WO2018062689A1 - 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 - Google Patents

실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 Download PDF

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이호림
김경훈
고정민
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Definitions

  • the present invention relates to a silicon-based melt composition and a method for producing silicon carbide single crystals using the same.
  • Power semiconductor devices are key devices in next-generation systems that use electric energy, such as electric vehicles, power systems, and high-frequency mobile communications. To do this, it is necessary to select materials suitable for high voltage, high current, high frequency, etc. Silicon single crystals have been used as power semiconductor materials, but due to physical limitations, silicon carbide single crystals, which have low energy loss and can be driven in more extreme environments, are drawing attention.
  • silicon carbide single crystals for example, silicon carbide is used as a raw material to sublimate at a high temperature of 2000 ° C. or higher to grow single crystals, a sublimation method using a crystal pulling method, and a gas growth method using a gas source. Chemical vapor deposition and the like are used.
  • the chemical vapor deposition method can be grown to a limited thickness of the thin film, and the sublimation method is likely to cause defects such as micro pipes and stacking defects, and thus there is a limit in production cost.
  • the research on the solution growth method is known that the crystal growth silver is lower than the sublimation method, and is known to be advantageous for large diameter and high quality.
  • the present invention provides a silicon-based melt composition capable of precipitating silicon carbide single crystal at low process temperature and the production of silicon carbide single crystal using the same To provide a method.
  • the silicon-based melt composition according to one embodiment is used in a solution growth method for forming a silicon carbide single crystal, and includes silicon (Si), first metal (Ml), second metal (M2), and crab 3 metal (M3).
  • the first metal (Ml) is at least one selected from the group consisting of nickel (Ni) and manganese (Mn)
  • the second metal (M2) is scandium (Sc) and At least one member selected from the group containing titanium (Ti)
  • the crab 3 metal (M3) is at least one member selected from the group containing aluminum (A1) and gallium (Ga).
  • A is 0.3 to 0.8, b is 0.1 to 0.5, c is 0.01 to 0.3, d is 0.01 to 0.2, and a + b + c + d is 1.
  • a may be 0.4 to 0.7
  • b may be 0.2 to 0.4
  • c may be 0.05 to 0.2
  • d may be 0.01 to 0.1.
  • the content of the first metal (Ml) is greater than the content of the second metal (M2), the content of the crab bimetal (M2) may be greater than the content of the third metal (M3).
  • the melting point of the first metal (Ml) is less than 1600 degrees ( ° C), preferably, the melting point of the first metal (Ml) may be less than 1500 degrees ( ° C).
  • the melting point of the crab 2 metal (M2) is 1800 degrees ( ° C) or less, preferably the melting point of the metal 12 (M2) may be 1700 degrees ( ° C) or less.
  • the melting point of the third metal (M3) is 800 degrees ( ° C) or less, preferably, the melting point of the bran 13 metal (M3) may be 700 degrees ( ° C) or less.
  • the first metal ( M1 ) may be nickel (Ni), the second metal (M2) may be titanium (Ti), and the third metal (M3) may be aluminum (A1).
  • a method of preparing a silicon carbide single crystal includes preparing a silicon carbide seed crystal, a silicon-based system including silicon (Si), a first metal (Ml), a second metal (M2), and a third metal (M3).
  • the silicon-based molten composition is represented by the following formula (1):
  • the first metal (Ml) is at least one selected from the group consisting of nickel (Ni) and manganese (Mn)
  • the second metal (M2) is scandium (Sc) and titanium (Ti).
  • At least one selected from the group containing, and the third metal (M3) is at least one selected from the group containing aluminum (A1) and gallium (Ga).
  • A is 0.3 to 0.8, b is 0.1 to 0.5, c is 0.01 to 0.3, d is 0.01 to 0.2, and a + b + c + d is 1.
  • a silicon-based melt composition that can precipitate a silicon carbide single crystal at a low process temperature and a method for producing a silicon carbide single crystal using the same.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing silicon carbide single crystal according to an embodiment.
  • Example 2 is a morphology according to (a) Example 1, (b) Example 2 and (b) Comparative Example.
  • Figure 5 is a precipitated image of silicon carbide according to a comparative example.
  • the silicon-based melt composition may include silicon (Si), a first metal (Ml), a dozen metal (M2), and a third metal (M3).
  • the silicone melt composition may be represented by the following formula (1).
  • a is 0.3 to 0.8, b is 0.1 to 0.5, c is 0.01 to 0.3, and d is 0.01 to 0.2.
  • a may be 0.4 to 0.7, b may be 0.2 to 0.4, c may be 0.05 to 0.2, and d may be 0.01 to 0.1.
  • a + b + c + d is 1.
  • Silicon (Si) may be included in the silicon-based melt composition 30 at% to 80 at%, preferably 40 at% to 70 at%.
  • the C 1 metal (Ml) may be included in the silicon-based melt composition at 10 at% to 50 at%, preferably 20 at% to 40 at%.
  • the crab 2 metal (M2) may be included in the silicon-based melt composition at 1 to 30 at%, and preferably 5 to 20 at.
  • System 3 metal (M3) may be included in the silicon-based melt composition in 1 to 20%, preferably in 1 to 10%.
  • the content of the metal included in the silacon-based melt composition according to the embodiment may be a crab 1 metal (Ml), a crab 2 metal (M2), and a crab 3 metal (M3).
  • Ml crab 1 metal
  • M2 crab 2 metal
  • M3 crab 3 metal
  • the crab 1 metal (Ml) is selected from the group containing nickel (Ni) and manganese (Mn)
  • At least one, and the second metal (M2) is at least one selected from the group consisting of scandium (Sc) and titanium (Ti), and the crab 3 metal (M3) comprises aluminum (A1) and gallium (Ga). It may be one or more selected from the group.
  • the silicon-based melt composition according to an embodiment may include at least one of each of U metal (Ml), Crab 2 metal (M2), and C3 metal (M3).
  • the first metal (Ml) is a uniform material of the raw material contained in the melt in the silicon melt Can help with mixing
  • the second metal (M2) can improve the carbon solubility in the silicon-based melt.
  • the third metal (M3) can lower the surface energy to help the flat growth of silicon carbide, but is not limited to this function.
  • the melting point of the crab 1 metal (Ml) may be less than or equal to 1600 degrees ( ° C), preferably less than or equal to 1500 degrees ( ° C).
  • the melting point of the second metal (M2) may be 1800 degrees ( ° C) or less, preferably 1700 degrees ( ° C) or less.
  • the melting point of roughly 13 metals (M3) can be up to 800 degrees ( ° C), preferably up to 700 degrees ( ° C).
