KR20230071771A - 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본원은 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법 및 장치를 제공하는 바, 해당 성장 장치는 캐비티 및 캐비티 내측벽에 근접하여 배치된 보온층 조립체를 포함하며; 상기 보온층 조립체의 내부에는 복수의 가열기 조립체가 이격되어 배치되고, 상기 가열기 조립체의 내부 공간에는 복수의 독립된 성장 챔버가 구성되며, 각각의 성장 챔버 내에는 모두 독립 성장 조립체가 배치되고; 상기 독립 성장 조립체는 흑연 도가니, 흑연 도가니의 정상부에 배치된 종결정 트레이 및 도가니 바닥부의 구동 조립체를 포함한다.
Description
본원은 2021년 11월 15일에 제출된 "복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법 및 장치"라는 발명의 명칭의 중국 특허 출원 202111349816.1의 우선권을 주장하는 바, 해당 출원의 모든 내용은 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
본원은 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법 및 장치에 관한 것으로, 탄화규소 결정의 기술 분야에 속한다.
탄화규소 결정은 성능이 우수한 제3 세대 와이드밴드갭 반도체 재료로서, 와이드밴드갭, 높은 캐리어 포화 농도, 높은 임계 파괴 전계, 높은 열전도율, 높은 화학적 안정성 등 특징을 가지며, 고주파, 고출력, 고밀도, 고온, 내방사선 등의 집적 전자 소자를 제조하기에는 최적의 재료이나, 현재 탄화규소 결정의 성장 조건이 까다롭고 성장 속도가 느리기 때문에, 탄화규소 결정의 성장 비용이 매우 높으며, 탄화규소 결정은 고부가가치의 전자 컴포넌트에만 응용할 수 있다.
탄화규소 결정의 산업화 성장은 주로 물리 기상 수송(PVT)법을 사용하는 바, 즉 2100℃ 이상에서 가열하여 흑연 도가니 내에 수용된 탄화규소 원료를 승화 및 분해시켜 생성된 가스를 종결정으로 수송하여 재결정화시켜, 면적이 큰 탄화규소(SiC) 단결정을 얻는다.
현재 업계에서는 일반적으로 유도 가열 PVT법에 의해 탄화규소 결정을 성장시키고 있으며, 유도 코일은 흑연 도가니에 와전류를 발생시켜 직접적으로 발열시키며, 와전류는 주로 흑연 도가니 표면에 집중되어 도가니 내부 온도의 경방향(徑方向) 구배가 커지므로, 결정의 성장 과정에서 온도의 경방향 구배가 크고, 결정 내부의 응력이 너무 커서 깨지기 쉬우며, 특히 큰 사이즈의 결정을 성장시킬 때 결정 성장 단계의 수율이 상대적으로 낮다. 또한, 종래의 PVT 성장 장치는 하나의 캐비티 내에 하나의 도가니를 장착하여, 일정 기간 내에 하나의 탄화규소 결정밖에 성장할 수 없으나, 탄화규소 결정의 성장 온도가 높고 성장 속도가 느리며 장치가 고가인 등 특징으로 인해, 탄화규소 결정의 성장 비용은 규소 단결정의 비용보다 월등히 높아, 탄화규소 결정의 응용 범위가 크게 제한되어 있다.
관련 기술에 존재하는 부족점에 대해, 본원의 목적 중 하나는 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법 및 장치를 제공하여 상술한 발명의 배경 기술에서 제기된 문제를 해결하는 것이다.
상술한 제1 목적을 구현하기 위해, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치를 제공하는 바, 본원은 다음과 같은 기술적 해결 수단을 통해 구현된다.
복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치로서, 캐비티 및 캐비티 내측벽에 근접하여 배치된 보온층 조립체를 포함하며; 상기 보온층 조립체의 내부에는 복수의 가열기 조립체가 이격되어 배치되고, 상기 가열기 조립체의 내부 공간에는 복수의 독립된 성장 챔버가 구성되며, 각각의 성장 챔버 내에는 모두 독립 성장 조립체가 배치되며; 상기 독립 성장 조립체는 흑연 도가니 및 흑연 도가니의 정상부에 배치된 종결정 트레이를 포함한다. 해당 배치 방식은 캐비티의 주위가 보온층에 의해 완전히 덮이는 것을 확보할 뿐만 아니라, 보온층의 내부에 이격되어 배치되는 복수의 가열기 조립체의 내부 공간이 복수의 성장 챔버를 구성할 수 있으며, 복수의 성장 챔버는 서로 간섭하지 않고, 탄화규소 결정의 동기 성장을 구현하며, 탄화규소 결정의 성장 효율을 향상시킬 수 있다.
선택적으로, 상기 성장 챔버의 수평 단면 형상은 원형이다.
선택적으로, 상기 성장 챔버의 수평 단면 형상은 대칭 다각형이고 또한 변의 개수가 4이상이다.
선택적으로, 상기 흑연 도가니의 바닥부에는 각각의 구동 조립체가 연결되어 있고, 구동 조립체는 흑연 도가니가 성장 챔버 내에서 이동하도록 구동시키는데 사용된다.
