KR20200075954A - 탄화규소 단결정 성장장치 - Google Patents

Abstract

도가니내 가이드(수단)의 재질이나 구조 개선 등의 여러 최적화 설계들을 기반으로, 적어도 가이드와 잉곳 주위의 다결정 성장을 억제하면서, 수율은 높인 탄화규소 단결정 성장장치가 제공된다.
상기 본 발명의 탄화규소 단결정 성장장치는,내부에 원료가 장입되고 가열되는 도가니;와, 상기 도가니의 상부측에 제공되는 종자정; 및, 상기 도가니의 내측으로 상기 종자정과 이격되어 제공되는 가이드수단;를 포함하여 구성되고, 상기 가이드수단은, 상기 종자정 측의 제1 가이드와 상기 제1 가이드에 일체로 형성된 제2 가이드를 포함하되, 적어도 상기 제1 가이드는, 상기 제2 가이드 보다 공극율이 더 높은 흑연으로 형성되어 제공될 수 있다.

Description

탄화규소 단결정 성장장치{GROWTH DEVICE FOR SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 탄화규소 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 장치(도가니)내 가이드의 여러 최적화 설계를 기반으로, 적어도 가이드와 잉곳 주위의 다결정 성장을 억제하면서, 수율은 높인 탄화규소 단결정 성장장치에 관한 것이다.

탄화규소(SiC) 단결정은 차세대 전력반도체 소자용 기판으로 활발히 연구 개발되고 있는 되고 있는 소재이다. 이는, 기존 실리콘(Si) 기판에 비하여 밴드갭이 3배, 절연파괴 강도가 9배 이상인 것으로 알려져 있다.

이에, 실리콘 기판을 이용한 반도체는 고전력에 사용이 가능하며, 에너지 변환 시 손실을 최소화 할 수 있다. 또한, 탄화규소 디바이스는 고온에서 동작시, 열 이탈에 의한 소자파괴를 방지할 수 있고, 냉각장치의 간소화가 기대된다. 이에, 탄화규소를 대신할 차세대 전력 반도체 소자로 사용될 수 있다.

그러나, 승화법에 의해 성장되는 탄화규소 단결정은 성장시 많은 결정학적 결함과 탄소 침입결함을 형성하게 되며, 이러한 결함은 향후 소자 제작시 문제를 발생시키게 되기 때문에 저결함의 단결정 성장이 요구되고 있다.

예컨대, 도가니 내의 가이드의 재질이나 구조 개선 등의 여러 최적화 설계를 통하여, 가이드나 잉곳에서의 다결정 성장을 최대한 억제하는 기술이 요구되어 왔다.

한편, KR 10-1744287 B1 (2017.05.31)에서는 탄화규소 단결정 성장장치에서 가이드를 개시하나, 상기 요구되는 가이드의 여러 최적화 설계들을 반영한 것은 아니었다.

예를 들어, 상기 등록특허는 다공성 흑연으로만 된 가이드를 사용하는데, 이경우 도가니 하부에 위치한 분말에서 승화한 가스가 외각으로 빠져나가, 단결정 성장에 기여하지 못하여 수율이 낮아지는 문제가 있었다.

예컨대, 다음에 상세하게 설명하듯이, 본 발명은 상기 등록특허의 문제점을 해소한, 도가니 내 가이드의 재질이나 구조 개선 등의 여러 최적화 설계를 반영한, 상기 요구되는 기술을 만족하는 것이다.

KR 10-1744287 B1 (2017.05.31)

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 도가니 내부의 가이드수단의 재질이나 여러 구조 개선을 통한 최적화 설계를 반영하여, 적어도 가이드나 잉곳에서의 다결정 성장을 억제하는 한편, 승화가스가 외각으로 빠져나가는 것을 최소화하여, 궁극적으로 수율 저하없이 고품질의 단결정 잉곳 성장을 가능하게 한 탄화규소 단결정 성장장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한, 기술적인 일 측면의 일 실시예의 본 발명의 탄화규소 단결정 설장장치는, 내부에 원료가 장입되고 가열되는 도가니;와, 상기 도가니의 상부측에 제공되는 종자정; 및, 상기 도가니의 내측으로 상기 종자정과 이격되어 제공되는 가이드수단;를 포함하여 구성되고, 상기 가이드수단은, 상기 종자정 측의 제1 가이드; 및, 상기 제1 가이드에 일체로 형성된 제2 가이드;를 포함하되, 적어도 상기 제1 가이드는, 상기 제2 가이드 보다 공극율이 더 높은 흑연으로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 가이드는, 밀도가 1∼1.4 g/㎤ 인 다공성 흑연으로 형성되고, 상기 제2 가이드는, 밀도가 1.70∼1.90 g/㎤ 인 고밀도 흑연으로 형성될 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 제1 가이드의 다공성 흑연과 제2 가이드의 고밀도 흑연은 순도가 99% 이상일 수 있다.

