KR101632798B1 - Method for growing single crystal using plasma - Google Patents

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Abstract

원료 투입부, 플라즈마 반응부, 단결정 성장부를 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기에, 캐리어 가스를 투입하고, 플라즈마 방전을 실시하여 열플라즈마를 형성하는 단계; 상기 원료 투입부에 단결정 성장을 위한 원료를 연속공정으로 투입하는 단계; 상기 투입된 원료가 열플라즈마의 온도 영역에서 활성화된 기체를 형성하는 단계; 상기 활성화된 기체가 상기 단결정 성장부로 이동하는 단계; 및 상기 활성화된 기체가 상기 단결정 성장부에서 증착되어 단결정이 형성되는 단계;를 포함하는 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법이 제공된다. Forming a thermal plasma by injecting a carrier gas into a plasma single crystal growth reactor having a raw material input portion, a plasma reaction portion, and a single crystal growth portion, and performing a plasma discharge; Introducing a raw material for growing a single crystal into the raw material input portion in a continuous process; Forming the activated gas in the temperature range of the thermal plasma; Moving the activated gas to the single crystal growth portion; And the activated gas is deposited in the single crystal growth portion to form a single crystal. The present invention also provides a method of growing a single crystal by thermal plasma.

Description

열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법{METHOD FOR GROWING SINGLE CRYSTAL USING PLASMA}METHOD FOR GROWING SINGLE CRYSTAL USING PLASMA BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에 관한 것이다.
To a method of growing a single crystal by thermal plasma.

SiC는 규소와 탄소의 화합물로서 다이아몬드 결정 구조의 반도체 특성을 지니는 소재로서, SiC 단결정 웨이퍼는 반도체, LED 등의 소자 구현을 위한 기판으로 적용될 수 있다. SiC 단결정 웨이퍼는 승화재결정법 (Physical Vapor Transport, PVT), 고온화학기상증착법 (High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD) 등의 기술에 의해 제조될 수 있다. 상기 방법으로 단결정 잉곳으로 제조한 다음 통상의 웨이퍼링 공정을 거쳐 웨이퍼로 제작할 수 있다.SiC is a compound of silicon and carbon and has a semiconductor crystal characteristic of diamond crystal structure. The SiC single crystal wafer can be applied as a substrate for semiconductor and LED devices. The SiC single crystal wafer can be manufactured by techniques such as physical vapor transport (PVT) and high temperature chemical vapor deposition (HTCVD). A single crystal ingot may be manufactured by the above-described method, and then a wafer may be manufactured through a conventional wafer ring process.

승화재결정법에 의하는 경우, 원료 분말의 승화에 따라 공정 상태가 연속적으로 변하고 이는 최종적으로 얻어지는 단결정의 품질에 영향을 주기 때문에 고품질의 단결정을 얻기가 어려우며, 또한 고온의 공정 조건에서 수행되기 때문에 고온 상태에서 좁은 온도 구배의 유지가 어려워서 단결정 내에 많은 스트레스를 줄 수 있으며, 다량의 절연 재료를 사용하지 않는다면 가열과 냉각에 많은 에너지를 소비하게 되고, 도가니의 사용 주기가 짧아져 높은 공정 단가를 가질 수 밖에 없다는 단점이 있다.
According to the sublimation recrystallization method, since the process state is continuously changed with the sublimation of the raw material powder, which affects the quality of the finally obtained single crystal, it is difficult to obtain a high quality single crystal, and since it is carried out under high temperature process conditions, It is difficult to maintain the narrow temperature gradient in the state, so that a large stress can be given to the single crystal. If a large amount of insulating material is not used, a large amount of energy is consumed for heating and cooling and the crucible use period is shortened, There is a drawback that there is no outside.

본 발명의 일 구현예는 빠른 성장 속도를 가지면서 고품질의 단결정을 제조할 있는 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 제공한다.
One embodiment of the present invention provides a method for growing a single crystal by a thermal plasma, which is capable of producing a high quality single crystal with a high growth rate.

본 발명의 일 구현예애서, 원료 투입부, 플라즈마 반응부, 단결정 성장부를 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기에, 캐리어 가스를 투입하고, 플라즈마 방전을 실시하여 열플라즈마를 형성하는 단계; 상기 원료 투입부에 단결정 성장을 위한 원료를 연속공정으로 투입하는 단계; 상기 투입된 원료가 열플라즈마의 온도 영역에서 활성화된 기체를 형성하는 단계; 상기 활성화된 기체가 상기 단결정 성장부로 이동하는 단계; 및 상기 활성화된 기체가 상기 단결정 성장부에서 증착되어 단결정이 형성되는 단계;를 포함하는 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a plasma processing apparatus, comprising: forming a thermal plasma by injecting a carrier gas into a plasma single crystal growth reactor having a raw material input portion, a plasma reaction portion, and a single crystal growth portion; Introducing a raw material for growing a single crystal into the raw material input portion in a continuous process; Forming the activated gas in the temperature range of the thermal plasma; Moving the activated gas to the single crystal growth portion; And the activated gas is deposited in the single crystal growth portion to form a single crystal. The present invention also provides a method of growing a single crystal by thermal plasma.

상기 열플라즈마는 상기 플라즈마 반응기에 RF 전압을 인가하여 생성할 수 있다.The thermal plasma may be generated by applying an RF voltage to the plasma reactor.

상기 원료는 기체상 원료, 고체상 벌크 원료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.The raw material may be one selected from the group consisting of a gaseous raw material, a solid-phase bulk raw material, and a combination thereof.

상기 고체상의 벌크 원료는 0.01㎛ 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는 입자상일 수 있다.The solid bulk material may be in a particulate form having an average particle diameter of 0.01 to 100 mu m.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기의 내부 압력이 1 내지 2,000 Torr, 구체적으로, 5 내지 2,000 Torr일 수 있다.The internal pressure of the plasma single crystal growth reactor may be 1 to 2,000 Torr, specifically 5 to 2,000 Torr.

상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 상기 원료를 상기 원료 투입부를 떠나기 전에 승온시키는 예비 가열 단계를 더 포함할 수 있다.The method for growing a single crystal by the thermal plasma may further include a preheating step of raising the temperature of the raw material before leaving the raw material feeding part.

상기 예비 가열 단계가 상기 플라즈마 반응기에 구비된 RF 유도 가열기에 의해 이루어질 수 있다.The preheating step may be performed by an RF induction heater provided in the plasma reactor.

상기 열플라즈마의 온도는 1,000 내지 10,000℃일 수 있다.The temperature of the thermal plasma may be 1,000 to 10,000 ° C.

