WO2017209376A2 - 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법 - Google Patents

탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법 Download PDF

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이희춘
최이식
김태희
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주식회사 사파이어테크놀로지
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    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for growing silicon carbide single crystal ingot, and more particularly, when growing silicon carbide (SiC) single crystal, the temperature gradient inside decreases as the surface of the single crystal ingot approaches and the surface of the source approaches.
  • the problem of decreasing the growth rate of the present invention relates to a growth apparatus of a silicon carbide (SiC) single crystal ingot capable of increasing the growth length by moving the crucible position inside the resistance heating heater and maintaining a temperature gradient.
  • Silicon carbide is a semiconductor composed of a compound of carbon (C) and silicon (Si), and has various physical and chemical properties with excellent thermal conductivity and heat resistance, and excellent field emission characteristics. It is used as.
  • Silicon carbide single crystal is a material solidified with a certain crystal structure in the process of melting and solidifying silicon carbide at a certain temperature.
  • Silicon carbide is a material exhibiting polytype phenomena having various stacking structures with the same composition, and phases with different crystal structures exist over a region of 1000 to 2700 ° C., and more than 200 kinds of crystal polymorphs exist. However, it is possible to exist as a stable phase capable of large-sized single crystal growth. Hexagonal is the typical type required in the current industry is 4H and 6H types.
  • Ultra high purity SiC substrates have three times higher thermal conductivity ( ⁇ 5.0W / cm) than silicon (Si), and dielectric breakdown strength ( ⁇ 3MV / cm) is ten times higher, making energy efficient semiconductors that operate at high temperatures and high voltages. It is possible to develop components that operate normally even at high environmental temperatures of ⁇ 500 ° C. As described above, the SiC semiconductor device can realize high performance and low power consumption of inverter devices, home power modules, and automotive power semiconductor devices.
  • Patent Document 1 discloses a manufacturing apparatus for producing a SiC single crystal ingot by sublimating and recrystallizing SiC powder, which is a raw material of SiC single crystal, in a graphite crucible installed inside a double quartz tube.
  • this manufacturing apparatus is a method of growing a ingot by heating a graphite crucible in a work coil installed on the outer periphery of a double quartz tube, so that one silicon carbide single crystal ingot can be manufactured in one manufacturing process, thereby decreasing manufacturing efficiency.
  • a disadvantage There is a disadvantage.
  • the manufacturing apparatus of Patent Document 1 is to produce a silicon carbide single crystal ingot by induction heating method, the crucible acts as a heating element, even if the induced eddy current (eddy-current) formed in the crucible during heating is stabilized
  • the imbalance between the energy absorbed by the energy and the energy absorbed by the crucible makes it difficult to achieve a stable temperature, and it is difficult to achieve a stable temperature, compared to the originally designed calorie balance (stable stability between the amount of heat supplied (Qin) and the amount of heat removed (Qout)). It is difficult to secure calorie stability.
  • PVT Physical Vapor Transport
  • SiC silicon carbide
  • Ingot silicon carbide
  • SiC silicon carbide
  • Ingot seeded the high-purity SiC powder by induction heating in a sealed graphite crucible and seeded it. It is a method of attaching on a single crystal to obtain an ingot.
  • the crucible temperature is elevated due to the radiant heat of the generated resistance heating heater, so that the crucible can be reused and reproducible with the designed heat output and heat input.
  • the temperature gradient (ie, temperature deviation) between the surface of the source having the highest temperature and the seed (ingot) surface having the lowest temperature is kept constant so that the growth rate of the SiC single crystal can be continuously maintained.
  • the rate of recrystallization of the sublimed silicon carbide (SiC) is slowed down. The growth rate will decrease.
  • the present invention has been made in view of the above, and its purpose is to grow silicon carbide (SiC) single crystals by growing the temperature gradient inside as the surface of the single crystal ingot gets closer to the surface of the source as it grows.
  • the problem that the speed is reduced is to provide a growth apparatus and a method for growing the silicon carbide (SiC) single crystal ingot which can increase the growth length by moving the crucible position inside the resistance heating heater to maintain the temperature gradient.
  • Another object of the present invention is that the heat generated by using a separate resistance heating heater can be implemented as it is designed to balance the amount of heat, by checking the temperature distribution formed on the resistance heating heater, the appropriate speed of the crucible position inside the resistance heating heater
  • the present invention provides a growth apparatus and a growth method of silicon carbide single crystal ingot which can maintain the growth rate by preventing the temperature gradient of the latter part of the growth.
  • An object of the present invention is to provide a silicon carbide single crystal ingot growth apparatus and its growth method capable of growing two or more silicon carbide single crystal ingots with a single device operation, thereby improving manufacturing efficiency.
  • the growth apparatus of silicon carbide single crystal ingot the source of silicon carbide (SiC) powder is filled in the lower portion, the silicon carbide single crystal seed is mounted on the upper Crucible in which silicon carbide single crystal ingot is grown;
  • a resistance heating heater installed on an outer periphery spaced from the crucible, the resistance heating heater having a characteristic of increasing a falling width of the temperature from a lower portion toward a predetermined height and heating the crucible;
  • An insulating material surrounding an outer circumferential surface of the resistance heating heater A vacuum chamber in which the crucible, a resistance heating heater and a heat insulator are embedded, and a carrier gas is injected;
  • a crucible moving system installed outside of the vacuum chamber to move the crucible up and down in conjunction with the growth of the silicon carbide single crystal ingot inside the crucible.
  • the crucible is raised to compensate for a decrease in temperature gradient.
  • the crucible moving system includes a connection portion having one end connected to an upper portion of the crucible and the other end extending out of the vacuum chamber; A lifting motor providing torque; And a vertical rotation shaft having one end connected to the other end of the connection part and the other end gear-coupled with the motor rotation shaft of the elevating motor so as to elevate according to the rotation of the elevating motor.
  • the connecting portion is made of a graphite rod
  • the vertical axis of rotation is connected to the other end of the other end of the connecting portion detachably, the connection portion and the vertical axis of rotation is the heat loss inside the crucible after raising the crucible to the set target position
  • the connection and the vertical axis of rotation can be separated to minimize this.
  • the gear coupling between the vertical rotation shaft and the motor rotation shaft of the elevating motor may use a rack-pinion coupling.
  • the growth of the silicon carbide single crystal is started while the bottom of the crucible coincides with the highest heating point of the resistance heating heater, and the crucible movement section for moving the crucible is 15 when the temperature of the lower part of the crucible is lowered by 10 ° C. It is preferable to set it as a section lowering above ° C.
  • the crucible is composed of a plurality, and is disposed between the plurality of crucibles to receive heat heated by the resistance heating heater, and heat the plurality of crucibles by the received heat. It may further comprise a plurality of auxiliary heating heaters.
  • the step of preparing a crucible is filled with a source consisting of silicon carbide powder at the bottom of the crucible, the silicon carbide single crystal seed is mounted on the top of the crucible ; Matching the bottom of the crucible to the highest heating point of the resistance heating heater, and then heating the crucible with the resistance heating heater to initiate growth of the silicon carbide single crystal; And growing a silicon carbide single crystal ingot by adsorbing a sublimated silicon carbide source to the silicon carbide single crystal seed surface, wherein the resistance heating heater has a characteristic in which a falling width of the temperature increases from a lower portion to a predetermined height or more, As the silicon carbide single crystal ingot grows, the crucible is moved upwards until the temperature of the lower portion of the crucible is lowered to a preset temperature to compensate for the decrease in the temperature gradient inside the crucible.
  • the temperature gradient between the source and the seed is preferably set in the range of 55 ° C to 75 ° C.
  • the temperature gradient inside decreases as the surface of the single crystal ingot approaches the surface of the source, and thus, the growth rate of the latter part of the growth decreases.
  • the growth length can be increased by solving the method by moving the crucible position inside the resistance heating heater to maintain the temperature gradient.
