KR930005015B1 - 디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 화합물 반도체 단결정 성장장치 - Google Patents

디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 화합물 반도체 단결정 성장장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 화합물 반도체 단결정 성장장치
제1도는 본 발명 장치의 전체적인 구성을 보인 일부절결 정면도.
제2도는 제1도의 디렉트 모니터링 전기로를 발췌하여 보인 확대도.
제3도는 본 발명에 따른 수직온도구배냉각 단결정 성장장치의 전형적인 온도분포를 보인 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 하부지지대 3,3′ : 가이드레일
4a,4′a : 상부슬라이더 4b,4′b : 하부슬라이더
5a,5′a : 상부연결판 5b,5′b : 하부연결판
6 : 디렉트 모니터링 전기로 7 : 저온부전기로
8,8′ : 커넥터 9 : 구동스크류
10 : 금박막 11 : 냉각수유입공
12 : 냉각수유출공 13 : 이중석영관
14 : 보호용석영관 15 : 열선
16 : 스페이서 17 : 세라믹지지대
18,18′ : 세라믹지지관 20 : 세라믹단열재
26 : 회전장치 27 : 반응관지지대
28 : 열전대용구멍 29 : 반응관받침대
30 : 결정성장용반응관
본 발명은 갈륨비소(GaAs)를 비롯한 III-V, II-VI족 화합물 반도체 재료의 단결정 성장장치에 관한 것으로, 특히 수직온도구배냉각법(vertical gradient freeze method)을 이용하여 단결정을 성장시킴에 있어 금박막이 도포된 이중석영관을 구비한 고온부전기로로서 디렉트 모니터링 전기로를 사용하여 급속고온가열 및 균일한 온도분포를 얻을 수있고, 단결정 성장의 전과정을 직접 육안으로 관찰할 수 있는 디렉트 모니터링(Direct Monitoring) 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 단결정 성장장치에 관한 것이다.
현재, 일반적으로 사용되고 있는 단결정 성장방법으로서 갈륨비소(GaAs) 웨이퍼 제조시 실용화되고 있는 대표적인 두가지 제조방법으로는 수평브리지만(horizontal Bridgman) 법과 액상봉입 쵸크랄스키(liquid encapsulated Czochralski)법이 널리 알려져 있다.
수평브리지만 단결정 성장방법은 고온부와 저온부로 구비된 석영반응관 내부에 각각 액상의 갈륨과 고상의 비소를 위치시킨 다음, 고온으로 가열하여 갈륨비소를 합성시켜 갈륨비소 용융액을 얻은 상태에서 그 석영반응관 주위의 성장로를 수평이동시켜 가면서 단결정을 성장시키는 형태로서, 이같은 단결정 성장방법에 의해서 제조된 웨이퍼는 낮은 온도구배에 따라 전위결함이 적은 고품위를 유지한다는 장점이 있으나, 반면에 웨이퍼의 단면이 원형이 아닌 반원형이며 그 직경이 적어 2인치 이상의 대직경을 갖는 웨이퍼의 제작이 어렵다는 단점이 있다.
한편, 액상봉입 쵸크랄스키법에 의해서 제조된 웨이퍼는 그 단면이 원형이고 그 크기에 있어서도 3인치 이상의 비교적 큰 직경을 갖는데 비하여, 결정성장시 고-액상 계면의 축방향 또는 방사방향의 높은 온도구배에 기인하는 과도한 열응력이 작용하기 때문에 수평브리지만법을 통하여 제조된 웨이퍼에 비해 많은 전위결함(104-105cm-2)이 생성된다는 문제점이 있다.
이와같은 수평브리지만법 및 액상봉입 쵸크랄스키법이 지니고 있는 제반문제점을 감안하여 개발된 새로운 형태의 단결정 성장방법으로서 수직온도구배냉각(vertical gradient freeze)법이 알려지고 있다.
