KR20120140547A - 잉곳 제조 장치 - Google Patents

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KR20120140547A
KR20120140547A KR1020110060354A KR20110060354A KR20120140547A KR 20120140547 A KR20120140547 A KR 20120140547A KR 1020110060354 A KR1020110060354 A KR 1020110060354A KR 20110060354 A KR20110060354 A KR 20110060354A KR 20120140547 A KR20120140547 A KR 20120140547A
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ingot manufacturing
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손창현
신동근
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 제1 원료를 수용하는 도가니; 및 상기 제1 원료 상에 위치하고, 제2 원료를 수용하는 수용부를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 상기 원료 상에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더; 및 상기 홀더와 대응되는 높이에 위치하고, 상기 도가니의 내측면을 둘러싸는 단열재를 포함할 수 있다.

Description

잉곳 제조 장치{APPARATUS FOR FABRICATING INGOT}
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.
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.
SiC의 경우, 종자정을 사용하여 승화재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법이 제시되어 있다. 원료가 되는 탄화규소 분말을 도가니 내에 수납하고 그 상부에 종자정이 되는 탄화규소 단결정을 배치한다. 상기 원료와 종자정 사이에 온도구배를 형성함으로써 도가니 내의 원료가 종자정 측으로 확산되고 재결정화되어 단결정이 성장된다.
종래에는, 상기 도가니의 상부 구조 변경을 통한 효과가 적기 때문에 단결정의 직경 확장이 제한적이었다. 또한, 성장된 단결정에서 최대 직경을 갖는 웨이퍼의 수율이 극히 제한적이었다.
실시예는 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 제1 원료를 수용하는 도가니; 및 상기 제1 원료 상에 위치하고, 제2 원료를 수용하는 수용부를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 상기 원료 상에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더; 및 상기 홀더와 대응되는 높이에 위치하고, 상기 도가니의 내측면을 둘러싸는 단열재를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 수용부를 포함하고, 상기 수용부의 외측에 원료가 위치할 수 있다. 상기 원료가 승화하여, 상기 종자정의 직경을 확장할 수 있고, 상기 종자정으로부터 성장하는 상기 단결정의 직경을 확장할 수 있다. 따라서, 대면적의 단결정을 얻을 수 있다. 또한, 상기 단결정으로부터 얻어지는 웨이퍼의 수율을 향상할 수 있다.
또한, 상기 수용부는 상기 단결정의 측면 성장으로 인해 상기 도가니 외벽에서 발생할 수 있는 응력을 최소화할 수 있다. 이로써, 고품질의 단결정을 얻을 수 있다.
이어서, 종자정 홀더의 직경은 종자정의 직경보다 작게 구비될 수 있다. 상기 종자정의 직경이 상기 종자정 홀더의 직경보다 크게 구비됨으로써, 종자정의 후면으로 상기 제2 원료가 이동할 수 있다. 따라서, 상기 종자정의 후면에 다결정이 성장할 수 있다. 상기 다결정을 통해 상기 종자정이 상기 종자정 홀더에 더 잘 부착될 수 있다. 이로써, 상기 종자정의 탈리를 방지할 수 있다.
다른 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 단열재를 포함하고, 상기 단열재는 공기층을 포함할 수 있다.
상기 공기층에 포함된 공기의 대류가 일어나면서 단열을 할 수 있다. 이를 통해, 원료가 종자정의 중심에만 집중되어 승화하는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 상기 원료가 상기 종자정의 외곽에도 이동할 수 있고, 이를 통해 상기 종자정으로부터 성장하는 단결정의 직경을 확장할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 포함되는 수용부의 사시도이다.
도 3은 잉곳 성장된 후의 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 4는 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
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 1 및 도 2를 참조하여, 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 2는 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 포함되는 수용부의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(10)는, 도가니(100), 제1 원료(132), 제2 원료(134), 필터부(120), 수용부(140), 상부 덮개(150), 종자정 홀더(160), 단열재(200), 석영관(400) 및 발열 유도부(500)를 포함한다.
상기 도가니(100)는 제1 원료(132)를 수용할 수 있다. 상기 도가니(100)의 하부에 상기 제1 원료(132)가 수용될 수 있다.