  • the heat generation proceeds by using a separate resistance heating heater, it is possible to implement the balance of calories as designed, and to check the temperature distribution formed on the resistance heating heater to adjust the crucible position inside the resistance heating heater at an appropriate speed. Changes can be made to maintain the growth rate by preventing the temperature gradient from growing later.
  • the resistance heating method applied to the present invention has the advantage that it can be implemented as it is designed to balance the calories because the heating proceeds by using a separate resistance heating heater, check the temperature distribution formed on the resistance heating heater based on these characteristics By changing the location of the crucible inside the resistance heating heater by using an appropriate speed, it is possible to maintain the growth rate by preventing the temperature gradient of the latter part of the growth.
  • the overall reaction atmosphere temperature is made uniform, keeping the temperature gradient the same, and carbonization grown by evenly adsorbing the sublimed raw material on the seed surface There is an effect to minimize the step of the silicon single crystal ingot.
  • FIG. 1 is a conceptual vertical cross-sectional view illustrating a growth apparatus of a silicon carbide single crystal ingot according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a conceptual horizontal cross-sectional view illustrating a crucible moving system of a growth apparatus of a silicon carbide single crystal ingot according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a conceptual vertical cross-sectional view for explaining an apparatus for growing a silicon carbide single crystal ingot according to a second embodiment of the present invention
  • FIG 4 is a graph showing the temperature relationship inside the crucible according to the height of the resistance heating heater in the growth apparatus using the resistance heating heater.
  • Figure 1 is a conceptual vertical cross-sectional view for explaining a growth apparatus of silicon carbide single crystal ingot according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a crucible moving of the growth apparatus of silicon carbide single crystal ingot according to the first embodiment of the present invention
  • Conceptual horizontal sectional view to illustrate the system.
  • the growth apparatus of the silicon carbide single crystal ingot according to the first embodiment of the present invention is a crucible 110 in which silicon carbide single crystal ingot is grown; A resistance heating heater (200) installed on an outer circumference of the crucible (110) to heat the crucible (110); And an insulator 300 surrounding an outer circumferential surface of the resistance heating heater 200.
  • the crucible 110 is, for example, made of graphite (graphite) and has a closed structure, the hollow portion 111 therein is a source (112) made of silicon carbide (SiC) powder of high purity It is filled in the lower part, and the upper part is equipped with a silicon carbide (SiC) single crystal seed 113 which induces recrystallization after the silicon carbide (SiC) is sublimated.
  • SiC silicon carbide
  • the crucible 110, the resistance heating heater 200, and the heat insulating material 300 are embedded in the vacuum chamber 150 into which the carrier gas is injected.
  • the carrier gas used for silicon carbide single crystal growth Ar and N 2 may be used.
  • the source 112 of the crucible 110 is sublimated and then rises to be attached to the single crystal seed 113 positioned at the upper portion thereof, thereby recrystallizing the silicon carbide single crystal ingot. Grown.
  • the growth apparatus of the silicon carbide single crystal ingot according to the present invention employs a crucible moving system for raising and lowering the crucible in conjunction with the growth time in order to prevent the temperature gradient of the latter part of the growth.
  • the crucible moving system includes a connecting portion 510, a lifting motor 400, and a vertical rotating shaft 500.
  • connection part 510 made of, for example, a graphite rod is connected to an upper portion of the crucible 110, and the other end (ie, an upper end thereof) is outside the vacuum chamber 150. Extends to and is connected to the vertical axis of rotation 500.
  • connection part 510 and the vertical rotation shaft 500 are detachably coupled to minimize heat loss. Accordingly, the connection part 510 and the vertical rotation shaft 500 minimize the heat loss by separating the connection part 510 and the vertical rotation shaft 500 after raising the crucible to the set target position.
  • connection part 510 connecting the crucible 110 and the vertical rotation shaft 500 to the graphite rod having excellent thermal conductivity is to minimize the influence on the temperature gradient of the crucible 110.
  • the connection part 510 may use other materials having excellent thermal conductivity in addition to the graphite rod.
  • the vertical rotation shaft 500 is supported by the support frame 420 to be elevated, and the gear rotation is made with the motor rotation shaft 410 extending from the lifting motor 400 installed on the support frame 420 to form a vertical rotation shaft 500. It has a structure to elevate.
  • the gear coupling between the vertical rotation shaft 500 and the motor rotation shaft 410 may use a rack-pinion coupling. That is, the motor rotation shaft 410 is applied to the pinion having a cog wheel at the tip and the rack is applied to the vertical rotation shaft 500, the vertical rotation shaft 500 and the crucible of the pinion structure in accordance with the rotation of the motor rotation shaft 410 Lifting of the 110 may be made.
  • the rack-pinion gear coupling is applied to the rotational force transmission structure for elevating the crucible 110 by the elevating motor 400, but the present invention is not limited thereto and may employ other structures. Can be.
  • the growth apparatus of the silicon carbide single crystal ingot according to the first embodiment may adopt a rotational force transmission structure to have a function of elevating the crucible 110 and a function of rotating the crucible 110 by the elevating motor 400. have.
  • the overall temperature of the reaction atmosphere of the crucible is made uniform to maintain the temperature gradient evenly, and the material sublimed on the seed surface is evenly distributed.
  • the step of the grown silicon carbide single crystal ingot can be minimized.
  • the rotation speed of the crucible can proceed in various ways from 1 to 100 cycles / Hr, it is possible to control the sublimation speed by changing the speed according to the growth stage.
  • the present invention employs a structure in which a plurality of crucibles 110 and 120 are installed inside the heat insulating material 300 and the resistance heating heater 200, as in the growth apparatus of the silicon carbide single crystal ingot of the second embodiment shown in FIG. 3.
  • Productivity can be increased.
  • a growth apparatus for silicon carbide single crystal ingots includes a plurality of crucibles 110 and 120 on which silicon carbide single crystal ingots are grown; A resistance heating heater 220 installed on an outer periphery spaced from the plurality of crucibles 110 and 120 to heat the plurality of crucibles 110 and 120; Auxiliary connections (531,532) connected to the plurality of crucibles (110,120) to rotate the plurality of crucibles (110,120); And a heat insulating material 300 surrounding the outer circumferential surface of the resistance heating heater 200 and having through holes 311 and 312 through which the auxiliary connection parts 531 and 532 pass.
  • auxiliary connection parts 531 and 532 made of, for example, graphite rods is connected to the top of the plurality of crucibles 110 and 120, respectively.
  • the other end ie, the upper end
  • one end of the main connection part 510 made of graphite rods is connected to the horizontal connection part 533, and the other end thereof is extended to the outside of the vacuum chamber 150 and connected to the vertical rotation shaft 500.
  • the various connecting portions 510, 531, 532, 533 connecting the crucibles 110, 120 and the vertical rotation shaft 500 are formed of graphite rods having excellent thermal conductivity in order to minimize the influence on the temperature gradient of the crucible 110.
  • the vertical rotation shaft 500 is supported by the support frame 420 to be elevated, and the gear rotation is made with the motor rotation shaft 410 extending from the lifting motor 400 installed on the support frame 420 to form a vertical rotation shaft 500. It has a structure to elevate.
  • the gear coupling between the vertical rotation shaft 500 and the motor rotation shaft 410 may use a rack-pinion coupling as in the first embodiment, and may use other gear couplings.
  • the growth apparatus of the silicon carbide single crystal ingot according to the second embodiment may adopt a structure in which a plurality of crucibles 110 and 120 are rotated at the same time as in the first embodiment.
  • the worm 430 which is formed in the shape of a screw at the distal end of the rotary motor 401, is coupled at right angles to the vertical rotary shaft 500 having a worm gear structure at the outer circumference thereof to transmit the rotational force of the rotary motor 401 to rotate the vertical rotary shaft 500. You can.
  • the second embodiment illustrated in FIG. 3 illustrates the case of two crucibles 110 and 120
  • the second embodiment may be increased without being limited thereto.