더하여, 기술적인 일 측면의 다른 실시예의 본 발명의 탄화규소 단결정 설장장치는, 내부에 원료가 장입되고 가열되는 도가니;와, 상기 도가니의 상부측에 제공되는 종자정; 및, 상기 도가니의 내측으로 상기 종자정과 이격되어 제공되는 가이드수단;를 포함하여 구성되고, 상기 가이드수단은, 상기 종자정 측의 제1 가이드; 및, 상기 제1 가이드에 일체로 형성된 제2 가이드;를 포함하되, 상기 제1 가이드는 설정된 길이를 갖을 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 가이드는 다공성 흑연으로 형성되고, 상기 제2 가이드는 고밀도 흑연으로 형성되되, 상기 제1 가이드의 설정길이는 5∼10 ㎜ 일수 있다.

더하여, 기술적인 일 측면의 또 다른 실시예의 본 발명의 탄화규소 단결정 설장장치는, 내부에 원료가 장입되고 가열되는 도가니;와, 상기 도가니의 상부측에 제공된 종자정; 및, 상기 도가니의 내측으로 상기 종자정과 이격되어 제공되는 가이드수단;를 포함하여 구성되고, 상기 가이드수단은, 상기 종자정 측의 제1 가이드; 및, 상기 제1 가이드에 일체로 형성된 제2 가이드;를 포함하되, 상기 제1,2 가이드는 서로 다른 설정각도를 갖을 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 가이드는 다공성 흑연으로 형성되고, 상기 제2 가이드는 고밀도 흑연으로 형성되되, 상기 제1 가이드는 수직선을 기준으로 10˚이하의 각도로 경사지고, 상기 제2 가이드는 수직선을 기준으로 30∼45˚의 각도로 경사질 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 다공성 흑연의 제1 가이드와 종자정 간의 간격은 1∼5㎜ 일 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 다른 실시예들에서, 상기 제1 가이드는, 밀도가 1∼ 1.4 g/㎤ 인 다공성 흑연으로 형성되고, 상기 제2 가이드는, 밀도가 1.70∼1.90 g/㎤ 인 고밀도 흑연으로 형성될 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 가이드수단의 제2 가이드는, 상기 제1 가이드의 하방으로 일체로 형성된 경사부와 상기 경사부의 하방에 일체로 형성되고 상기 도가니 내면측의 원통부로 이루어질 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 제2 가이드의 경사부는, 수직선을 기준으로 30∼45˚의 각도로 경사질 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 도가니의 상부측으로 상기 종자정이 부착토록 제공되는 종자정 홀더와, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재와 그 외측의 석영관 및, 상기 석영관 외측으로 도가니를 가열토록 제공된 가열수단을 더 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 도가니(반응기) 내부 가이드의 재질이나 여러 구조 개선을 통한, 최적화 설계를 구현한 것이다.

즉, 본 발명은 가이드나 잉곳에서의 다결정 성장을 최대한 억제함과 동시에, 승화가스가 외각으로 빠져나가는 것을 최소화하여, 궁극적으로 수율 저하없이 단결정 잉곳주위의 다결정 성장을 억제하게 것을 가능하게 하는 효과를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 도가니 내부의 가이드에 다결정 증착이 발생하지 않고, 단결정 성장을 위한 조업시 가이드는 그 형태를 유지하며, 보다 품질이 우수한 평평한 형태의 잉곳 성장을 가능하게 하는 다른 효과를 제공하는 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 성장장치의 전체 구성을 도시한 모식도.
도 2는 도 1의 본 발명 탄화규소 단결정 성장장치에서 가이드수단을 도시한 도 1의 요부도
도 3은 본 발명 장치의 가이드수단의 일 실시예를 도시한 도 2의 확대도
도 4는 본 발명 장치의 가이드수단의 다른 실시예를 도시한 도 1의 요부도
도 5는 본 발명 장치에 따른 가이드수단을 나타낸 사진
도 6은 본 발명 장치 실시예에 따른, 성장된 탄화규소 단결정을 나타낸 사진
도 7은 본 발명 비교예 1에 따른, 성장된 탄화규소 단결정을 나타낸 사진
도 8은 본 발명 비교예 2에 따른, 성장된 탄화규소 단결정을 나타낸 사진
도 9는 본 발명 비교예 3에 따른, 성장된 탄화규소 단결정을 나타낸 사진

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1에서는 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 성장장치(100)의 전체 구성을 도시하고 있다.

즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 탄화규소 단결정 성장장치(100)는, 크게 내부에 탄화규소 단결정 원료(110)가 장입되고 가열되는 도가니(120)와, 상기 도가니(120)의 상부측에 제공되고 탄화규소 종자정(130)이 부착되는 종자정 홀더(140) 및, 상기 도가니의 내측으로 상기 종자정(130)과 이격되어 제공되는 가이드수단(200)를 포함할 수 있다.

그리고, 더 바람직하게는, 상기 도가니(120)를 둘러싸는 단열재(150)와 그 외측의 석영관(160) 및, 상기 석영관 외측으로 도가니를 가열토록 제공되는 가열수단(170)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 가열수단(170)은 고주파 유도 코일일 수 있다.

따라서, 도 1에서 도시한 바와 같이, 가열수단(170)으로 가열된 도가니(120)의 내부 분말원료(110)는 승화되고, 원료가 승화된 가스가 가이드수단(200)을 따라 종자정 홀더(140) 측의 종자정(130)(일명 '시드(seed)')에 증착되어 단결정이 성장하게 된다.

한편, 일반적으로 단결정 성장이 진행됨에 따라 단결정 잉곳 길이가 길어지며, 이때 잉곳 형상을 제어하기 위해 상기 도가니(120) 내측에 제공된 가이드 즉, 본 발명의 가이드수단(200)을 사용하게 된다.

이때, 상기 가이드의 온도가 잉곳의 표면온도 보다 더 낮을 경우에는, 다음에 상세하게 설명하듯이, 잉곳 외각에 다결정이 성장되게 된다.

또한, 단결정 성장시에 승화된 가스는 종자정 부위에는 단결정을 성장시키지만, 가이드의 내벽에는 다결정을 성장시키게 된다.

특히, 종자정에 인접한 가이드부분은 온도가 더 낮기 때문에, 집중적으로 다결정이 형성되며, 단결정 보다 성장속도가 빠른 다결정이 단결정을 덮어, 결정 품질을 저하시키는 것이다.

한편, 다공성 흑연 재질로 된 가이드를 사용하면 승화된 가스가 다결정으로 증착하기 전에 (잉곳) 외각으로 가스가 빠져나가 단결정 잉곳 주위의 다결정 성장을 억제할 수 있다.

그러나, 다공성 흑연 재질로만 가이드를 형성할 경우, 도가니 하부에 위치한 분말에서 승화된 가스가 다공성 부분에서 쉽게 잉곳 외각으로 빠져나가기 때문에, 결과적으로 단결정 성장에는 기여하지 못하고, 수율은 낮아지게 한다.

그리고, 고주파 가열의 특성에 의해 분말의 외각부 온도가 높아 분말의 승화는 외각에서 활발이 일어나고, 승화된 가스는 가이드를 통해 쉽게 빠져나가게 된다.

이에, 본 발명은, 위에서 언급한 문제를 갖는 다공성 흑연 재질로만 된 가이드(앞에서 설명한 [특허문헌])의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 기본적으로 다결정 성장을 억제하는 다공성 흑연과, 다공성 흑연으로만 하는 경우 승화가스가 잉곳 외각으로 빠져나가는 양이 커지므로, 다공성 흑연와 일체로 된 고밀도 흑연의 복합구조의 가이드수단을 기반으로 하는 것이다.

즉, 본 발명의 도가니(120) 내측에 제공되는 다공성 흑연 및 고밀도 흑연 복합형 가이드수단(200)은, 다결정의 성장을 억제함과 동시에, 승화가스가 외각으로 빠져나가는 것을 최소화하여 수율 저하없이 단결정 잉곳주위의 다결정 성장을 억제 가능하게 할 것이다.

이에, 이하에서는 앞에서 설명한 탄화규소 단결정 성장장치(100)에서 승화가스를 종자정(130)으로 안내하는 본 발명에 따른 가이드수단(200)에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

먼저, 도 2 및 도 3에서는 본 발명 장치(100)의 일 실시예의 가이드수단(200)을 도시하고 있고, 도 4에서는 본 발명 장치(100)의 다른 실시예의 가이드수단(200)을 도시하고 있다. 참고로 도 5에서는 본 발명 가이드를 사진으로 개략적으로 나타내고 있다.