  • the melting point of nickel (Ni) corresponding to the first metal (Ml) is 1455 degrees ( ° C)
  • the melting point of titanium (Ti) corresponding to the crab 2 metal (M2) is 1668 degrees ( ° C)
  • the melting point of aluminum (A1), which corresponds to the third metal (M3), is 660 degrees ( ° C)
  • the melting point of silicon (Si) is 1404 degrees ( ° C).
  • the silicon-based melt composition according to one embodiment may have a relatively low melting point (eg, the melting point of chromium (Cr) is 1907 degrees ( ° C.)), so that the precipitation process of the silicon carbide single crystal at a low process temperature It may be possible.
  • a relatively low melting point eg, the melting point of chromium (Cr) is 1907 degrees ( ° C.)
  • Cr chromium
  • the silicon-based melt composition according to one embodiment may have a relatively low melting point (eg, the melting point of chromium (Cr) is 1907 degrees ( ° C.)), so that the precipitation process of the silicon carbide single crystal at a low process temperature It may be possible.
  • the silicon carbide single crystal is precipitated at a low process temperature, stable process control is possible and the quality of the precipitated silicon carbide single crystal can be improved.
  • Fast crystal growth rates can also reduce process time and cost.
  • 1 is a view for explaining the configuration of a manufacturing apparatus used when growing
  • the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus may include a reaction chamber 100, a crucible 300 located inside the reaction chamber 100, and a seed crystal 210 extending into the crucible 300.
  • a seed crystal support 230 connected to the seed crystal 210 may include a moving member 250 and a heating member 400 for heating the crucible 300.
  • the reaction chamber 100 is a sealed form including an empty interior space and the interior thereof may be maintained in an atmosphere such as a constant pressure.
  • a vacuum pump and an atmosphere control gas tank may be connected to the reaction chamber 100.
  • vacuum The inside of the reaction chamber 100 may be vacuumed using a pump and a gas tank for controlling the atmosphere, followed by filling with an inert gas such as argon gas.
  • Silicon carbide seed crystals 210 may be located inside the crucible 300 in connection with the seed crystal support 230 and the moving member 250, and may be arranged to be in contact with the molten liquid provided inside the crucible 300. .
  • a meniscus may be formed between the surface of the silicon carbide seed crystal 210 and the melt.
  • the meniscus refers to a curved surface formed on the melt by the surface tension generated as the bottom surface of the silicon carbide seed crystal 210 is slightly lifted after contact with the melt.
  • Silicon carbide seed crystals 210 are made of silicon carbide single crystals.
  • the crystal structure of the silicon carbide seed crystal 210 is the same as that of the silicon carbide single crystal to be produced.
  • 4H polymorphic silicon carbide seed crystals 210 may be used.
  • the crystal growth plane is the (0001) plane or the (000-1) plane, or is inclined at an angle of 8 degrees or less from the (0001) plane or (000-1) plane. It may be a photographic side.
  • the seed crystal support 230 connects the silicon carbide seed crystal 210 and the moving member 250. One end of the seed crystal support 230 may be connected to the moving member 250 and the other end may be connected to the seed crystal 210.
  • the seed crystal support 230 may be connected to the moving member 250 to move up and down along the height direction of the crucible 300.
  • the seed crystal support 230 may be moved into the crucible 300 for the growth process of the silicon carbide single crystal or moved outside the crucible 300 after the growth process of the silicon carbide single crystal is finished.
  • the present specification has described an embodiment in which the seed crystal support 230 moves in the vertical direction, but is not limited thereto and may move or rotate in any direction, and may include a known means for this.
  • the seed crystal support 230 may be detached from the moving member 250. It can be bonded to the moving member 250 and provided inside the crucible 300 to obtain silicon carbide single crystal, and the growth process of the single crystal is completed. Thereafter, it may be separated from the moving member 250.
  • the moving member 250 may be connected to a driving unit (not shown) to move or rotate the inside of the chamber 100.
  • the moving member 250 may include known means for moving up and down or rotating.
  • the crucible 300 may be provided inside the reaction chamber 100 and may have a container shape of which an upper side is opened, and may include an outer circumferential surface 300a and a lower surface 300b except for an upper surface.
  • the crucible 300 may be of any type for forming silicon carbide single crystals without being limited to the above-described form.
  • the crucible 300 may be loaded with a molten raw material such as silicon or silicon carbide powder.
  • Crucible 300 may be a material containing carbon, such as graphite, silicon carbide, the crucible 300 of such a material itself may be utilized as a source of carbon raw material. Alternatively, but not limited thereto, a ceramic crucible may be used, and a material or a source for providing carbon may be provided separately.
  • the heating member 400 may heat the crucible 300 to melt or heat the material contained in the crucible 300.
  • the heating member 400 may use a resistive heating means or an induction heating means. Specifically, the heating member 400 itself may be formed in a resistive manner to generate heat, or the heating member 400 may be formed of an induction coil and formed by an induction heating method of heating the crucible 300 by flowing a high frequency current through the induction coil. . However, it is a matter of course that any heating member may be used without being limited to the method described above.
  • Silicon carbide manufacturing apparatus may further include a rotating member (500).
  • the rotating member 500 may be coupled to the lower side of the crucible 300 to rotate the crucible 300.
  • High-quality silicon carbide single crystals can be grown in the silicon carbide seed crystals 210 that can provide a melt of uniform composition by rotating the crucible 300.
  • the manufacturing method of the silicon carbide single crystal using the above-mentioned silicon type melt composition and the silicon carbide single crystal manufacturing apparatus is demonstrated.
  • the initial molten raw material containing the above-mentioned silicon-based melt composition is thrown into the crucible 300 made of carbon material.
  • the initial molten raw material may be pellets, pieces of metal or It may be in powder form, but is not limited thereto.
  • the crucible 300 on which the initial molten raw material is mounted is heated using the heating member 400 in an inert atmosphere such as argon gas. Upon heating, the initial molten raw material in the crucible 300 turns into a melt comprising carbon (C), silicon (Si) and metal (first metal, second metal and third metal).
  • the temperature of the melt in the crucible 300 gradually decreases, and the solubility of carbon in the melt becomes small. For this reason, when the silicon carbide supersaturation is in the vicinity of the seed crystal 210, the silicon carbide single crystal grows on the seed crystal 210 using this supersaturation as the driving force.
  • the conditions for depositing silicon carbide from the melt may change.
  • the melt is added within a certain range by adding silicon and carbon to match the composition of the melt over time. I can keep it in composition.
  • the silicon and carbon to be added may be added continuously or discontinuously.
  • FIG. 2 is a morphology according to Examples 1 and 2 and a comparative example
  • FIG. 3 is a graph of mean square di spl acement according to Examples 1 and 2 and a comparative example
  • 4 is a precipitated image of silicon carbide according to Example 1 and 2
  • Figure 5 is a precipitated image of silicon carbide according to the comparative example
  • Figure 6 is an XRD analysis graph according to the Example and Comparative Example.