상기 캐리어 가스는 아르곤, 질소, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.The carrier gas may be at least one selected from the group consisting of argon, nitrogen, helium, and combinations thereof.

상기 캐리어 가스는 도판트를 더 포함할 수 있다.The carrier gas may further include a dopant.

상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 상기 단결정 성장부에 구비된 추가적인 가열수단을 통해 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of growing a single crystal by the thermal plasma may further include a step of heating through the additional heating means provided in the single crystal growth unit.

상기 추가적인 가열수단으로서 단결정 성장 표면을 가열하는 단결정 표면 가열수단을 더 포함할 수 있다.And a single crystal surface heating means for heating the single crystal growth surface as the additional heating means.

상기 단결정 표면 가열수단은 RF 유도 가열기(RF induction heater), 플라즈마 가열기(plasma heater), 적외선 레이져(IR laser) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.The single crystal surface heating means may be at least one selected from the group consisting of an RF induction heater, a plasma heater, an IR laser, and combinations thereof.

상기 추가적인 가열수단으로서 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함할 수 있다.The additional heating means may further include auxiliary heating means for heating the activated gas.

상기 보조 가열수단은 RF 유도 가열기(RF induction heater)일 수 있다.The auxiliary heating means may be an RF induction heater.

상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 상기 플라즈마 반응기는 상기 원료를 가열하는 예비가열기 및 상기 단결정 성장 표면을 가열하는 단결정 표면 가열수단을 더 포함할 수 있다.In the method for growing a single crystal by the thermal plasma, the plasma reactor may further include a monocrystal surface heating means for heating the monocrystalline growth surface and a preheating heater for heating the raw material.

상기 플라즈마 반응기는 상기 원료를 가열하는 예비가열기 및 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함할 수 있다.The plasma reactor may further include auxiliary heating means for heating the raw material and auxiliary heating means for heating the activated gas.

일 구현예에서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 플라즈마 반응기는 상기 원료를 가열하는 예비가열기, 상기 단결정 성장 표면을 가열하는 단결정 표면 가열수단 및 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함할 수 있다.
In one embodiment, the plasma reactor may further include a preheater for heating the raw material, a single crystal surface heating means for heating the single crystal growth surface, and an auxiliary heating means for heating the activated gas .

상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에 의해 제조된 단결정은 그 성장 속도가 빠르면서 결함이 매우 적은 우수한 결정성을 갖는다.
The single crystal produced by the single crystal growth method by the thermal plasma has a high crystallinity with a high growth rate and a very small defect.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 개략적인 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 개략적인 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 개략적인 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 개략적인 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 개략적인 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 개략적인 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 개략적인 플라즈마 반응기의 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a plasma reactor that can be used to perform a single crystal growth method by thermal plasma according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of a plasma reactor that can be used to perform a single crystal growth method by thermal plasma according to another embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a schematic plasma reactor that can be used to perform a single crystal growth method by thermal plasma according to another embodiment of the present invention.
4 is a schematic cross-sectional view of a plasma reactor that can be used to perform a single crystal growth method by thermal plasma according to another embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view of a schematic plasma reactor that can be used to perform a single crystal growth method by thermal plasma according to another embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of a schematic plasma reactor that can be used to perform a single crystal growth method by thermal plasma according to another embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view of a schematic plasma reactor that can be used to perform a single crystal growth method by thermal plasma according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

본 발명의 일 구현예에서, In one embodiment of the invention,

원료 투입부, 플라즈마 반응부, 단결정 성장부를 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기에, 캐리어 가스를 투입하고, 플라즈마 방전을 실시하여 열플라즈마를 형성하는 단계;Forming a thermal plasma by injecting a carrier gas into a plasma single crystal growth reactor having a raw material input portion, a plasma reaction portion, and a single crystal growth portion, and performing a plasma discharge;

상기 원료 투입부에 단결정 성장을 위한 원료를 연속공정으로 투입하는 단계;Introducing a raw material for growing a single crystal into the raw material input portion in a continuous process;

상기 투입된 원료가 열플라즈마의 온도 영역에서 활성화된 기체를 형성하는 단계;Forming the activated gas in the temperature range of the thermal plasma;

상기 활성화된 기체가 상기 단결정 성장부로 이동하는 단계; 및Moving the activated gas to the single crystal growth portion; And

상기 활성화된 기체가 상기 단결정 성장부에서 증착되어 단결정이 형성되는 단계;;를 포함하는 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 제공한다.And the activated gas is deposited in the single crystal growth portion to form a single crystal. The present invention also provides a method of growing a single crystal by thermal plasma.

상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 도 1에 개략적으로 도시된 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 의해 수행될 수 있다.
The single crystal growth method by thermal plasma can be performed by the plasma single crystal growth reactor 10 shown schematically in FIG.

이하, 도 1을 참조하여 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a single crystal growth method using the thermal plasma will be described in more detail with reference to FIG.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)는 원료 투입부, 플라즈마 반응부 및 단결정 성장부를 구비한다.The plasma single crystal growth reactor 10 includes a raw material input unit, a plasma reaction unit, and a single crystal growth unit.

먼저, 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 캐리어 가스를 투입하고, 플라즈마 방전을 실시한다.First, a carrier gas is introduced into the plasma single crystal growth reactor 10, and a plasma discharge is performed.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 RF 전압을 인가함으로써, 고온의 열플라즈마가 생성될 수 있다. By applying an RF voltage to the plasma single crystal growth reactor 10, a high-temperature thermal plasma can be generated.

상기 열플라즈마는 직류 또는 교류 아크(arc) 방전을 발생하는 플라즈마 장치에 의해 발생시키거나, 고주파 (Radio Frequency)자장에 의한 고주파 유도 플라즈마로서 발생될 수 있다. The thermal plasma may be generated by a plasma device generating a direct current or alternating arc discharge, or may be generated as a high frequency induction plasma by a radio frequency magnetic field.

고주파 유도 플라즈마로서 발생된 열플라즈마는 유도결합 플라즈마 (inductively coupled plasma)라고도 하며, 상기 원료 투입부(12) 주변으로 플라즈마 단결정 성장 반응기(10) 외부에 코일을 감고, 코일에 고주파 전류를 흘려서 발생시킬 수 있다. The thermal plasma generated as a high frequency induction plasma is also referred to as inductively coupled plasma. The plasma is generated around the raw material input portion 12 by winding a coil outside the plasma single crystal growth reactor 10 and passing a high frequency current through the coil .

상기 열플라즈마 발생을 위한 장치는 공지된 열플라즈마 발생기에 의할 수 있고, 특정 방법에 의한 경우로 제한되지는 않는다.The apparatus for generating the thermal plasma can be applied to a known thermal plasma generator and is not limited to a specific method.