예컨대, 도 2 및 도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명 실시예의 가이드수단 (200)은, 상기 종자정(130) 측의 제1 가이드(210) 및, 상기 제1 가이드(210)의 하방으로 일체로 형성된 제2 가이드(220)를 포함하고, 특히 상기 제1 가이드(210)는 제2 가이드(220) 보다 공극율이 더 높은 흑연으로 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 가이드수단(200)은 적어도 상부의 제1 가이드(210)가 하부의 제2 가이드(220)보다 그 흑면 공극율이 더 높기 때문에(밀도가 더 높기 때문에), 승화가스가 공극율이 낮은(밀도가 높은) 제2 가이드(220)에서는 외각으로 빠져 나가지 못하고, 공극율이 상기 제2 가이드(220) 보다 더 높은 다공성 흑연의 상기 제1 가이드(210)에서는 승화가스를 투과시켜 가이드에서의 다결정 형성을 막아 다결정 침입이 없는 잉곳 성장을 가능하게 하는 것이다.

바람직하게는, 상기 제1 가이드(210)는 밀도가 1∼1.4 g/㎤ 인 다공성 흑연으로 형성할 수 있고, 상기 제2 가이드(220)는 밀도가 1.70∼1.90g/㎤ 인 고밀도 흑연으로 형성할 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 제2 가이드(210)의 다공성 흑연과 제1 가이드(220)의 고밀도 흑연은 순도가 99% 이상으로 형성하는 것이다.

한편, 제1,2 가이드(210)(220)의 흑연의 경우, 밀도와 공극률 및 가스 투과도는 선형적으로 비례하는 상관관계를 가진다.

예를 들어, 제1 가이드(210)의 다공성 흑연의 공극률이 너무 낮으면(상기 범위보다 낮으면), 승화가스를 충분히 투과시키지 못해, 앞에서 설명한 바와 같이, 가이드 내부에서 다결정이 형성될 수 있다.

특히, 성장하는 잉곳과 가이드 내부에 형성된 다결정이 만나게 되면 다결정의 성장속도가 단결정 성장속도 보다 더 빠르기 때문에, 잉곳 외각에 다결정을 쉽게 형성하게 된다.

반대로, 상기 제1 가이드(210)의 다공성 흑연의 공극률이 너무 크면(상기 범위보다 크면) 또는, 본 발명의 가이드수단(200) 전체를 다공성 흑연으로만 형성하는 경우에는, 승화된 가스가 외각으로 쉽게 빠져나가 포켓(도 1의 180)에서 다결정으로 증착하게 된다.

결국, 승화된 가스가 단결정 성장에 기여하지 못하고, 종자정이 아닌 다른 영역에 결정을 성장시키므로, 실제 단결정 수율을 떨어지게 할 것이다.

예를 들어, 단결정 성장시 분말로부터 승화한 가스는 Si, Si2C, SiC2로 이루어지며, 가스의 조성은 분말의 온도에 의해 결정된다.

그리고, 승화 가스 중 Si는 모든 온도에서 분압이 가장 높고 반응성이 높아, 탄소 소재인 도가니(반응기) 내벽 또는 가이드(수단)(200)와 반응하게 된다. 다공성 흑연의 공극률이 너무 큰 경우는 이러한 승화 가스와의 반응에 의해 가이드가 쉽게 손상되어 잉곳 형성을 제어하는 역할을 제대로 하지 못하게 하고, 결국 잉곳 외각에 다결정을 형성하게 되는 것이다.

다음, 본 발명 가이드수단(200)의 상기 제1 가이드(210)의 하방으로 일체로 형성되는 상기 제2 가이드(220)는, 밀도가 1.70∼1.90g/㎤ 인 고밀도 흑연으로 형성될 수 있는데, 현재 생산되는 흑연 중 최고 고밀도 제품은 1.92(TOKAI Carbon G348)이므로, 상기 범위보다 큰 고밀도 흑연은 적용하기 힘들다.

그리고, 상기 제2 가이드(220)의 흑연의 밀도가 1.7g/㎤ 보다 낮은 경우에는 고온에서 생성된 Si 가스와 쉽게 반응하여 가이드의 손상을 발생시키고, 이는 승화가스를 종자정으로 안내하는 가이드 본래의 기능을 상실하게 할 것이다.

디음, 도 2 및 도 3에서 도시한 본 발명 가이드수단(200)에서, 앞에서 설명한 다공성 흑연의 제1 가이드(210)와 고밀도 흑연의 제2 가이드(220)는 순도가 99% 이상인 것이 바람직하다.

즉, 상기 가이드들(210)(220)의 다공성 흑연과 고밀도 흑연의 순도를 99% 이상으로 하는 이유는, 고 순도의 흑연을 사용하여야 탄화규소의 단결정 성장시 오염을 최대한 예방할 수 있기 때문이다.