  • AIMD ab ini t io molecular dynamics
  • FIG. 2 (a) for Example 1 shows that 60 nickel atoms, 20 titanium atoms, 6 aluminum atoms, 96 silicon atoms are melted at a high temperature on the graphite 110 surface, and the number of atoms and the volume of the system , Atomic structure after 5 ps has elapsed under constant NVT ensemble conditions.
  • FIG. 2 (b) for Example 2 shows that 72 manganese atoms, 32 titanium atoms, 6 aluminum atoms, 96 silicon atoms are melted at a high temperature on the surface of graphite 110, atomic number, volume of the system. , Atomic structure after 5 ps has elapsed under constant NVT ensemble conditions.
  • AIMD calculation was performed using the VASP code of exchange interaction, and correlation (exchange ⁇ re cor 1 at kin) functions between electrons and E was used to GGA (general ized approximat ion gradient) method.
  • the kinetic energy cutof f of the electrons was performed at 300 eV, and the ga-a-only point was used for the k-point.
  • a dangling bond exists and is terminated with a hydrogen atom and fixed without movement during the calculation time. The computational errors caused by per iodic boundary condensation are minimized.
  • Example 2 comprising manganese (Mn) as the first metal (Ml), titanium (Ti) as the second metal (M2) and aluminum (A1) as the third metal (M3), As shown in FIG. 3 (b), it can be seen that the mean square displacement of carbon changes considerably with time.
  • Example 1 has a self-diffusion constant of about 1.51 ⁇ 10 ⁇ 5 ctnVs
  • Example 2 has a self-diffusion constant of about 1.97x10- 4 cm 2 / s
  • the self diffusion constant is a measure of the degree of diffusion of carbon atoms into the silicon-based melt composition. That is, it was confirmed that the solubility of carbon in the silicon-based melt composition in Examples 1 and 2 compared to the comparative example is improved.
  • Embodiment 1 of FIG. 4 (a) is
  • a silicone-based melt composition comprising Sio.56Nio.3Tio.iAlQ.04, and Example 2 for FIG. 4B is Si 0 . 56 Mn 0 . 27 Ti 0 . 13 Al 0 . It is a silicon composition containing 04 , and the comparative example 1 with respect to FIG. 5 is a melt composition containing Si.
  • Each melt composition was charged into a graphite crucible, degassed for 400 degrees ( ° C.), and the crucible was heated to form a melt.
  • the heating process included raising the temperature to 1800 ° C. for 1.5 hours in an argon gas atmosphere and maintaining 1600 ° C. for 9 hours.
  • the silicon-based melt composition including titanium (Ti) and aluminum (A1) was confirmed that a large amount of silicon carbide was precipitated because of excellent solubility of carbon in the silicon-based melt composition.
  • the silicon melt composition according to Comparative Example 1 did not include a separate metalol and silicon carbide was hardly precipitated because the solubility of carbon in the silicon melt composition was low.
  • Comparative Example 2 relates to a silicon-based melt composition comprising silicon, nickel, and aluminum, and does not include a second metal as compared with the Example.
  • Example 1 the carbon contents were detected as 0.6791, 0.6541 and 0.6182%, respectively, and an average of 0.6481% carbon was detected.
  • Example 2 the carbon contents were detected as 8.15, 8.57, and 8.43 at%, respectively, and about 8.38% on average.
  • Comparative Example 1 looked over the solubility of the carbon for the silicon-based melt compositions according to the three-time a result, carbon was detected in less than 10- 4 at%, respectively, which means that the silicon carbide is not substantially detected.
  • the solubility of carbon in the silicon-based melt composition according to Comparative Example 2 is on average 0.1170 at3 ⁇ 4> and the carbon solubility is improved compared to Comparative Example 1, but the carbon solubility is lower than that of Example.
  • the solubility of carbon may be improved as compared to the silicon-based melt composition including only silicon.
  • the first metal, the crab 2 metal, and the third metal are included as in Examples 1 and 2, The solubility of was the best.
  • Example 1 0.6791 0.6541 0.6182 0.6481
  • Example 2 8. 15 8.57 8.43 8.383 Comparative Example 1 ⁇ 1 ( ⁇ 4 ⁇ 10 "4 ⁇ 10— 4 ⁇ 10— 4 Comparative Example 2 0. 1076 0. 1026 0. 1407 0. 1170
  • the silicon-based melt composition according to the embodiment further includes a metal (a first metal, a second metal, and a third metal) together with silicon, and the solubility of carbon is improved by the metal, thereby increasing the amount of silicon carbide deposition. It was confirmed.
  • the metal according to the embodiment since the metal according to the embodiment has a low melting point, the process temperature for depositing silicon carbide may be low, thereby depositing silicon carbide in a more stable state. The quality of the silicon carbide single crystal can be improved.

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Abstract

일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 용액 성장법에 이용되고， 실리콘 (Si), 제 1 금속 (M1), 제2 금속 (M2) 및 제 3 금속 (M3)을 포함하는 하기 식 (1)로 표현되며， 상기 제 1 금속 (M1)은 니켈 (Ni) 및 망간 (Mn)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고, 제 2 금속 (M2)은 스칸듐 (Sc) 및 티타늄 (Ti )을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고, 제 3 금속 (M3)은 알루미늄 (A1 ) 및 갈륨 (Ga)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이다. SiaMlbM2cM3d (식 1) 상기 a는 0.3 내지 0.8이고 상기 b는 0.1 내지 0.5이고 상기 c는 0.01 내지 0.3이고 상기 d는 0.01 내지 0.2이고, 상기 a+b+c+d는 1이다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법
【기술분야】
관련 출원 (들)과의 상호 인용
본 출원은 2016년 9월 29일자 한국 특허 출원 제 10-2016-0125889 호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며， 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.
【발명의 배경이 되는 기술】
전력 반도체 소자는 전기 자동차, 전력 시스템, 고주파 이동통신 등 전기 에너지를 사용하는 차세대 시스템에 있어서 핵심 소자이다. 이를 위해서는 고전압， 대전류， 고주파수 등에 적합한 소재의 선정이 필요하다. 실리콘 단결정이 전력 반도체 물질로 사용되어 왔으나 물성적인 한계로 인해， 에너지 손실이 적고 보다 극한 환경에서 구동될 수 있는 실리콘카바이드 단결정이 주목받고 있다.
실리콘카바이드 단결정의 성장을 위해서는, 일 예로 실리콘카바이드를 원료로 하여 2000도 ( °C ) 이상의 고온에서 승화시켜 단결정올 성장시키는 승화법， 결정 인상법을 웅용한 용액 성장법， 그리고 기체 소스를 사용하는 화학적 기상 증착법 등이 사용되고 있다.