일 구현예에서, 상기 열플라즈마는 플라즈마 단결정 성장 반응기(10) 외부에 감긴 코일에 고주파 전류를 흘려서 발생된 고주파 유도 플라즈마일 수 있다.
In one embodiment, the thermal plasma may be a high frequency induction plasma generated by flowing a high frequency current through a coil wound outside the plasma single crystal growth reactor 10.

한편, 지지대(11)에 구비된 원료 투입부(12)를 통하여 단결정 성장을 위한 원료를 도입한다.On the other hand, a raw material for monocrystal growth is introduced through a raw material input portion 12 provided in the support 11.

상기 원료 투입부(12)에 단결정 성장을 위한 원료를 연속공정으로 투입한다. A raw material for single crystal growth is introduced into the raw material input portion 12 as a continuous process.

상기 원료는 연속적으로 투입함으로써 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 연속 공정으로 수행된다. 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 일정량의 원료가 연속 공정으로 공급되므로, 단결정 성장 반응 조건의 변화를 낮출 수 있게 되어 고품질의 단결정 형성이 가능하게 된다.도 1에서 상기 원료 투입부(12)는 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 하단부에 위치하는 경우의 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)가 예시되고 있으나, 원료 투입부(12)의 위치는 이에 한정되지 않고, 예를 들어 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 상단부에 위치할 수도 있으며, 그 외에도 원료 투입부(12)의 위치에 대한 다양한 변형이 가능하다.
By continuously introducing the raw material, the single crystal growth method using the thermal plasma is performed in a continuous process. In the method of growing a single crystal by the thermal plasma, a certain amount of raw material is supplied in a continuous process, so that a change in a single crystal growth reaction condition can be lowered, and a high quality single crystal can be formed. The position of the raw material input part 12 is not limited to the above example and may be a plasma single crystal growth reactor 10 , And various modifications to the position of the raw material input portion 12 are possible in addition to the above.

상기 연속적으로 투입되는 원료는 열플라즈마에 의해 활성화된 기체를 형성한다.The continuously introduced feedstock forms a gas activated by thermal plasma.

전술한 바와 같이 발생된 고온의 열플라즈마에 의해 상기 연속적으로 투입된 원료는 즉각적으로 승온되어 여기 상태의 기체상 단위 원자/분자로 활성화되어 활성화된 기체로서 형성된다. 상기 활성화된 기체는 기체상 단위 원자/분자를 대부분 포함한다. By the high-temperature thermal plasma generated as described above, the continuously introduced raw material is instantaneously heated to be activated as a gas activated by a gas phase unit atom / molecule in the excited state and activated. The activated gas contains most of the gaseous unit atoms / molecules.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 열플라즈마의 온도는 약 1,000 내지 약 10,000℃일 수 있다. 이와 같이 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 존재하는 고온의 열플라즈마는 고체 상태의 원료의 사용을 가능하게 한다.The temperature of the thermal plasma of the plasma single crystal growth reactor 10 may be about 1,000 to about 10,000 ° C. The high temperature thermal plasma existing in the plasma single crystal growth reactor 10 enables the use of the raw material in the solid state.

상기 투입된 원료를 상기 열플라즈마의 고온 영역 (약 1,000 내지 약 10,000℃)에서 기상으로 활성화함으로써, 열플라즈마에 의하지 않고, 단순히 물리적으로 온도를 높여 승화시키는 방법에 비하여 승화 처리 가능 용량이 약 9배 이상이 될 수 있으며, 이로부터 단결정 생산 속도의 향상의 결과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 고온의 열플라즈마에 의해 원료를 승화함으로써 매우 빠르게, 예를 들어, 9 mm/hr 이상의 수준으로 단결정 성장이 가능하며, 이는 열플라즈마를 이용하지 않으면서 단순히 원료를 승화시켜 단결정을 얻는 속도 대비하여 9 배 정도 빠른 속도이다.The sublimable processable capacity is about 9 times or more higher than the method in which the charged raw material is vaporized at a high temperature region (about 1,000 to about 10,000 DEG C) of the thermal plasma, , And as a result, an increase in the production rate of the single crystal can be obtained. For example, in the method of growing a single crystal by the thermal plasma, a single crystal can be grown very quickly, for example, at a level of 9 mm / hr or higher by sublimating a raw material by a high-temperature thermal plasma, It is about 9 times faster than the rate at which monocrystals are obtained simply by sublimation of raw materials.

상기 원료는 또한 대부분이 활성화된 단위 원자나 분자로서 형성되기 때문에 단결정 성장부(15)에서 증착이 가능해지고, 그에 따라 단결정으로 성장한다. Since the raw material is also formed as a unit atom or molecule that is mostly activated, deposition is possible in the single crystal growth portion 15, and thus the single crystal is grown.

상기 원료가 이온화되면 증착 보다는 에칭 작용이 우세해지기 때문에 단결정으로 성장되기 어렵다.When the raw material is ionized, the etching action is dominant rather than the deposition, so that it is difficult to grow into a single crystal.

상기 원료의 대부분이 이온화되지 않게 하기 위해서, 열플라즈마는 단결정 성장부(15)가 아닌 원료 투입부(12)에서 발생시키고, 발생된 열플라즈마는 원료에 작용하여 원료가 활성화된 기체로서 형성되게 한다.
In order to prevent most of the raw materials from being ionized, the thermal plasma is generated in the raw material input portion 12, not in the single crystal growth portion 15, and the generated thermal plasma acts on the raw material so that the raw material is formed as an activated gas .

상기 활성화된 기체는 단결정 성장부(15)로 이동한 뒤 단결정 성장부(15)에서 증착되어 단결정을 형성할 수 있다.
The activated gas moves to the single crystal growth part 15 and is deposited in the single crystal growth part 15 to form a single crystal.

상기 결정 성장용 원료는 단결정으로 성장시키고자 하는 물질의 기체상 원료, 고체상 벌크 원료 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The crystal growth raw material may include at least one selected from a gaseous raw material, a solid-state bulk raw material, and a combination thereof, of a substance to be grown as a single crystal.

상기 열플라즈마를 사용하는 단결정 성장 방법에 의해 얻을 수 있는 단결정의 종류는 제한되지 않고, 예를 들어 SiC, WC 및 MoC 등의 카바이드류(Carbides), GaN, AlN, SiN 등의 질화물(nitrides) 등 다양한 종류의 물질을 포함한다. 또한, GaAs, InP 등의 III-V족 반도체, ZnO 등의 II-VI족 반도체 등도 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에 의해 제조될 수 있다.
The kind of the single crystal obtained by the single crystal growth method using the thermal plasma is not limited. For example, carbides such as SiC, WC and MoC, nitrides such as GaN, AlN and SiN It includes various kinds of materials. In addition, III-V group semiconductors such as GaAs and InP, II-VI group semiconductors such as ZnO, and the like can also be produced by the single crystal growth method using the thermal plasma.