선택적으로, 상기 구동 조립체는 승강 기구 및 회전 기구를 포함하며; 상기 승강 기구는 흑연 도가니의 바닥부에 슬라이딩 가능하게 연결된 중공 승강 로드, 및 캐비티의 바닥부에 고정되고 또한 중공 승강 로드의 아랫부분에 연결된 승강 모터를 포함하며; 상기 회전 기구는 중공 승강 로드 내에 고정된 스테핑 모터 및 스테핑 모터의 출력축에 동축으로 고정 연결된 회전 로드를 포함하고, 상기 회전 로드는 흑연 도가니의 바닥부에 고정 연결된다. 회전 기구는 승강 기구의 내부에 배치되어 있으나 양자 각각의 기능은 서로 간섭되지 않으며, 한편으로는 구동 조립체에 의한 흑연 도가니의 위치 조정의 정밀도를 확보하고, 다른 한편으로는 흑연 도가니의 높이와 각도를 독립적으로 조정하는 것이 비교적 간단하고 편리하다.
선택적으로, 상기 중공 승강 로드는 캐비티의 바닥부를 관통한다.
선택적으로, 상기 흑연 도가니의 아랫부분에는 고리형 슬라이드 홈이 개설되고, 중공 승강 로드의 윗부분에는 고리형 슬라이드 홈에 적합한 슬라이드 롤러가 장착되어 있다.
선택적으로, 상기 가열기 조립체는 흑연 도가니의 외주를 둘러싸며 배치된 제1 가열기 및 제2 가열기와, 흑연 도가니의 바닥부에 고정된 제3 가열기를 포함한다.
선택적으로, 흑연 도가니의 높이를 M로 정의하되, 상기 제1 가열기와 제2 가열기는 모두 흑연 도가니의 외주를 둘러싸며 배치되고, 제1 가열기는 흑연 도가니의 윗 가장자리에서 흑연 도가니의 1/4M 높이 사이에 배치되고, 제2 가열기는 흑연 도가니의 3/4M 높이에서 흑연 도가니의 아래 가장자리 사이에 배치되며, 또한 제2 가열기의 높이는 탄화규소 원료의 높이를 초과하지 않는다.
제2 목적을 구현하기 위해, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법을 제공하는 바, 본원은 다음과 같은 기술적 해결 수단을 통해 구현된다.
상술한 성장 장치를 이용하여 탄화규소 결정의 동기 성장을 수행하는 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법으로서,
예비 가열 단계(S1), 결정 성장 단계(S2) 및 성장 종료 단계(S3)를 포함하며;
상기 예비 가열 단계(S1)에서는 흑연 도가니, 구동 조립체 및 탄화규소 원료를 장착한 후, 캐비티 내의 기밀성을 검사하여 캐비티 내의 압력이 0.1~5Pa 범위 내로 될 때까지 진공 배기하고, 캐비티 내의 압력이 10-2~10-5Pa 범위 내로 될 때까지 더 진공 배기하며, 캐비티 내의 온도가 500~700℃범위 내로 되도록 가열기 조립체의 전력을 올리고, 캐비티 내에 질소 가스/수소 가스 및 불활성가스를 포함하는 혼합 가스를 주입하고, 캐비티 내의 온도가 1500℃보다 높은 것을 검출한 후, 캐비티 내의 압력을 조정하여 10000~70000Pa 범위 내로 유지시키며, 흑연 도가니의 온도가 2100℃로 상승될 때까지 가열기 조립체의 전력을 계속 올리고;
상기 결정 성장 단계(S2)에서는 흑연 도가니의 바닥부의 온도가 흑연 도가니 상부의 온도보다 10~100℃ 높아지도록 가열기 조립체의 전력 비율을 조정하고, 구동 조립체에 의해 흑연 도가니의 위치를 조정하여 흑연 도가니 내의 탄화규소 원료의 온도를 종결정의 온도보다 15~80℃ 높게 하고, 캐비티 내의 압력을 낮추어 50~2500Pa 범위 내로 유지시키고, 결정 성장 단계로 진입하며;
상기 성장 종료 단계(S3)에서는 결정 성장이 종료된 후, 캐비티 내의 압력을 조정하여 2500~10000Pa 범위 내로 유지시키고, 가열기 조립체의 전력을 낮추어 흑연 도가니의 바닥부와 흑연 도가니의 상부 사이의 온도차 20℃ 이내로 축소시키며, 가열기 조립체의 전력이 0으로 될 때까지 전력을 서서히 낮춘다.
상술한 제1 목적을 구현하기 위해, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치를 제공하는 바, 본원은 다음과 같은 기술적 해결 수단을 통해 구현된다.
복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치로서, 캐비티 및 캐비티 내측벽에 근접하여 배치된 보온층 조립체를 포함하며; 상기 보온층 조립체는 캐비티 내를 복수의 독립된 성장 챔버로 분할하고, 각각의 성장 챔버 내에는 모두 독립 성장 조립체가 배치되며; 상기 독립 성장 조립체는 흑연 도가니, 흑연 도가니의 정상부에 배치된 종결정 트레이, 및 흑연 도가니의 외주에 배치된 가열기 조립체체를 포함한다. 해당 배치 방식은 캐비티의 주위가 보온층에 의해 완전히 덮이는 것을 확보할 뿐만 아니라, 캐비티를 복수의 성장 챔버로 분할할 수 있으며, 복수의 성장 챔버는 서로 간섭하지 않고, 탄화규소 결정의 동기 성장을 구현하며, 탄화규소 결정의 성장 효율을 향상시킬 수 있다.
선택적으로, 상기 성장 챔버의 수평 단면 형상은 원형이다.
선택적으로, 상기 성장 챔버의 수평 단면 형상은 대칭 다각형이고 또한 변의 개수가 4이상이다.