상기 도가니(100)는 상기 제1 원료(132)를 수용할 수 있도록 원통형의 형상을 가질 수 있다.
상기 도가니(100)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 도가니(100)는 흑연으로 제작될 수 있다.
또한, 도가니(100)는 흑연에 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 상기 물질은, 탄화규소 단결정(190)이 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 제1 원료(132)는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 구체적으로는, 상기 제1 원료(132)는 규소, 탄소, 산소 및 수소를 포함하는 화합물일 수 있다. 상기 제1 원료(132)는 탄화규소 분말(SiC powder) 또는 폴리카보실란(polycarbosilane)일 수 있다.
이어서, 상기 도가니(100) 내부에 필터부(120)가 위치할 수 있다. 구체적으로, 상기 필터부(120)는 상기 제1 원료(132) 상에 위치할 수 있다.
상기 필터부(120)는 다공질(porous)일 수 있다. 즉, 상기 필터부(120)는 다수의 기공을 포함할 수 있다. 상기 기공들은 매우 작은 크기의 탄소 불순물 및 오염물질들을 흡착할 수 있다.
상기 필터부(120)가 상기 제1 원료(132) 상부에 위치함으로써, 상기 제1 원료(132)의 표면을 평탄하게 유지할 수 있고, 상기 제1 원료(132)로 유입될 수 있는 이물질을 차단할 수 있다. 또한, 상기 필터부(120)는 성장 초기 제1 원료(132)의 승화속도를 제어함으로써, 고품질의 단결정 성장이 가능하다.
또한, 상기 필터부(120)는 특정 성분을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 필터부(120)는 탄소 불순물을 흡착할 수 있다. 즉, 상기 제1 원료(132)로부터 생성된 탄소 불순물이 상기 단결정(190) 성장 과정에 참여하는 것을 방지할 수 있다. 상기 탄소 불순물이 상기 단결정(190)으로 이동할 경우, 상기 단결정(190)에 결함을 발생시킬 수 있다.
상기 수용부(140)는 상기 도가니(100) 내에 포함될 수 있다. 상기 수용부(140)는 상기 도가니(100) 상부에 위치할 수 있다. 상기 수용부(140)는 상기 필터부(120) 상에 위치할 수 있다.
상기 수용부(140)는 상기 도가니(100) 상부의 내측면을 따라 위치할 수 있다. 즉, 상기 수용부(140)는 상기 도가니(100) 상부의 내측면을 둘러싸며 위치할 수 있다.
상기 수용부(140)는 제2 원료(134)를 수용할 수 있다. 구체적으로, 상기 수용부(140)의 외측에 상기 제2 원료(134)가 수용될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 원료(134)는 상기 수용부(140) 및 상기 도가니(100) 사이에 위치할 수 있다.
상기 수용부(140)는 제1 수용부(142) 및 제2 수용부(144)를 포함할 수 있다.
상기 제1 수용부(142)는 상기 필터부(120) 상에 위치할 수 있다. 상기 제1 수용부(142)는 상기 제2 원료(134)를 지지할 수 있다. 상기 제1 수용부(142)는 상기 도가니(100) 내측면과 밀착하여 위치할 수 있다.
상기 제2 수용부(144)는 상기 제1 수용부(142) 상에 위치하고, 상기 제1 수용부(142)와 단차(143)를 가질 수 있다. 즉, 상기 제2 수용부(144)의 외경(R2)은 상기 제1 수용부(142)의 외경(R1)보다 작게 구비될 수 있다. 따라서, 상기 제2 수용부(144)는 상기 도가니(100) 내측면과 일정한 거리를 가질 수 있다. 한편, 상기 제1 수용부(142)의 내경 및 상기 제2 수용부(144)의 내경은 동일할 수 있다.
상기 제2 원료(134)는 상기 제1 수용부(142) 및 상기 제2 수용부(144) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제2 원료(134)는 상기 제1 수용부(142) 및 상기 제2 수용부(144)의 단차(143)가 생긴 부분에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제2 원료(134)는 상기 제2 수용부(144) 및 상기 도가니(100) 내측면 사이에 위치할 수 있다.