  • a plurality of crucibles 110 and 120 are disposed between the plurality of crucibles 110 and 120 to receive heat heated by the resistance heating heater 200 installed at the outside, and heat the opposing surfaces of the crucibles 110 and 120 opposed to the received heat. It is preferable to further include an auxiliary heating heater.
  • the plurality of crucibles (110, 120) region facing the resistance heating heater 200 can be continuously received heat from the resistance heating heater 200, the area facing between the plurality of crucibles (110, 120) is a resistance heating heater Since it is not directly opposed to the 200, the heat of the resistance heating heater 200 may not be sufficiently received.
  • each of the plurality of crucibles (110, 120) can be warmed to a uniform temperature suitable for growing silicon carbide single crystal as a whole.
  • the plurality of auxiliary heating heaters are not connected to the resistance heating heater 200
  • the resistance heating heater 200 is a graphite resistance heater
  • the plurality of auxiliary heating heaters are connected to a power source or are not connected to the power source. It does not heat itself and performs a function of a heater that heats an area between the plurality of crucibles 110 and 120 with heat received from the resistance heating heater 200.
  • the auxiliary heating heater may be referred to as an auxiliary heating unit, and may be implemented as a separate graphite rod separated from the resistance heating heater 200.
  • a heater capable of heating two or more crucibles to 2500 ° C or more, and a system in which carrier gas can be uniformly introduced into each crucible are required.
  • the multi-growth device of the silicon carbide single crystal ingot of the present invention is capable of growing the silicon carbide single crystal ingot in each of a plurality of crucibles.
  • the resistance heating heater can form the temperature gradient required for the growth of silicon carbide single crystal ingot, which increases productivity by about 25% when growing 4 inches by 2 multi, and about 35% when growing 2 inches by 4 This can be increased.
  • FIG 4 is a graph showing the temperature relationship inside the crucible according to the height of the resistance heating heater in the growth apparatus using the resistance heating heater.
  • the temperature distribution of the resistance heating heater 220 for the SiC single crystal secured to 2500 ° C. by the resistance heating method was shown in FIG. 4.
  • the bottom position of the crucible 110 is set to move according to the ingot setting time.
  • the resistance heating heater employed in the growth apparatus of the silicon carbide single crystal ingot of the present invention exhibits a characteristic in which the width of the temperature decreases as the temperature increases above a certain height.
  • the temperature change width of the seed 113 has a section lowering to 15 ° C or more.
  • the crucible is raised to compensate for the decrease in temperature gradient by reducing the gap between the seed 113, that is, the ingot and the source 112, in the latter part of the growth.
  • the compensation width can be increased.
  • the sublimation amount decreases as the temperature of the lower part of the crucible 110 that determines the sublimation of the source 112 decreases. It is hard to expect.
  • the section in which the temperature of the upper portion is lowered to 15 ° C or more is set as the crucible moving section.
  • the growth rate of SiC before applying the crucible moving system according to the present invention was measured and the results are shown in Table 1 below. Growth was progressed for a total of 50 hours, and the growth interface was measured by adding nitrogen every 10 hours.
  • the growth rate decreased as the growth time increased. That is, when the growth time is 10 hours (Hr), the growth rate is 0.4mm / Hr, but when the growth time is 50Hr, the growth rate is gradually lowered to 0.2mm / Hr, it can be confirmed that 50% of the initial growth rate.
  • the growth time is 10 hours (Hr)
  • the growth rate is the highest 0.4mm / Hr, so it is preferable to proceed to the growth in the state of fixing the crucible at the beginning of the crucible
  • the lift is preferably started to move after 10 hours to maintain the initial growth rate.
  • the preceding two setting elements that is, the crucible movement section is set to a section in which the upper temperature is lowered to 15 ° C. or more when the temperature of the lower part of the crucible 110 is lowered by 10 ° C., and the starting time of the crucible is moved after 10 hours.
  • the growth rate of SiC By adding two conditions to start the growth of SiC single crystal in the crucible moving method during the actual growth was measured the growth rate of SiC and the results are shown in Table 2 below.
  • Example 2 the same amount of the source as in Example 2 was added and 6H (0001) plane was used as the seed (Seed).
  • the growth temperature was 2300 ⁇ 2500 °C and the growth pressure was 10 Torr.
  • the highest heating point of the lower part of the heater is a point at which the growth temperature is 2500 ° C. and the height of the heater is 100 mm, and the bottom of the crucible 110 is matched with the highest heating point using a crucible moving system. Start growing in a state.
  • the temperature gradient between the bottom of the crucible 110, that is, the source 112 and the top of the crucible, that is, the seed 113 is set to 55 ° C to 75 ° C to have an optimum growth rate. If the temperature gradient between the source 112 and the seed 113 is set to 60 ° C., the temperature of the seed 113 is set to 2440 ° C. and the heater height of the seed 113 is set to 340 mm. Therefore, the distance between the source 112 and the seed 113 in the crucible 110 is set to 240 mm.
  • the growth proceeds for a total of 50 hours, the rise of the crucible 110 starts the movement after the growth for 10 hours, and then until the temperature of the bottom of the crucible 110 is lowered by 10 °C over 40 hours
  • the crucible 110 is slowly raised using a moving system.
  • the temperature of the bottom of the crucible 110 becomes 2490 ° C., and the heater height of the bottom of the crucible 110 is located at 180 mm.
  • the heater height of the seed 113 is 420mm (ie, 180mm + 240mm (distance between the source and the seed)), the temperature of the seed 113 is obtained at 2417 °C (see Fig. 4).
  • the temperature difference (temperature gradient) between the bottom of the crucible 110 (ie, the source 112) and the seed 113 is represented as 73 ° C. It is possible to prevent the temperature gradient from decreasing.
  • the temperature change width of the upper portion ie, the seed 113
  • the gap between the seed 113, that is, the ingot and the source 112 is reduced in the second half of the growth, so that the temperature gradient is reduced. do.
  • the length of the SiC single crystal after 50 hours of growth by the crucible moving method was 18.4 mm, which was increased by 23% compared with 15 mm of the crucible fixing method.
  • the growth rate only 17% of the reduction was observed, unlike the crucible-fixing method in which the growth rate is reduced by 50% toward the second half of the growth.
  • Example 3 the same amount of material sublimation as in the crucible fixing method of Example 2 was obtained, but the amount of the material that contributed to growth was increased. As a result, the growth length of SiC single crystals seems to increase, and the side effect of reducing the loss of the crucible was also confirmed by the reduction of SiC raw material deposited on other parts of the crucible.
  • Example 3 the temperature of the lower portion of the crucible 110 (ie, the source 112) is lowered by 10 ° C., and the rising speed of the crucible is uniformly controlled during the growth time of 40 hours after the start of the crucible raising. It is also possible to adjust the speed to correspond to the growth rate of the ingot.
  • the growth length of the SiC single crystal can be secured by using a crucible moving system when SiC is grown through a resistive heating vapor phase (PVT).
  • PVT resistive heating vapor phase
  • the quality of the whole single crystal can be kept constant by maintaining the constant growth rate over the growth time.
  • the growth length of the SiC single crystal is increased without increasing the raw material and growth time. could increase.
  • the present invention proposes a high quality SiC growth method combining a crucible lifting method for maintaining a temperature gradient and a crucible rotation method for uniform temperature distribution by employing a crucible moving system in a growth apparatus of a silicon carbide single crystal ingot.
  • the overall reaction atmosphere temperature is made uniform, thereby maintaining the same temperature gradient and minimizing the step difference of the grown SiC ingot by evenly adsorbing the sublimed raw material on the seed surface.
  • the crucible lifting method using the crucible moving system maintains the temperature gradient through the change of the crucible position inside the heater, and the flat interface proceeds to the completion of growth and the ingot length can be increased.