따라서, 지금까지 설명한 본 발명 가이드수단(200)의 경우에는 고순도의 다공성 흑연의 제1 가이드(210)와 고순도의 고밀도 흑연의 제2 가이드(220)를 기반으로 하는 동시에, 적절한 밀도 범위와 순도를 갖기 때문에, 다결정의 성장을 억제함과 동시에 승화가스가 외곽으로 빠져나가는 것을 최소화하여 수율저하 없이 단결정 잉곳 주위의 다결정 성장을 억제할 수 있게 할 것이다.

다음, 도 2와 같이, 본 발명의 탄화규소 단결정 성장장치(100)에서 상기 가이드수단(200)의 다공성 흑연인 제1 가이드(210)(의 상단)과 홀더(140)에 부착된 상기 종자정(130) 간의 간격은, 1∼5mm 인 것이 바람직하다.

예를 들어, 다공성 흑연인 제1 가이드(210)와 종자정(130) 간의 간격이 너무 긴 경우(상기 범위 보다 큰 경우)에는, 다결정이 단결정과 동시에 성장하여 다결정 성장이 증가하는 문제가 있을 수 있다.

반대로, 제1 가이드(210)와 종자정(130) 간의 간격이 너무 짧은 경우(상기 범위 보다 작은 경우), 승화가스의 흐름을 막아 다결정 성장을 유도하거나, 잉곳의 형상제어를 어렵게 하여 오목하게 하거나, 또는 왕관 형태의 잉곳이 성장하는 문제가 발생할 수 있다.

예컨대, 고품질의 기판을 얻기 위해서는 성장된 탄화규소 잉곳의 형태는 평평하거나 약간 볼록한 정도가 바람직할 것이다.

다음, 도 3 및 도 4에서 도시한 바와 같이, 본 발명 가이드수단(200)에서 앞에서 설명한 다공성 흑연의 제1 가이드(210)(210')는, 설정된 길이(L)를 갖도록 제공하는 것이다.

이때, 도 3의 다공성 흑연의 제1 가이드(210)와 도 4의 다공성 흑연의 제1 가이드(210')는 그 설정각도(X)(Z)가 다를 뿐, 그 설정길이(L)와는 무관하다.

예컨대, 바람직하게는, 상기 다공성 흑연의 상기 제1 가이드(도 3의 210)(도 4의 210')의 설정길이(L)는 5∼10 ㎜로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상업적 성장 잉곳의 길이는 알려져 있지 않으나 잉곳 길이는 15~25 ㎜ 일수 있고, 잉곳의 형태는 약간 볼록한 형상을 가질 수 있다.

그런데, 잉곳의 성장시 상기 다공성 흑연의 제1 가이드(210)(210')의 설정 길이(L)가 너무 짧을 경우(상기 범위보다 작은 경우)에는, 초기에 가이드에 다결정이 증착하게 되는데, 이는 단결정보다 다결정의 성장속도가 빠르기 때문에, 성장 잉곳 외각을 침투하여 고품질의 잉곳 제조를 어렵게 할 수 있다..

반대로, 상기 다공성 흑연의 제1 가이드(210)(210')의 설정길이(L)를 너무 길게 하면(상기 범위 보다 크게 하면), 다공성 부분을 통하여 외각으로 빠져나가는 승화 가스의 양이 증가하여 잉곳이 볼록해지며, 결과적으로 수율저하 및 잉곳에 스트레스가 발생하여 고품질 잉곳의 제조를 어렵게 할 것이다.

다음, 도 3에서는, 본 발명 장치(100)의 상기 가이드수단(200)에서, 수직선(C)을 기준으로 서로 다른 설정각도(경사각도)(X)(Y)를 갖는 제1,2 가이드(210) (220)를 도시하고 있다.

한편, 상기 제1 가이드(210)는 상기 종자정(130)에 인접하고, 상기 제2 가이드(220)는 상기 제1 가이드(210)에 하방으로 연이어 일체로 형성되되, 상기 제2 가이드(220)는, 상기 제1 가이드(210)와 일체로 되는 경사부(222)와 그 하방으로 일체로 된, 도가니(120)의 내면 측의 원통부(224)로 이루어 질 수 있을 것이다.

즉, 상기 제2 가이드(220)는 도가니(120)의 내측면에 평행한 원통부(224)와, 상기 원통부(224)에서 일체로 경사진 경사부(222)로 이루어 질 수 있다.

상기 원통부(224)는 도가니(120)에 마주하여 가이드수단(200)의 전체적인 도가니 배치를 견고하게 할 것이고, 상기 경사부(222)는 승화가스의 종자정 안내라는 가이드의 기본 역할을 수행할 것이다.