상기 활성화된 기체는 연속적으로 도입되는 캐리어 가스에 의해 이동되거나, 초음파 진동에 의해 이동되어 상기 단결정 성장부(15)로 투입될 수 있다.
The activated gas may be moved by the carrier gas continuously introduced, or may be moved by the ultrasonic vibration and may be input to the single crystal growth unit 15. [

열플라즈마 내부에서 전자와 캐리어 가스 및 결정 성장용 원료 물질 간의 열적 에너지 이동은 아래 수식에 의해 표현될 수 있으며, 열플라즈마 내부의 전자는 탄성적 충돌(elastic collisions)에 의해 기체 분자에 에너지를 전달하고, 결과적으로 기체를 승온시킨다.The thermal energy transfer between the electrons and the carrier gas and the raw material for crystal growth inside the thermal plasma can be expressed by the following equation and the electrons inside the thermal plasma transfer energy to the gas molecules by elastic collisions , And as a result, the gas is heated.

열플라즈마 내부의 전자에 의한 상기 기체의 승온 효과의 일반적인 수식 표현은 하기 계산식으로 나타낼 수 있다.The general expression of the temperature rise effect of the gas by the electrons in the thermal plasma can be expressed by the following equation.

[계산식 1][Equation 1]

dTgas/dt ~ ne <su> Te( me/mgas)dT gas / dt ~ n e <su> T e (m e / m gas )

상기 계산식에서, Tgas는 기체 온도, ne는 플라즈마 내부의 전자밀도, s 는 전자의 탄성충돌 단위면적(cross section), u 는 전자 속도, Te 는 전자의 온도, 그리고, me/mgas 는 전자와 가스 원자의 질량비를 나타낸다. Where T gas is the gas temperature, n e is the electron density inside the plasma, s is the cross section of the electron impacting unit, u is the electron velocity, T e is the electron temperature, and m e / m Gas represents the mass ratio of electrons and gas atoms.

일례로 10 torr의 기체압에서 운전되는 아르곤 플라즈마의 경우 약 100 kW 내지 약 500 kW의 전력으로 약 5%의 이온화 비(fraction)를 고려한다면 고출력 플라즈마는 약 1.4x1016 cm- 3 의 플라즈마 전자 밀도를 얻을 수 있다. 플라즈마 밀도는 입력되는 전력에 의해 조절 가능하며, 정상상태(steady state)의 RF 열플라즈마의 실험적 및 이론적 결과를 바탕으로, 플라즈마 내 평균 전자온도는 약 5 내지 약 10 eV 이다. If considered as an example from about 100 kW to ionization ratio (fraction) of about 500 kW of power with about 5% in the argon plasma gas operating at a pressure of 10 torr high power plasma is approximately 1.4x10 16 cm - the plasma electron density of 3 Can be obtained. The plasma density is adjustable by the input power and, based on the experimental and theoretical results of a steady state RF thermal plasma, the average electron temperature in the plasma is about 5 to about 10 eV.

기체의 온도 조절은 결정 성장용 원료 물질의 열적, 화학적 반응을 결정하는 주요 변수 중의 한가지로서 결국 열플라즈마의 반응 조절을 가능하게 한다. Temperature control of the gas is one of the main parameters that determine the thermal and chemical reaction of the raw material for crystal growth, and eventually enables the control of the reaction of the thermal plasma.

상기 계산에서는 열전도, 대류 그리고 복사에 의한 에너지 손실을 고려하지 않았기에 온도 상승은 계산치 보다 낮을 것으로 예상되어 실제로는 약 5,000℃ 내지 약 10,000℃에 이를 것으로 예상된다. The above calculation does not take into account energy losses due to heat conduction, convection and radiation, so the temperature rise is expected to be lower than the calculated value, and is expected to actually reach about 5,000 캜 to about 10,000 캜.

고상의 원료물질을 사용하는 경우에도 유사한 방식으로 열플라즈마의 전자와 이온 그리고 승온된 기체 입자로부터 고체상 원료 물질에 열적 에너지가 공급되어 단결정으로 성장할 수 있는 단위 입자로의 활성화가 가능하게 된다.
In the case of using a solid raw material, thermal energy is supplied to the solid raw material from the electrons, ions and heated gas particles of the thermal plasma in a similar manner, and activation to the unit particles which can grow into a single crystal becomes possible.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 개별적인 열플라즈마 공정 조건에 대하여 구체적인 예를 들면 다음과 같다.Specific thermal plasma processing conditions of the plasma single crystal growth reactor 10 are as follows.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 약 10 kW 내지 약 10 MW의 전력을 공급하여 열플라즈마를 형성할 수 있다. A thermal plasma may be formed by supplying a power of about 10 kW to about 10 MW to the plasma single crystal growth reactor 10.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에서, 약 10 kHz 내지 약 30 MHz의 주파수의 교류 전압에 의해 열플라즈마가 형성될 수 있다. In the plasma single crystal growth reactor 10, a thermal plasma may be formed by an alternating voltage at a frequency of about 10 kHz to about 30 MHz.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 내부 압력이 약 1 내지 약 2,000 Torr일 수 있다. 구체적으로, 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 내부 압력이 약 5 내지 약 2,000 Torr일 수 있다.The internal pressure of the plasma single crystal growth reactor 10 may be about 1 to about 2,000 Torr. Specifically, the internal pressure of the plasma single crystal growth reactor 10 may be about 5 to about 2,000 Torr.

상기 열플라즈마를 형성하기 위하여 공급되는 전력, 주파수 등의 공정 조건은 성장시키고자 하는 단결정의 물질의 종류, 얻고자 하는 단결정의 특성, 얻고자 하는 단결정 성장 속도 등에 따라서 조절될 수 있다.
The process conditions such as electric power and frequency to form the thermal plasma can be adjusted according to the type of material of the single crystal to be grown, the characteristics of the single crystal to be obtained, and the growth rate of the single crystal to be obtained.

상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 고체상 벌크 원료를 사용할 수 있다는 이점이 있다. 예를 들어, 분말 원료를 단결정으로 직접적으로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, SiC 단결정을 성장시키기 위해, SiC 분말을 사용할 수 있다. The single crystal growth method using the thermal plasma has an advantage that a solid bulk raw material can be used. For example, the powder raw material can be directly converted into a single crystal. For example, in order to grow a SiC single crystal, SiC powder can be used.