이 수직온도구배냉각법에 의한 단결정 성장의 기본원리는, 먼저 PBN(pyrolytic boron nitride)반응용기나 석영반응 용융기내부에 미리 합성된 고순도의 갈륨비소 다결정을 장입하여 고온부전기로 내측에 장착함과 아울러 저온부에는 반응관 내부를 1기압으로 유지시켜 주기 위한 비소를 위치시킨 다음 고온부의 온도구배를 변화시켜 갈륨비소 용융액이 담겨진 반응용기의 하단부에 위치한 종자결정을 기점으로 하여 고-액계면이 점차 상부로 이동하도록 서서히 응고시킴으로써 단결정을 성장시키는 방법으로서 1973년 S.E. Blum등에 의해 처음으로 갈륨인(GaP) 단결정의 성장에 시도된 이래 이 방법에 대한 많은 연구가 행해지고 있다[참조 : S.E. Blum and R.J. Chicotka, J. Electrochem. Soc. 120(1973) 588].
이와같은 수직온도구배냉각법을 이용한 III-V족, II-VI족 화합물 반도체의ㅡ 단결정 성장장치로서 반절인성의 비교적 낮은 전위밀도를 나타내면서 대직경의 원형 갈륨비소웨이퍼를 제조할 수 있는 반도체 화합물의 단결정 성장장치가 미국특허 제4,404,172호에 나타나 있다.
그러나, 상기 미국특허 제4,404,172호를 비롯한 기존의 수직온도구배냉각법을 이용한 장치들은 대부분 고압용기를 사용함에 따라 구조가 복잡하여 제작에 어려움이 있을 뿐아니라 고온부전기로의 열용량이 크기 때문에 단결정 성장시 민감한 온도구배의 변화를 줄 수 없고, 열원이 흑연 발열체일 경우 그 발열체의 형상에 따라 반응관 주위의 온도분포가 정해지기 때문에 최적의 결정성장조건을 임의로 조절하면서 찾아내기가 용이하지 못하며, 다수의 열전대를 장착하여 측정된 온도를 바탕으로 하여 온도제어를 함에 따라 결정성장시 전기로 내부의 단결정 성장과정을 실제로 관찰할 수 없는 등의 문제점이 있어 재현성(reproducibility) 있는 결정성장에 어려움이 따르는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와같은 종래의 수직온도구배냉각법을 이용한 단결정 성장장치의 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 고온부에 내부가 들여다 보이는 이중석영관으로 구성된 디렉트 모니터링 전기로를 장착하여 결정성장의 전과정을 육안으로 관찰할 수 있을 뿐만아니라 결정 성장시 민감한 온도구배의 변화를 가할 수 있고, 급속가열이 가능하여 저결함, 대직경의 갈륨비소 단결정 성장에 적합한 수직온도구배냉각법에 의한 단결정 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내부로 냉각수의 순환이 가능한 이중석영관의 내벽에 금박막을 형성하고 안쪽의 열선으로부터 방출되는 적외선을 일차적으로 흡수하도록 열선과 이중석영관의 사이에 원통형의 보호석영관을 삽입한 디렉트 모니터링 전기로가 고온부에 장착된다.
특히, 본 발명의 디렉트 모니터링 전기로는 열용량이 적기 때문에 단시간내에 가열 및 냉각(약 20℃/sec)이 가능하여 결정성장시 민감한 온도구배의 변화를 가할 수 있어 온도구배냉각법을 통한 단결정 성장에 적합한 전기로로서 결정성장 과정의 관찰을 위한 별도의 보조설비를 필요로 하지 않은 채 육안으로 결정성장의 전과정을 관찰할 수 있는 특징이 있다.
한편, 본 발명의 단결정 성장장치는 본 발명자들에 의하여 선출원된 “디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수평 브리지만 단결정 성장장치”(출원번호 : 1988년 특허출원 제8305호)를 개량하여 수직온도구배냉각법에 적합하도록 창안한 것이다.
