KR20110012173A - Large-size silicon carbide growth by two heaters - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A large diameter silicon carbide single crystal growing apparatus using two heating elements is provided to stably grow the SiC single crystal of large diameter being larger than 3 inch by controlling efficiently the temperature difference of initial and ending periods on the bottom of the crucible. CONSTITUTION: When growing the large diameter silicon carbide single crystal using the sublimation method, the crucible(5) is heated using individual heating bodies on the top and the bottom. The heating method comprises the induction heating and the resistance heating. The individual heating body differently controls the temperature of the top crucible and the bottom crucible.

Description

두 개의 발열체를 이용한 대구경 탄화규소 단결정 성장 장치{Large-size Silicon carbide growth by two Heaters}Large-sized Silicon carbide growth by two heaters

본 발명은 SiC 단결정 성장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도가니 상, 하부의 수직온도구배뿐 아니라 도가니 하부에서의 초기-말기 온도차를 효율 적으로 제어하여 직경 3인치 이상의 대구경의 SiC 단결정을 안정적으로 성장시키는 것이다. The present invention relates to a SiC single crystal growth apparatus, and more particularly, to stably control a large-diameter SiC single crystal having a diameter of 3 inches or more by efficiently controlling not only the vertical temperature gradient at the top and bottom of the crucible but also the initial-end temperature difference at the bottom of the crucible. It is to grow.

차세대 반도체 소자 재료로써 SiC, GaN, AlN, ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 유망한 것으로 기대되고 있다. 그러나, 이들 광대역 반도체 재료 중 현재 단결정 잉곳(ingot) 성장 기술이 확보되어 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서의 생산이 가능한 것은 SiC 단결정 재료뿐이다. As next-generation semiconductor device materials, broadband semiconductor materials such as SiC, GaN, AlN, and ZnO are expected to be promising. However, among these broadband semiconductor materials, only SiC single crystal materials can be produced as a single-crystal ingot growth technology and can be produced as a large-diameter substrate having a diameter of 2 inches or more.

특히, SiC는 1500℃ 이하에서 열적 안정성이 우수하고 산화성 분위기에서의 안정성도 뛰어나며, 4.6W/cm℃ 정도의 큰 열전도도를 갖고 있기 때문에 고온에서 장시간 안정성이 요구되는 환경 하에서는 GaAs 또는 GaN과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 훨씬 유용할 것으로 기대된다. Particularly, since SiC has excellent thermal stability at 1500 ° C or lower and excellent stability in an oxidizing atmosphere, and has a large thermal conductivity of about 4.6W / cm ° C, III such as GaAs or GaN is required in an environment requiring long-term stability at high temperature. It is expected to be much more useful than the Group-V compound semiconductor.

SiC는 비록 전자이동도가 실리콘(Si)에 비해 작으나, 에너지 밴드갭(energy bandgap)이 실리콘의 2～3배 정도이고 동작 한계온도가 650℃임에 따라, 동작 한계온도가 200℃ 이하인 실리콘에 비하여 동작 한계온도가 훨씬 높다는 장점이 있다. 또한, 화학적 및 기계적으로 강하여 극한 환경에서도 사용할 수 있는 소자로 제작이 가능하다. Although SiC has a smaller electron mobility than silicon (Si), the energy bandgap is about 2 to 3 times that of silicon and the operating limit temperature is 650 ° C. Compared with this, the operating limit temperature is much higher. In addition, it is possible to manufacture a device that can be used in extreme environments because it is chemically and mechanically strong.

이러한 재료의 본질적인 물성 차이에 기인한 소자의 성능 한계는 JFOM(Johnson's Figure of Merit), KFOM(Keyes' Figure of Merit), BFOM(Baliga's Figure of Merit) 및 BHFFOM(Baliga's High Frequency Figure of Merit)과 같은 여러 가지의 지표계수를 비교해 보면 쉽게 파악할 수 있다. 예를 들어, 높은 주파수와 대전력의 응용의 이점을 나타내는 JFOM은 트랜지스터의 전력과 주파수의 한계를 항복전압과 포화전자 이동속도로부터 비교계수로서 SiC가 실리콘(Si)에 비해 600배 이상이다. The performance limitations of the device due to the intrinsic physical properties of these materials are such as Johnson's Figure of Merit (JFOM), Keyes' Figure of Merit (KFOM), Baliga's Figure of Merit (BFOM), and Baliga's High Frequency Figure of Merit (BHFFOM). Comparing the various index coefficients can easily identify them. For example, JFOM, which shows the advantages of high frequency and high power applications, compares the power and frequency limits of transistors from breakdown voltage and saturation electron transfer rate, and SiC is over 600 times that of silicon (Si).