고체상 벌크 원료를 사용하는 경우, 얻고자 하는 단결정의 특성, 얻고자 하는 단결정 성장 속도 등을 고려하여 그 원료 입자의 크기를 적절하게 선택할 수 있다.In the case of using the solid-phase bulk raw material, the size of the raw grain can be appropriately selected in consideration of the characteristics of the single crystal to be obtained, the growth rate of the single crystal to be obtained, and the like.

구체적으로, 상기 고체상 벌크 원료는 약 0.01㎛ 내지 약 100㎛의 평균 입경을 갖는 입자일 수 있다.
Specifically, the solid phase bulk material may be particles having an average particle size of from about 0.01 mu m to about 100 mu m.

상기 원료는 특히, 고체상 벌크 원료인 경우, 캐리어 가스에 의해 원료 투입부(12)로부터 단결정 성장부(15)로 이송되거나, 또는, 초음파 진동에 의해 원료 투입부(12)로부터 이송될 수 있다. The raw material can be transferred from the raw material charging portion 12 to the monocrystalline growth portion 15 by the carrier gas or from the raw material charging portion 12 by the ultrasonic vibration, in particular, in the case of the solid phase bulk raw material.

예를 들어, 도 1의 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 원료 투입부(12)에 초음파 처리 수단 (미도시)을 더 구비하여 상기 원료 투입부(12)에 연속적으로 공급되는 원료를 초음파 처리하여 이송시킬 수 있다.For example, ultrasonic wave processing means (not shown) is further provided in the raw material input portion 12 of the plasma single crystal growth reactor 10 of FIG. 1 to ultrasonically process the raw material continuously supplied to the raw material input portion 12 .

상기 캐리어 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 등 또는 이들의 조합과 같은 기체를 포함할 수 있다.The carrier gas may include a gas such as nitrogen, argon, helium, or the like, or a combination thereof.

상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10) 내에 필요에 따라 캐리어 가스와 더불어 도판트 가스(dophant gas) 및 반응 가스(reaction gas)를 추가로 더 공급할 수 있다. A dopant gas and a reaction gas may be additionally supplied to the plasma monocrystal growth reactor 10, if necessary, in addition to the carrier gas.

상기 도판트의 구체적인 예로서 질소(N), 붕소(B), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있다.
Specific examples of the dopant include nitrogen (N), boron (B), aluminum (Al), and the like.

상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에서, 상기 원료는 상기 원료 투입부(12)를 떠나기 전에 예비 가열단계를 더 포함할 수 있다. In the method for growing a single crystal by the thermal plasma, the raw material may further include a preliminary heating step before leaving the raw material input part 12. [

상기 예비 가열단계를 수행하기 위하여 예비가열기(preheater)를 더 포함할 수 있고, 도 2에 개략적으로 도시된 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)는 상기 예비가열기(16)를 구비하고 있다. The preheating step may further include a preheater, and the plasma single crystal growth reactor 10 shown schematically in FIG. 2 includes the preheater 16.

도 2에서 보는 바와 같이, 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)는 투입되는 원료와 열플라즈마 반응을 활성화하기 위해 예비가열기를 원료 투입부(12) 부근에 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the plasma single crystal growth reactor 10 may include a preheating heat source in the vicinity of the raw material input portion 12 in order to activate a thermal plasma reaction with an input raw material.

일 구현예에서, 상기 원료 투입부(12)는 선택적으로 예비가열기(16)를 더 구비할 수 있고, 원료가 원료 투입부(12)를 떠나기 전에 상기 예비가열기(16)에 의해서 일정 수준으로 예비가열되어, 가열 상태로 상기 원료 투입부(12)를 떠날 수 있다.In one embodiment, the feedstock input 12 may optionally further comprise a preheating heater 16, wherein the feedstock is fed by the preheating heater 16 to a predetermined level , And can leave the raw material feeding portion 12 in a heated state.

예를 들어, 상기 원료는 상기 원료 투입부(12)를 떠나기 전에 약 500 내지 약 1,500℃로 예비 가열되어 상기 원료 투입부(12)를 떠날 수 있다.For example, the raw material may be preheated to about 500 to about 1,500 ° C. before leaving the raw material input portion 12, and may leave the raw material input portion 12.

상기 예비가열기(16)는, 예를 들어 RF 유도 가열기일 수 있다. The preheater 16 may be, for example, an RF induction heater.

구체적으로 상기 원료를 예비 가열할 수 있으며, 예비 가열을 통해 플라즈마 단결정 성장 반응기(10) 내의 온도 구배를 완만히 하고, 열플라즈마를 형성하기 위해 요구되는 전력을 감소시킬 수 있으므로 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.Specifically, the raw material can be preheated, the temperature gradient in the plasma single crystal growth reactor 10 can be reduced by preliminary heating, and the power required to form a thermal plasma can be reduced, so that the single crystal growth by the thermal plasma The overall efficiency of the method can be improved.

상기 열플라즈마에 의해 활성화된 원료가 상기 원료 투입부(12)를 떠나면서 냉각되고 결정성장 시드(14) 표면에 도달하기까지의 플룸(plume) (도 1에서 X 영역으로 표시함)을 형성한다 (도 1에서 상기 플룸은 단결정 성장부(15) 내에 형성되고 있다). The raw material activated by the thermal plasma is cooled while leaving the raw material input portion 12 and a plume (indicated by an X region in FIG. 1) until reaching the surface of the crystal growth seed 14 is formed (In Fig. 1, the plume is formed in the single crystal growth portion 15).

상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 상기 단결정 형성 단계에서 추가적인 가열수단을 통해 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method of growing a single crystal by the thermal plasma may further include a step of heating through the additional heating means in the step of forming the single crystal.

상기 추가적인 가열수단은 단결정 표면 가열수단일 수 있고, 상기 단결정 표면 가열수단에 의해 상기 단결정 성장 표면을 가열할 수 있고, 이를 통하여, 상기 결정성장 표면의 온도 구배를 최적으로 유지하여 단결정의 결점(defect)을 최소화할 수 있다.The additional heating means may be a monocrystalline surface heating means and the monocrystalline growth surface may be heated by the monocrystalline surface heating means to maintain the temperature gradient of the crystal growth surface at an optimal temperature to provide a single crystal defect ) Can be minimized.

도 3에서 상기 단결정 성장 표면을 가열하는 별도의 수단으로 단결정 표면 가열수단(18)이 구비된 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)가 도시되어 있다.3 shows a plasma single crystal growth reactor 10 equipped with a single crystal surface heating means 18 as a separate means for heating the single crystal growth surface.