  • the present invention can grow two or more silicon carbide single crystal ingots with one operation of the device, thereby reducing damage to the heater and the refractory, thereby reducing unnecessary consumption and maximizing the improvement in manufacturing efficiency. .
  • the present invention has an advantage that can be implemented as it is designed to balance the heat amount because the heat generation proceeds using a resistance heating heater of the resistance heating method. Based on these characteristics, when changing the size of the heater, it is advantageous to install two or more crucibles instead of one to grow several silicon carbide single crystal ingots in one growth.
  • the growth apparatus of the silicon carbide single crystal ingot according to the present invention maintains the same temperature gradient by rotating the crucible to make the overall reaction atmosphere temperature uniform, and the silicon carbide grown by allowing the sublimed raw material to be evenly adsorbed on the seed surface.
  • the step height of the single crystal ingot can be minimized.
  • rotating multiple crucibles integrally eliminates local temperature variations within the heater, enabling more stable multi-growth of silicon carbide single crystal ingots.
  • the heater may be implemented in various forms, and a circular heater, a square heater, a double-sided heater, and the like may be used.
  • a high quality silicon carbide single crystal with few dislocation defects can be obtained with good reproducibility.
  • the larger the diameter of the ingot the greater the effect.
  • the present invention can increase the growth length by preventing the temperature gradient of the latter part of the growth by adopting the crucible moving system for raising and lowering the crucible in conjunction with the growth time of the silicon carbide single crystal ingot growth apparatus. It is applied to the growth apparatus of silicon carbide single crystal ingot which can maintain the speed.

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Abstract

저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 이동시켜 온도구배를 유지함에 의해 성장 길이를 증대할 수 있는 탄화규소(SiC) 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법이 개시되어 있다. 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 탄화규소(SiC) 분말로 이루어진 소스가 하부에 충진되어 있으며, 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 탄화규소 단결정 잉곳이 성장되는 도가니에 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 갖고 도가니를 가열하는 저항 가열 히터를 도가니로부터 이격된 외주에 설치되어 있으며, 도가니 무빙 시스템에 의해 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 연동하여 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 도가니를 상승시킨다.

Description

탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법
본 발명은 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 탄화규소(SiC) 단결정을 성장시킬 때 단결정 잉곳의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하여 성장 후반부의 성장속도가 감소하는 문제를 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 이동시켜 온도구배를 유지함에 의해 성장 길이를 증대할 수 있는 탄화규소(SiC) 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는 탄소(C)와 규소(Si)의 화합물로 구성된 반도체로서, 열전도성, 내열성이 뛰어난 물리적, 화학적 성질을 가지고 있고, 전계 방출특성이 우수하여 최근에 다양한 전자 소자 및 반도체 재료로서 사용되고 있다.
탄화규소 단결정은 탄화규소를 일정 온도에서 용융 후 응고되는 과정에서 일정한 결정구조를 가지고 응고된 물질이다.
탄화규소는 동일한 조성으로 다양한 적층구조를 가지는 결정다형(Polytype) 현상을 나타내는 물질로써 1000 ~ 2700℃ 이상의 영역에 걸쳐 결정 구조가 다른 상이 존재하며, 모두 200여종이 넘는 결정다형이 존재한다. 그러나 대형의 단결정 성장이 가능한 안정상으로 존재할 수 있는 것은 육방정계(Hexagonal)로 현재 산업에서 요구되는 대표적은 타입은 4H, 6H 타입이다.
초 고순도 SiC 기판은 실리콘(Si)보다 열 전도도(~5.0W/cm)가 세배 높고, 절연파괴 강도(~3MV/cm)는 10배나 커서 고온과 고전압에서도 작동하는 에너지 효율적인 반도체를 만들 수 있으며, ~500℃의 높은 환경온도에서도 정상적으로 작동하는 부품을 개발할 수 있다. 이와 같이 SiC 반도체 소자는 인버터 기기나 가정용 파워모듈, 자동차용 파워 반도체 소자 등의 고성능화 및 저소비 전력화의 실현이 가능하다.
특히, 기존 규소(Si) 전력소자에 비하여 이론적으로 전력 소모가 1/100이므로 탄화규소 전력반도체로의 응용이 더욱 확대될 것으로 전망되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0089103호(특허문헌 1)에는 이중 석영관의 내측에 설치된 흑연제 도가니 내부에서 SiC 단결정 상의 원료인 SiC 분말을 승화 재결정화시켜 SiC 단결정 잉곳을 제조하는 제조 장치가 개시되어 있으나, 이 제조 장치는 이중 석영관 외주에 설치된 워크 코일에서 흑연제 도가니를 가열하여 잉곳을 성장시키는 방식으로, 한번의 제조 공정으로 하나의 탄화규소 단결정 잉곳을 제조할 수 있기에 제조 효율이 저하되는 단점이 있다.
또한, 특허문헌 1의 제조 장치는 유도가열방식에 의해 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하는 것으로, 도가니가 발열체 역할을 하고 있어 가열시 도가니에 형성되는 유도된 맴돌이 전류(eddy-current)가 안정되었다고 하더라도 단열재에 흡수되는 에너지와 도가니로 흡수되는 에너지의 비율 불균형이 발생하여 안정적 온도를 구현하는 것이 어렵고, 본래 설계한 열량 밸런스(공급되는 열량(Qin)과 제거되는 열량(Qout)의 차이 안정성) 대비 실제의 열량 안정성 확보가 어려운 단점을 가지고 있다.
또한, 탄화규소(SiC) 단결정(잉곳)의 주요 단결정 성장법인 기상법(PVT; Physical Vapor Transport)은 고순도의 SiC 분말을 밀폐된 그래파이트(Graphite) 도가니에서 유도가열방식으로 승화시킨 후 이를 시드(Seed) 단결정 위에 부착시켜서 잉곳(ingot)으로 얻어내는 방법이다.
그러나, 유도가열방식의 경우 사용 후 도가니의 두께 변화에 따라 전류밀도가 동시에 변하여 도가니 내부의 온도 분포가 변화하는 문제가 발생한다. 이로 인해 성장 재현성을 확보하는데 어려움이 있다.
이에 반하여 저항 가열 방식의 경우 발열된 저항 가열 히터의 복사열로 인하여 도가니 온도를 승온하여 도가니의 재사용이 가능하고 설계된 방출열량과 투입열량으로 재현성이 용이하다.
그러나, 종래의 저항 가열 방식에서는 SiC 단결정이 성장이 진행됨에 따라 단결정의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하고 이로 인해 성장 후반부로 갈수록 잉곳의 성장속도가 감소하는 문제가 발생하게 된다.
저항 가열 방식에서는 SiC 단결정의 성장 속도가 지속적으로 유지되려면 최고치 온도를 갖는 소스의 표면과 최저치 온도를 갖는 씨드(잉곳) 표면 사이의 온도 구배(즉, 온도 편차)는 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
만약, 소스의 표면과 최저치 온도를 갖는 씨드(잉곳) 표면 사이의 거리가 감소하여 온도 구배(즉, 온도 편차)가 감소하게 되면, 승화된 탄화규소(SiC)의 재결정화 속도가 느려지게 잉곳의 성장속도가 감소하게 된다.