이와 같이 우수한 물성을 갖는 SiC를 이용한 소자가 현재 하루가 다르게 발표되면서 SiC의 응용범위 및 그 파급효과가 매우 빠른 속도로 광범위해지고 있다. 일 예로, SiC는 자동차 또는 우주항공 등의 고온 집적회로, 내방사능 소자, Ⅲ-Ⅴ-Ⅳ-Ⅵ 연계소자, 초정밀 멤스(MEMS) 소자, 엑스레이(X-ray) 마스크, 자외선(UV) 탐사기, 청색 발광소자(LED) 등에 응용되고 있다. As the device using SiC having such excellent physical properties is announced differently each day, the scope of application and its ramifications of SiC are rapidly expanding. For example, SiC is a high temperature integrated circuit such as automobile or aerospace, radiation resistant device, III-V-IV-VI interconnection device, ultra-precision MEMS device, X-ray mask, ultraviolet (UV) probe, It is applied to a blue light emitting element (LED).

한편, 상술한 바와 같은 응용분야에 안정적으로 적용되고 수율을 증대하기 위해서는 직경 3인치 이상의 대구경의 고품질 단결정의 성장이 요구된다. On the other hand, in order to be stably applied to the above-described applications and increase the yield, the growth of high-quality single crystals of large diameter of 3 inches or more is required.

종래의 SiC 단결정 성장장치의 경우, 한국등록특허공보 제485023호 및 'Growth - Induced structure defects in SiC PVT Boules ( ICSCRM 2001, Materials Science Forum Vols . 389-393 (2002) pp . 385-390'을 살펴보면, 흑연 도가니 내에 SiC 원료를 위치시키고 흑연 도가니 상부에 SiC 시드(seed)를 장착시킨 상태에서 SiC 원료가 위치한 부분의 온도를 SiC 시드 부분보다 높게 함으로써 SiC 시드 상에 SiC 단결정이 성장되도록 하는 방법을 택하고 있다. In the case of the conventional SiC single crystal growth apparatus, Korean Patent Publication No. 485023 and ' Growth - Induced structure defects in SiC PVT Boules ( ICSCRM 2001, Materials Science Forum Vols . 389-393 (2002) pp . 385-390 ', the SiC single crystal is deposited on the SiC seed by placing the SiC raw material in the graphite crucible and placing the SiC seed on the graphite crucible to a higher temperature than the SiC seed portion. I choose to let it grow.

이와 같은 종래의 SiC 단결정 성장장치에 있어서, SiC 단결정의 품질을 제어하는 방법으로서 도가니 상부에서 하부에 걸친 수직온도구배를 조절하는 방법을 적용하고 있다. 그러나, 도가니 상하부의 수직온도구배를 조절하여 단결정의 품질을 제어하는 것은 비교적 소구경인 2인치 이하의 SiC 단결정 성장에는 적합하나, 직경 3인치 이상의 SiC 단결정 성장시에는 단결정 내에 폴리타입 도메인(polytype domain) 등의 결함이 발생되는 문제를 수직온도구배 제어만으로 해결하기에는 어려움이 있다. 이는, 3인치 이상의 대구경의 SiC 단결정 성장시에는 도가니 상하부의 수직온도구배 이외, 도가니 하부에서의 초기-말기 온도 변화를 적절하게 조절하는 것이 중요하다. 그러나 일반적으로 도가니 상부의 온도로서 전체 온도를 조절하기 때문에 다양한 공정 조건에 의하여 적절치 못하게 하부 온도가 변화하는 경우가 있고, 이를 조절하는 어려움이 있다.In such a conventional SiC single crystal growth apparatus, a method of controlling the vertical temperature gradient from the top of the crucible to the bottom is applied as a method of controlling the quality of the SiC single crystal. However, controlling the quality of single crystals by controlling the vertical temperature gradients in the top and bottom of the crucible is suitable for the growth of SiC single crystals with a relatively small diameter of less than 2 inches, but in the growth of SiC single crystals with diameters of 3 inches or more, the polytype domains within the single crystals. It is difficult to solve the problem of defects such as the vertical temperature gradient control alone. It is important to properly control the initial-end temperature change at the bottom of the crucible, in addition to the vertical temperature gradient at the top and bottom of the crucible, when growing a large diameter SiC single crystal of 3 inches or more. However, since the overall temperature is controlled as the temperature of the upper part of the crucible, there is a case where the lower temperature is inappropriately changed by various process conditions, and there is a difficulty in controlling this.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 도가니 상하부의 수직온도구배뿐만 아니라 도가니 하부에서의 초기-말기 온도차를 제어하여 직경 3인치 이상의 대구경의 SiC 단결정을 안정적으로 성장시킴과 함께 재현성이 담보되는 SiC 단결정 성장방법 및 장치를 제공하여 특허를 출원한 바 있다. 하지만 한 개의 발열체를 사용하여 내부의 단열재나 도가니, 공정 조건을 이용하여 온도를 제어하는 것은 한계가 있고 다양한 공정 조건이 복잡하게 얽혀 있기 때문에 어려운 점이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, by controlling the initial-end temperature difference at the bottom of the crucible as well as the vertical temperature gradient of the upper and lower crucibles to stably grow a large diameter SiC single crystal of 3 inches or more in diameter and reproducibility The patent has been filed by providing a method and apparatus for growing this SiC single crystal. However, using a single heating element to control the temperature by using an internal insulation, crucible, or process conditions has limitations and it is difficult because various process conditions are intricately intertwined. It is to solve this problem.

