KR20130014272A - 잉곳 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 및 상기 원료 상에 배치되는 종자정을 고정하는 종자정 홀더를 포함하고, 상기 종자정 홀더 및 상기 종자정 사이에 보호층이 위치한다.

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.
이러한 공정을 진행하기 위하여, 상기 단결정이 성장되는 종자정은 예를 들어 도가니 뚜껑과 같은 별도의 부재에 부착되는데, 종자정의 부착 상태에 따라 그 표면에 성장되는 단결정의 품질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 종자정의 부착 공정은 매우 중요하다.
특히, 상기 종자정과 종자정 홀더를 부착하기 위한 접착물질 내의 기공으로 인해, 종자정 후면으로부터 결정이 성장할 수 있고, 이로 인해 결함이 발생할 수 있다.
실시예는 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 및 상기 원료 상에 배치되는 종자정을 고정하는 종자정 홀더를 포함하고, 상기 종자정 홀더 및 상기 종자정 사이에 보호층이 위치한다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 종자정 및 종자정 홀더 사이에 보호층을 포함한다. 상기 보호층은 단결정 성장 시, 상기 종자정 후면에서 결정이 성장하는 것을 방지할 수 있다.
즉, 상기 종자정의 후면에 보호층이 위치하여, 접착층에 기공이 형성되어도, 상기 종자정 후면의 승화를 방지할 수 있다. 즉, 상기 보호층이 상기 종자정으로부터 상기 접착층의 기공으로 원자가 빠져나가지 못하도록 막아줄 수 있다.
상기 보호층을 통해 상기 종자정의 손상을 방지할 수 있어, 상기 종자정을 재사용할 수 있다. 따라서, 공정 비용을 절감할 수 있다.
또한, 상기 보호층은 상기 종자정 홀더와 상기 종자정의 열팽창 계수 차이로 인한 결함 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 열팽창 계수 차이로 인해 단결정 성장 공정 중에 상기 종자정이 탈리되는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
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, 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 도가니(100), 상부 덮개(140), 종자정 홀더(170), 보호층(162), 포커싱 튜브(180), 단열재(200), 석영관(400) 및 발열 유도부(500)를 포함한다.
상기 도가니(100)는 원료(130)를 수용할 수 있다. 상기 원료(130)는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 더 구체적으로는, 상기 원료(130)는 탄화규소 화합물을 포함할 수 있다. 상기 도가니(100)는 탄화규소 분말(SiC powder) 또는 폴리카보실란(polycarbosilane) 을 수용할 수 있다.
상기 도가니(100)는 상기 원료(130)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 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(100)의 상부에 상부 덮개(140)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100) 내에서 반응이 일어날 수 있도록 밀폐시킬 수 있다.
상기 상부 덮개(140)는 흑연을 포함할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 상부 덮개(140)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
상기 상부 덮개(140)의 하단부에 종자정 홀더(170)가 위치한다. 즉, 상기 종자정 홀더(170)는 상기 원료(130) 상에 배치된다.
상기 종자정 홀더(170)는 종자정(160)을 고정시킬 수 있다. 상기 종자정 홀더(170)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다.
상기 접착층(164)은 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 종자정(160) 사이에 위치할 수 있다. 구체적으로, 상기 접착층(164)은 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 보호층(162) 사이에 위치할 수 있다. 상기 접착층(164)은 상기 보호층(162)과 접촉할 수 있다. 상기 접착층(164)은 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 종자정(160)을 접착할 수 있다.
상기 접착층(164)은 탄소(C)를 포함할 수 있다. 일례로, 상기 접착층(164)은 설탕(sugar) 또는 흑연을 포함할 수 있다. 상기 설탕 또는 흑연은 고온에서 탄소로 변하고, 이러한 물질들은 접착력이 우수하다. 따라서, 상기 접착층(164)은 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 종자정(160)을 안정적으로 접착할 수 있다.
상기 보호층(162)은 상기 종자정 홀더(170) 및 상기 종자정(160) 사이에 위치할 수 있다. 구체적으로, 상기 보호층(162)은 상기 접착층(164) 및 상기 종자정(160) 사이에 위치할 수 있다. 상기 종자정(160)은 상기 종자정 홀더(170)와 마주보는 후면(160a)을 포함하고, 상기 후면(160a) 상에 상기 보호층(162)이 위치할 수 있다. 상기 보호층(162)은 상기 후면(160a)의 전면(全面)에 위치할 수 있다.
상기 보호층(162)은 잉곳 성장 온도 이상의 녹는점을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 상기 보호층(162)은 금속을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 보호층(162)은 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb), 지르코늄(Zr) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 적어도 어느 하나 포함할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 보호층(162)은 상기 잉곳 성장 온도에서 물질적 변화가 없는 다양한 물질을 포함할 수 있다.