이때, 도 4와 같이, 상기 제1 가이드(210)와 제2 가이드(220)의 경사각도(Z)를 모두 수직선(C)을 기준으로 45˚정도로 형성할 수 있다.

그러나, 바람직하게는 다공성 흑연의 제1 가이드(210)와 고밀도 흑연의 제2 가이드(220)의 복합구조인 본 발명의 가이드수단(200)의 사용시, 상기 제1 가이드(210) 및 제2 가이드(220)의 경사부(222)는 수직선 기준으로 각각 서로 다른 설정각도(경사각도)(X)(Y)를 갖도록 하는 것이다.

더 바람직하게는, 수직선(C)을 기준으로 상기 다공성 흑연의 제1 가이드 (210)의 설정각도(경사각도)(X)를 상기 고밀도 흑연의 제2 가이드(220)의 경사부(222)의 설정각도(경사각도)(Y) 보다 더 작게하는 형성하는 것일 수 있다.

이 경우, 제1 가이드(210)를 통하여 외각으로 빠져나가는 승화가스의 양을 최소화 할 수 있기 때문에, 결과적으로 다결정 증착을 감소시킬 것이다.

예를 들어, 바람직하게는 도 3과 같이, 상기 다공성 흑연의 제1 가이드(210)는 수직선(C)을 기준으로 10˚이하의 각도(X)로 경사지게 하고, 상기 제2 가이드(220)의 경사부(222)는 수직선(C)을 기준으로 30∼45˚의 각도(Y)로 경사지게 하는 것이다.

예컨대, 상기 제1 가이드(210)의 경사각도(X)가 상기 범위 보다 크면(10˚보다 크면) 승화 가스가 외각으로 빠져 나가는 양이 많아저, 수율을 낮아지게 할 것이다.

그리고, 상기 제2 가이드(220)의 경사부(222)의 각도(Y)가 상기 범위 보다 크면(그 경사도가 너무 급격하면), 분말에서 승화되는 가스를 종자정으로 온전하게 모아서 효율적으로 안내하기 어렵게 되고, 반대로 상기 범위 보다 낮으면, 가이드에서 다결정이 성장될 가능성이 있다.

다음, 이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예와 비교예들을 설명한다. 물론, 이는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 반드시 본 실시예로만 한정되는 것은 아님은 당연하다.

[실시예]

실시예에서는, 도가니(120) 내부에 배치되는, 밀도가 1∼1.4 g/㎤ 인 다공성 흑연의 제1 가이드(210)와 밀도가 1.70∼1.90 g/㎤ 인 고밀도 흑연의 제2 가이드(220)가 복합된 가이드수단(200)을 설치한 도 1에서 설명한 본 발명에 따른 탄화규소 단결정 성장장치(100)를 사용하여 탄화규소 단결정을 성장시켰다. 제1 가이드(210)와 종자정(130)간 간격은 2mm로 하였다. 이때, 탄화규소 단결정의 성장 방법은 다음과 같다.

먼저, 종자정(130)으로 4H-SiC 시드(seed)를 사용하였다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 탄화규소 단결정의 성장이 가능하기만 하다면, 다양한 종류의 종자정(3C-SiC, 15R-SiC 등)을 사용할 수 있다.

그리고, 종자정(130)으로 직경 4인치의 원형상의 종자정을 사용하였다. 종자정의 직경은, 도가니 크기에 따라 적절히 조절될 수 있다.

이후, 카본 페이스트를 접착제로 하여, 종자정 홀더상에 종자정을 부착하였다. 다만, 접착 수단은 카본 페이스트 뿐 아니라, 슈가(sugar), 포토레지스트 등 종자정 홀더(140)의 상면에 종자정를 부착시킬 수 있는 다양한 접착제를 사용하여도 무방하다.

이어서, 종자정이 부착된 종자정 홀더(140)를 성장장치 내로 장입하여 도가니(120)의 상측(천장측) 내부에 장착하였다. 그리고, 도가니(120)의 내부에 탄화규소 단결정 원료(110), 예를 들어 SiC 분말을 장입하였다. 이후, 1400℃의 온도와 진공압력으로 3시간 동안 가열하여 도가니에 포함된 불순물을 제거하였다.

다음, 불활성 아르곤가스(Ar)를 주입하여 도가니(120)의 내부 및 도가니(120)와 단열재(150)사이에 남아있는 공기를 제거하였다. 그리고, 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단(170)을 이용하여 도가니(120)를 약 2,200 ℃로 가열하였다. 여기서, 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정의 발생을 방지하기 위함이다.

대기압을 유지하면서 단결정 원료(110)를 성장 온도인 2,200∼2,400℃까지 승온시켰다. 이후, 성장장치 내부를 30mbar로 감압하여 성장압력으로 유지시키면서, 단결정 원료를 승화시켜 단결정을 성장시켰다.