이와같은 본 발명 장치를 그 일시시예로 도시한 첨부도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1도는 본 발명 단결정 성장장치의 전체적인 구성을 보인 정면도로서, 도시된 바와같이 상부지지대(1)와 하부지지대(2)의 상면 사이에 서로 평행한 두개의 봉상 가이드레일(3)(3′)이 수직입설되고, 그 가이드레일(3)(3′)의 외주면상에는 이들 가이드레일에 안내되어 수직이송가능하되 그 이송범위가 상부스토퍼(3a)(3′a) 및 하부스토퍼(3b)(3′b)에 의해서 규제되는 원통형의 상부슬라이더(4a)(4′a) 및 하부슬라이더(4b)(4′b)가 끼워지면, 그 상, 하부슬라이더(4a)(4′a)(4b)(4′b)는 상부연결판(5a)(5′a) 및 하부연결판(5b)(5′b)에 의해 고온부전기로인 디렉트 모니터링 전기로(6) 및 저온부전기로(7)의 외주면에 고정결합된다.
또한, 상부슬라이더(4a)(4′a)와 하부슬라이더(4b)(4′b)는 커넥터(8)(8′)에 의하여 서로 연결되며, 이들 상, 하부슬라이더(4a)(4′a)(4b)(4′b)의 상, 하 승강운동은 전기로(6), (7)의 뒷편에 위치하는 구동스크류(9)의 구도에 의하여 수행되는데, 이때 디렉트 모니터링 전기로(6)와 저온부전기로(7)는 상기 커넥터(8)(8′)의 상호 접속여부에 따라 동시에 또는 독립적으로 움직이도록 구성되며, 전기로(6), (7)의 구동스크류(9)에 걸리는 하중을 최소화 하기 위하여 중량추(도면 미도시)가 설치된다.
한편, 디렉트 모니터링 전기로(6)는 본 발명장치의 가장 중요한 구성으로서, 그 구체적인 구성을 제2도에 의해 살펴보면, 내벽면에 금막액(gold solution, Glanzgold CG2110, DODUCO KG, W-Germany)으로 도포된 금박막(10)이 형성되고 외벽면의 하부일측에 냉각수유입구(11)가 구비되고 상부일측에 냉각수유출구(12)가 형성되어 내부에 냉각수의 순환이 가능한 이중석영관(13)이 형성되고, 이 이중석영관(13)의 안쪽으로는 열선으로부터의 적외선을 일차적으로 흡수하여 금박막(10)의 직접 가열을 방지하기 위하여 원통형의 보호용석영관(14)이 위치하며, 다시 이 보호용석영관(14)의 안쪽으로 세 온도영역으로 구분되는 칸탈선(Kanthal wire) 또는 백금선으로 이루어진 스파이럴사의 열선(15)이 장착된다.
이때, 인접열선(15)간의 상호접촉을 방지하기 위하여 열선(15)주위의 양측부상에 소정두께를 갖는 알루미나 재질의 스페이서(16)가 끼워져 열선(15)을 지지하는 한편, 고온 가열시 열선(15) 본래의 형태를 유지하기 위해서 원형고리 형태의 세라믹재질로 이루어진 상, 하부세라믹지지대(17)(17′)를 스페이서(16)와 접착제(cermic bond)로 부착된 세라믹지지관(18)(18′)상에 접착고정시키며, 온도제어용열전대(도면 미도시)를 세가지 온도영역으로 구분된 각 영역에 부여하여 서로 다른 온도구배를 부착하여 온도구배냉각이 가능하도록 구성된다.
이와같은 구성을 갖는 디렉트 모니터링 전기로(6)는 다시 제1도에 도시된 바와같이 상단부에 원판상의 세라믹 단열제(19)가 장착되어 열손실의 방지 및 전기로 내부의 열적 평형상태를 유지하도록 구성되면, 그 하단부의 저온 부전기로(7) 상단부와 접촉하는 부위에는 원형고리 형태의 세라믹단열재(20)가 장착된다.
다음, 디렉트 모니터링 전기로(6)의 하단부상에 위치하는 저온부전기(7)는 내부에 세영역으로 구분된 니크롬선 재질의 열선(21)이 단열재(22)를 사이에 두고 상, 하전길이에 걸쳐 형성되고, 각 영역에는 정밀한 온도제어를 위하여 장치되는 온도제어용 열전대의 삽입을 위한 열전대 삽입홀(23)이 관통되고, 그 하단부에는 원판상의 세라믹단열재(24)가 형성된다.
