KR101632798B1 - 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법 - Google Patents

열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법 Download PDF

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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.

Description

열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법{METHOD FOR GROWING SINGLE CRYSTAL USING PLASMA}
열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에 관한 것이다.
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.
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.
본 발명의 일 구현예는 빠른 성장 속도를 가지면서 고품질의 단결정을 제조할 있는 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 제공한다.
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.
상기 열플라즈마는 상기 플라즈마 반응기에 RF 전압을 인가하여 생성할 수 있다.
상기 원료는 기체상 원료, 고체상 벌크 원료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.
상기 고체상의 벌크 원료는 0.01㎛ 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는 입자상일 수 있다.
상기 플라즈마 단결정 성장 반응기의 내부 압력이 1 내지 2,000 Torr, 구체적으로, 5 내지 2,000 Torr일 수 있다.
상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 상기 원료를 상기 원료 투입부를 떠나기 전에 승온시키는 예비 가열 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 예비 가열 단계가 상기 플라즈마 반응기에 구비된 RF 유도 가열기에 의해 이루어질 수 있다.
상기 열플라즈마의 온도는 1,000 내지 10,000℃일 수 있다.
상기 캐리어 가스는 아르곤, 질소, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 캐리어 가스는 도판트를 더 포함할 수 있다.
상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 상기 단결정 성장부에 구비된 추가적인 가열수단을 통해 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 추가적인 가열수단으로서 단결정 성장 표면을 가열하는 단결정 표면 가열수단을 더 포함할 수 있다.
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.
상기 추가적인 가열수단으로서 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함할 수 있다.
상기 보조 가열수단은 RF 유도 가열기(RF induction heater)일 수 있다.
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.
상기 플라즈마 반응기는 상기 원료를 가열하는 예비가열기 및 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함할 수 있다.
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.
상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에 의해 제조된 단결정은 그 성장 속도가 빠르면서 결함이 매우 적은 우수한 결정성을 갖는다.
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.
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.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
본 발명의 일 구현예에서,
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.
상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 도 1에 개략적으로 도시된 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)는 원료 투입부, 플라즈마 반응부 및 단결정 성장부를 구비한다.
먼저, 상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 캐리어 가스를 투입하고, 플라즈마 방전을 실시한다.
상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 RF 전압을 인가함으로써, 고온의 열플라즈마가 생성될 수 있다.
상기 열플라즈마는 직류 또는 교류 아크(arc) 방전을 발생하는 플라즈마 장치에 의해 발생시키거나, 고주파 (Radio Frequency)자장에 의한 고주파 유도 플라즈마로서 발생될 수 있다.
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.
상기 열플라즈마 발생을 위한 장치는 공지된 열플라즈마 발생기에 의할 수 있고, 특정 방법에 의한 경우로 제한되지는 않는다.
일 구현예에서, 상기 열플라즈마는 플라즈마 단결정 성장 반응기(10) 외부에 감긴 코일에 고주파 전류를 흘려서 발생된 고주파 유도 플라즈마일 수 있다.
한편, 지지대(11)에 구비된 원료 투입부(12)를 통하여 단결정 성장을 위한 원료를 도입한다.
상기 원료 투입부(12)에 단결정 성장을 위한 원료를 연속공정으로 투입한다.
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.
상기 연속적으로 투입되는 원료는 열플라즈마에 의해 활성화된 기체를 형성한다.
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.
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.
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.
상기 원료는 또한 대부분이 활성화된 단위 원자나 분자로서 형성되기 때문에 단결정 성장부(15)에서 증착이 가능해지고, 그에 따라 단결정으로 성장한다.
상기 원료가 이온화되면 증착 보다는 에칭 작용이 우세해지기 때문에 단결정으로 성장되기 어렵다.
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.
상기 활성화된 기체는 단결정 성장부(15)로 이동한 뒤 단결정 성장부(15)에서 증착되어 단결정을 형성할 수 있다.
상기 결정 성장용 원료는 단결정으로 성장시키고자 하는 물질의 기체상 원료, 고체상 벌크 원료 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
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.
상기 활성화된 기체는 연속적으로 도입되는 캐리어 가스에 의해 이동되거나, 초음파 진동에 의해 이동되어 상기 단결정 성장부(15)로 투입될 수 있다.
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.
열플라즈마 내부의 전자에 의한 상기 기체의 승온 효과의 일반적인 수식 표현은 하기 계산식으로 나타낼 수 있다.
[계산식 1]
dTgas/dt ~ ne <su> Te( me/mgas)
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.
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.
기체의 온도 조절은 결정 성장용 원료 물질의 열적, 화학적 반응을 결정하는 주요 변수 중의 한가지로서 결국 열플라즈마의 반응 조절을 가능하게 한다.
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.
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.
상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)의 개별적인 열플라즈마 공정 조건에 대하여 구체적인 예를 들면 다음과 같다.
상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에 약 10 kW 내지 약 10 MW의 전력을 공급하여 열플라즈마를 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)에서, 약 10 kHz 내지 약 30 MHz의 주파수의 교류 전압에 의해 열플라즈마가 형성될 수 있다.
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.
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.
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.
고체상 벌크 원료를 사용하는 경우, 얻고자 하는 단결정의 특성, 얻고자 하는 단결정 성장 속도 등을 고려하여 그 원료 입자의 크기를 적절하게 선택할 수 있다.
구체적으로, 상기 고체상 벌크 원료는 약 0.01㎛ 내지 약 100㎛의 평균 입경을 갖는 입자일 수 있다.
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.
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.
상기 캐리어 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 등 또는 이들의 조합과 같은 기체를 포함할 수 있다.
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.
상기 도판트의 구체적인 예로서 질소(N), 붕소(B), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있다.
상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법에서, 상기 원료는 상기 원료 투입부(12)를 떠나기 전에 예비 가열단계를 더 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
상기 예비가열기(16)는, 예를 들어 RF 유도 가열기일 수 있다.
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.
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).
상기 열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법은 상기 단결정 형성 단계에서 추가적인 가열수단을 통해 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
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.
도 3에서 상기 단결정 성장 표면을 가열하는 별도의 수단으로 단결정 표면 가열수단(18)이 구비된 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)가 도시되어 있다.
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.
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.
상기 플라즈마 반응기는 원료 투입부(12)를 떠나는 활성화된 기체를 가열해주는 보조 가열수단을 전술한 추가적인 가열수단으로서 더 포함할 수 있다.
상기 보조 가열수단에 의해 상기 단결정 성장부(15) 전체가 가열될 수 있다.
상기 보조 가열수단에 의해 활성화된 기체가 원료 투입부(12)를 떠난 이후 온도가 저하되는 것을 고려하여 결정 성장의 최적 온도까지 가열할 수 있다.
단, 상기 단결정 성장부(15)의 온도는 원료 투입부(12)보다는 낮게 조절하는 것이 바람직하다.
도 4는 보조 가열수단(19)을 더 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 나타낸다.
상기 보조 가열수단은(19)은, 예를 들어 RF 유도 가열기(RF induction heater)일 수 있다.
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.
도 5는 예비가열기(16) 및 단결정 표면 가열수단(18)을 동시에 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 개략적으로 나타낸다.
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.
도 6은 예비가열기(16) 및 보조 가열수단(19)을 동시에 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 개략적으로 나타낸다.
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.
도 7은 예비가열기(16), 단결정 표면 가열수단(18) 및 보조 가열수단(19)을 동시에 구비한 플라즈마 단결정 성장 반응기(10)를 개략적으로 나타낸다.
이와 같이 온도 구배를 조절하여 우수한 결정질을 갖는 단결정을 형성하고, 결함을 최소화할 수 있다.
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.
상기 결정성장 시드(14) 표면의 온도는, 예를 들어, 약 1500 내지 약 2500℃일 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이와 같은 방식은 기존의 고온 성장로에 비해 에너지 효율이 우수하며 결정성장 속도를 증대할 수 있다.
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.
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.
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.
실시예 1
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.
<열플라즈마 조건 >
- 공급되는 전력: 200 kW
- 교류 주파수: 0.5 - 2 MHz
- 온도: 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: 플룸