선택적으로, 상기 흑연 도가니의 바닥부에는 각각의 구동 조립체가 연결되어 있고, 구동 조립체는 흑연 도가니가 성장 챔버 내에서 이동하도록 구동시키는데 사용된다.
선택적으로, 상기 구동 조립체는 승강 기구 및 회전 기구를 포함하며; 상기 승강 기구는 흑연 도가니의 바닥부에 슬라이딩 가능하게 연결된 중공 승강 로드 및 캐비티의 바닥부에 고정되고 또한 중공 승강 로드의 아랫부분에 연결된 승강 모터를 포함하며; 상기 회전 기구는 중공 승강 로드 내에 고정된 스테핑 모터 및 스테핑 모터의 출력축에 동축으로 고정 연결된 회전 로드를 포함하고, 상기 회전 로드는 흑연 도가니의 바닥부에 고정 연결된다. 회전 기구는 승강 기구의 내부에 배치되나 양자 각각의 기능은 서로 간섭하지 않으며, 한편으로는 구동 조립체에 의한 흑연 도가니의 위치 조정의는 정밀도를 확보하고, 다른 한편으로는 흑연 도가니의 높이와 각도를 독립적으로 조정하는 것이 비교적 간단하고 편리하다.
선택적으로, 상기 중공 승강 로드는 캐비티의 바닥부를 관통한다.
선택적으로, 상기 흑연 도가니의 아랫부분에는 고리형 슬라이드 홈이 개설되고, 중공 승강 로드의 윗부분에는 고리형 슬라이드 홈에 적합한 슬라이드 롤러가 장착되어 있다.
선택적으로, 상기 가열기 조립체는 흑연 도가니의 외주를 둘러싸며 배치된 제1 가열기 및 제2 가열기와, 흑연 도가니의 바닥부에 고정된 제3 가열기를 포함한다.
선택적으로, 흑연 도가니의 높이를 M로 정의하되, 상기 제1 가열기와 제2 가열기는 모두 흑연 도가니의 외주를 둘러싸며 배치되고, 제1 가열기는 흑연 도가니의 윗 가장자리에서 흑연 도가니의 1/4M 높이 사이에 배치되고, 제2 가열기는 흑연 도가니의 3/4M 높이에서 흑연 도가니의 아래 가장자리 사이에 배치되며, 또한 제2 가열기의 높이는 탄화규소 원료의 높이를 초과하지 않는다.
본원의 유익한 효과는 다음과 같다.
(1) 본원은 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치에 관한 것으로, 해당 장치는 종래의 유도 가열 방식 대신 다단식 독립 제어 흑연 가열기에 의해 발열시켜, 도가니의 경방향 및 세로방향 온도 구배를 보다 정확하게 조정할 수 있으며, 결정의 성장 속도를 가속시킬 수 있을 뿐만 아니라 결정 내부의 응력을 감소킬 수 있다.
(2) 본원은 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치에 관한 것으로, 여기서, 각각의 도가니는 모두 독립된 공간에 위치하며, 종래의 단일 도가니 장치와 유사한 결정 성장 환경을 형성함으로써, 서로 다른 결정이 성장 과정에서 상호 간섭하는 것을 방지하며, 결정의 품질이 단일 도가니의 성장 수준보다 낮지 않도록 한다.
(3) 본원은 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치에 관한 것으로, 여기서, 각 도가니는 모두 독립적인 승강 기구 및 회전 기구를 가지며, 각 도가니의 경방향 및 세로방향 온도 구배를 보다 정확하게 조정할 수 있으며, 상이한 도가니를 상이한 온도 구배로 조정하고, 결정 성장 프로세스의 개발 속도를 높이며, 개발 비용을 절감시킬 수 있다.
(4) 본원은 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치에 관한 것으로, 여기서, 가열기 조립체는 독립적으로 배치되고 또한 서로 간섭하지 않는 제1 가열기, 제2 가열기 및 제3 가열기를 포함하며, 제2 가열기와 제3 가열기는 탄화규소 원료의 온도를 조정하는데 사용되며, 특히 제2 가열기는 탄화규소 원료의 수열 온도로 조정함과 동시에 종결정 트레이의 탄화규소 종결정에 영향을 주는 것을 가능한 방지하도록 확보할 수 있으며, 탄화규소 원료와 탄화규소 종결정의 온도를 각각 제어하는 목적을 구현할 수 있다.
(5) 본원은 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법에 관한 것으로, 여기서, 상이한 도가니는 서로 다른 직경의 탄화규소 결정을 성장시킬 수 있으므로, 4인치, 6인치 및 8인치의 결정을 단일 장치에서 동시에 성장시킬 수 있어 제조 태스크의 수요를 충족시킬 수 있다.
(6) 본원은 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법에 관한 것으로, 여기서, 복수의 도가니에서 동기로 성장시켜 하나의 로(爐)에서 복수의 결정을 성장시킬 수 있으므로, 단일 로의 생산성을 대폭 향상시키고, 단위 제품의 에너지, 장치 및 인건비를 절감시키며, 단결정 규소와의 비용 차이를 작게 함으로써, 탄화규소 결정의 성장 비용을 대폭 저감시킬 뿐만 아니라 단결정 잉곳 내부의 품질을 확보하여 탄화규소 결정의 응용 분야를 확대할 수 있다.
