KR20130000294A - 잉곳 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 포함하는 도가니; 상기 도가니의 하부에 위치하는 제 1 전극; 상기 도가니의 상부에 위치하는 제 2 전극; 및 종자정을 고정하는 종자정 홀더를 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 아크 방전이 발생한다.
Description
본 기재는 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기, 전자 산업분야 및 기계부품 분야에 있어서의 소재의 중요도는 매우 높아 실제 최종 부품의 특성 및 성능지수를 결정하는 중요한 요인이 되고 있다.
대표적인 반도체 소자 재료로 사용된 Si은 섭씨 100도 이상의 온도에 취약해 잦은 오작동과 고장을 일으키기 때문에, 다양한 냉각장치를 필요로 한다. Si이 이러한 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 SiC, GaN, AlN 및 ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다.
여기서, GaN, AlN 및 ZnO 에 비해 SiC는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한, SiC는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열 전도도를 가지고 있으며, 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있다. 특히, SiC 단결정 성장 기술이 현실적으로 가장 안정적으로 확보되어, 기판으로서 산업적 생산 기술이 가장 앞서있다.
그런데, 상기한 SiC 단결정은 화학양론적인 용액으로부터 성장시키기 위해서는 열역학적으로 다이아몬드합성과 비슷한 100,000 기압 이상의 압력과 3,200 ℃ 이상의 온도가 필요하다. 따라서, 주로 승화 방식을 이용한 PVT(Physical Vapor Transport)법, 즉 종자정 성장 승화법(seeded growth sublimation)을 산업적으로 많이 이용하여 단결정을 제조하고 있다. 이때, 원료를 승화시키기 위해서는 코일을 이용한 유도가열을 이용하여 도가니 내부의 온도 구배에 따라 승화를 시키는 것이 일반적이다.
실시예는 전기 아크를 이용하여 빠른 성장이 가능한 잉곳 제조 장치이다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 포함하는 도가니; 상기 도가니의 하부에 위치하는 제 1 전극; 상기 도가니의 상부에 위치하는 제 2 전극; 및 종자정을 고정하는 종자정 홀더를 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 아크 방전이 발생한다.
상기 원료는 상기 아크 방전에 발생된 열원에 의해 기화될 수 있다.
상기 원료는 탄소원, 규소원 또는 탄화규소를 포함할 수 있다.
상기 제 2 전극은 흑연을 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극은 복수 개의 전극으로 구성될 수 있다.
상기 잉곳 제조 장치는 베큠부를 더 포함할 수 있다.
상기 잉곳 제조 장치는 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 잉곳 제조 장치는 탄화규소 단결정을 성장시킬 수 있다.
실시예에 따르면, 단결정 성장, 일례로 SiC 단결정 성장을 할 수 있는 새로운 방법 및 장치를 제공할 수 있다. 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 의해 발생하는 아크 방전에 의하여 3600℃ 이상의 고온을 발생시킬 수 있으므로, 규소원, 탄소원 또는 탄화규소원의 신속한 공급이 가능하여 탄화규소 단결정의 성장 속도를 증가시킬 수 있다.
즉, 유도 가열을 이용하는 것에 비해 탄소원 및 규소원 등의 소스 가스를 신속하고 많은 양을 반응로 내에 공급할 수 있으므로 빠른 잉곳 성장이 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른 잉곳 제조의 공정도이다.
도 2는 실시예에 따른 잉곳 제조의 공정도이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하여, 제 1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 제 1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 챔버(10), 도가니(30), 상부 덮개(20), 종자정 홀더(80), 가이드 부재(90), 베큠부(vacuum line, 60), 공급부(filling line, 70), 제 1 전극(40) 및 제 2 전극(50)을 포함한다.
상기 도가니(30)는 원료를 수용할 수 있다. 상기 원료는 규소원 및 탄소원을 포함할 수 있다. 더 구체적으로는, 상기 원료는 코크스 및 규소 분말(Si powder)의 혼합물 또는 탄화규소 분말(SiC powder)을 포함할 수 있다. 상기 도가니(30)에 수용된 원료는 코크스 및 규소 분말의 혼합물 또는 탄화규소 분말을 수용할 수 있다.