Claims (19)

  1. 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.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열플라즈마는 상기 플라즈마 반응기에 RF 전압을 인가하여 생성하는
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원료는 기체상 원료, 고체상 벌크 원료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고체상의 벌크 원료는 0.01㎛ 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는 입자상인
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 단결정 성장 반응기의 내부 압력이 1 내지 2,000 Torr인
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 단결정 성장 반응기의 내부 압력이 5 내지 2,000 Torr인
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 원료를 상기 원료 투입부를 떠나기 전에 승온시키는 예비 가열 단계를 더 포함하는
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 예비 가열 단계가 상기 플라즈마 반응기에 구비된 RF 유도 가열기에 의해 이루어지는
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열플라즈마의 온도는 1,000 내지 10,000℃인
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 아르곤, 질소, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 도판트를 더 포함하는
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단결정 성장부에 구비된 추가적인 가열수단을 통해 가열하는 단계를 더 포함하는
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 추가적인 가열수단으로서 단결정 성장 표면을 가열하는 단결정 표면 가열수단을 더 포함하는
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  14. 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.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 추가적인 가열수단으로서 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함하는
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 보조 가열수단은 RF 유도 가열기(RF induction heater)인
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  17. 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.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 원료를 가열하는 예비가열기 및 상기 활성화된 기체를 가열하는 보조 가열수단을 더 포함하는
    열플라즈마에 의한 단결정 성장 방법.
  19. 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.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003137696A (ja) * 2001-11-05 2003-05-14 Denso Corp 炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置
JP2013177270A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Kurita Seisakusho:Kk 単結晶ダイヤモンド製造方法及び単結晶ダイヤモンド製造装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100416715B1 (ko) * 2001-02-27 2004-01-31 한국과학기술연구원 펄스 플라즈마를 이용한 이온 주입 방법 및 그 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003137696A (ja) * 2001-11-05 2003-05-14 Denso Corp 炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置
JP2013177270A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Kurita Seisakusho:Kk 単結晶ダイヤモンド製造方法及び単結晶ダイヤモンド製造装置

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