아래 도면을 참조하여 비한정적인 실시예에 대한 상세한 설명을 읽음으로써 본원의 다른 특징, 목적 및 장점은 보다 명확해진다.
도 1은 본원의 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치의 평면 구조도이다.
도 2는 본원의 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치의 정면 구조도이다.
도 3은 본원의 도 2에서의 A위치의 확대도이다.
도 4는 본원의 다른 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치의 평면 구조도이다.
도 5는 본원의 다른 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치의 정면 구조도이다.
도 1은 본원의 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치의 평면 구조도이다.
도 2는 본원의 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치의 정면 구조도이다.
도 3은 본원의 도 2에서의 A위치의 확대도이다.
도 4는 본원의 다른 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치의 평면 구조도이다.
도 5는 본원의 다른 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치의 정면 구조도이다.
이하에서는 본원의 기술적 해결 수단, 창조적인 특징, 목적 및 효과를 이해하기 쉽게 하기 위해, 구체적인 실시형태를 참조하여 본원을 진일보 설명한다.
실시예 1
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치는 캐비티(1) 및 캐비티(1)의 내측벽에 근접하여 배치된 보온층 조립체를 포함하며; 보온층 조립체는 위에서 아래로 차례로 캐비티(1)의 내측벽에 근접하는 제1 보온층(16), 제2 보온층(17) 및 제3 보온층(18)을 포함하며; 상기 보온층 조립체의 내부에는 복수의 가열기 조립체가 이격되어 배치되고, 상기 가열기 조립체의 내부 공간에는 복수의 독립된 성장 챔버(2)가 구성되며, 각각의 성장 챔버 내에는 모두 독립 성장 조립체가 배치되며; 상기 독립 성장 조립체는 흑연 도가니(3), 흑연 도가니(3)의 정상부에 배치된 종결정 트레이(4) 및 흑연 도가니(3)의 바닥부에 배치된 구동 조립체를 포함하며; 가열기 조립체는 흑연 도가니(3)의 외주(外周)를 둘러싸며 배치된 제1 가열기(13) 및 제2 가열기(14)와, 흑연 도가니(3)의 바닥부에 고정된 제3 가열기(15)를 포함하며, 흑연 도가니(3)의 높이를 M로 정의하되, 본 실시예에 있어서, 탄화규소 원료는 흑연 도가니(3)의 1/2M 높이까지 수용되고, 상기 제1 가열기(13) 및 제2 가열기(14)는 모두 흑연 도가니(3)의 외주를 둘러싸며 배치되고, 제1 가열기(13)는 흑연 도가니(3)의 윗 가장자리에서 흑연 도가니(3)의 1/2M 높이 사이에 배치되고, 제2 가열기(14)는 흑연 도가니(3)의 1/2M 높이에서 흑연 도가니(3)의 아래 가장자리 사이에 배치되며, 제2 가열기(14)의 윗 가장자리의 높이가 탄화규소 원료의 높이를 초과하지 않도록 하고, 각각의 제1 가열기(13)에는 모두 제1 전극(19)이 고정되고, 각각의 제2 가열기(14)에는 모두 제2 전극(20)이 고정되며, 또한 각각의 제3 가열기(15)에는 모두 제3 전극(21)이 고정되며, 제1 전극(19), 제2 전극(20) 및 제3 전극(21)은 모두 캐비티(1)의 외측으로 연장되어 컨트롤러에 전기적으로 연결되고, 제1 전극(19)은 제1 보온층(16)과 제2 보온층(17) 사이에 감합되고, 제2 전극(20)은 제2 보온층(17)과 제3 보온층(18) 사이에 감합되며, 제3 전극(21)은 제3 보온층(18)을 관통한다.
본 실시예에서, 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상은 원형이다.
흑연 도가니(3)의 바닥부에는 구동 조립체가 연결되어 있고, 구동 조립체는 흑연 도가니(3)가 성장 챔버(2) 내에서 이동하도록 구동시키는데 사용된다.
구동 조립체는 승강 기구(5) 및 회전 기구(6)를 포함하며; 상기 승강 기구(5)는 흑연 도가니(3)의 바닥부에 슬라이딩 가능하게 연결된 중공 승강 로드(7) 및 캐비티(1)의 바닥부에 고정되고 또한 중공 승강 로드(7)의 아랫부분에 연결된 승강 모터(8)를 포함하며; 중공 승강 로드(7)는 캐비티(1)의 바닥부를 관통하고, 도 3에 도시된 바와 같이, 흑연 도가니(3)의 아랫부분에는 고리형 슬라이드 홈(9)이 개설되고, 중공 승강 로드(7)의 윗부분에는 고리형 슬라이드 홈(9)에 적합한 슬라이드 롤러(10)가 장착되어 있고, 상기 회전 기구(6)는 중공 승강 로드(7) 내에 고정된 스테핑 모터(11) 및 스테핑 모터(11)의 출력축에 동축으로 고정 연결된 회전 로드(12)를 포함하며, 상기 회전 로드(12)는 흑연 도가니(3)의 바닥부에 고정 연결된다.
요약하면, 본원의 동작 원리 및 조작 프로세스는 다음과 같다. 각각의 성장 챔버(2) 내의 흑연 도가니(3) 내에 탄화규소 원료(22)를 주입하고, 탄화규소 종결정(23)을 종결정 트레이(4)에 고정시키고, 캐비티(1) 내의 기밀성을 검사하고, 캐비티(1) 및 흑연 도가니(3)가 원하는 압력 및 온도에 도달할 때까지 진공 배기 및 승온시켜 탄화규소 결정의 동기 성장을 수행하고, 성장 프로세스에 있어서, 가열기 조립체 및 각각의 독립 성장 조립체의 승강 기구(5) 및 회전 기구(6)를 단독으로 조정하고, 흑연 도가니(3)의 온도 및 성장 챔버(2) 내의 위치를 조정한다.