또한, 온도 구배(즉, 온도 편차)가 감소하게 되면, 승화된 후, 재결정화되지 않은 소스가 잉곳 표면이 아닌 다른 곳에 부착될 가능성이 증가하게 되어 성장효율이 감소하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 탄화규소(SiC) 단결정을 성장시킬 때 단결정 잉곳의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하여 성장 후반부의 성장속도가 감소하는 문제를 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 이동시켜 온도 구배를 유지함에 의해 성장 길이를 증대할 수 있는 탄화규소(SiC) 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 저항 가열 히터를 이용하여 발열이 진행되므로 열량의 밸런스를 설계한 그대로 구현이 가능하고, 저항 가열 히터에 형성된 온도 분포를 확인하여 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 적정한 속도로 변경하면 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하여 성장속도를 유지할 수 있는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 한번의 장치 가동으로 2개 이상의 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있어, 제조 효율을 향상시킬 수 있는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는 데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는, 탄화규소(SiC) 분말로 이루어진 소스가 하부에 충진되어 있으며, 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 탄화규소 단결정 잉곳이 성장되는 도가니; 상기 도가니로부터 이격된 외주에 설치되어, 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 갖고 상기 도가니를 가열하는 저항 가열 히터; 상기 저항 가열 히터의 외주면을 감싸는 단열재; 상기 도가니, 저항 가열 히터 및 단열재가 내장되고 캐리어 가스가 주입되는 진공챔버; 및 상기 진공챔버의 외부에 설치되며, 상기 도가니 내부에서 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 연동하여 상기 도가니를 승강시키기 위한 도가니 무빙 시스템;을 포함하며, 상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니를 상승시키는 것을 특징으로 한다.
상기 도가니 무빙 시스템은 상기 도가니의 상부에 일단이 연결되고 타단이 진공챔버 외부로 연장된 연결부; 회전력을 제공하는 승강 모터; 및 일단이 상기 연결부의 타단과 연결되며 타단이 상기 승강 모터의 모터 회전축과 기어결합되어 승강 모터의 회전에 따라 승강이 이루어지는 수직 회전축;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결부는 흑연봉으로 이루어지고, 상기 수직 회전축은 일단이 상기 연결부의 타단과 분리 가능하게 연결되며, 상기 연결부와 수직 회전축은 설정한 목표 위치까지 도가니를 상승시킨 이후에 도가니 내부의 열손실을 최소화하도록 연결부와 수직 회전축을 분리할 수 있다.
더욱이, 상기 수직 회전축과 승강 모터의 모터 회전축 사이의 기어결합은 랙-피니온(rack-pinion) 결합을 사용할 수 있다.
상기 도가니의 바닥부를 상기 저항 가열 히터의 최고발열지점에 일치시킨 상태로 탄화규소 단결정의 성장을 개시하며, 상기 도가니를 이동시키는 도가니 이동 구간은 도가니 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부의 온도가 15℃ 이상으로 낮아지는 구간으로 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 상기 도가니가 다수개로 이루어지며, 상기 다수의 도가니 사이에 배치되어 상기 저항 가열 히터에서 가열된 열을 전달받고, 그 전달받은 열로 상기 다수의 도가니를 가열하는 다수의 보조 가열 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법은, 도가니의 하부에 탄화규소 분말로 이루어진 소스가 충진되어 있으며, 도가니의 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 있는 도가니를 준비하는 단계; 상기 도가니의 바닥부를 저항 가열 히터의 최고발열지점에 일치시킨 후, 저항 가열 히터로 도가니를 가열하여 탄화규소 단결정의 성장을 개시하는 단계; 및 승화된 탄화규소 소스를 탄화규소 단결정 시드 표면에 흡착시켜 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 저항 가열 히터는 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 가지며, 상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니 하부의 온도가 미리 설정된 온도로 낮아질 때까지 도가니를 상부로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 도가니의 이동 개시는 성장개시로부터 10시간 이후에 이동을 시작하는 것이 바람직하다.
상기 소스와 시드 사이의 온도 구배는 55℃ 내지 75℃ 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, SiC 단결정이 성장됨에 따라 단결정 잉곳의 표면과 소스의 표면이 가까워짐에 따라 내부의 온도 구배가 감소하고 이로 인해 성장 후반부의 성장속도가 감소하는 문제가 발생하나, 본 발명에서는 성장 후반부에 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 이동시켜 온도 구배를 유지하는 방법으로 해결함으로써 성장 길이를 증대할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 별도의 저항 가열 히터를 이용하여 발열이 진행되므로 열량의 밸런스를 설계한 그대로 구현이 가능하고, 저항 가열 히터에 형성된 온도 분포를 확인하여 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 적정한 속도로 변경하면 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하여 성장속도를 유지할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 한번의 장치 가동으로 2개 이상의 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있어, 히터 및 내화물의 손상을 감소하여 불필요한 소모를 줄일 수 있으며, 제조 효율의 향상을 극대화할 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 발명에 적용된 저항가열방식은 별도의 저항 가열 히터를 이용하여 발열이 진행되므로 열량의 밸런스를 설계한 그대로 구현이 가능한 장점이 있으며, 이러한 특성을 바탕으로 저항 가열 히터에 형성된 온도 분포를 확인하여 적정한 속도를 이용하여 저항 가열 히터 내부의 도가니 위치를 변경하면 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하여 성장속도를 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 다수의 도가니를 회전시켜 탄화규소 단결정 잉곳의 멀티 성장함으로써, 전체적인 반응 분위기 온도를 균일하게 만들어 주어 온도 구배를 동일하게 유지하고, 시드 표면에 승화된 원료가 고르게 흡착함으로써 성장된 탄화규소 단결정 잉곳의 단차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치를 설명하기 위한 개념적인 수직단면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치의 도가니 무빙 시스템을 설명하기 위한 개념적인 수평단면도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치를 설명하기 위한 개념적인 수직단면도,
도 4는 저항 가열 방식 히터를 사용한 성장장치에서 저항 가열 히터의 높이에 따른 도가니 내부의 온도 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치를 설명하기 위한 개념적인 수직단면도, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치의 도가니 무빙 시스템을 설명하기 위한 개념적인 수평단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 탄화규소 단결정 잉곳이 각각 성장되는 도가니(110); 상기 도가니(110)로부터 이격된 외주에 설치되어, 상기 도가니(110)를 가열하는 저항 가열 히터(200); 및 상기 저항 가열 히터(200)의 외주면을 감싸는 단열재(Insulator)(300);를 포함하여 구성된다.
상기 도가니(110)는 예를 들어, 그래파이트(graphite)로 이루어지고 밀폐된 구조를 가지며, 그 내부의 중공부(111)에는 고순도의 탄화규소(SiC) 분말로 이루어진 소스(Source)(112)가 하부에 충진되어 있고, 상부에는 탄화규소(SiC)가 승화된 후 재결정이 이루어도록 유도하는 탄화규소(SiC) 단결정 시드(Seed)(113)가 장착되어 있다.
여기서, 도가니(110), 저항 가열 히터(200) 및 단열재(300)는 캐리어 가스가 주입되는 진공챔버(150) 내부에 내장된다. 탄화규소 단결정 성장에 사용되는 캐리어 가스는 Ar과 N2가 사용될 수 있다.
저항 가열 히터(200)에 의해 도가니(110)를 가열하면, 도가니(110)의 소스(112)는 승화된 후 상승하여 상부에 위치한 단결정 시드(113)에 부착되면서 재결정이 이루어져서 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시키게 된다.
본 발명에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하기 위하여 도가니를 성장시간에 연동하여 도가니를 승강시키는 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 채용하고 있다.
우선, 도 2를 참고하면, 제1실시예에 따른 도가니 무빙 시스템(Moving System)은 연결부(510), 승강 모터(400), 및 수직 회전축(500)을 포함한다.
도 2의 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 도가니(110)의 상부에 예를 들어, 흑연봉으로 이루어진 연결부(510)의 일단이 연결되고, 타단(즉, 상단)은 진공챔버(150)의 외부로 연장되어 수직 회전축(500)에 연결되어 있다.
연결부(510)와 수직 회전축(500) 사이에는 열손실을 최소화하기 위하여 분리 가능하게 결합이 이루어진다. 이에 따라 연결부(510)와 수직 회전축(500)은 설정한 목표 위치까지 도가니를 상승시킨 이후에는 연결부(510)와 수직 회전축(500)을 분리하여 열손실을 최소화한다.