한편, 저온부전기로(7)의 안쪽 원통형 공간부에는 하부지지대(2) 중앙부에 설치된 직류모터(25)로 구동되는 회전장치(26)상에 결합된 원통형의 반응관지지대(27)가 수직입설되며, 반응관지지대(27)의 내부에는 중앙부에는 수직으로 천공된 열전대용 구멍(28)(이 구비된 내화물 재질의 반응관 받침대(29)가 삽입설치된다.
그리고, 상기 반응관지지대(27)의 내측 반응관받침대(29)의 상단부상에는 디렉트 모니터링 전기로(6)의 안쪽 공간부를 향해 수직입설된 결정성장용반응관(30)이 정ㆍ역회전이 가능하도록 삽입설치되며, 그 결정성장용반응관(30)의 안쪽으로는 하단부에 종자결정(31)이 위치하고 내부에 갈륨비소 다결정(32)이 장입되는 반응용기(33) 및 그 반응용기(33)를 지지하기 위한 반응용기받침대(34)와 이들 반응용기(33) 및 반응용기받침대(34)를 수직으로 지지하는 석영플러그(35)가 삽입된다.
또한, 중앙부에 열전대용구멍(28)을 갖는 반응관받침대(29)의 상단평면부상에 위치하는 결정성장용 반응관(30)의 저면부에는 내부를 1기압으로 유지시키기 위하여 비소(36)를 위치시킨다.
한편, 직류모터(25)의 위치는 그 하단부의 모터받침대(37)의 조정을 통하여 그 변화가 가능하며, 결정 성장장치에 인가되는 전원은 저온부전기로(7)의 상단일측에 형성된 전원공급용코드(39)를 통하여 공급되도록 구성되며, 반응용기(33)의 하부에 위치하는 반응용기받침대(34)는 고온 성형된 BN(boron nitride)이나 고순도의 흑연 또는 실리콘 단결정의 가공을 통하여 제조된 것이 사용된다.
이와같이 구성된 본 발명 장치를 이용하여 화합물 반도체 단결정을 성장시키는 과정을 다음과 같다.
먼저, 결정성장용 반응관(30)의 저면에 비소(36)를 위치시킴과 동시에 반응용기(33)의 하단부에 종자결정(31)을 채우고 그 상부로는 갈륨비소다결정(32)을 장입한 후 결정성장용 반응관(30)내부를 106Torr의 진공으로 유지한 상태에서 전력공급용코드(38)를 통해 전원을 인가하여 디렉트 모니터링 전기로(6) 및 저온부전기로(7)를 가동시켜 가열을 행한다.
이때, 하부에 설치된 회전장치(26)를 구동시켜 그 회전장치(26)와 결합된 결정성장용반응관(30)을 정회전 또는 역회전 시킴으로서 전기로(6), (7)내부의 방사방향으로의 열적 불균형을 최소화함과 아울러 전기로(6), (7)상에 형성된 다수개의 열전대를 통하여 전기로(6), (7)내부의 온도를 체크하여 소정의 온도구배를 얻는다.
제3도는 본 발명의 장치를 통하여 갈륨비소 단결정을 성장시킬때 요구되는 전형적인 온도구배를 도시한 그래프로서, 이에 나타난 바와같이, 반응용기(33)에 장입된 갈륨비소(32)의 융점이 종자결정(31)이 위치한 지점의 상단부에 분포하도록 하여 액상의 갈륨비소(32)가 종자결정(31)의 상단부와 접촉하여 단결정성장이 진행되는 바, 이때 반응용기(33)의 테이퍼부(39)로부터 그 상부로는 온도구배가 다소작은 반면 그 아랫쪽의 종자결정(31)의 하단부에 이르기까지의 부분은 다소 큰 온도구배를 유지시킴으로써 결정성장이 원활하게 수행된다.