한편, 성장된 단결정 사진을 도 6에서 나타내고 있다. 도 6에서 알 수 있듯이 다결정 성장없이, 고품질의 탄화규소 단결정이 성장된 것을 알 수 있다.

또한, 도 6과 같이, 도가니 내부 가이드(수단)에도 다결정의 증착이 전혀 없으며, 승화 가스에 의한 가이드의 손상이 일부 있으나 그 형태를 유지하여, 단결정 외각에 다결정의 형성이 없는 평평한 형태의 잉곳 성장을 유도하였음을 알 수 있다.

[비교예 1]

비교예 1은 도 1에서 도가니(120)의 내부에 밀도 1.8 g/㎤ 및, 5% 미만 범위의 작은 공극률을 갖는 다공성 흑연의 가이드(200)를 설치한 탄화규소 단결정 성장장치(100)를 사용한 점을 제외하고는, 앞에서 설명한 실시예와 같은 방법으로 탄화규소 단결정을 성장시켰다.

비교예 1의 성장된 단결정의 사진을 도 7에서 나타내었다. 도 7에서 알 수 있듯이, 성장된 단결정 외각에 다결정이 일부 성장한 것을 알 수 있다. 이는 가이드에 내부에 다결정이 증착하고, 성장한 잉곳과 가이드 내부에 형성된 다결정이 만나게 되고, 다결정의 성장 속도가 단결정 성장 속도 보다 빠르기 때문에 잉곳 외각에 다결정을 형성한 결과이다.

[비교예 2]

비교예 2는 도 1에서 도가니(120) 내부에 밀도가 1∼1.4 g/㎤ 인 다공성 흑연으로만 된 가이드(200)가 설치된 탄화규소 단결정 성장장치(100)를 사용한 점을 제외하고는, 상기 실시예와 같은 방법으로 탄화규소 단결정을 성장시켰다.

한편, 성장된 단결정 사진을 도 8에서 나타내었다. 도 8에서 알 수 있듯이, 다결정의 성장 없이 단결정이 성장하였으나, 승화된 단결정 성장에 기여하지 못하고 외각으로 빠져나가 볼록한 형상의 잉곳이 성장한 것을 알 수 있었다. 또한, 장시간 성장시 가이드가 손상된 것을 확인 할 수 있었다.

[비교예 3]

비교예 3은 도 1에서 도가니(120)의 내부에 밀도 1 g/㎤, 및 85%의 공극률을 갖는 다공성 흑연의 가이드(200)가 설치된 탄화규소 단결정 성장장치(100)를 사용한 점을 제외하고는, 상기 실시예와 같은 방법으로 탄화규소 단결정을 성장시켰다.

예를 들어, 성장된 단결정의 사진을 도 9에 나타내었다. 도 9에서 알 수 있듯이, 성장된 단결정 외각 뿐 아니라, 단결정 상에 다결정이 많이 성장한 것을 알 수 있었다. 또한, Si 승화가스와 공극률이 큰 가이드간 반응으로 가이드가 손상된 것을 확인 할 수 있었다.

예를 들어, 도 8의 좌측 사진은 단결정 성장시 사용한 가이드의 초기 형상을 보여준다. 도 8의 가운데 사진에서, 단결정 성장 중 발생한 가이드의 손상으로 인해 정상적인 단결정 잉곳 성장이 이루어지지 못한 것을 알 수 있다. 도 8의 오른쪽 사진은, 성장이 지속됨에 따라, 가이드 전체가 손상되었고, 그 잔여물이 탄화규소 분말 상부에 남아있는 모습을 보여주고 있다.

이에 따라서, 지금까지 설명한 본 발명 탄화규소 단결정 성장장치(100)는, 도가니 내부의 가이드(200)의 재질이나 여러 구조 개선을 통한 최적화 설계를 반영한 것이다.

따라서, 본 발명의 경우, 도가니 내부 가이드에 다결정 증착이 없으며, 승화 가스에 의한 가이드의 손상은 일부 있을 수 있으나 그 형태를 유지하여, 단결정 외각에 다결정의 형성이 없는 평평한 형태의 잉곳 성장을 가능하게 하는 것이다.