상기 도가니(110)와 수직 회전축(500) 사이를 연결하는 연결부(510)를 열전도도가 우수한 흑연봉으로 구성하는 것은 도가니(110)의 온도 구배에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다. 연결부(510)는 흑연봉 이외에 열전도도가 우수한 다른 재료를 사용하는 것도 가능하다.
상기 수직 회전축(500)은 지지 프레임(420)에 승강 가능하게 지지되며, 지지 프레임(420)에 설치된 승강 모터(400)로부터 연장된 모터 회전축(410)과 기어결합이 이루어져서 수직 회전축(500)을 승강시키는 구조를 가진다.
상기 수직 회전축(500)과 모터 회전축(410) 사이의 기어결합은, 예를 들어, 랙-피니온(rack-pinion) 결합을 사용할 수 있다. 즉, 모터 회전축(410)은 선단부에 톱니바퀴를 갖는 피니온을 적용하고 수직 회전축(500)에 랙을 적용하면, 모터 회전축(410)의 회전에 따라 피니온 구조의 수직 회전축(500)과 도가니(110)의 승강이 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 제1실시예에서는 승강 모터(400)에 의해 도가니(110)를 승강시키는 회전력 전달 구조를 랙-피니온 기어결합을 적용하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 다른 구조를 채용할 수 있다.
또한, 제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 승강 모터(400)에 의해 도가니(110)를 승강시키는 기능과 도가니(110)를 회전시키는 기능을 동시에 갖도록 회전력 전달 구조를 채용할 수 있다.
제1실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에서 도가니를 회전시키는 기능을 갖는 경우 도가니의 전체적인 반응 분위기 온도를 균일하게 만들어 줌으로써 온도 구배를 더욱더 동일하게 유지하고, 시드 표면에 승화된 원료가 고르게 흡착함으로써 성장된 탄화규소 단결정 잉곳의 단차를 최소화할 수 있다.
이때, 도가니의 회전 속도는 1~100 cycle/Hr로 다양하게 진행할 수 있으며, 성장 단계에 따라 속도를 변경함에 따라 승화속도를 제어할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 도 3에 도시된 제2실시예의 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치와 같이, 단열재(300)와 저항 가열 히터(200) 내부에 다수의 도가니(110,120)가 설치된 구조를 채용하여, 생산성을 높일 수 있다.
도 3을 참고하면, 제2실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 탄화규소 단결정 잉곳이 각각 성장되는 다수의 도가니(110,120); 상기 다수의 도가니(110,120)로부터 이격된 외주에 설치되어, 상기 다수의 도가니(110,120)를 가열하는 저항 가열 히터(220); 상기 다수의 도가니(110,120)에 연결되어 상기 다수의 도가니(110,120)를 회전시키는 보조 연결부(531,532); 및 상기 저항 가열 히터(200)의 외주면을 감싸고, 상기 보조 연결부(531,532)가 통과되는 관통홀(311,312)이 형성되어 있는 단열재(300);를 포함하여 구성된다.
제2실시예에 따른 도가니 무빙 시스템(Moving System)은 제1실시예와 유사하게 다수의 도가니(110,120)의 상부에 각각 예를 들어, 흑연봉으로 이루어진 보조연결부(531,532)의 일단이 연결되고, 타단(즉, 상단)은 수평 연결부(533)에 연결되어 있다. 또한, 수평 연결부(533)에는 중앙에 흑연봉으로 이루어진 메인 연결부(510)의 일단이 연결되고, 타단은 진공챔버(150)의 외부로 연장되어 수직 회전축(500)에 연결되어 있다.
상기 도가니(110,120)와 수직 회전축(500) 사이를 연결하는 각종 연결부(510,531,532,533)를 열전도도가 우수한 흑연봉으로 구성하는 것은 도가니(110)의 온도 구배에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다.
상기 수직 회전축(500)은 지지 프레임(420)에 승강 가능하게 지지되며, 지지 프레임(420)에 설치된 승강 모터(400)로부터 연장된 모터 회전축(410)과 기어결합이 이루어져서 수직 회전축(500)을 승강시키는 구조를 가진다.
상기 수직 회전축(500)과 모터 회전축(410) 사이의 기어결합은 제1실시예와 동일하게 랙-피니온(rack-pinion) 결합을 사용할 수 있고, 다른 기어결합을 사용할 수 있다.
제2실시예에서 모터 회전축(410)은 선단부에 톱니바퀴를 갖는 피니온을 적용하고 수직 회전축(500)에 랙을 적용하면, 모터 회전축(410)의 회전에 따라 피니온 구조의 수직 회전축(500)과, 이에 연결된 연결부(510,531,532,533) 및 도가니(110,120)의 승강이 이루어질 수 있다.
더욱이, 제2실시예에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 제1실시예와 유사하게 다수의 도가니(110,120)를 회전시키는 구조를 동시에 채용하는 것도 가능하다.
회전 모터(401)의 선단부에 나사모양으로 형성된 웜(430)이 외주부에 웜기어 구조를 갖는 수직 회전축(500)에 직각으로 결합되어 회전 모터(401)의 회전력을 전달하면 수직 회전축(500)을 회전시킬 수 있다.
상기 수직 회전축(500)의 회전력은 적절한 기어결합을 채용함에 따라 메인 연결부(510), 수평 연결부(533)를 통하여 보조연결부(531,532)를 회전시키는 것도 가능하다.
한편, 도 3에 도시된 제2실시예는 상기 도가니(110,120)가 2개인 경우를 예시하고 있으나, 이에 제한되지 않고 증가될 수 있다. 도가니(110,120)가 다수개인 경우 도가니(110,120) 사이에 배치되어 외곽에 설치된 저항 가열 히터(200)에서 가열된 열을 전달받아서, 전달받은 열로 대향된 도가니(110,120)의 대향면을 가열하는 다수의 보조 가열 히터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 저항 가열 히터(200)에 대향되는 다수의 도가니(110,120) 영역은 저항 가열 히터(200)에서 열을 지속적으로 전달받을 수 있으나, 다수의 도가니(110,120) 사이에 대향하는 영역은 저항 가열 히터(200)에 직접적으로 대향되어 있지 않아 저항 가열 히터(200)의 열을 충분히 전달받지 못할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 제2실시예에서는 다수의 도가니(110,120) 사이 영역에 다수의 보조 가열 히터를 배치시켜, 저항 가열 히터(200)에서 가열된 열을 다수의 보조 가열 히터가 전달받아 다수의 도가니(110,120)가 대향하는 영역을 가열함으로써, 다수의 도가니(110,120) 각각이 전체적으로 탄화규소 단결정 성장에 적합한 균일한 온도로 승온시킬 수 있다.
여기서, 다수의 보조 가열 히터는 저항 가열 히터(200)와 연결되어 있지 않으며, 저항 가열 히터(200)는 흑연 저항 히터이고, 다수의 보조 가열 히터는 전원에 연결되거나, 또는 전원에 연결되어 있지 않아 자체적으로는 히팅을 하지 못하고 저항 가열 히터(200)로부터 전달받은 열로 다수의 도가니(110,120) 사이 영역을 가열하는 히터의 기능을 수행한다. 이 보조 가열 히터를 보조 가열부로 지칭할 수 있으며, 저항 가열 히터(200)와 분리된 별도의 흑연봉으로 구현할 수 있다.
본 발명에서는 2개 이상의 도가니를 설치하여 탄화규소 단결정을 멀티 성장하기 위해서 2개 이상의 도가니를 2500℃ 이상을 가열할 수 있는 히터와, 각 도가니에 균일하게 캐리어 가스가 들어갈 수 있는 시스템의 구축이 필요하다.
따라서, 본 발명의 탄화규소 단결정 잉곳의 멀티 성장장치는 다수의 도가니각각에서 탄화규소 단결정 잉곳의 성장이 가능하다. 그리고, 저항 가열 히터는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 필요한 온도구배를 형성할 수 있으며, 이를 통해 4인치 2개 멀티 성장시 약 25%의 생산성 증가, 2인치 4개 성장하는 경우 약 35%의 생산성이 증가될 수 있다.