그러나 화학적 기상 증착법을 이용하는 경우 두께가 제한된 박막 수준으로만 성장시킬 수 있으며 , 승화법을 이용하는 경우 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있다. 이에 결정 성장 은도가 승화법에 비해 낮고 대구경화 및 고품질화에 유리한 것으로 알려진 용액 성장법에 대한 연구가 진행되고 있다.
【발명의 내용】
【해결하고자 하는 과제】
본 발명은 낮은 공정 온도에서 실리콘카바이드 단결정을 석출할 수 있는 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한， 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며， 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게.이해될 수 있을 것이다.
【과제의 해결 수단】
일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 용액 성장법에 이용되고， 실리콘 (Si), 제 1 금속 (Ml), 제 2 금속 (M2) 및 게 3 금속 (M3)을 포함하는 하기 식 (1)로 표현되며， 상기 제 1 금속 (Ml)은 니켈 (Ni) 및 망간 (Mn)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 제 2 금속 (M2)은 스칸듐 (Sc) 및 티타늄 (Ti)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 게 3 금속 (M3)은 알루미늄 (A1) 및 갈륨 (Ga)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이다.
SiaMlbM2cM3d (식 1)
상기 a는 0.3 내지 0.8이고 상기 b는 0.1 내지 0.5이고 상기 c는 0.01 내지 0.3이고 상기 d는 0.01내지 0.2이고, 상기 a+b+c+d는 1이다.
상기 식 1에서 상기 a는 0.4 내지 0.7이고 상기 b는 0.2 내지 0.4이고 상기 c는 0.05내지 0.2이고 상기 d는 0.01내지 0.1일 수 있다.
상기 제 1 금속 (Ml)의 함량은 상기 계 2 금속 (M2)의 함량보다 크고， 상기 게 2금속 (M2)의 함량은 상기 제 3금속 (M3)의 함량보다 클 수 있다.
상기 제 1 금속 (Ml)의 융점은 1600도 (°C) 이하이고, 바람직하게는 상기 제 1금속 (Ml)의 융점은 1500도 (°C) 이하일 수 있다.
상기 게 2 금속 (M2)의 융점은 1800도 (°C) 이하이고, 바람직하게는 상기 거 12금속 (M2)의 융점은 1700도 (°C) 이하일 수 있다.
상기 제 3 금속 (M3)의 융점은 800도 (°C) 이하이고， 바람직하게는 상기 겨 13금속 (M3)의 융점은 700도 (°C) 이하일 수 있다.
상기 게 1 금속 (M1)은 니켈 (Ni)이고 상기 제 2 금속 (M2)은 티타늄 (Ti)이고 상기 게 3금속 (M3)은 알루미늄 (A1)일 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법은 실리콘카바이드 종결정을 준비하는 단계， 실리콘 (Si), 제 1 금속 (Ml), 제 2 금속 (M2) 및 제 3금속 (M3)을 포함하는 실리콘계 용융 조성물을 준비하는 단계， 상기 실리콘계 용융 조성물에 탄소 (C)가 용해되어 용융액을 형성하는 단계， 그리고 상기 용융액을 과넁각시켜 상기 종결정 상에 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 단계를 포함하고， 상기 실리콘계 용융 조성물은 하기 식 (1)로 표현되며， 상기 제 1 금속 (Ml)은 니켈 (Ni ) 및 망간 (Mn)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 상기 제 2 금속 (M2)은 스칸듐 (Sc) 및 티타늄 (Ti )을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 상기 제 3 금속 (M3)은 알루미늄 (A1 ) 및 갈륨 (Ga)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이다.
SiaMlbM2cM3d (식 1)
상기 a는 0.3 내지 0.8이고 상기 b는 0.1 내지 0.5이고 상기 c는 0.01 내지 0.3이고 상기 d는 0.01내지 0.2이고， 상기 a+b+c+d는 1이다.
【발명의 효과】
전술한 일 실시예에 따르면 낮은 공정 온도에서 실리콘카바이드 단결정을 석출할 수 있는 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법을 제공할 수 있다.
【도면의 간단한 설명】
도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 (a) 실시예 1， (b) 실시예 2 및 (b) 비교예에 따른 모폴로지 (morphology)이다.
도 3은 실시예 1， 실시예 2와 비교예에 따른 평균 제곱 변위 (mean square di splacement )에 대한 그래프이다. ,
도 4는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 실리콘카바이드의 석출 이미지이고, 도 5는 비교예에 따른 실리콘카바이드의 석출이미지이다.
도 6은 실시예 및 비교예에 따른 XRD분석 그래프이다.
【발명을 실시하기 위한 구체적인 내용】
아하， 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만， 본 기재를 설명함에 있어서， 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며， 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한， 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하에서는 일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물에 대해 설명한다. 일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 실리콘 (Si ) , 제 1 금속 (Ml) , 거 12 금속 (M2) 및 제 3 금속 (M3)을 포함할 수 있다. 실리콘계 용융 조성물은 하기 식 (1)로 표현될 수 있다.
ᅳ SiaMlbM2cM3d (식 1)
상기. a는 0.3 내지 0.8이고， 상기 b는 0.1 내지 0.5이고， 상기 c는 0.01 내지 0.3이고， 상기 d는 0.01 내지 0.2이다. 바람직하게는 상기 a는 0.4 내지 0.7이고 상기 b는 0.2 내지 0.4이고 상기 c는 0.05 내지 0.2이고 상기 d는 0.01 내지 0.1일 수 있다. 상기 a+b+c+d는 1이다.
실리콘 (Si )은 실리콘계 용융 조성물에서 30 at% 내지 80 at% 포함될 수 있으며, 바람직하게는 40 at% 내지 70 at% 포함될 수 있다. 게 1 금속 (Ml)은 실리콘계 용융 조성물에 10 at% 내지 50 at%로 포함될 수 있으며 바람직하게는 20 at% 내지 40 at 포함될 수 있다. 게 2 금속 (M2)은 실리콘계 용융 조성물에 1 내지 30 at%로 포함될 수 있으며 바람직하게는 5 내지 20 at 포함될 수 있다. 계 3 금속 (M3)은 실리콘계 용융 조성물에 1 내지 20 %로 포함될 수 있으며， 바람직하게는 1 내지 10 %로 포함될 수 있다.
이때 일 실시예에 따른 실라콘계 용융 조성물이 포함하는 금속의 함량은 게 1 금속 (Ml) , 게 2 금속 (M2) 및 게 3 금속 (M3) 순일 수 있다. 실리콘이 상기 함량 보다 과량으로 포함되는 경우 실리콘 카바이드 단결정의 성장 속도가 느려질 수 있으며， 금속이 상기 함량 보다 과량으로 포함되는 경우 다결정의 실리콘카바이드가 석출되어 단결정의 품질이 저하될 수 있다.