실시예 2
실시예 1과 달리 본 실시예에서 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상은 정팔각형이다.
실시예 3
본 실시예의 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법은 실시예 1에 기재된 성장 장치를 이용하여 탄화규소 결정의 동기 성장을 수행하는 방법으로서, 이하의 단계를 포함한다.
S1. 예비 가열 단계
흑연 도가니(3), 구동 조립체 및 탄화규소 원료를 장착한 후, 캐비티(1) 내의 기밀성를 검사하여 캐비티(1) 내의 압력이 5Pa 정도로 될 때까지 진공 배기하고, 캐비티(1) 내의 압력이 10-5Pa 정도로 될 때까지 더 진공 배기하며, 진공 배기 펌프는 종래의 분자 펌프 또는 드라이 스크롤 펌프를 사용할 수 있으며, 펌프는 진공관을 통해 캐비티(1)에 연결되며(미도시), 동기 성장 장치의 바닥부에 고정된 회전 모터를 켜고, 캐비티(1) 내의 온도가 500℃가 되도록 가열기 조립체의 전력을 올리고, 캐비티(1) 내에 질소 가스 및 아르곤 가스를 포함하는 혼합 가스를 주입하고, 캐비티(1) 내의 온도가 1500℃보다 높은 것을 검출한 후, 캐비티(1) 내의 압력을 조정하여 10000Pa 정도로 유지시키며, 흑연 도가니(3)의 온도가 2100℃로 상승될 때까지, 가열기 조립체의 전력을 계속 올린다.
S2. 결정 성장 단계
흑연 도가니(3) 바닥부의 온도가 흑연 도가니(3) 상부의 온도보다 10℃ 높아지도록 가열기 조립체의 전력 비율을 조정하고, 구동 조립체에 의해 흑연 도가니(3)의 위치를 조정하여 흑연 도가니(3) 내의 탄화규소 원료의 온도를 종결정의 온도보다 15℃ 높게 하고, 캐비티(1) 내의 압력을 낮추어 50Pa 정도로 유지시키고, 도전형 탄화규소 결정의 결정 성장 단계로 진입한다.
S3. 성장 종료 단계
결정 성장이 종료된 후, 캐비티(1) 내의 압력을 조정하여 10000Pa 범위 내로 유지시키고, 가열기 조립체의 전력을 낮추어 흑연 도가니(3)의 바닥부와 흑연 도가니(3) 상부 사이의 온도차를 20℃ 이내로 축소시키며, 가열기 조립체의 전력이 0으로 될 때까지 전력을 서서히 낮춘다.
실시예 4
본 실시예의 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법은 실시예 2에 기재된 성장 장치를 이용하여 탄화규소 결정의 동기 성장을 수행하는 방법으로서, 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상만 다르다.
실시예 5
본 실시예의 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법은 실시예 1에 기재된 성장 장치를 이용하여 탄화규소 결정의 동기 성장을 수행하는 방법으로서, 실시예 3과 동일한 단계를 포함하나, 실시예 3과의 차이점은, 본 실시예에 있어서 단계 S1에서 주입되는 가스는 반절연형 탄화규소 결정을 성장시키는데 사용되는 수소 가스 및 아르곤 가스의 혼합 가스이고, 기타 조건은 동일하다.
실시예 6
본 실시예의 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법은 단계 S1에서 주입되는 가스는 반절연형 탄화규소 결정을 성장시키는데 사용되는 수소 가스 및 아르곤 가스의 혼합 가스이고, 실시예 5와 차이점은, 본 실시예에 있어서 실시예 2에 기재된 성장 장치를 이용하여 탄화규소 결정의 동기 성장을 수행하고, 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상은 정팔각형인 것이다.
실시예 7
도 4 및 도 5에 도시된바와 같이, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치는 캐비티(1) 및 캐비티(1)의 내측벽에 근접하여 배치된 보온층 조립체를 포함하며; 보온층 조립체는 위에서 아래로 차례로 캐비티(1) 내측벽에 근접하는 제1 보온층(16), 제2 보온층(17) 및 제3 보온층(18)을 포함하며; 상기 보온층 조립체는 캐비티(1) 내를 복수의 독립된 성장 챔버(2)로 분할하고, 각각의 성장 챔버 내에는 모두 독립 성장 조립체가 배치되며; 상기 독립 성장 조립체는 흑연 도가니(3), 흑연 도가니(3)의 정상부에 배치된 종결정 트레이(4), 흑연 도가니(3)의 외주에 배치된 가열기 조립체, 및 흑연 도가니(3)의 바닥부에 배치된 구동 조립체를 포함하며, 가열기 조립체는 흑연 도가니(3)의 외주를 둘러싸며 배치된 제1 가열기(13) 및 제2 가열기(14)와, 흑연 도가니(3)의 바닥부에 고정된 제3 가열기(15)를 포함하며, 흑연 도가니(3)의 높이를 M로 정의하되, 본 실시예에 있어서, 탄화규소 원료는 흑연 도가니(3)의 1/2M 높이까지 수용되고, 상기 제1 가열기(13) 및 제2 가열기(14)는 모두 흑연 도가니(3)의 외주를 둘러싸고 배치되며, 제1 가열기(13)는 흑연 도가니(3)의 윗 가장자리에서 흑연 도가니(3)의 1/2M 높이 사이에 배치되고, 제2 가열기(14)는 흑연 도가니(3)의 1/2M 높이에서 흑연 도가니(3)의 아래 가장자리 사이에 배치되며, 제2 가열기(14)의 윗 가장자리의 높이가 탄화규소 원료의 높이를 초과하지 않도록 하고, 각각의 제1 가열기(13)에는 모두 제1 전극(19)이 고정되고, 각각의 제2 가열기(14)에는 모두 제2 전극(20)이 고정되며, 또한 각각의 제3 가열기(15)에는 모두 제3 전극(21)이 고정되며, 제1 전극(19), 제2 전극(20) 및 제3 전극(21)은 모두 캐비티(1)의 외측으로 연장되어 컨트롤러에 전기적으로 연결되고, 제1 전극(19)은 제1 보온층(16)과 제2 보온층(17) 사이에 감합되고, 제2 전극(20)은 제2 보온층(17)과 제3 보온층(18) 사이에 감합되며, 제3 전극(21)은 제3 보온층(18)을 관통한다.