상기 단결정 표면 가열수단(18), 예를 들어, RF 유도 가열기(RF induction heater), 플라즈마 가열기(plasma heater) 및/또는 적외선 레이져(IR laser) 등에 의해 조절할 수 있다.Can be controlled by the single crystal surface heating means 18, for example, an RF induction heater, a plasma heater and / or an IR laser.

일 구현예에서, 상기 플라즈마 반응기는 상기 단결정 성장 공정을 최적으로 구현하고 단결정 결점을 최소화하기 위해서 예비가열기(16)와 단결정 표면 가열수단(18)을 동시에 구비할 수 있다.In one embodiment, the plasma reactor may have a preheater 16 and a single crystal surface heating means 18 at the same time to optimally implement the single crystal growth process and minimize single crystal defects.

상기 플라즈마 반응기는 원료 투입부(12)를 떠나는 활성화된 기체를 가열해주는 보조 가열수단을 전술한 추가적인 가열수단으로서 더 포함할 수 있다.The plasma reactor may further include an auxiliary heating means for heating the activated gas leaving the raw material introduction portion 12 as the above-described additional heating means.

상기 보조 가열수단에 의해 상기 단결정 성장부(15) 전체가 가열될 수 있다.The entirety of the single crystal growth portion 15 can be heated by the auxiliary heating means.

상기 보조 가열수단에 의해 활성화된 기체가 원료 투입부(12)를 떠난 이후 온도가 저하되는 것을 고려하여 결정 성장의 최적 온도까지 가열할 수 있다.The gas heated by the auxiliary heating means may be heated to the optimum temperature for crystal growth in consideration of the fact that the temperature is lowered after leaving the raw material input portion 12. [

단, 상기 단결정 성장부(15)의 온도는 원료 투입부(12)보다는 낮게 조절하는 것이 바람직하다. However, it is preferable that the temperature of the single crystal growth part 15 is controlled to be lower than the temperature of the raw material feeding part 12.

도 4는 보조 가열수단(19)을 더 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 나타낸다. Fig. 4 shows a plasma single crystal growth reactor 10 further comprising an auxiliary heating means 19. Fig.

상기 보조 가열수단은(19)은, 예를 들어 RF 유도 가열기(RF induction heater)일 수 있다.The auxiliary heating means 19 may be, for example, an RF induction heater.

일 구현예에서, 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)는 단결정 성장 공정을 최적으로 구현하고 단결정 결점을 최소화하기 위해서 예비가열기(16) 및 단결정 표면 가열수단(18)을 동시에 구비할 수 있다.In one embodiment, the plasma single crystal growth reactor 10 can simultaneously include a preheater 16 and a single crystal surface heating means 18 to optimally implement a single crystal growth process and minimize single crystal defects.

도 5는 예비가열기(16) 및 단결정 표면 가열수단(18)을 동시에 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 개략적으로 나타낸다.5 schematically shows a plasma single crystal growth reactor 10 provided with a preheating heater 16 and a single crystal surface heating means 18 at the same time.

다른 구현예에서, 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)는 단결정 성장 공정을 최적으로 구현하고 단결정 결점을 최소화하기 위해서 예비가열기(16) 및 보조 가열수단(19)을 동시에 구비할 수 있다.In another embodiment, the plasma single crystal growth reactor 10 may be equipped with a preheating heater 16 and an auxiliary heating means 19 simultaneously to optimize the single crystal growth process and minimize single crystal defects.

도 6은 예비가열기(16) 및 보조 가열수단(19)을 동시에 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 개략적으로 나타낸다.6 schematically shows a plasma single crystal growth reactor 10 provided with a preheating heater 16 and an auxiliary heating means 19 at the same time.

또 다른 구현예에서, 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)는 단결정 성장 공정을 최적으로 구현하고 단결정 결점을 최소화하기 위해서 예비가열기(16), 단결정 표면 가열수단(18) 및 보조 가열수단(19)을 동시에 구비할 수 있다.In yet another embodiment, the plasma single crystal growth reactor 10 includes a preheater 16, a single crystal surface heating means 18 and an auxiliary heating means 19 to optimize the single crystal growth process and minimize single crystal defects. Can be provided at the same time.

도 7은 예비가열기(16), 단결정 표면 가열수단(18) 및 보조 가열수단(19)을 동시에 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 개략적으로 나타낸다. 7 schematically shows a plasma single crystal growth reactor 10 provided with a preheating heater 16, a single crystal surface heating means 18 and an auxiliary heating means 19 at the same time.

이와 같이 온도 구배를 조절하여 우수한 결정질을 갖는 단결정을 형성하고, 결함을 최소화할 수 있다. Thus, the temperature gradient can be controlled to form a single crystal having excellent crystallinity, thereby minimizing defects.

단결정 성장부(15) 및 결정성장 시드(14) 표면의 온도는 각각 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10) 내에서 추가적인 가열 수단 등을 부가하여 독립적으로 조절될 수 있으며, 성장시키고자 하는 단결정의 종류에 따라 온도 조절 범위는 달라질 수 있다.The temperatures of the surface of the single crystal growth portion 15 and the surface of the crystal growth seed 14 can be independently controlled by adding additional heating means and the like in the plasma single crystal growth reactor 10, The temperature control range may vary accordingly.

상기 결정성장 시드(14) 표면의 온도는, 예를 들어, 약 1500 내지 약 2500℃일 수 있다.The temperature of the surface of the crystal growth seed 14 may be, for example, about 1500 to about 2500 ° C.

전술한 바와 같이 고출력 고온 열플라즈마는 결정 성장용 원료 물질을 신속하게 열적으로, 화학적으로 활성화시키기에 적합하다. 이와 같이 활성화된 원료 물질은 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 상부에 위치한 결정성장 시드(14)에 도달하여 단결정으로 성장하게 된다. As described above, the high-output high-temperature thermal plasma is suitable for rapidly thermally and chemically activating the raw material for crystal growth. The raw material thus activated reaches the crystal growth seed 14 located in the upper portion of the plasma single crystal growth reactor 10 and grows into a single crystal.

일례로서, SiC 벌크 고체 원료를 사용한 SiC 결정성장의 경우를 들어 설명하면, SiC 벌크 고체 원료가 원료 투입부(12)를 거쳐 열플라즈마에 의해 활성화되면서 열플라즈마에 의해 기화된다. 열플라즈마 내부 전자와의 충돌로 인하여 Si 와 C 원자로 분해되며, 또한 열플라즈마 전자로 인한 진동 여기 (vibrational excition)로 SiC 기상 분자가 고준위의 진동 여기 구조에 이를 수도 있다. For example, in the case of SiC crystal growth using a SiC bulk solid raw material, SiC bulk solid raw material is vaporized by thermal plasma while being activated by thermal plasma via the raw material input portion 12. [ Due to the collision with the electrons in the thermal plasma, it decomposes into Si and C atoms, and the SiC vapor molecules can reach the vibration excitation structure at a high level by vibrational excitation due to thermal plasma electrons.