특히, 고-액상계면(40)이 형성되어 단결정의 성장이 진행되는 부분의 온도구배는 각 영역(I, II, III)의 온도분포를 조합하여 적절히 조합하여 거의 일정하도록 유지하여야 한다.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 내벽면에 금박막이 도포된 이중석영관을 구비한 디렉트 모니터링 전기로에 의해 얻어지는 고온부의 강한 열집속력으로 1240℃이상에서 균일한 온도분포를 얻을 있을 뿐만아니라 고-액상계면의 형상과 결정성장 전과정을 육안 또는 CCD(charge coupled device)등의 촬상관을 통하여 직접 관찰 가능하여 갈륨비소를 비롯한 III-V족 및 II-VI족 화합물 반도체 재료의 벌크(bulk)단결정의 제조는 물론 다결정의 합성시에도 재현성 있게 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 전기로의 수직승강이동이 가능함에 따라 결정성장시 고-액계면의 정확한 위치조절이 가능하고 단시간내에 1240℃이상의 고온가열 및 냉각과 정밀한 온도제어가 가능하여 온도구배냉각법에 최적의 조건을 제공함과 아울러 수직브리지만(vertical Bridgman)단결정 성장에도 이용할 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 한쌍의 평행한 가이드레일(3)(3′)이 하부지지대(2)상에 수직입설되고, 각기 상, 하부연결판(5a)(5′a)(5b)(5′b)을 개재하여 디렉트 모니터링 전기로(6) 및 저온부전기로(7)와 일체로 형성된 상, 하부슬라이더(4a)(4′a)(4b)(4′b)가 상기 양 가이드레일(3)(3′)의 외주면상에 상, 하 이송 가능하게 설치되며, 저온부전기로(7)의 중앙하부로는 상면에 반응관지지대(27)를 구비한 회전장치(26)가 장착되어 이루어짐을 특징으로 하는 디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 단결정 성장장치.
  2. 제1항에 있어서, 디렉트 모니터링 전기로(6)는 내벽면에 금박막(10)이 도포되고 외벽면에 냉각수유출입공(11)(12)이 형성된 이중석영관(13)의 안쪽으로 원통형의 보호용석영관(14)이 설치되며, 보호용석영관(14)의 내측으로 두 영역이상으로 구분된 스파이럴상의 열선(15)이 장착됨에 있어 열선(15)주위에 인접 열선간의 접촉방지를 위한 알루미나 재질의 스페이서(16)를 끼워 그 스페이서(16)를 상, 하부 세락믹지지대(17)(17′)사이에 형성된 세라믹지지관(18)(18′)에 접착고정시켜 이루어짐을 특징으로 하는 디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 단결정 성장장치.
  3. 제1항에 있어서, 디렉트 모니터링 전기로(6)와 저온부전기로(7)간의 연결부에 고리형의 세라믹단열재(20)가 형성됨을 특지으로 하는 디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 단결정 성장장치.
  4. 제1항에 있어서, 디렉트 모니터링 전기로(6) 및 저온부전기로(7)와 일체로 형성된 상, 하부슬라이더(4a)(4′a)(b)(4′b)는 구동스크류(9)의 구동에 의해서 상, 하수직이송이 가능하도록 구성됨을 특징으로 하는 디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 단결정 성장장치.
  5. 제4항에 있어서, 상부슬라이더(4a)(4′a)와 하부슬라이더(4b)(4′b)사이에 커넥터(8)(8′)가 착탈가능하게 설치되어 커넥터(8)(8′)의 분리 및 장착에 따라 디렉트 모니터링 전기로(6) 및 저온부전기로(7)의 수직상하이송이 동시에 또는 독립적으로 수행되도록 구성됨을 특징으로 하는 디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 단결정 성장장치.
  6. 제1항에 있어서, 회전전기(26)상부에 형성된 반응관지지대(27)의 내측에 장착된 반응관받침대(29)상부에 정ㆍ역회전이 가능한 결정성장용반응관(30)이 설치됨을 특징으로 하는 디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 단결정 성장장치.
  7. 제5항에 있어서, 반응관받침대(29)는 상단면이 평면을 이루며 수직중심부를 따라 열전대용구멍(28)이 천공됨을 특징으로 하는 디렉트 모니터링 전기로를 이용한 수직온도구배냉각 단결정 성장장치.
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