a)에 도시된 것과 같이 오목한 구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조이고, (c)는 도 2에 도시된 것과 같이 다층구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조에서 온도분포를 나타낸 시뮬레이션 그래프이다. 두 그래프의 온도 구배를 살펴보면, 고온인 외부로부터 내부로 열이 전달됨은 비교예인 (a)와 동일하지만, 중심영역의 제2원료(130)에서 승화기체(180)가 급격히 상승하므로 제2원료(130) 근처의 온도 구배가 상향으로 급격히 꺾이는 것을 볼 수 있다. 특히 (b)의 경우 비교적 낮은 온도에서 승화가 일어나므로 원료 표면에서 종자정(110)사이의 온도 구배가 크다. 따라서, 종자정(110)에서 증착이 보다 원활히 일어날 수 있음을 알 수 있다.
도 14는 비교예에 따른 승화식 단결정 증착기의 장입구조와 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조의 온도 흐름을 비교한 그래프이다.
시뮬레이션을 통해 얻은 도가니(150) 내 온도구배를 화살표로 나타낸 것으로 화살표가 진할수록 더 높은 온도 차이를 나타낸다.
(a)는 비교예인 승화식 단결정 증착기의 장입구조를 승화시킬 때의 온도 분포를 나타낸 시뮬레이션 그래프이다.
원료의 중심을 향해 우측면에서 좌측으로 화살표가 수평으로 이동하며 표면근처에서 상부로 향하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 주변영역(도면 우측)에서 진한 화살표가 보이고 중심영역(도면 죄측)에서 화살표가 흐리다. 즉, 중심의 승화기체의 농도가 주변의 승화기체의 농도보다 낮다.
다시 말해서, 비교예인 승화식 단결정 증착기의 장입구조에서 원료 표면의 중심영역에서 승화기체(180)의 농도가 낮은 문제를 확인할 수 있다.
(b)는 도 6의 (a)에 도시된 것과 같이 오목한 구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조이고, (c)는 도 2에 도시된 것과 같이 다층구조인 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조에서 온도분포를 나타낸 시뮬레이션 그래프이다.
우측면에서 좌측으로 화살표가 수평으로 이동하는 것은 유사하나, 제2원료(130)가 장입된 중심영역에서 급격히 상향으로 화살표가 꺾이는 것을 확인할 수 있다.
다시 말해서, 도시된 바와 같이 (a)보다 (b)와 (c)는 원료의 중심영역의 온도구배가 심하며, 온도구배를 따라 승화기체(180)가 이동하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, (b)와 (c)에서 원료 표면의 중심영역에서 승화기체(180)가 대량으로 배출되므로 승화기체(180)가 (a)에 비해 중심영역과 주변영역에 균일한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 종자정 120: 제1원료
130: 제2원료 140: 가열부
150: 도가니 160: 분리층
170: 단열재 180: 승화기체
810: 관통구 1110: 제1층
1120: 제1분리층 1130: 제2층
1210: 제2분리층 1220: 제3층

Claims (20)

  1. 원료가 장입되는 도가니, 상기 도가니의 내부에 배치되고, 상부에 구비된 종자정에 증착될 원료가 장입되는 원료장입부 및 상기 도가니를 가열하는 가열부를 포함한 승화식 단결정 증착기에 제공되는, 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조로서,
    상기 원료장입부에 제1입경인 제1원료; 및
    상기 제1원료와 물리적으로 분리되고, 상기 제1입경보다 큰 제2입경인 제2원료를 포함하는 것을 특징으로하는, 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1입경은 500㎛이하인 것을 특징으로 하는, 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2입경은 1mm이상 11mm이하인 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조는 상기 제1원료와 상기 제2원료를 분리하는 분리층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분리층은 다공성 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1원료 및 상기 제2원료는 SiC이고, 상기 종자정은 SiC 단결정인 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2원료는 상기 원료장입부의 내측에 제공되고, 상기 제1원료는 상기 제2원료를 포위하도록 환형구조로 제공되는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2원료는 상기 제1원료의 하부와 측부를 포위하는 오목구조로 제공되는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2원료는 계단구조로 제공되는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1원료는 상기 원료장입부의 내측에 제공되고, 상기 제2원료는 상기 제1원료를 포위하도록 환형구조로 제공되는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1원료는 상기 제2원료의 하부와 측부를 포위하는 오목구조로 제공되는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1원료는 계단구조로 제공되는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기의 원료 장입구조.
  13. 승화식 단결정 증착기의 원료장입부에 승화 원료가 장입되는 방법에 있어서,
    기설정된 높이만큼 제1입경의 제1원료를 장입하는 제1층 장입 단계; 및
    상기 1층 위의 제1 중심영역에 상기 제1입경과 상이한 제2입경의 제2원료를 장입하고, 상기 제1중심영역을 포위하는 제1주변영역에 상기 제1원료를 채우는 제2층 장입 단계;
    를 포함하는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2층 장입 단계는,
    상기 제1중심영역을 포위하도록 제1분리층을 형성하는 단계;
    상기 제1중심영역에 상기 제2원료를 채우는 단계; 및
    상기 제1분리층을 포위하도록 상기 제1주변영역에 상기 제1원료를 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1분리층은 흑연 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1분리층은 다공성인 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제2층 장입 단계는,
    상기 제1중심영역을 포위하도록 제1분리층을 형성하는 단계;
    상기 제1분리층을 포위하도록 상기 제1주변영역에 상기 제1원료를 채우는 단계; 및
    상기 제1중심영역에 상기 제2원료를 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제2층 장입단계 이후에, 상기 2층을 장입하는 단계에 채워진 2층 위의 제2 중심영역에 제2원료를 먼저 채우고, 상기 2층 위의 제2 주변영역에 제1원료를 채우는 3층을 장입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법.
  19. 승화식 단결정 증착기의 원료장입부에 승화 원료를 장입하는 방법에 있어서,
    상기 원료장입부의 중심영역과 상기 중심영역을 포위하는 주변영역을 분리하는 분리층을 삽입하는 단계; 및
    상기 중심영역에 제1입경의 제1원료를 채우고, 상기 주변영역에 상기 제1입경과 상이한 제2입경의 제2원료를 채우는 원료 장입 단계;
    를 포함하는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 원료 장입 단계 이후에 상기 분리층을 제거하는 것을 특징으로 하는 승화식 단결정 증착기에 승화 원료를 장입하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130022596A (ko) * 2011-08-25 2013-03-07 엘지이노텍 주식회사 잉곳 제조 장치 및 원료 제공 방법
KR20130035137A (ko) * 2011-09-29 2013-04-08 엘지이노텍 주식회사 잉곳 제조 장치

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