상기 게 1 금속 (Ml)은 니켈 (Ni ) 및 망간 (Mn)을 포함하는 군에서 선택된
1종 이상이고， 제 2 금속 (M2)은 스칸듐 (Sc) 및 티타늄 (Ti )을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 게 3 금속 (M3)은 알루미늄 (A1 ) 및 갈륨 (Ga)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 거 U 금속 (Ml) , 게 2 금속 (M2) 및 계 3 금속 (M3) 각각을 적어도 1종 포함할 수 있다.
제 1 금속 (Ml)은 실리콘계 용융액에서 용융액에 포함되는 원료의 균일한 흔합을 도울 수 있다. 제 2 금속 (M2)은 실리콘계 용융액 내의 탄소 용해도를 향상시킬 수 있다. 또한 제 3 금속 (M3)은 표면 에너지를 낮추어 실리콘카바이드의 평평한 성장을 도을 수 있으며， 이러한 기능에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 따른 게 1 금속 (Ml)의 융점은 1600 도 (°C) 이하일 수 있으며， 바람직하게는 1500도 (°C) 이하일 수 있다. 제 2 금속 (M2)의 융점은 1800 도 (°C) 이하일 수 있으며, 바람직하게는 1700도 (°C) 이하일 수 있다. 거 13 금속 (M3)의 융점은 800 도 (°C) 이하일 수 있으며， 바람직하게는 700도 (°C) 이하일 수 있다. 구체적으로 제 1 금속 (Ml)에 해당하는 니켈 (Ni)의 융점을 1455도 (°C)이고， 게 2 금속 (M2)에 해당하는 티타늄 (Ti)의 융점은 1668도 (°C)이고， 제 3 금속 (M3)에 해당하는 알루미늄 (A1)의 융점은 660도 (°C)이며， 실리콘 (Si)의 융점은 1404도 (°C)이다.
일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 상대적으로 낮은 융점 (일 예로， 크롬 (Cr)의 융점은 1907도 (°C)임)을 가질 수 있으며 이에 따라 낮은 공정 온도에서 실리콘카바이드 단결정의 석출 공정 진행이 가능할 수 있다. 낮은 공정 온도에서 실리콘카바이드 단결정을 석출하는 경우, 안정적인 공정의 제어가 가능하고 석출되는 실리콘카바이드 단결정의 품질이 향상될 수 있다. 또한 빠른 결정 성장 속도에 의해 공정 시간 및 비용이 단축될 수 있다. 도 1은 일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물을 이용하여 실리콘카바이드 단결정을 성장시킬 때 사용하는 제조 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면， 일 실시예에 따른 실리콘카바이드 단결정 제조 장치는 반웅 챔버 (100)， 반웅 챔버 (100) 내부에 위치하는 도가니 (300)， 도가니 (300) 내부로 연장되는 종결정 (210)， 종결정 (210)과 연결되는 종결정 지지부 (230) 및 이동 부재 (250)와 도가니 (300)를 가열하는 가열 부재 (400)를 포함할 수 있다.
반웅 챔버 (100)는 빈 내부 공간을 포함하는 밀폐된 형태이고 그 내부가 일정한 압력 등의 분위기로 유지될 수 있다. 도시되지 않았으나 반웅 챔버 (100)에 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크가 연결될 수 있다. 진공 펌프 및 분위기 제어용 가스 탱크를 이용하여 반웅 챔버 ( 100) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 기체와 같은 비활성 기체를 충전할 수 있다.
실리콘카바이드 종결정 (210)은 종결정 지지부 (230) 및 이동 부재 (250)에 연결되어 도가니 (300) 내측으로 위치할 수 있으며 특히 도가니 (300) 내부에 제공되는 용융액과 접촉하도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면 실리콘카바이드 종결정 (210)의 표면과 용융액 사이에 메니스커스가 형성될 수 있다. 메니스커스란 실리콘카바이드 종결정 (210)의 하부면이 용융액과 접촉한 이후 살짝 들어올려지면서 발생하는 표면 장력에 의해 용융액 상에 형성되는 곡면을 지칭한다. 메니스커스를 형성하여 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 경우 다결정의 발생을 억제하여 보다 고품질의 단결정을 수득할 수 있다.
실리콘카바이드 종결정 (210)은 실리콘카바이드 단결정으로 이루어진다. 실리콘카바이드 종결정 (210)의 결정 구조는 제조하려는 실리콘카바이드 단결정의 결정 구조와 같다. 예를 들어， 4H 다형의 실리콘카바이드 단결정을 제조하는 경우, 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정 (210)을 이용할 수 있다. 4H 다형의 실리콘카바이드 종결정 (210)을 이용하는 경우， 결정 성장면은 (0001)면 또는 (000-1)면이거나， (0001)면 또는 (000-1)면으로부터 8도 이하의 각도로 경사진 면일 수 있다.
종결정 지지부 (230)는 실리콘카바이드 종결정 (210)과 이동 부재 (250)를 연결한다. 종결정 지지부 (230)의 일단은 이동 부재 (250)에 연결되고 타단은 종결정 (210)에 연결될 수 있다.
종결정 지지부 (230)는 이동 부재 (250)에 연결되어 도가니 (300)의 높이 방향을 따라 상하 방향으로 이동할 수 있다. 구체적으로 종결정 지지부 (230)는 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정을 위해 도가니 (300) 내측으로 이동되거나 실리콘카바이드 단결정의 성장 공정이 종료된 이후 도가니 (300) 외측으로 이동될 수 있다. 또한 본 명세서는 종결정 지지부 (230)가 상하 방향으로 이동하는 실시예를 설명하였으나， 이에 제한되지 않고 어떠한 방향으로도 이동하거나 회전할 수 있으며， 이를 위한 공지의 수단을 포함할 수 있다.
종결정 지지부 (230)는 이동 부재 (250)에 탈착될 수 있다. 실리콘카바이드 단결정을 수득하기 위해 이동 부재 (250)에 결합되어 도가니 (300) 내측으로 제공될 수 있으며， 단결정의 성장 공정이 종료된 이후에는 이동 부재 (250)로부터 분리될 수 있다.
이동 부재 (250)는 구동부 (미도시)에 연결되어 챔버 (100) 내부를 이동하거나 회전할 수 있다. 이동 부재 (250)는 상하 이동하거나 회전하기 위한 공지의 수단을 포함할 수 있다.