결과적으로 본 발명은 SiC 단결정 성장시, 다결정의 성장이 없고, 궁극적으로 고품질의 탄화규소 단결정 성장을 가능하게 하는 효과를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 경우 다결정이 없으면서 승화가스가 외각으로 빠져나가는 양도 줄여, 궁극적으로 수율도 높이는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 명세서 및 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100.... 탄화규소 단결정 성장장치 110.... 단결정 원료
120.... 도가니 130.... 탄화규소 종자정
140.... 종자정 홀더 150.... 단열재
160.... 석영관 170.... 가열수단
200.... 가이드수단 210.... 제1 가이드
220.... 제2 가이드 222.... 제2 가이드의 경사부
224.... 제2 가이드의 원통부
L.... 제1 가이드의 설정길이
X.... 제1 가이드의 수직선 상 설정각도
Y.... 제2 가이드(경사부)의 수직선 상 설정각도

Claims (12)

1. 내부에 원료가 장입되고 가열되는 도가니;
   상기 도가니의 상부측에 제공되는 종자정; 및,
   상기 도가니의 내측으로 상기 종자정과 이격되어 제공되는 가이드수단;
   을 포함하여 구성되고,
   상기 가이드수단은 상기 종자정 측의 제1 가이드와 상기 제1 가이드에 일체로 형성된 제2 가이드를 포함하되, 상기 제1 가이드는 적어도 상기 제2 가이드 보다 공극율이 더 높은 흑연으로 형성된 탄화규소 단결정 성장장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 가이드는 밀도가 1∼1.4 g/㎤ 인 다공성 흑연으로 형성되고,
   상기 제2 가이드는 밀도가 1.70∼1.90 g/㎤ 인 고밀도 흑연으로 형성된 탄화규소 단결정 성정장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 가이드의 다공성 흑연과 제2 가이드의 고밀도 흑연은 순도가 99% 이상인 탄화규소 단결정 성정장치.
4. 내부에 원료가 장입되고 가열되는 도가니;
   상기 도가니의 상부측에 제공되는 종자정; 및,
   상기 도가니의 내측으로 상기 종자정과 이격되어 제공되는 가이드수단;
   을 포함하여 구성되고,
   상기 가이드수단은 상기 종자정 측의 제1 가이드와 상기 제1 가이드에 일체로 형성된 제2 가이드를 포함하되, 상기 제1 가이드는 설정된 길이(L)를 갖는 탄화규소 단결정 성장장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 가이드는 다공성 흑연으로 형성되고, 상기 제2 가이드는 고밀도 흑연으로 형성되되, 상기 제1 가이드의 설정길이(L)는 5∼10 ㎜ 인 탄화규소 단결정 성장장치.
   
6. 내부에 원료가 장입되고 가열되는 도가니;
   상기 도가니의 상부측에 제공된 종자정; 및,
   상기 도가니의 내측으로 상기 종자정과 이격되어 제공되는 가이드수단;
   을 포함하여 구성되고,
   상기 가이드수단은 상기 종자정 측의 제1 가이드와 상기 제1 가이드에 일체로 형성된 제2 가이드를 포함하되, 상기 제1,2 가이드는 서로 다른 설정각도(X)(Y)를 갖는 탄화규소 단결정 성장장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 가이드는 다공성 흑연으로 형성되고, 상기 제2 가이드는 고밀도 흑연으로 형성되되, 상기 제1 가이드는 수직선을 기준으로 10˚이하의 각도(X)로 경사지고, 상기 제2 가이드는 수직선을 기준으로 30∼45˚의 각도(Y)로 경사진 탄화규소 단결정 성장장치.
   
8. 제2항, 제5항 및 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 다공성 흑연의 제1 가이드와 종자정 간의 간격은 1∼5㎜인 탄화규소 단결정 성장장치.
   
9. 제5항 또는 제7항에 있어서,
   상기 제1 가이드는 밀도가 1∼1.4 g/㎤ 인 다공성 흑연으로 형성되고,
   상기 제2 가이드는 밀도가 1.70∼1.90 g/㎤ 인 고밀도 흑연으로 형성된 탄화규소 단결정 성장장치.
   
10. 제1항, 제4항 및 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가이드수단의 제2 가이드는, 상기 제1 가이드의 하방으로 일체로 형성된 경사부; 및,
    상기 경사부의 하방에 일체로 형성되고 상기 도가니 내면 측의 원통부;
    로 이루어진 탄화규소 단결정 성장장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 가이드의 경사부는 수직선을 기준으로 30∼45˚의 각도(Y)로 경사진 탄화규소 단결정 성장장치.
    
12. 제1항, 제4항 및 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 도가니의 상부측으로 상기 종자정이 부착토록 제공되는 종자정 홀더;
    상기 도가니를 둘러싸는 단열재와 그 외측의 석영관; 및,
    상기 석영관 외측으로 도가니를 가열토록 제공된 가열수단;
    을 더 포함하는 탄화규소 단결정 성정장치.

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