상기 보호층(162)의 두께(T)는 10 nm 내지 1 mm일 수 있다.
상기 보호층(162)은 코팅을 통해 형성될 수 있다. 상기 종자정(160)의 후면에 금속 물질을 코팅할 수 있다. 일례로, 화학 기상 증착(CVD) 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 방식으로 상기 보호층(162)이 형성될 수 있다.
상기 보호층(162)은 단결정 성장 시, 상기 종자정(160) 후면에서 결정이 성장하는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 접착층(164)은 단결정 성장 온도인 고온에서 탄소화되면서, 상기 접착층(164) 내부에 기공을 포함하게 된다. 상기 기공의 크기는 매우 작지만, 상기 종자정(160)과 상기 종자정 홀더(170) 사이에 수직의 온도 구배를 형성하게 된다. 상기 온도 구배로 인해 상기 종자정(160) 후면에서 승화가 일어날 수 있다. 즉, 상기 기공을 통해 상기 종자정(160)을 이루는 탄화규소 원자가 승화되어 빠져나갈 수 있다. 이러한 탄화규소 원자가 빠져나간 부분으로부터 미세관, 결함 및 공간이 발생할 수 있다. 이에 따라, 상기 종자정(160)이 손상될 수 있다. 또한, 이러한 결함들은 상기 종자정(160)으로부터 성장된 단결정의 안쪽으로 점점 파고 들게 되고 단결정의 품질이 저하될 수 있다. 또한, 단결정의 수율이 감소할 수 있다.
그러나 본 실시예에서는 상기 종자정(160)의 후면(160a)에 보호층(162)이 위치하여, 상기 접착층(164)에 기공이 형성되어도, 상기 종자정(160) 후면(160a)의 승화를 방지할 수 있다. 즉, 상기 보호층(162)은 상기 종자정(160)의 원자가 상기 접착층(164)의 기공으로 빠져나가지 못하도록 막아줄 수 있다.
따라서, 상기 보호층(162)은 상기 종자정(160)의 후면(160a)에 전면적으로 균일하게 형성되어, 상기 종자정(160)과 상기 접착층(164)이 접촉하지 않도록 할 수 있다. 즉, 상기 보호층(162)을 통해 상기 종자정(160)의 후면(160a)이 노출되지 않도록 할 수 있다.
상기 보호층(162)을 통해 상기 종자정(160)의 손상을 방지할 수 있어, 상기 종자정(160)을 재사용할 수 있다. 따라서, 공정 비용을 절감할 수 있다.
또한, 상기 보호층(162)은 상기 종자정 홀더(170)와 상기 종자정(160)의 열팽창 계수 차이로 인한 결함 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 열팽창 계수 차이로 인해 단결정 성장 공정 중에 상기 종자정(160)이 탈리되는 현상을 방지할 수 있다.
이어서, 상기 포커싱 튜브(180)는 상기 도가니(100) 내부에 위치한다. 상기 포커싱 튜브(180)는 단결정이 성장하는 부분에 위치할 수 있다. 상기 포커싱 튜브(180)는 승화된 탄화규소 가스의 이동통로를 좁게 하여 승화된 탄화규소의 확산을 상기 종자정(160)으로 집속시킬 수 있다. 이를 통해 단결정의 성장률을 높일 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. 따라서, 상기 석영관(400)은 단결정의 성장 속도, 성장 크기 등을 보다 정확하게 제어할 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 원료를 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 원료의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(160)의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정으로 성장된다.
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 (12)

  1. 원료를 수용하는 도가니; 및
    상기 원료 상에 배치되는 종자정을 고정하는 종자정 홀더를 포함하고,
    상기 종자정 홀더 및 상기 종자정 사이에 보호층이 위치하는 잉곳 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 종자정 홀더 및 상기 종자정 사이에 접착층이 더 위치하고,
    상기 보호층은 상기 접착층 및 상기 종자정 사이에 위치하는 잉곳 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 종자정은 상기 종자정 홀더와 마주보는 후면을 포함하고,
    상기 후면 상에 상기 보호층이 위치하는 잉곳 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 후면의 전면(全面)에 위치하는 잉곳 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 잉곳 성장 온도 이상의 녹는점을 가지는 물질을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 금속을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb), 지르코늄(Zr) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 적어도 어느 하나 포함하는 잉곳 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는 10 nm 내지 1 mm 인 잉곳 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 종자정 홀더는 흑연을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 종자정은 탄화규소(SiC)를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 접착층은 탄소(C)를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 접착층은 기공을 포함하는 잉곳 제조 장치.
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