온도 구배를 인위적으로 최적화된 값으로 조절하기 위하여 상하부에 각각의 독립된 발열체를 위치시킨다. 독립된 두 개의 발열체는 각각 도가니의 상부(seed부)와 하부(source부)를 가열하게 되고, 원하는 온도를 각각 제어 할 수 있다. Each independent heating element is placed above and below to adjust the temperature gradient to an artificially optimized value. The two independent heating elements heat the upper part (seed part) and the lower part (source part) of the crucible, respectively, and can respectively control the desired temperature.

단열재 손상 등의 변수에 따라서 항상 동일한 조건의 온도구배를 구현하기가 힘든 탄화 규소 단결정의 특성상, 도가니의 상부와 하부의 온도를 각각 조절하게 됨으로써, 동일한 조건의 온도구배를 구현 할 뿐아니라 최적의 도가니 하부의 초기 - 말기 온도 변화 역시 구현이 가능하게 된다. Due to the characteristics of the silicon carbide single crystal, which is difficult to realize the temperature gradient under the same conditions at all times depending on the damage of the insulating material, the temperature of the top and bottom of the crucible is adjusted individually, thereby achieving the optimum temperature gradient as well as the optimum crucible. Lower initial-end temperature changes are also feasible.

Source의 온도를 seed에 구에 받지 않고 조절 할 수 있기 때문에 승화량을 조절 할 수 있으며, 따라서 탄화 규소 단결정의 성장 속도를 적절하게 조절 할 수 있다. 또한 4H-, 6H-, 15R-SiC 각각의 polytype에 적절한 도가니 내의 Si/C ratio 역시 source의 탄화를 조절함으로써 가능하게 된다. Since the temperature of the source can be adjusted without receiving the sphere in the seed, the amount of sublimation can be controlled, so that the growth rate of the silicon carbide single crystal can be properly adjusted. In addition, the Si / C ratio in the crucible suitable for each polytype of 4H-, 6H-, and 15R-SiC can also be controlled by controlling the carbonization of the source.