도가니 (300)는 반웅 ¾버(100) 내부에 구비되며 상측이 개방된 용기 형태일 수 있으며 상부면을 제외한 외주면 (300a) 및 하부면 (300b)을 포함할 수 있다. 도가니 (300)는 전술한 형태에 제한 없이 실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태도 가능함은 물론이다. 도가니 (300)는 실리콘 또는 실리콘카바이드 분말과 같은 용융 원료가 장입되어 수용될 수 있다.
도가니 (300)는 그라파이트， 실리콘카바이드와 같이 탄소를 함유하는 재질일 수 있으며, 이와 같은 재질의 도가니 (300) 자체는 탄소 원료의 공급원으로 활용될 수 있다. 또는 이에 제한되지 않고 세라믹 재질의 도가니를 사용할 수 있으며， 이때 탄소를 제공할 물질 또는 공급원 별도로 제공할 수 있다.
가열 부재 (400)는 도가니 (300)를 가열하여 도가니 (300)에 수용된 물질을 용융시키거나 가열할 수 있다.
가열 부재 (400)는 저항식 발열 수단 또는 유도 가열식 발열 수단을 사용할 수 있다. 구체적으로 가열 부재 (400) 자체가 발열하는 저항식으로 형성되거나 가열 부재 (400)가 인덕션 코일로 형성되고 인덕션 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 도가니 (300)를 가열하는 유도 가열 방식으로 형성될 수도 있다. 그러나 전술한 방법에 제한되지 않고 어떠한 가열 부재도 사용될 수 있음은 물론이다.
일 실시예에 따른 실리콘카바이드 제조 장치는 회전 부재 (500)를 더 포함할 수 있다. 회전 부재 (500)는 도가니 (300)의 하측면에 결합되어 도가니 (300)를 회전시킬 수 있다. 도가니 (300) 회전을 통해 균일한 조성의 용융액 제공이 가능한 바 실리콘카바이드 종결정 (210)에서 고품질의 실리콘카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
이하에서는 전술한 실리콘계 용융 조성물 및 실리콘카바이드 단결정의 제조 장치를 이용하는 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법에 대해 설명한다. 우선， 전술한 실리콘계 용융 조성물을 포함하는 초기 용융 원료를 탄소 재질의 도가니 (300) 내에 투입한다. 초기 용융 원료는 펠렛， 금속 조각 또는 분말 형태일 수 있으나， 이에 제한되지 않는다.
초기 용융 원료를 실장하고 있는 도가니 (300)를 아르곤 기체와 같은 비활성 분위기에서 가열 부재 (400)을 이용하여 가열한다. 가열에 따라 도가니 (300) 내의 초기 용융 원료는 탄소 (C) , 실리콘 (Si ) 및 금속 (제 1 금속， 제 2 금속 및 제 3 금속)을 포함하는 용융액으로 변한다.
도가니 (300)가 소정의 온도에 도달한 이후， 도가니 (300) 내의 용융액의 온도는 서서히 저하되어 가고, 용융액 내의 탄소의 용해도가 작아진다. 이 때문에， 종결정 (210) 부근에서 실리콘카바이드 과포화 상태가 되면， 이 과포화도를 구동력으로 하여 종결정 (210) 상에 실리콘카바이드 단결정이 성장한다.
실리콘카바이드 단결정이 성장함에 따라 용융액으로부터 실리콘카바이드를 석출하는 조건이 변할 수 있다. 이때 시간의 경과에 따라 용융액의 조성에 맞도록 실리콘 및 탄소를 첨가하여 용융액을 일정 범위 내의. 조성으로 유지할 수 있다. 첨가되는 실리콘 및 탄소는 연속적으로 또는 비연속적으로 투입될 수 있다.
일 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 낮은 융점을 가지는 바 전술한 가열 공정은 낮은 온도에서 실시될 수 있다. 이에 따라 제조 공정의 안정성이 향상되고 이로부터 석출되는 실리콘카바이드 단결정의 품질이 우수할 수 있다. 이하에서는 도 2 내지 도 6을 참조하여 실시예 및 비교예에 대해 설명한다. 도 2는 실시예 1， 실시예 2 및 비교예에 따른 모폴로지 (morphology)이고， 도 3은 실시예 1， 실시예 2와 비교예에 따른 평균 제곱 변위 (mean square di spl acement )에 대한 그래프이고， 도 4는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 실리콘카바이드의 석출 이미지이고， 도 5는 비교예에 따른 실리콘카바이드의 석출이미지이고， 도 6은 실시예 및 비교예에 따른 XRD 분석 그래프이다.
도 2는 ab ini t io molecular dynamics (AIMD) 계산법으로 탄소의 확산을 시물레이션한 결과이다. 그라파이트 도가니 내부에서 실리콘과 금속이 용융되었을 때 그라파이트 표면에 존재하는 탄소가 용해되는 현상을 모델링하기 위해 그라파이트층， 실리콘층， 금속층으로 이루어진 모델을 사용하였다.
실시예 1에 대한 도 2(a)는 그라파이트 ( 110) 표면 상에 60개의 니켈 원자, 20개의 티타늄 원자， 6개의 알루미늄 원자, 96개의 실리콘 원자를 넣고 고온에서 용융 시켜， 원자수， 시스템의 부피， 온도가 일정한 NVT 앙상블 조건 하에서 5 ps이 경과한 이후의 원자 구조이다.
실시예 2에 대한 도 2(b)는 그라파이트 (110) 표면 상에 72개의 망간 원자， 32개의 티타늄 원자， 6개의 알루미늄 원자， 96개의 실리콘 원자를 넣고 고온에서 용융 시켜， 원자수， 시스템의 부피， 온도가 일정한 NVT 앙상블 조건 하에서 5 ps이 경과한 이후의 원자 구조이다.
' 비교예인 도 2(c)는 그라파이트 (110) 표면에 금속 첨가제 없이 96개의 실리콘 원자만을 넣은 다음 실시예와 동일한 조건에 시뮬레이션한 원자 구조이다.
AIMD 계산은 VASP 코드를 이용하였고 전자와 전자 사이의 상호 작용인 교환'및 상관 관계 (exchange一 cor re 1 at kin) 함수는 GGA(general ized gradient approximat ion) 법을 사용하였다. 전자의 운동 에너지 컷오프 (kinet ic energy cutof f )는 300eV 조건으로 진행했으며， k— point의 경우 ga隱 a—only point만을 사용학였다. 특히 모델링에서 사용된 탄소 원자들 중 맨 아래에 위치하는 탄소 원자의 경우 댕글링 본드 (dangl ing bond)가 존재하여 이를 수소 원자로 터미네이션 (terminat ion) 시키고 계산 시간 동안 움직임이 없게 고정하여 주기 경계 조건 (per iodic boundary condi t ion)에 의해 발생할 수 있는 계산 에러를 최소화하였다.