상기 도가니(30)는 상기 원료를 수용할 수 있도록 원통형의 형상을 가질 수 있다.
상기 도가니(30)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 도가니(30)는 흑연으로 제작될 수 있다.
또한, 도가니(30)는 흑연에 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 상기 물질은, 탄화규소 단결정이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물 또는 금속 질화물을 이용할 수 있다. 특히, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 탄소를 포함하는 탄화물이 도포될 수 있다. 또한, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 질소를 포함하는 질화물이 도포될 수 있다.
상기 도가니(30)의 상부에 상부 덮개(20)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(20)는 상기 도가니(30)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(20)는 상기 도가니(30) 내에서 반응이 일어날 수 있도록 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개의 하단부에 종자정이 위치한다. 상기 종자정은 종자정 홀더(80)에 의해 고정될 수 있다. 상기 종자정 홀더(80)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다.
상기 종자정은 상기 종자정 홀더(80)에 부착된다. 상기 종자정이 상기 종자정 홀더(80)에 부착됨으로써, 성장된 단결정이 상기 상부 덮개(20)에까지 성장되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 종자정은 상기 상부 덮개(20)에 직접 부착될 수 있다.
상기 가이드 부재(90)는 상기 도가니(30) 내부에 위치한다. 상기 가이드 부재(90)는 단결정이 성장하는 부분에 위치할 수 있다. 상기 가이드 부재(90)는 승화된 탄화규소 가스의 이동통로를 좁게 하여 승화된 탄화규소의 확산을 상기 종자정으로 집속시킬 수 있다. 이를 통해 단결정의 성장률을 높일 수 있다.
이어서, 단열재(도면에 도시되지 않음)는 상기 도가니(30)를 둘러쌀 수 있다. 상기 단열재는 상기 도가니(30)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 단열재는 탄화규소의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 펠트를 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 단열재는 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 단열재는 복수의 층으로 형성되어 상기 도가니(30)를 둘러쌀 수 있다.
상기 베큠부(60)는 상기 상부 덮개(20)의 상부에 위치한다. 상기 베큠부(60)는 상기 상부 덮개(20)를 관통하여 위치할 수 있다. 상기 베큠부(60)는 반응에 의한 내부에 잔류하는 가스 또는 반응 부산물들을 배출한다. 구체적으로, 단결정 성장이 완료된 후 상부 덮개(20)를 오픈하는 경우 내부가 공기에 노출될 수 있다. 이 경우,베큠부(60)를 통해 공기를 배출시킬 수 있으며 또한 내부의 미반응 규소 또는 탄소 가스 등도 베큠부(60)를 통해 배출될 수 있다.
상기 공급부(70)는 상기 단열재의 측면에 위치한다. 상기 공급부(70)는 진공이 형성된 후 아르곤 등의 불활성 가스를 공급하거나 또는 보조 탄소원 또는 도핑 가스 등을 공급할 수 있다.
상기 제 1 전극(40)은 상기 도가니(30)의 하부에 위치하고, 상기 제 2 전극(50)은 도가니(30)의 상부에 위치한다. 상기 제 2 전극(50)은 챔버 외부에 배치되는 구동부(51)에 의해 상하 및 좌우로 이동될 수 있다.
상기 제 1 전극(40)과 상기 제 2 전극(50)에 일정한 전기를 가하면 아크 방전이 일어난다. 그러면, 아크 방전에 의해 상기 제 1 전극(40)과 상기 제 2 전극(50) 사이의 일정 영역에는 3600℃ 이상의 고온이 발생할 수 있다. 도가니 내부의 원료에 아크가 균일하게 전달되도록 하기 위해 상기 제 1 전극(40)은 하나 이상이 배치될 수 있다. 상기 제 2 전극(50)은 반응시 탄소원의 부족을 보충하기 위해 흑연으로 제조되어 반응시 탄소를 보충할 수 있다.