위와 같은 효과에 따라서 대구경 탄화 규소 단결정의 polytype 제어, polytype domain 및 misorientation domain의 억제가 가능하다.According to the above effects, polytype control, polytype domain and misorientation domain of large diameter silicon carbide single crystal can be suppressed.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 단결정 성장방법 및 장치 를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 단결정 성장방법을 설명하기에 앞서, 이를 구현하기 위한 SiC 단결정 성장장치에 대해 먼저 살펴보기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 단결정 성장장치의 단면 구성도이다. Hereinafter, a method and apparatus for growing SiC single crystal according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to describing the SiC single crystal growth method according to an embodiment of the present invention, a SiC single crystal growth apparatus for implementing the same will be described first. 1 is a cross-sectional view of a SiC single crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 SiC 단결정 성장방법의 핵심 특징은 도가니의 수직 온도 구배와 도가니 하부에서의 공정 초기(TI)와 말기(TF) 사이의 온도차(ΔTF -I)를 제어함에 있어서, 독립된 두 개의 발열체를 이용하는 것이다. 이를 통해 3인치 이상의 SiC 단결정 성장시 폴리타입 도메인(polytype domain) 등의 결함 발생을 최소화하여 고품질의 SiC 단결정 성장을 구현할 수 있게 된다. 종래 기술의 설명에서 기술한 바와 같이 2인치 이상의 SiC 단결정 성장시에는 도가니(110) 내의 수직온도구배의 제어만으로도 SiC 단결정의 품질을 조절할 수 있으나, 3인치 이상의 SiC 단결정 성장시에는 수직온도구배의 제어만으로는 안정적인 품질을 담보할 수 없으며, 이에 본 출원인은 다양한 시뮬레이션 및 실험을 통해 수직온도구배 이외에 도가니(110) 하부에서의 공정 초기와 말기 사이의 온도차가 SiC 단결정의 품질에 중요한 인자로 작용함을 확인하였다. The key features of the SiC single crystal growth method according to the present invention are two independent methods in controlling the temperature gradient (ΔT F -I ) between the vertical temperature gradient of the crucible and the initial (T I ) and the late (T F ) process at the bottom of the crucible. Heating elements are used. Through this, it is possible to realize high quality SiC single crystal growth by minimizing defects such as polytype domains when growing SiC single crystals of 3 inches or more. As described in the description of the prior art, the quality of the SiC single crystal can be controlled only by controlling the vertical temperature gradient in the crucible 110 when growing the SiC single crystal of 2 inches or more, but the vertical temperature gradient is controlled when growing the SiC single crystal of 3 inches or more. It is not possible to guarantee stable quality by itself, and thus, through various simulations and experiments, the Applicant has confirmed that the temperature difference between the beginning and the end of the crucible 110 in addition to the vertical temperature gradient acts as an important factor for the quality of SiC single crystal. It was.

이와 같이, 한 개의 발열체를 사용 할 경우에는 공정 초기와 말기 사이의 온도차는 성장압력과 수직 온도 구배에 의해 제어 먼저 성장압력에 의해서 조절 할 수 있지만, 정확하게 조절하기 어려운 점이 있다.As described above, in the case of using one heating element, the temperature difference between the beginning and the end of the process can be controlled by the growth pressure.

따라서 각각의 발열체를 사용하여 상부와 하부를 각각 최적의 온도 구배와 하부 온 도 변화를 조절 하면 결정 내부에 마이크로 파이프(micropipe), 전위(dislocation) 등의 결함을 감소 할 수 있고, 폴리타입 도메인(polytype domain)의 생성을 최소화하여 고품질의 대구경 SiC 단결정 성장이 가능함게 한다.Therefore, by controlling the optimum temperature gradient and the lower temperature change of the upper and lower parts, respectively, using the heating element, it is possible to reduce defects such as micropipes and dislocations inside the crystal, Minimization of polytype domains enables high quality, large-diameter SiC single crystal growth.

도 1은 본 발명의 실시 예에 다른 2개의 coil을 사용하여 도가니의 상부와 하부를 각각 가열하는 장치의 구성도1 is a configuration diagram of an apparatus for heating the upper and lower portions of the crucible using two coils according to an embodiment of the present invention.

도 2는 온도 구배를 조절 할 수 있음을 나타내는 그래프2 is a graph showing that the temperature gradient can be adjusted

도 3은 도가니 하부의 초기와 말기의 온도 변화를 조절 할 수 있음을 나타내는 그래프3 is a graph showing that the temperature change of the beginning and the end of the crucible can be adjusted

<도면에서 기호 설명 ><Description of Symbols in Drawings>

(1) 도가니 상부 가열 코일(1) crucible upper heating coil

(2) 도가니 하부 가열 코일(2) crucible lower heating coil

(3) 도가니 상부에 위치한 종자정(3) seed crystal located above the crucible

(4) 도가니 하부에 위치한 원료(4) Raw material located under the crucible

(5) 도가니(5) crucible

Claims (3)

승화법을 이용한 대구경 탄화규소 단결정 성장 시, 도가니를 가열하는 방법을 한 개의 발열체가 아닌 상부와 하부를 각각의 독립된 발열체를 사용하여 가열한다.When the large-diameter silicon carbide single crystal is grown using the sublimation method, the method of heating the crucible is not the one heating element but the upper and lower parts are heated by using independent heating elements. 제 1항에 있어서, 발열 방식은 유도 가열과 저항 가열을 포함한다.The method of claim 1, wherein the exothermic mode includes induction heating and resistance heating. 제 1항에 있어서, 독립된 각각의 발열체는 도가니 상부와 하부의 온도를 다르게 제어 할 수 있다.The method of claim 1, wherein each of the independent heating elements can control the temperature of the upper and lower crucibles differently.
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