이하에 도 4를 참고하여 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법을 설명한다.
도 4는 저항 가열 방식 히터를 사용한 성장장치에서 저항 가열 히터의 높이에 따른 도가니 내부의 온도 관계를 나타내는 그래프이다.
(실시 예 1) 도가니의 이동 거리 설정
저항가열방식으로 2500℃까지 승온 확보된 SiC 단결정용 저항 가열 히터(220)의 온도분포는 도 4와 같이 나타났다.
저항가열식 성장에서 원활한 소스(112)의 승화 및 온도 구배를 크게 주기 위해 도가니 바닥부의 위치를 저항 가열 히터(220)의 하부에서 최고 발열 구간에 일치시킨 상태에서 SiC 단결정 잉곳을 성장시킨 경우 잉곳의 성장길이는 15mm 내외의 성장 길이가 확보되었다.
그러나, 잉곳의 성장이 진행됨에 따라 소스(112)와 잉곳의 거리가 줄어들어 온도 구배가 감소하는 문제가 발생한다.
이를 보상하기 위하여 본 발명에서는 도가니(110)의 바닥부 위치를 잉곳의 성정 시간에 따라 이동하기로 설정하였다.
본 발명의 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에 채용된 저항 가열 히터는 도 4에 도시된 바와 같이, 온도가 일정 높이 이상으로 갈수록 하강하는 폭이 증가하는 특성을 나타내고 있다.
즉, 저항 가열 히터의 특성을 살펴보면 도가니(110)의 위치를 저항 가열 히터(220)의 상부로 이동시켜서 도가니(110)의 하부, 즉, 소스(112)의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부, 즉 시드(113)의 온도 변화 폭은 15℃ 이상으로 낮아지는 구간을 갖는 것을 알 수 있다.
따라서, SiC 단결정을 성장시킬 때, 도가니를 상승시키면 성장후반부에 시드(113), 즉, 잉곳과 소스(112)의 간격이 줄어들어 온도 구배가 줄어드는 것을 보상할 수 있게 된다.
단, 도가니(110)의 높이를 더 올릴수록 이 보상폭을 크게 할 수 있으나, 이 경우는 소스(112)의 승화를 결정하는 도가니(110) 하부의 온도가 낮아짐에 따라 승화량이 감소하여 큰 효과를 기대하기 어렵다.
본 발명에서는 도가니(110) 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부의 온도가 15℃ 이상으로 낮아지는 구간을 도가니 이동 구간으로 설정하였다.
(실시예 2) 이동 시간 설정
본 발명에 따른 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 적용하기 이전의 SiC의 성장속도를 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다. 총 50시간 동안 성장 진행하였으며 10시간 간격으로 질소를 투입하여 성장 계면을 측정하였다.
성장 시간(Hr) 잉곳 성장 길이(mm) 구간 성장 길이(mm) 성장속도(mm/Hr)
10 4 4.0 0.4
20 7.3 3.3 0.33
30 10.3 3.0 0.30
40 13 2.7 0.27
50 15 2.0 0.2
상기한 표 1을 참고하면, 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 적용하지 않고 도가니를 고정시킨 상태로 SiC의 성장속도를 측정한 결과, 성장 시간이 증가함에 따라 성장 속도는 감소하였다. 즉, 성장시간이 10시간(Hr)인 경우 성장속도는 0.4mm/Hr이나, 성장시간이 50Hr인 경우 성장속도는 0.2mm/Hr로 점차적으로 낮아져서 초기 성장 속도의 50% 수준임을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 표 1을 참고할 때, 성장시간이 10시간(Hr)인 경우 성장속도는 0.4mm/Hr로 가장 높게 나타나고 있으므로 성장 초기에는 도가니를 고정시킨 상태로 성장을 진행하는 것이 바람직하며, 도가니의 승강은 초기의 성장속도를 유지하기 위하여 10시간 이후 이동을 시작하는 것이 바람직하다.
(실시예 3) 도가니 무빙 방식 성장
앞선 두 가지의 설정 요소, 즉, 도가니 이동 구간을 도가니(110) 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부의 온도가 15℃ 이상으로 낮아지는 구간으로 설정하고, 도가니의 승강 개시시간은 10시간 이후 이동을 시작하는 2가지 조건을 추가하여 실제 성장 중 도가니 무빙 방식으로 SiC 단결정의 성장을 실시하여 SiC의 성장속도를 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
이때, 상기 실시예 2와 동일한 소스의 양을 투입하였고 시드(Seed)로는 6H (0001)면을 사용하였다. 성장온도는 2300~2500℃, 성장압력은 10Torr로 진행하였다.
도 4를 참고하면, 히터 하부의 최고발열지점은 성장온도가 2500℃인 히터 높이가 100mm인 지점이고, 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 사용하여 최고발열지점에 도가니(110)의 바닥부를 일치시킨 상태로 성장을 개시한다.
이 경우, 도가니(110)의 바닥부, 즉, 소스(112)와 도가니의 상부, 즉 시드(113) 사이의 온도 구배는 55℃ 내지 75℃로 설정되는 것이 최적의 성장속도를 갖게 된다. 만약, 소스(112)와 시드(113) 사이의 온도 구배를 60℃로 설정한 경우, 시드(113)의 온도는 2440℃로 설정되고 이때 시드(113)의 히터 높이는 340mm에 설정된다. 따라서, 도가니(110) 내부에 소스(112)와 시드(113) 사이의 거리는 240mm로 설정된다.
그 후, 총 50시간 동안 성장을 진행하며, 도가니(110)의 상승은 10시간 동안 성장을 진행한 이후에 이동을 시작하여 40시간에 걸쳐서 도가니(110) 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때까지 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 이용하여 도가니(110)를 서서히 상승시킨다.
40시간에 걸쳐서 도가니(110) 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때까지 도가니(110)를 상승시킨 경우 도가니(110) 하부의 온도는 2490℃가 되고, 이때 도가니(110) 하부의 히터 높이는 180mm에 위치하며, 이때 시드(113)의 히터 높이는 420mm(즉, 180mm + 240mm(소스와 시드 사이의 거리)), 시드(113)의 온도는 2417℃로 얻어진다(도 4 참조).
따라서, 총 50시간 동안 성장이 완료된 상태일 때, 도가니(110) 하부(즉, 소스(112))와 시드(113) 사이의 온도 차이(온도 구배)는 73℃로 나타나므로 성장을 개시할 때의 온도 구배보다 감소하는 것을 막을 수 있다.
즉, 도가니(110)의 하부(즉, 소스(112))의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부(즉, 시드(113))의 온도 변화 폭은 23℃로 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 SiC 단결정을 성장시킬 때, 도가니(110)를 이송시킴에 따라 성장후반부에 시드(113), 즉, 잉곳과 소스(112)와의 간격이 줄어들어 온도 구배가 줄어드는 것을 보상할 수 있게 된다.
설정한 목표 위치까지 이동을 한 이후에는 연결부와 수직 회전축을 분리하여 열손실을 최소화하였다. 성장 중 이동에 따른 진공챔버의 진공의 변화와 온도의 변화는 없었다.
성장 시간(Hr) 잉곳 성장 길이(mm) 구간 성장 길이(mm) 성장속도(mm/Hr)
10 4 4.0 0.4
20 7.8 3.8 0.38
30 11.6 3.8 0.38
40 15.1 3.5 0.35
50 18.4 3.3 0.33
상기 표 2를 참고하면, 도가니 무빙 방식의 성장으로 50시간 성장이 완료된 SiC 단결정의 길이는 18.4mm로 도가니 고정 방식의 15mm와 대비할 때 23%의 길이 증가를 보였다. 성장속도에서도 성장 후반으로 갈수록 성장속도가 50% 감소되는 도가니 고정 방식과 달리 17%의 감소만 확인되었다.