상기 수용부(140)는 흑연을 포함할 수 있다. 따라서 상기 수용부(140)가 상기 제2 원료(134)에 영향을 주지 않도록 할 수 있다.
상기 수용부(140)는 기공을 포함할 수 있다. 상기 기공을 통해 상기 제2 원료(134)가 상기 종자정(170)으로 이동할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 원료(134)는 상기 도가니(100) 외벽과 도가니(100) 중심의 온도 구배로 인해, 상기 종자정(170)으로 이동할 수 있다. 즉, 상기 도가니(100)는 상기 발열 유도부(500)에 의해 자체 발열할 수 있고, 이로 인해 상기 도가니(100) 외벽은 높은 온도 영역을 가질 수 있다. 그러나, 상기 도가니(100)와 상대적으로 멀리 떨어진 곳, 즉, 도가니(100)의 중심부는 낮은 온도 영역을 가진다. 이러한 온도구배로 인해, 상기 제2 원료(134)는 도가니(100)의 중심부에 위치한 종자정(170)으로 이동할 수 있다. 특히, 단결정의 성장 초기에 상기 제2 원료(134)는 상기 종자정(170)의 측면으로 이동할 수 있다. 이를 통해, 상기 종자정(170)의 직경을 확장할 수 있고, 상기 종자정(170)으로부터 성장하는 상기 단결정(190)의 직경을 확장할 수 있다. 따라서, 대면적의 단결정(190)을 얻을 수 있다. 또한, 상기 단결정(190)으로부터 얻어지는 웨이퍼의 수율을 향상할 수 있다.
특히, 상기 제2 원료(134)의 직경이 상기 제1 원료(130)의 직경보다 작게 구비될 수 있다. 즉, 상기 제2 원료(134)는 상기 제1 원료(130)보다 작은 입자를 가질 수 있다. 이를 통해, 상기 제2 원료(134)가 상기 종자정(170)으로 원활하게 공급될 수 있고, 단결정(190)의 직경을 효율적으로 확장할 수 있다.
이어서, 상기 수용부(140)는 상기 단결정(190)의 측면 성장으로 인해 상기 도가니(100) 외벽에서 발생할 수 있는 응력을 최소화할 수 있다. 이로써, 고품질의 단결정(190)을 얻을 수 있다.
이어서, 상기 도가니(100)의 상부에 상부 덮개(150)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(150)는 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(150)는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 상부 덮개(150)의 하단부에 종자정 홀더(160)가 위치한다. 상기 종자정 홀더(160)는 종자정(170)을 고정시킬 수 있다. 상기 종자정 홀더(160)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다.
상기 종자정(170)은 상기 종자정 홀더(160)에 부착된다. 상기 종자정(170)이 상기 종자정 홀더(160)에 부착됨으로써, 성장된 단결정(190)이 상기 상부 덮개(150)에까지 성장되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 종자정(170)은 상기 상부 덮개(150)에 직접 부착될 수 있다.
상기 종자정 홀더(160)의 직경은 상기 종자정(170)의 직경보다 작게 구비될 수 있다. 상기 종자정(170)의 직경이 상기 종자정 홀더(160)의 직경보다 크게 구비됨으로써, 종자정(170)의 후면으로 상기 제2 원료(134)가 이동할 수 있다. 따라서, 상기 종자정(170)의 후면에 다결정(192)이 성장할 수 있다. 상기 다결정(192)을 통해 상기 종자정(170)이 상기 종자정 홀더(160)에 더 잘 부착될 수 있다. 이로써, 상기 종자정(170)의 탈리를 방지할 수 있다.
이어서, 상기 단열재(200)는 상기 도가니(100)를 둘러싼다. 상기 단열재(200)는 상기 도가니(100)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 단열재(200)는 탄화규소의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 펠트를 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 단열재(200)는 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 단열재(200)는 복수의 층으로 형성되어 상기 도가니(100)를 둘러쌀 수 있다.