도 2에는 본 실시예에 따른 상기 제 1 전극(40)과 상기 제 2 전극(50)의 아크 방전에 의한 단결정 성장공정을 도시하였다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 단결정 성장 공정은 상기 제 1 전극(40)과 상기 제 2 전극(50) 사이에 아크 방전을 발생하는 단계; 원료를 기화하는 단계; 및 상기 기화된 탄화규소가 종자정에 증착하여 탄화규소 잉곳이 성장하는 단계를 포함한다.
상기 도가니(30)에는 원료로서 규소원인 고순도의 규소 분말과 탄소원인 고순도의 코크스가 포함될 수 있다. 또는, 도가니(30)에는 탄화규소 분말이 포함될 수도 있다. 상기 도가니(30)는 흑연으로 제작되었다. 상기 제 2 전극(50)은 탄소원의 부족을 보완할 수 있도록 고순도의 흑연으로 제조될 수 있다.
상기 도가니(30)의 하부에 위치하는 상기 제 1 전극(40)과 상기 도가니(30)의 상부에 위치하는 상기 제 2 전극(50)에 일정한 전기를 가한다. 이때, 380V의 교류 전압으로 전기를 가할 수 있다. 상기 제 1 전극(40) 및 상기 제 2 전극(50)에서 일정한 전기가 가해지면 아크 방전이 일어나게 된다. 상기 아크 방전에 의해 상기 제 1 전극(40)과 상기 제 2 전극(50) 사이의 일정 영역은 3600℃ 이상의 고온이 될수 있고, 또한 나머지 영역도 1500℃ 내지 2600℃ 범위의 온도로 유지될 수 있다.
상기 제 1 전극(40)과 상기 제 2 전극(50)은 아크 방전에 의해 열원을 생성한다. 상기 아크 방전에 의해 생긴 열원으로 상기 원료를 가열하여 상기 원료를 기화시킬 수 있다. 상기 아크 방전에 의한 열원은 3600℃ 이상의 고온일 수 있다. 바람직하게는, 상기 원료의 기화 온도 이상으로 발생할 수 있다.
상기 아크 방전에 의한 고온을 열원으로 하여 상기 도가니(30) 내부에 수용된 원료가 기화된다. 예를 들어 규소원 및 탄소원 또는 탄화규소의 승화가 일어난다. 이때, 상기 원료에 열원이 균일하게 전달되도록 하기 위해 상기 제 2 전극(50)은 복수 개가 될 수 있다. 복수 개의 상기 제 2 전극(50)을 포함함으로써 원료에 균일한 열원이 전달될 수 있고, 이에 따라 잉곳 성장이 원활해질 수 있다.
상기 아크 방전에 의해 도가니(30) 내부의 온도는 3600℃ 이상의 고온이 발생할 수 있다.
상기 아크 방전에 의한 원료의 승화 재결정에 의한 탄화규소 잉곳 성장은 다음과 같다.
상기 도가니(30)에는 탄소원 및 규소원이 수용되어 있고, 상기 제 2 전극(50)은 흑연으로 제조될 수 있다.
먼저, 일정한 거리로 이격되어 있는 상기 제 1 전극(40) 및 상기 제 2 전극(50)에 일정한 전기를 가해 아크 방전을 일으킨다. 아크 방전은 도가니(30) 내부의 온도가 규소의 용해 온도(약 1500℃) 이상이 되도록 지속시킨다. 바람직하게는, 아크 방전에 의한 도가니(30) 내부의 온도가 2000℃ 내지 2600℃가 될 때까지 아크 방전을 지속할 수 있다. 상기 아크 방전에 의한 열원을 이용하여 도가니(30) 내부에 수용되어 있는 원료인 규소 및 탄소를 기화시킨다.
이후, 승화된 규소 및 탄소를, 바람직하게는 탄화규소를 재결정하기 위해 도가니(30) 내부에는 온도구배가 형성되어야 한다. 상기 재결정은 도가니(30)를 둘러싸는 단열재와 상기 제 1 전극(40) 및 상기 제 2 전극(50)에 의한 아크방전의 지속 시간으로 발생 시킬 수 있다.