이러한 실시예 및 비교예에 대해 분석한 결과， 도 2 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 실시예 1 및 실시예 2에 따른 경우 그라파이트 표면에 위치한 탄소 결합이 끊어져 실리콘계 용융액 내부로 확산된 것을 알 수 있었다. 반면 실리콘만 포함하는 비교예의 경우 그라파이트 표면의 탄소 결합이 그대로 유지됨을 알 수 있었다.
정리하면 실시예와 같이 금속 원소 (제 1 금속， 제 2 금속 및 제 3 금속)를 더 포함하는 경우 그라파이트 내부에 존재하는 탄소 사이의 결합이 끊어지고 결합이 끊어진 탄소들이 용융액 내부로 용해되어 확산할 수 있음을 확인하였다. 따라서 실시예의 경우 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소의 용해도가 향상될 수 있다. 이하에서 도 3 (a) 및 (b)를 통해 도출된 탄소 원자의 평균 제곱 변위를 살펴본다. 게 1 금속 (Ml)으로 니켈 (Ni )을 포함하고 제 2 금속 (M2)으로 티타늄 (Ti )을 포함하고 게 3 금속 (M3)으로 알루미늄 (A1 )을 포함하는 실시예 1의 경우， 도 3(a)에 도시된 바와 같이 시간이 경과함에 따라 탄소 (C)의 평균 제곱 변위가 증가함을 알 수 있다.
또한 제 1 금속 (Ml)으로 망간 (Mn)을 포함하고， 제 2 금속 (M2)으로 티타늄 (Ti )을 포함하고 게 3 금속 (M3)으로 알루미늄 (A1 )을 포함하는 실시예 2의 경우, 도 3(b)에 나타난 바와 같이 시간이 경과함에 따라 탄소의 평균 제곱 변위가상당히 큰 폭으로 변화함을 알 수 있다.
그러나 비교예와 같이 실리콘 (Si ) 이외에 금속을 포함하지 않는 실리콘계 용융 조성물을 이용하는 경우, 시간이 경과함에도 불구하고 탄소 (C)의 평균 제곱 변위가 약 0 내지 0.5사이에서만 변하는 양상을 보였다. 도 3을 이용하여 도출한 탄소 (C) 원자의 자기 확산 상수 (sel f di f fusion coef f icient )을 살펴보면, 실시예 1은 약 1.51 x 10—5 ctnVs의 자기 확산 상수를 가지고， 실시예 2는 약 1.97x10— 4 cm2/s의 자기 확산 상수를 가지며， 비교예는 거의 0에 수렴하는 자기 확산 상수를 가짐을 확인하였다. 자기 확산 상수는 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소 원자의 확산 정도를 나타낸 척도이다. 즉， 비교예 대비 실시예 1 및 실시예 2의 경우 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소의 용해도가 향상됨을 확인하였다.
이하 도 4 및 도 5를 참조하면， 도 4(a)에 대한 실시예 1은
Sio.56Nio.3Tio.iAlQ.04를 포함하는 실리콘계 용융 조성물이고， 도 4(b)에 대한 실시예 2는 Si0.56Mn0.27Ti0.13Al0.04를 포함하는 실리콘 조성이고， 도 5에 대한 비교예 1은 Si을 포함하는 용융 조성물이다. 각각의 용융 조성물을 그라파이트 재질의 도가니에 장입하고 400도 ( °C ) 동안 탈기체 (degassing)한 후 도가니를 가열하여 용융액을 형성하였다.
상기 가열 공정은 아르곤 기체 분위기에서 1.5시간 동안 1800도 ( °C )까지 승온시키는 단계， 그리고 9시간 동안 1600도 ( °C )까지 유지시키는 단계를 포함하였다.
이후 형성된 용융액을 2시간 동안 냉각시켰다. 냉각된 용융액 각각은 도 4 (a) , 도 4(b) 및 도 5에 나타난 바와 같다.
도 4 (a) 및 (b)를 참조하면 실시예에 따라 니켈 (Ni ) 및 망간 (Mn) 중 어느 하나， 티타늄 (Ti ) 및 알루미늄 (A1 )을 포함하는 실리콘계 용융 조성물은 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소의 용해도가 우수한 바 다량의 실리콘카바이드가 석출됨을 확인하였다.
그러나 도 5를 참조하면 비교예 1에 따른 실리콘 용융 조성물은 별도의 금속올 포함하지 않으며 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소의 용해도가 낮으므로 실리콘카바이드가 거의 석출되지 않음을 확인하였다.
전술한 내용은 하기 표 1에 나타난 바와 같으며 전술한 실시예 1 , 실시예 2 및 비교예 1에 비교예 2를 추가 분석하였다. 비교예 2는 실리콘， 니켈 및 알루미늄을 포함하는 실리콘계 용융 조성물에 관한 것이며, 실시예 대비 제 2 금속을 포함하지 않는다.
실시예 1， 실시예 2， 비교예 1 및 비교예 2에 따른 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소의 용해도를 살펴보기 위해 탄소의 함량을 3 차례에 걸쳐 분석하였다.
실시예 1의 경우 탄소 함량이 각각 0.6791， 0.6541 , 0.6182 %로 검출되었으며， 평균 0.6481 %의 탄소가 검출되었다. 실시예 2의 경우 탄소 함량이 각각 8. 15， 8.57， 8.43 at%로 검출되었으며， 평균 약 8.38 %로 검출되었다.
그러나 비교예 1에 따른 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소의 용해도를 3차례에 걸쳐 살펴본 결과， 탄소는 각각 10— 4 at% 미만으로 검출되었으며， 이는 실리콘카바이드가 거의 검출되지 않은 것을 의미한다. 비교예 2에 따른 실리콘계 용융 조성물에 대한 탄소의 용해도는 평균 0. 1170 at¾>이고 비교예 1에 비해서는 탄소의 용해도가 향상되었으나 실시예보다 낮은 탄소 용해도를 나타냈다. 금속 원소를 포함하는 경우 실리콘만을 포함하는 실리콘계 용융 조성물에 비해 탄소의 용해도가 향상될 수 있으나， 특히 실시예 1 및 실시예 2와 같이 제 1 금속， 게 2 금속 및 제 3 금속을 포함하는 경우 탄소의 용해도가 가장우수함을 알 수 있었다.