이와 같이 여기된 원자와 분자들은 보조 가열수단(19)이 있는 경우, 약 2500℃ 이하로 온도가 유지되는 결정성장 시드(14) 표면에 이르러 SiC 단결정 성장이 진행된다. When the auxiliary heating means 19 is present, the atoms and molecules thus excited reach the surface of the crystal growth seed 14 where the temperature is maintained at about 2500 ° C or lower, and the growth of the SiC single crystal proceeds.

결정성장 표면 온도는 기체상 활성화 물질보다 낮게 유지됨으로써 표면에서 표면 재배치(surface recombination)나 진동 천이(vibrational dexicitation)와 같은 열적 완화(thermal relaxation)가 진행된다. The crystal growth surface temperature is kept lower than that of the gaseous phase activating material so that thermal relaxation such as surface recombination or vibrational dexicitation proceeds on the surface.

진동 활성화 상태의 SiC 분자가 안정화 상태의 SiC로 천이를 거치면서 발생되는 에너지는 결정성장 표면에서 이동될 수 있는 포논(phonons)을 발생한다. 이러한 포논은 결정성장중에 발생하는 결함부위에 도달하여 결함구조를 최소화할 수 있는 에너지(annealing energy)를 공급한다.The energy generated as the vibrationally activated SiC molecules pass through the transition to the stabilized SiC generates phonons that can migrate from the crystal growth surface. These phonons reach the defect sites that occur during the crystal growth and supply the annealing energy to minimize the defect structure.

열플라즈마를 이용하여 결정 성장용 원료 물질을 활성화하는 경우의 주된 장점으로는 첫째, 신속하면서도 조절이 용이한 열적 활성화가 가능하다는 점과, 둘째, 열플라즈마 내부 전자의 충격으로 인한 효율적인 원료 물질의 분해와 활성화가 가능하다는 점, 셋째, 고온 성장로 없이 SiC와 같은 고체상 벌크 원료의 분자를 고에너지 준위 진동상으로 활성화할 수 있다는 점을 들 수 있다. The primary advantages of activating the raw material for crystal growth using thermal plasma are: first, rapid and easy thermal activation; and second, the efficient decomposition of the raw material due to the impact of the internal plasma of the thermal plasma And third, it is possible to activate the molecules of the solid phase bulk material such as SiC into the high energy level vibration phase without the high temperature growth.

이와 같은 방식은 기존의 고온 성장로에 비해 에너지 효율이 우수하며 결정성장 속도를 증대할 수 있다. This method has higher energy efficiency than conventional high temperature growth furnace and can increase crystal growth rate.

플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 1 내지 2,000 torr의 압력으로 운전할 경우 플라즈마 전자는 발생 이온 및 가스와 지속적으로 충돌하게 되며 이러한 지속적인 충돌로 인해 발생하는 전자 에너지 전이에 의해 플라즈마 전자와 발생 이온이 결정성장 표면과 충돌하기 전에 충분히 재결합하게 되므로 정전기적 플라즈마로 인한 결정 성장 표면구조 훼손을 방지할 수 있다. 만약 1 내지 50 mtorr 사이의 저압 플라즈마의 경우에는 플라즈마 전자나 발생이온으로 인한 표면구조 훼손이 쉽게 발견할 수 있다.When the plasma single crystal growth reactor (10) is operated at a pressure of 1 to 2,000 torr, the plasma electrons continuously collide with the generated ions and gases, and plasma electrons and generated ions undergo crystal growth It is sufficiently recombined before colliding with the surface, so that it is possible to prevent the crystal growth surface structure from being damaged due to the electrostatic plasma. In the case of a low pressure plasma between 1 and 50 mtorr, surface structure damage due to plasma electrons or generated ions can be easily detected.

예를 들어, 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에 의한 SiC 결정성장의 경우, Si (기체), C (기체) 및 SiCx (기체)와 같은 결정성장 원료 물질의 농도는 원료물질 주입 속도, 플라즈마 전력, 이동 속도 등으로 조절될 수 있다. 열플라즈마에 의한 기체의 이송 속도는 활성화된 물질이 결정성장 표면에 이르는 속도를 조정하는 결정적인 변수가 된다. 결정성장 시드 표면 온도와 전술한 인자들을 조절함으로써 고품위의 SiC, GaN, AlN 등의 단결정 성장이 가능하게 된다. 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 빠른 속도의 단결정 성장을 가능하게 하면서도, 결함이 최소화된 단결정을 형성할 수 있게 한다. 또한, 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에 의해 넓은 표면적의 잉곳 성장이 가능하다.For example, in the case of SiC crystal growth by the single crystal growth method using the thermal plasma, the concentration of the crystal growth raw material such as Si (gas), C (gas) and SiC x (gas) Power, moving speed, and the like. The transfer rate of the gas by the thermal plasma is a crucial parameter for adjusting the rate at which the activated material reaches the crystal growth surface. Crystal growth of a high-quality SiC, GaN, AlN or the like is possible by adjusting the crystal growth seed surface temperature and the above-mentioned factors. The thermal plasma-based single crystal growth method enables a high-speed single crystal growth, while allowing formation of a defect-minimized single crystal. In addition, it is possible to grow the ingot with a large surface area by the single crystal growth method by the thermal plasma.

예를 들어, 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에 의한 단결정의 성장 속도를 약 0.1 내지 약 100 mm/hr으로 구현할 수 있으며, 또한 너비가 직경 약 5cm 내지 약 50cm인 단결정을 얻을 수 있다.
For example, the growth rate of a single crystal by the thermal plasma growth method can be about 0.1 to about 100 mm / hr, and a single crystal having a diameter of about 5 cm to about 50 cm can be obtained.

실시예Example 1 One

도 1과 같이 제조된 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 원료 투입구에 평균 입경 50㎛의 SiC 분말을 넣고, 캐리어 가스로서 아르곤 가스를 10 liter/min의 속도로 투입시키고, 500℃로 예비 가열시켜 열플라즈마에 의해 비이온성 활성화된 기체를 형성시킨 뒤, 단결정 성장부(15)에 투입하여, 직경 50mm의 SiC 웨이퍼로 형성된 잉곳으로 성장시켰다. 상기 열플라즈마는 하기 조건으로 형성하였다. 1, an SiC powder having an average particle diameter of 50 mu m was placed in a raw material inlet of the plasma single crystal growth reactor 10 manufactured as shown in Fig. 1, argon gas was fed as a carrier gas at a rate of 10 liter / min, After forming the non-ionically activated gas by the plasma, it was introduced into the single crystal growth portion 15 and grown as an ingot formed of a SiC wafer having a diameter of 50 mm. The thermal plasma was formed under the following conditions.