먼저, 규소원의 승화 온도 이상이 되도록 아크 방전을 지속시킨 후 연료를 기화시킨다 그 후, 아크 방전을 멈추고 도가니(30) 내부의 온도가 일정 온도가 되도록 아크 방전을 다시 발생시킨다. 바람직하게는 상기 제 2 전극(50)을 이동시켜 온도구배를 형성할 수 있다. 도가니(30) 내부의 온도는 결정 성장 온도(약 2000℃) 이상이 되도록 유지할 수 있다. 상기 온도는 도가니 내부에 열전대(thermocouple)을 연결하여 측정할 수 있다. 이에 따라, 도가니(30) 내부의 하부와 상부에는 온도구배가 발생하게 된다. 이러한 온도구배로 인하여 탄소 및 규소 원료의 승화가 일어나고, 상기 도가니(30)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 하는 상기 단열재에 의해 온도가 유지되어 승화된 탄소 및 규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정으로 성장된다.
이때, 탄화규소 단결정의 성장율은 약 200㎛/h 이상, 바람직하게는 300㎛/h 이상일 수 있다.
실시예에 따르면, 단결정을 성장시킬 수 있는 새로운 방식을 제공할 수 있다. 종래의 유도 가열 방식이 아닌 아크 방전을 이용하여 원료를 승화시킬 수 있다. 또한, 아크 방전 반응로는 기존의 반응로를 사용하여 기술적 완성도가 높을 수 있다. 이에 따라, 아크 방전 반응로를 이용하여 원료를 가열함으로써, 유도 가열을 이용하여 탄소와 규소를 기화시키는 양에 비해 빠른 속도로 탄소원 및 규소원을 승화시킬 수 있으므로 단결정 성장 속도를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 빠른 잉곳 성장이 가능해진다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 원료를 포함하는 도가니;
상기 도가니의 하부에 위치하는 제 1 전극;
상기 도가니의 상부에 위치하는 제 2 전극; 및
종자정을 고정하는 종자정 홀더를 포함하고,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 아크 방전이 발생하는 잉곳 제조 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 원료는 상기 아크 방전에 발생된 열원에 의해 기화되는 잉곳 제조 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 원료는 탄소원, 규소원 또는 탄화규소를 포함하는 잉곳 제조 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2 전극은 흑연을 포함하는 잉곳 제조 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 전극은 하나 또는 복수 개로 구성되는 잉곳 제조 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 잉곳 제조 장치는 베큠부(vacuum line)를 더 포함하는 잉곳 제조 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 잉곳 제조 장치는 공급부(filling line)를 더 포함하는 잉곳 제조 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 잉곳 제조 장치는 상기 종자정에 탄화규소 잉곳을 성장하는 잉곳 제조 장치. - 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 아크 방전을 발생하는 단계;
상기 아크 방전에 의한 열원에 의해 탄화규소 원료가 기화하는 단계; 및
상기 기화된 탄화규소가 종자정에 증착하여 탄화규소 잉곳이 성장하는 단계를 포함하는 탄화규소 잉곳 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 제 1 전극은 하나 또는 복수 개로 구성되는 탄화규소 잉곳 제조 방법.
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Cited By (4)
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KR102239736B1 (ko) * | 2020-08-31 | 2021-04-13 | 에스케이씨 주식회사 | 탄화규소 잉곳의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄화규소 잉곳 |
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US11339497B2 (en) | 2020-08-31 | 2022-05-24 | Senic Inc. | Silicon carbide ingot manufacturing method and silicon carbide ingot manufactured thereby |
WO2023080733A1 (ko) * | 2021-11-05 | 2023-05-11 | 주식회사 쎄닉 | 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 및 탄화규소 잉곳의 제조방법 |
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2011
- 2011-06-22 KR KR1020110060904A patent/KR20130000294A/ko not_active Application Discontinuation
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