[표 1]
Figure imgf000013_0001
실시예 1 0.6791 0.6541 0.6182 0.6481 실시예 2 8. 15 8.57 8.43 8.383 비교예 1 < 1(Γ4 < 10"4 < 10— 4 < 10— 4 비교예 2 0. 1076 0. 1026 0. 1407 0. 1170
도 6은 실시예 및 비교예에 대한 XRD 분석 그래프이다. 실리콘카바이드 (SiC) 피크에 해당하는 영역에서 실시예는 소정의 피크 강도를 가지는 피크가 검출되었으나 비교예는 피크가 검출되지 않음을 확인하였다. 정리하면， 실시예에 따른 실리콘계 용융 조성물은 실리콘과 더불어 금속 (제 1 금속， 제 2 금속 및 제 3 금속)을 더 포함하고, 상기 금속에 의해 탄소의 용해도가 향상되고 이에 따른 실리콘카바이드 석출량이 증가함을 확인하였다. 또한 실시예에 따른 금속은 낮은 융점을 가지는 바, 실리콘카바이드를 석출하기 위한 공정 온도가 낮을 수 있으며 , 이에 따라 보다 안정적인 상태의 실리콘카바이드를 석출할 수 있다. 실리콘카바이드 단결정의 품질이 향상될 수 있다.
앞에서， 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고， 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한. 일이다. 따라서， 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 ᅳ 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며， 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
【부호의 설명】
100： 챔버
210： 종결정
300 : 도가니
400： 가열 부재
500： 회전 부재

Claims

【특허청구범위】
【청구항 1】
실리콘카바이드 단결정을 형성하기 위한 용액 성장법에 이용되고， 실리콘 (Si ) , 제 1 금속 (Ml) , 게 2 금속 (M2) 및 제 3 금속 (M3)을 포함하는 하기 식 (1)로 표현되며，
상기 제 1 금속 (Ml)은 니켈 (Ni ) 및 망간 (Mn)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 제 2 금속 (M2)은 스칸듐 (Sc) 및 티타늄 (Ti )을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 게 3 금속 (M3)은 알루미늄 (A1 ) 및 갈륨 (Ga)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상인 실리콘계 용융 조성물:
SiaMlbM2cM3d (식 1)
상기 a는 0.3 내지 0.8이고 상기 b는 0.1 내지 0.5이고 상기 c는 0.01 내지 0.3이고 상기 d는 0.01 내지 0.2이고， 상기 a+b+c+d는 1이다.
【청구항 2】
제 1항에서，
상기 a는 0.4 내지 0.7이고 상기 b는 0.2 내지 0.4이고 상기 c는 0.05 내지' 0.2이고 상기 d는 0.01 내지 0.1인 실리콘계 용융 조성물.
【청구항 3】
제 1항에서，
상기 게 1 금속 (Ml)의 함량은 상기 제 2 금속 (M2)의 함량보다 크고, 상기 제 2 금속 (M2)의 함량은 상기 게 3 금속 (M3)의 함량보다 큰 실리콘계 용융 조성물.
【청구항 4】
게 1항에서，
상기 제 1 금속 (Ml)의 융점은 1600도 ( °C ) 이하인 실리콘계 용융 조성물.
[청구항 5】
제 4항에서，
상기 제 1 금속 (Ml)의 융점은 1500도 ( °C ) 이하인 실리콘계 용융 조성물.
【청구항 6]
제 1항에서，
상기 제 2 금속 (M2)의 융점은 1800도 (°C) 이하인 실리콘계 용융 조성물.
【청구항 7】
계 6항에서，
상기 제 2 금속 (M2)의 융점은 1700도 (°C) 이하인 실리콘계 용융 조성물.
【청구항 8】
제 1항에서
상기 제 3 금속 (M3)의 융점은 800도 (°C) 이하인 실리콘계 용융 조성물.
【청구항 9】
제 8항에서
상기 제 3 금속 (M3)의 융점은 700도 (°C) 이하인 실리콘계 용융 조성물.
【청구항 10]
거 U항에서，
상기 제 1 금속 (Ml)은 니켈 (Ni)이고 상기 제 2 금속 (M2)은 티타늄 (TO이고 상기 게 3 금속 (M3)은 알루미늄 (A1)인 실리콘계 용융 조성물.
【청구항 11】
실리콘카바이드 종결정을 준비하는 단계，
실리콘 (Si), 제 1 금속 (Ml), 제 2 금속 (M2) 및 제 3 금속 (M3)을 포함하는 실리콘계 용융 조성물을 준비하는 단계,
상기 실리콘계 용융 조성물에 탄소 (C)가 용해되어 용융액을 형성하는 단계， 그리고
상기 용융액을 과냉각시켜 상기 종결정 상에 실리콘카바이드 단결정을 성장시키는 단계를 포함하고，
상기 실리콘계 용융.조성물은 하기 식 (1)로 표현되며， 상기 게 l 금속 (Ml)은 니켈 (Ni ) 및 망간 (Mn)을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 상기 게 2 금속 (M2)은 스칸듐 (Sc) 및 티타늄 (Ti )을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이고， 상기 게 3 금속 (M3)은 알루미늄 (A1 ) 및 갈륨 (Ga)을 포함하는 ^에서 선택된 1종 이상인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법：
SiaMlbM2cM3d (식 1)
상기 a는 0.3 내지 0.8이고 상기 b는 0.1 내지 0.5이고 상기 c는 0.01 내지 0.3이고 상기 d는 0.01 내지 0.2이고， 상기 a+b+c+d는 1이다.
【청구항 12】
제 11항에서，
상기 a는 0.4 내지 0.7이고 상기 b는 0.2 내지 0.4이고 상기 c는 0.05 내지 0.2이고 상기 d는 0.01 내지 0.1인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법.
【청구항 13】
제 11항에서，
상기 제 1 금속 (Ml)의 함량은 상기 제 2 금속 (M2)의 함량보다 크고， 상기 제 2 금속 (M2)의 함량은 상기 게 3 금속 (M3)의 함량보다 큰 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 .
【청구항 14]
제 11항에서，
상기 게 1 금속 (Ml)의 융점은 1600도 ( °C ) 이하인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 .
【청구항 15】
제 14항에서，
상기 게 1 금속 (Ml)의 융점은 1500도 ( °C ) 이하인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 .
【청구항 16] 제 11항에서，
상기 게 2 금속 (M2)의 융점은 1800도 (°C) 이하인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 . 【청구항 17】
제 16항에서，
상기 계 2 금속 (M2)의 융점은 1700도 (°C) 이하인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 . 【청구항 18】
제 11항에서
상기 제 3 금속 (M3)의 융점은 800도 (°C) 이하인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 . 【청구항 19】
제 18항에서
상기 제 3 금속 (M3)의 융점은 700도 (°C) 이하인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법 . 【청구항 20】
제 11항에서，
상기 제 1 금속 (Ml)은 니켈 (Ni)이고 상기 제 2 금속 (M2)은 티타늄 (Ti)이고 상기 제 3 금속 (M3)은 알루미늄 (A1)인 실리콘카바이드 단결정의 제조 방법ᅳ
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