본 실시예에서, 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상은 원형이다.
흑연 도가니(3)의 바닥부에는 구동 조립체가 연결되어 있고, 구동 조립체는 흑연 도가니(3)가 성장 챔버(2) 내에서 이동하도록 구동시키는데 사용된다.
구동 조립체는 승강 기구(5) 및 회전 기구(6)를 포함하며; 상기 승강 기구(5)는 흑연 도가니(3)의 바닥부에 슬라이딩 가능하게 연결된 중공 승강 로드(7) 및 캐비티(1)의 바닥부에 고정되고 또한 중공 승강 로드(7)의 아랫부분에 연결된 승강 모터(8)를 포함하며; 중공 승강 로드(7)는 캐비티(1)의 바닥부를 관통하고, 도 3에 도시된 바와 같이, 흑연 도가니(3)의 아랫부분에는 고리형 슬라이드 홈(9)이 개설되고, 중공 승강 로드(7)의 윗부분에는 고리형 슬라이드 홈(9)에 적합한 슬라이드 롤러(10)가 장착되어 있고, 상기 회전 기구(6)는 중공 승강 로드(7) 내에 고정된 스테핑 모터(11), 및 스테핑 모터(11)의 출력축에 동축으로 고정 연결된 회전 로드(12)를 포함하며, 상기 회전 로드(12)는 흑연 도가니(3)의 바닥부에 고정 연결된다.
요약하면, 본원의 동작 원리 및 조작 프로세스는 다음과 같다. 각각의 성장 챔버(2) 내의 흑연 도가니(3) 내에 탄화규소 원료(22)를 주입하고, 탄화규소 종결정(23)을 종결정 트레이(4)에 고정시키고, 캐비티(1) 내의 기밀성을 검사하고, 캐비티(1) 및 흑연 도가니(3)가 원하는 압력 및 온도에 도달할 때까지 진공 배기 및 승온시키며, 탄화규소 결정의 동기 성장을 수행하고, 성장 프로세스에 있어서, 각각의 독립 성장 조립체의 가열기 조립체, 승강 기구(5) 및 회전 기구(6)를 단독으로 조정하고, 흑연 도가니(3)의 온도 및 성장 챔버(2) 내의 위치를 조정한다.
비교예 1
출원 공개 번호가 CN110129880A인 발명 특허에 기재된 단결정 성장 장치 및 이의 성장 방법을 사용한다.
비교예 2
출원 공개 번호가 CN104364428A인 발명 특허에 기재된 단결정 성장 장치 및 이의 성장 방법을 사용한다.
시험예 1
비교예 1 및 비교예 2에 관련된 단결정 성장 장치 및 대응하는 성장 방법을 대조군으로 선택하여, 탄화규소 결정의 성장 상황을 관찰 및 통계하여 본원의 실시예 3 내지 실시예 6에 기재된 성장 방법과 비교한다.
○: 탄화규소 결정의 성장 효율이 높다.
□: 탄화규소 결정의 성장 효율이 일반적이다.
Х: 탄화규소 결정의 성장 효율이 낮다.
시험예 2
비교예 1 및 비교예 2에 관련된 단결정 성장 장치 및 대응하는 성장 방법을 대조군으로 선택하여, 제조된 탄화규소 결정의 형태를 관찰 및 통계하여 본원의 실시예 3 내지 실시예 6에 기재된 성장 방법과 비교한다.
○: 탄화규소 결정의 형태가 완전하고 표면이 매끄럽다.
□: 탄화규소 결정의 형태가 완전하나 표면에 균열이 있다.
Х: 탄화규소 결정의 형태가 불량하다.