이어서, 상기 석영관(400)은 상기 도가니(100)의 외주면에 위치한다. 상기 석영관(400)은 상기 도가니(100)의 외주면에 끼워진다. 상기 석영관(400)은 상기 발열 유도부(500)에서 단결정 성장장치의 내부로 전달되는 열을 차단할 수 있다. 상기 석영관(400)은 내부가 빈 중공형의 관일 수 있다. 상기 석영관(400)의 내부 공간에 냉각수가 순환될 수 있다.
상기 발열 유도부(500)는 상기 도가니(100)의 외부에 위치한다. 상기 발열 유도부(500)는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 도가니(100) 및 상기 도가니(100)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 도가니(100)에 수용되는 상기 제1 원료 및 제2 원료(132, 134)를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
상기 발열 유도부(500)에서 유도 가열되는 중심 영역이 상기 도가니(100)의 중심부보다 낮은 위치에 형성된다. 따라서, 상기 도가니(100)의 상부 및 하부에 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 즉, 발열 유도부(500)의 중심부인 핫존(hot zone, HZ)이 상기 도가니(100)의 중심에서 상대적으로 낮은 위치에 형성되어, 핫존(HZ)을 경계로 상기 도가니(100)의 하부의 온도가 상기 도가니(100) 상부의 온도보다 높게 형성된다. 또한, 상기 도가니(100)의 내부 중심부에서 외곽 방향을 따라 온도가 높게 형성된다. 이러한 온도구배로 인하여 탄화규소 제1 원료(132)의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(170)의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정(190)으로 성장된다.
이하, 도 4를 참조하여, 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 대해 상세하게 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위하여 제1 실시예와 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 4는 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(20)는 도가니(100) 내에 위치하는 단열재(140)를 포함한다.
상기 단열재(140)는 종자정 홀더(160)와 대응되는 높이에 위치할 수 있다. 또한, 상기 단열재(140)는 도가니(100)의 내측면을 둘러쌀 수 있다.
상기 단열재(140)의 외측에 공기층(140a)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 공기층(140a)은 상기 도가니(100) 및 상기 단열재(140) 사이에 위치할 수 있다.
상기 공기층(140a)에 포함된 공기의 대류가 일어나면서 단열을 할 수 있다. 이를 통해, 원료(130)가 종자정(170)의 중심에만 집중되어 승화하는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 상기 원료(130)가 상기 종자정(170)의 외곽에도 이동할 수 있고, 이를 통해 상기 종자정(170)으로부터 성장하는 단결정의 직경을 확장할 수 있다.
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 (18)

  1. 제1 원료를 수용하는 도가니; 및
    상기 제1 원료 상에 위치하고, 제2 원료를 수용하는 수용부를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용부는 상기 도가니 상부의 내측면을 따라 위치하는 잉곳 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수용부의 외측에 상기 제2 원료가 수용되는 잉곳 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수용부 및 상기 도가니 사이에 상기 제2 원료가 위치하는 잉곳 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 원료는 상기 도가니 상부의 내측면을 따라 위치하는 잉곳 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수용부는 상기 제2 원료를 지지하는 제1 수용부; 및
    상기 제1 수용부 상에 위치하고, 상기 제1 수용부와 단차를 가지는 제2 수용부를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 수용부 및 상기 제2 수용부 사이에 상기 제2 원료가 위치하는 잉곳 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수용부는 그라파이트를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수용부는 기공을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 도가니 내에 위치하고 종자정을 고정하는 홀더를 더 포함하고,
    상기 홀더의 직경이 상기 종자정의 직경보다 작은 잉곳 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 원료 상에 필터부가 위치하는 잉곳 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 필터부 상에 상기 수용부가 위치하는 잉곳 제조 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 원료의 직경이 상기 제1 원료의 직경보다 작은 잉곳 제조 장치.
  14. 원료를 수용하는 도가니;
    상기 원료 상에 위치하고, 종자정을 고정하는 홀더; 및
    상기 홀더와 대응되는 높이에 위치하고, 상기 도가니의 내측면을 둘러싸는 단열재를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단열재의 외측에 공기층을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 공기층은 상기 도가니 및 상기 단열재 사이에 위치하는 잉곳 제조 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 단열재는 그라파이트를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 단열재는 기공을 포함하는 잉곳 제조 장치.
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