실시예 3에서는 실시예 2의 도가니 고정 방식과 동일한 원료 승화량을 보였으나 성장에 기여한 원료의 양이 증가하였다. 이로 인하여 SiC 단결정의 성장길이가 증가한 것으로 보이며, 또한 도가니의 다른 부분에 증착된 SiC 원료가 감소하여 도가니의 손실이 줄어드는 부수적인 효과도 확인하였다.
실시예 3에서는 도가니(110)의 하부(즉, 소스(112))의 온도가 10℃ 낮아지도록 도가니의 상승 개시 후 40시간의 성장시간 동안 도가니의 상승 속도를 균일하게 조절하는 것이나, 도가니의 상승 속도를 잉곳의 성장속도에 대응하도록 조절하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 저항가열식 기상법(PVT; Physical Vapor Transport)을 통한 SiC 성장 시 도가니 무빙 시스템을 이용하여 SiC 단결정의 성장길이를 확보할 수 있음을 확인하였다.
또한, 성장 시간에 걸쳐 성장속도를 일정하게 유지함으로써 전체 단결정의 품질을 일정하게 유지할 수 있음을 확인하였으며 기존 성장 조건에서 성장 길이를 증대하기 위해 원료 및 성장 시간을 증가시키지 않고서도 SiC 단결정의 성장 길이를 증가할 수 있었다.
더욱이, 본 발명에서는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에 도가니 무빙 시스템을 채용하여 온도 구배를 유지하기 위한 도가니 승강방법과 온도분포 균일화를 위한 도가니 회전방법을 결합한 고품질 SiC 성장 방법을 제시한다.
도가니 회전방법의 경우 도가니를 회전함으로써 전체적인 반응 분위기 온도를 균일하게 만들어 줌으로써 온도 구배를 동일하게 유지하고 시드 표면에 승화된 원료가 고르게 흡착함으로써 성장된 SiC 잉곳의 단차를 최소화할 수 있다.
또한, 도가니 무빙 시스템을 이용한 도가니 승강방법에 의해 히터 내부의 도가니 위치 변화를 통하여 온도 구배를 유지하여 Flat한 계면이 성장 완료시까지 진행되며 잉곳의 길이를 증가시킬 수 있다.
더욱이, 다수 개의 도가니를 회전시키는 도가니 회전방법과 도가니 승강방법을 결합하면 다수의 잉곳을 보다 길게 성장시킬 수 있어 생산성 향상을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 한번의 장치 가동으로 2개 이상의 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있어, 히터 및 내화물의 손상을 감소하여 불필요한 소모를 줄일 수 있으며, 제조 효율의 향상을 극대화할 수 있는 잇점이 있다.
그리고, 본 발명은 저항가열방식의 저항 가열 히터를 이용하여 발열이 진행되므로 열량의 밸런스를 설계한 그대로 구현 가능한 장점이 있다. 이러한 특징을 바탕으로 히터의 크기를 변형할 시 도가니를 하나가 아닌 2개 이상을 설치하여 한 번의 성장에 동시에 여러 개의 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 장점이 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치는 도가니를 회전함으로써 전체적인 반응 분위기 온도를 균일하게 만들어 줌으로써 온도 구배를 동일하게 유지하고, 시드 표면에 승화된 원료가 고르게 흡착하게 함으로써 성장된 탄화규소 단결정 잉곳의 단차를 최소화할 수 있다.
아울러 다수의 도가니를 일체로 회전시키면 히터 내부의 국부적인 온도 편차까지도 해소되어 보다 안정적인 탄화규소 단결정 잉곳의 멀티 성장이 가능하다.
본 발명의 제1 및 제2 실시예의 장치에서 히터는 다양한 형태로 구현할 수 있고, 원형 히터, 사각히터, 양면 히터 등이 사용 가능하다.
본 발명에 따르면, 전위 결함이 적은 양질의 탄화규소 단결정을 재현성 좋게 얻을 수 있다. 특히, 대구경의 잉곳이 될수록 이 효과는 크다. 이러한 SiC 단결정으로부터 잘라낸 기판 및 에피택셜 웨이퍼를 사용하면, 전기적 특성이 우수한 고주파ㆍ고내압 전자 디바이스, 광학적 특성이 우수한 청색 발광 소자를 제작할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에서 도가니를 성장시간에 연동하여 도가니를 승강시키는 도가니 무빙 시스템(Moving System)을 채용함에 의해 성장 후반부의 온도 구배 감소를 방지하여 성장 길이를 증대할 수 있고 성장속도를 유지할 수 있는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치에 적용된다.

Claims (10)

  1. 탄화규소(SiC) 분말로 이루어진 소스가 하부에 충진되어 있으며, 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 탄화규소 단결정 잉곳이 성장되는 도가니;
    상기 도가니로부터 이격된 외주에 설치되어, 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 갖고 상기 도가니를 가열하는 저항 가열 히터;
    상기 저항 가열 히터의 외주면을 감싸는 단열재;
    상기 도가니, 저항 가열 히터 및 단열재가 내장되고 캐리어 가스가 주입되는 진공챔버; 및
    상기 진공챔버의 외부에 설치되며, 상기 도가니 내부에서 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 연동하여 상기 도가니를 승강시키기 위한 도가니 무빙 시스템;을 포함하며,
    상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니를 상승시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도가니 무빙 시스템은
    상기 도가니의 상부에 일단이 연결되고 타단이 진공챔버 외부로 연장된 연결부;
    회전력을 제공하는 승강 모터; 및
    일단이 상기 연결부의 타단과 연결되며 타단이 상기 승강 모터의 모터 회전축과 기어결합되어 승강 모터의 회전에 따라 승강이 이루어지는 수직 회전축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결부는 흑연봉으로 이루어지고, 상기 수직 회전축은 일단이 상기 연결부의 타단과 분리 가능하게 연결되며,
    상기 연결부와 수직 회전축은 설정한 목표 위치까지 도가니를 상승시킨 이후에 도가니 내부의 열손실을 최소화하도록 연결부와 수직 회전축을 분리하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수직 회전축과 승강 모터의 모터 회전축 사이의 기어결합은 랙-피니온(rack-pinion) 결합을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도가니 무빙 시스템에 결합되어 도가니를 회전시키기 위한 회전수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도가니의 바닥부를 상기 저항 가열 히터의 최고발열지점에 일치시킨 상태로 탄화규소 단결정의 성장을 개시하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도가니를 이동시키는 도가니 이동 구간은 도가니 하부의 온도가 10℃ 낮아질 때 상부의 온도가 15℃ 이상으로 낮아지는 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도가니는 다수개로 이루어지며,
    상기 다수의 도가니 사이에 배치되어 상기 저항 가열 히터에서 가열된 열을 전달받고, 그 전달받은 열로 상기 다수의 도가니를 가열하는 다수의 보조 가열 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 멀티 성장장치.
  9. 도가니의 하부에 탄화규소 분말로 이루어진 소스가 충진되어 있으며, 도가니의 상부에 탄화규소 단결정 시드가 장착되어 있는 도가니를 준비하는 단계;
    상기 도가니의 바닥부를 저항 가열 히터의 최고발열지점에 일치시킨 후, 저항 가열 히터로 도가니를 가열하여 탄화규소 단결정의 성장을 개시하는 단계; 및
    승화된 탄화규소 소스를 탄화규소 단결정 시드 표면에 흡착시켜 탄화규소 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 저항 가열 히터는 하부로부터 일정 높이 이상으로 갈수록 온도의 하강 폭이 증가하는 특성을 가지며,
    상기 탄화규소 단결정 잉곳의 성장에 따라 상기 도가니 내부의 온도 구배 감소를 보상하도록 상기 도가니 하부의 온도가 미리 설정된 온도로 낮아질 때까지 도가니를 상부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 도가니의 이동 개시는 성장개시로부터 10시간 이후에 이동을 시작하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 잉곳의 성장방법.
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