상술한 시험예 1 및 시험예 2의 시험 결과는 표 1(시험예의 시험 결과)에 나타낸 바와 같다.
| 시험예 1 | 시험예 2 | |
| 실시예 3 | ○ | ○ |
| 실시예 4 | ○ | ○ |
| 실시예 5 | ○ | ○ |
| 실시예 6 | ○ | ○ |
| 비교예 1 | Х | □ |
| 비교예 2 | □ | Х |
실시예 3 내지 실시예 6의 각 시험 결과의 비교하면, 해당 성장 장치 및 해당 성장 방법에 의해 제조된 탄화규소 단결정은 종래의 일반적인 방법으로 성장된 탄화규소 단결정에 비해, 표면이 더 매끄럽고, 내부의 응력이 더 낮으며, 균열의 비율이 크게 감소되고, 결정 성장의 수율이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
위에서는 본원의 기본 원리, 주요 특징 및 본원의 장점을 예시하고 설명하였으나, 본원은 상술한 예시적인 실시예의 세부 사항에 제한되는 것이 아니라, 본원의 요지 또는 기본적인 특징에서 벗어나지 않으면서 다른 특정 형식으로 본원을 구현할 수 있음은 당업자에게 있어서 자명하다. 따라서, 실시예는 모두 예시적인 것이고, 비한정적인 것으로 간주해야 하며, 본원의 범위는 상술한 설명이 아닌 첨부된 특허청구범위에 따라 한정되므로, 청구항의 동등 요건의 의미 및 범위 내에 포함되는 모든 변형은 본원 내에 포함함을 의도한다.
또한 이해해야 할 점은, 본 명세서는 실시형태에 기반하여 설명되었으나, 각 실시형태가 하나의 독립된 기술적 해결 수단만을 포함하는 것이 아니라 단순히 명세서의 명확화을 위해 기재되어 있으므로, 당업자는 명세서를 전체적으로 취급해야 하며, 각 실시예에서의 기술적 해결 수단을 적절히 조합하여 당업자가 이해할 수 있는 다른 실시형태를 형성할 수도 있다.
1: 캐비티; 2: 성장 챔버; 3: 흑연 도가니; 4: 종결정 트레이; 5: 승강 기구; 6: 회전 기구; 7: 중공 승강 로드; 8: 승강 모터; 9: 고리형 슬라이드 홈; 10: 슬라이드 롤러; 11: 스테핑 모터; 12: 회전 로드; 13: 제1 가열기; 14: 제2 가열기; 15: 제3 가열기; 16: 제1 보온층; 17: 제2 보온층; 18: 제3 보온층; 19: 제1 전극; 20: 제2 전극; 21: 제3 전극; 22: 탄화규소 원료; 23: 탄화규소 종결정.
Claims (19)
- 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치로서,
캐비티(1) 및 캐비티(1) 내측벽에 근접하여 배치된 보온층 조립체를 포함하며;
상기 보온층 조립체의 내부에는 복수의 가열기 조립체가 이격되어 배치되고, 상기 가열기 조립체의 내부 공간에는 복수의 독립된 성장 챔버(2)가 구성되며, 각각의 성장 챔버(2) 내에는 모두 독립 성장 조립체가 배치되고;
상기 독립 성장 조립체는 흑연 도가니(3) 및 흑연 도가니(3)의 정상부에 배치된 종결정 트레이(4)를 포함하는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제1항에 있어서,
상기 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상은 원형인, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제1항에 있어서,
상기 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상은 대칭 다각형이고 또한 변의 개수가 4이상인, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
각각의 상기 흑연 도가니(3)의 바닥부에는 각각의 구동 조립체가 연결되어 있고, 구동 조립체는 흑연 도가니(3)가 성장 챔버(2) 내에서 이동하도록 구동시키는데 사용되는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제4항에 있어서,
상기 구동 조립체는 승강 기구(5) 및 회전 기구(6)를 포함하며;
상기 승강 기구(5)는 흑연 도가니(3)의 바닥부에 슬라이딩 가능하게 연결된 중공 승강 로드(7) 및 캐비티(1)의 바닥부에 고정되고 또한 중공 승강 로드(7)의 아랫부분에 연결된 승강 모터(8)를 포함하며;
상기 회전 기구(6)는 중공 승강 로드(7) 내에 고정된 스테핑 모터(11) 및 스테핑 모터(11)의 출력축에 동축으로 고정 연결된 회전 로드(12)를 포함하고, 상기 회전 로드(12)는 흑연 도가니(3)의 바닥부에 고정 연결되는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제5항에 있어서,
상기 중공 승강 로드(7)는 캐비티(1)의 바닥부를 관통하는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제5항에 있어서,
상기 흑연 도가니(3)의 아랫부분에는 고리형 슬라이드 홈(9)이 개설되고, 중공 승강 로드(7)의 윗부분에는 고리형 슬라이드 홈(9)에 적합한 슬라이드 롤러(10)가 장착되어 있는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 가열기 조립체는 흑연 도가니(3)의 외주를 둘러싸며 배치된 제1 가열기(13) 및 제2 가열기(14)와, 흑연 도가니(3)의 바닥부에 고정된 제3 가열기(15)를 포함하는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제8항에 있어서,
흑연 도가니(3)의 높이를 M로 정의하되, 상기 제1 가열기(13)와 제2 가열기(14)는 모두 흑연 도가니(3)의 외주를 둘러싸며 배치되고, 제1 가열기(13)는 흑연 도가니(3)의 윗 가장자리에서 흑연 도가니(3)의 1/4M 높이 사이에 배치되고, 제2 가열기(14)는 흑연 도가니(3)의 3/4M 높이에서 흑연 도가니(3)의 아래 가장자리 사이에 배치되며, 또한 제2 가열기(14)의 높이는 탄화규소 원료의 높이를 초과하지 않는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항의 성장 장치를 이용하여 탄화규소 결정의 동기 성장을 수행하는 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법으로서,