<열플라즈마 조건 ><Thermal Plasma Conditions>

- 공급되는 전력: 200 kW- Power supplied: 200 kW

- 교류 주파수: 0.5 - 2 MHz- AC frequency: 0.5 - 2 MHz

- 온도: 3,000 ℃ - 5,000 ℃
- Temperature: 3,000 ℃ - 5,000 ℃

10: 플라즈마 단결정 성장 반응기
11: 지지대
12: 원료 투입부
13: 전원 공급용 전극 코일
14: 결정성장 시드
15: 단결정 성장부
16: 예비가열기
18: 단결정 표면 가열수단
19: 보조 가열수단
20: 단결정 성장부
X: 플룸10: Plasma single crystal growth reactor
11: Support
12: Feedstock
13: Electrode coil for power supply
14: seed crystal growth
15: Single Crystal Growth
16: Preliminary opening
18: Single crystal surface heating means
19: auxiliary heating means
20: single crystal growing part
X: Plume

Claims (19)

원료 투입부, 플라즈마 반응부, 단결정 성장부를 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기에, 캐리어 가스를 투입하고, 플라즈마 방전을 실시하여 열플라즈마를 형성하는 단계;
상기 원료 투입부에 단결정 성장을 위한 원료를 연속공정으로 투입하는 단계;
상기 투입된 원료가 열플라즈마의 온도 영역에서 활성화된 기체를 형성하는 단계;
상기 활성화된 기체가 상기 단결정 성장부로 이동하는 단계; 및
상기 활성화된 기체가 상기 단결정 성장부에서 증착되어 단결정이 형성되는 단계;
를 포함하는 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
Forming a thermal plasma by injecting a carrier gas into a plasma single crystal growth reactor having a raw material input portion, a plasma reaction portion, and a single crystal growth portion, and performing a plasma discharge;
Introducing a raw material for growing a single crystal into the raw material input portion in a continuous process;
Forming the activated gas in the temperature range of the thermal plasma;
Moving the activated gas to the single crystal growth portion; And
Wherein the activated gas is deposited in the single crystal growth portion to form a single crystal;
Wherein the single crystal is grown by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 열플라즈마는 상기 플라즈마 반응기에 RF 전압을 인가하여 생성하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
The thermal plasma is generated by applying an RF voltage to the plasma reactor
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 원료는 기체상 원료, 고체상 벌크 원료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
The raw material is one selected from the group consisting of a gaseous raw material, a solid bulk raw material, and a combination thereof
Single crystal growth method by thermal plasma.
제3항에 있어서,
상기 고체상의 벌크 원료는 0.01㎛ 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는 입자상인
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method of claim 3,
The solid bulk material may be a particulate material having an average particle diameter of from 0.01 mu m to 100 mu m
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 단결정 성장 반응기의 내부 압력이 1 내지 2,000 Torr인
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
The internal pressure of the plasma single crystal growth reactor is 1 to 2,000 Torr
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 단결정 성장 반응기의 내부 압력이 5 내지 2,000 Torr인
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
The internal pressure of the plasma single crystal growth reactor is 5 to 2,000 Torr
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 원료를 상기 원료 투입부를 떠나기 전에 승온시키는 예비 가열 단계를 더 포함하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a preheating step of raising the temperature of the raw material before leaving the raw material feeding section
Single crystal growth method by thermal plasma.
제7항에 있어서,
상기 예비 가열 단계가 상기 플라즈마 반응기에 구비된 RF 유도 가열기에 의해 이루어지는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the preheating step is performed by an RF induction heater provided in the plasma reactor
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 열플라즈마의 온도는 1,000 내지 10,000℃인
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
The temperature of the thermal plasma is in the range of 1,000 to 10,000 DEG C
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 캐리어 가스는 아르곤, 질소, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carrier gas is at least one selected from the group consisting of argon, nitrogen, helium,
Single crystal growth method by thermal plasma.
제10항에 있어서,
상기 캐리어 가스는 도판트를 더 포함하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the carrier gas further comprises a dopant
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 단결정 성장부에 구비된 추가적인 가열수단을 통해 가열하는 단계를 더 포함하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of heating through the additional heating means provided in the single crystal growth section
Single crystal growth method by thermal plasma.
제12항에 있어서,
상기 추가적인 가열수단으로서 단결정 성장 표면을 가열하는 단결정 표면 가열수단을 더 포함하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
13. The method of claim 12,
Further comprising monocrystalline surface heating means for heating the monocrystalline growth surface as said additional heating means
Single crystal growth method by thermal plasma.
제13항에 있어서,
상기 단결정 표면 가열수단은 RF 유도 가열기(RF induction heater), 플라즈마 가열기(plasma heater), 적외선 레이져(IR laser) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
14. The method of claim 13,
The single crystal surface heating means may be at least one selected from the group consisting of an RF induction heater, a plasma heater, an IR laser,
Single crystal growth method by thermal plasma.
제12항에 있어서,
상기 추가적인 가열수단으로서 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
13. The method of claim 12,
Further comprising an auxiliary heating means for heating the activated gas as the additional heating means
Single crystal growth method by thermal plasma.
제15항에 있어서,
상기 보조 가열수단은 RF 유도 가열기(RF induction heater)인
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
16. The method of claim 15,
The auxiliary heating means may be an RF induction heater
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기는 상기 원료를 가열하는 예비가열기 및 상기 단결정 성장 표면을 가열하는 단결정 표면 가열수단을 더 포함하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the plasma reactor further comprises a monocrystalline surface heating means for heating the monocrystalline growth surface and a preheating heater for heating the raw material
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기는 상기 원료를 가열하는 예비가열기 및 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the plasma reactor further comprises auxiliary heating means for heating the raw material and auxiliary heating means for heating the activated gas
Single crystal growth method by thermal plasma.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기는 상기 원료를 가열하는 예비가열기, 상기 단결정 성장 표면을 가열하는 단결정 표면 가열수단 및 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함하는
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
The method according to claim 1,
The plasma reactor further comprises a preheater for heating the raw material, a single crystal surface heating means for heating the single crystal growth surface, and an auxiliary heating means for heating the activated gas
Single crystal growth method by thermal plasma.
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