예비 가열 단계(S1), 결정 성장 단계(S2) 및 성장 종료 단계(S3)를 포함하며;
상기 예비 가열 단계(S1)에서는 흑연 도가니(3), 구동 조립체 및 탄화규소 원료를 장착한 후, 캐비티(1) 내의 기밀성을 검사하여 캐비티(1) 내의 압력이 0.1~5Pa 범위 내로 될 때까지 진공 배기하고, 캐비티(1) 내의 압력이 10-2~10-5Pa 범위 내로 될 때까지 더 진공 배기하며, 캐비티(1) 내의 온도가 500~700℃ 범위 내로 되도록 가열기 조립체의 전력을 올리고, 캐비티(1) 내에 질소 가스/수소 가스 및 불활성가스를 포함하는 혼합 가스를 주입하고, 캐비티(1) 내의 온도가 1500℃보다 높은 것을 검출한 후, 캐비티(1) 내의 압력을 조정하여 10000~70000Pa 범위 내로 유지시키며, 흑연 도가니(3)의 온도가 2100℃로 상승될 때까지 가열기 조립체의 전력을 계속 올리고;
상기 결정 성장 단계(S2)에서는 흑연 도가니(3) 바닥부의 온도가 흑연 도가니(3) 상부의 온도보다 10~100℃ 높아지도록 가열기 조립체의 전력 비율을 조정하고, 구동 조립체에 의해 흑연 도가니(3)의 위치를 조정하여 흑연 도가니(3) 내의 탄화규소 원료의 온도를 종결정의 온도보다 15~80℃ 높게 하고, 캐비티(1) 내의 압력을 낮추어 50~2500Pa 범위 내로 유지시키고, 결정 성장 단계로 진입하며;
상기 성장 종료 단계(S3)에서는 결정 성장이 종료된 후, 캐비티(1) 내의 압력을 조정하여 2500~10000Pa 범위 내로 유지시키고, 가열기 조립체의 전력을 낮추어 흑연 도가니(3)의 바닥부와 흑연 도가니(3)의 상부 사이의 온도차를 20℃ 이내로 축소시키며, 가열기 조립체의 전력이 0으로 될 때까지 전력을 서서히 낮추는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 방법. - 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치로서,
캐비티(1) 및 캐비티(1) 내측벽에 근접하여 배치된 보온층 조립체를 포함하며;
상기 보온층 조립체는 캐비티(1) 내를 복수의 독립된 성장 챔버(2)로 분할하고, 각각의 성장 챔버(2) 내에는 모두 독립 성장 조립체가 배치되며;
상기 독립 성장 조립체는 흑연 도가니(3), 상기 흑연 도가니(3)의 정상부에 배치된 종결정 트레이(4) 및 상기 흑연 도가니(3)의 외주에 배치된 가열기 조립체를 포함하는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제11항에 있어서,
상기 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상은 원형인, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제11항에 있어서,
상기 성장 챔버(2)의 수평 단면 형상은 대칭 다각형이고 또한 변의 개수가 4이상인, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제12항 또는 제13항에 있어서,
각각의 상기 흑연 도가니(3)의 바닥부에는 각각의 구동 조립체가 연결되어 있고, 구동 조립체는 흑연 도가니(3)가 성장 챔버(2) 내에서 이동하도록 구동시키는데 사용되는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제14항에 있어서,
상기 구동 조립체는 승강 기구(5) 및 회전 기구(6)를 포함하며;
상기 승강 기구(5)는 흑연 도가니(3)의 바닥부에 슬라이딩 가능하게 연결된 중공 승강 로드(7) 및 캐비티(1)의 바닥부에 고정되고 또한 중공 승강 로드(7)의 아랫부분에 연결된 승강 모터(8)를 포함하며;
상기 회전 기구(6)는 중공 승강 로드(7) 내에 고정된 스테핑 모터(11) 및 스테핑 모터(11)의 출력축에 동축으로 고정 연결된 회전 로드(12)를 포함하고, 상기 회전 로드(12)는 흑연 도가니(3)의 바닥부에 고정 연결되는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제15항에 있어서,
상기 중공 승강 로드(7)는 캐비티(1)의 바닥부를 관통하는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제15항에 있어서,
상기 흑연 도가니(3)의 아랫부분에는 고리형 슬라이드 홈(9)이 개설되고, 중공 승강 로드(7)의 윗부분에는 고리형 슬라이드 홈(9)에 적합한 슬라이드 롤러(10)가 장착되어 있는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 가열기 조립체는 흑연 도가니(3)의 외주를 둘러싸며 배치된 제1 가열기(13) 및 제2 가열기(14)와, 흑연 도가니(3)의 바닥부에 고정된 제3 가열기(15)를 포함하는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치. - 제18항에 있어서,
흑연 도가니(3)의 높이를 M로 정의하되, 상기 제1 가열기(13)와 제2 가열기(14)는 모두 흑연 도가니(3)의 외주를 둘러싸며 배치되고, 제1 가열기(13)는 흑연 도가니(3)의 윗 가장자리에서 흑연 도가니(3)의 1/4M 높이 사이에 배치되고, 제2 가열기(14)는 흑연 도가니(3)의 3/4M 높이에서 흑연 도가니(3)의 아래 가장자리 사이에 배치되며, 또한 제2 가열기(14)의 높이는 탄화규소 원료의 높이를 초과하지 않는, 복수 도가니에서 탄화규소 결정의 동기 성장 장치.
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