KR20200044729A

KR20200044729A - 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정, 기판 및 그 제조 방법과 제조용 장치

Info

Publication number: KR20200044729A
Application number: KR1020197037936A
Authority: KR
Inventors: 차오 가오; 지아펑 리우; 펭페이 리우; 창진 리; 지아린 리; 원항 썬; 홍강 리
Original assignee: 에스아이씨씨 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-04-29
Also published as: EP3666933A4; WO2020077847A1; KR102331308B1; JP6937525B2; JP2021502942A; TWI723579B; EP3666933A1; TW202028548A

Abstract

본 출원은 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정, 기판 및 그 제조 방법과 제조용 장치를 공개하고, 탄화규소 단결정 및 기판 분야에 속한다. 본 출원은 PVT법의 열장 분포를 개선하는 것에 의해, 전통적인 상단 보온 구멍 산열에 의해 축방향 온도 구배를 제조하는 방법을 변경하고, 부동한 벽 두께의 도가니 및 부동한 두께의 보온 구조를 이용하여 축방향 온도 구배를 제조하도록 변경함과 동시에, 도가니 상부의 보온 구조를 변경하기에, 반경방향 온도 분포가 일치한 열장 구조를 제조할 수 있으며, 특히 큰사이즈 도가니 내부 열장 반경방향 분포가 균일하도록 한다. 전기 활성 불순물 원소가 온도 구배에 따라 성장하여 결정에 진입하기에, 이러한 반경방향 온도 분포가 균일한 열장 구조는 전기 활성 불순물 원소를 반경방향에 따라 균일하게 분포되도록 안내하여, 반경방향 저항률이 일치하고 응력이 작은 큰사이즈 고순도 반절연 탄화규소 단결정 및 단결정 기판을 제조할 수 있다.

Description

큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정, 기판 및 그 제조 방법과 제조용 장치

본 출원은 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정, 단결정 기판 및 그 제조 방법과 제조용 장치에 관한 것으로, 탄화규소 단결정 및 그 기판 분야에 속한다.

1990년대 반도체 탄화 규소 단결정 재료의 상용화 이후, 거의 30년의 발전을 거쳐 점차 전력 전자 디바이스와 마이크로파 RF 디바이스의 바람직한 기판 재료로 되었다. 다운스트림 디바이스 기술의 지속적인 발전과 산업화 정도의 지속적인 향상에 따라, 탄화규소 단결정 기판의 품질 요구도 점점 엄격해지고 있다.

현재 제일 성숙된 탄화규소 단결정 제조 기술은 물리 기상 이동법(PVT법이라 약칭)이고, 그 기본 원리는, 중간주파수 유도를 통해 코일 중심에 배치된 흑연 도가니를 가열하고, 흑연 도가니 벽이 유도되어 가열된 후 열을 내부의 탄화규소 분말에 전달하여 분말을 승화시키는 것이다. 흑연 도가니 상부의 흑연 보온 펠트 중심에 관통된 원형 구멍을 설치하고, 원형 구멍을 통해 온도를 측정함과 동시에 원형 구멍을 통해 열량을 손실하기에, 도가니 하부 온도가 높고 상부 온도가 낮은 축방향 온도 구배를 초래하며, 승화된 기체상은 성장 챔버 내의 분말 구역으로부터 도가니 상단의 종결정 구역으로 수송되어 결정화된다. 당해 방법으로 제조된 탄화규소 단결정은 이미 2인치에서 8인치로 발전되어 다운스트림 디바이스 중에서 부단히 응용되고 있다.

하지만, 결정 사이즈가 부단히 증가함에 따라, 도가니의 직경도 부단히 증가하고 있다. 중간주파수 유도 가열 방식에 있어서, 도가니 벽을 발열원으로 하기에, 도가니 벽과 도가니 중심에 따른 반경방향 온도 구배도 부단히 증가한다. 또한, PVT법은 도가니 상부 보온 중심 원형 구멍을 산열(散熱) 중심으로 하여 축방향 온도 구배를 생성하고, 이는 도가니 내부의 열장(熱場)의 반경방향 불균일성을 초래하며, 결정의 반경방향에 비교적 큰 열 응력 및 불순물과 결함의 분포 불균일성 등 문제를 초래한다. 전자(前者)에 존재하는 열 응력은, 결정 가공 과정 중의 균열 발생, 기판 가공 과정 중의 굽힘도, 휨도 불합격 등 엄중한 품질 문제를 초래하기 쉽고, 후자(後者)의 불순물과 결함의 분포 불균일성은 기판의 반경방향 저항률 균일성 등을 엄중히 제약하는 문제점이 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 탄화규소 단결정을 성장하는 장치를 제공하고, 당해 장치는 도가니와 흑연 도가니 주변에 피복된 보온 구조를 재 설계하는 것에 의해, 반경방향에 따라 균일한 열장(熱場)을 형성하기에, 탄화규소 단결정의 반경방향 균일성을 향상시키여, 고품질의 큰사이즈 고순도 반절연 탄화규소 단결정 기판을 제조할 수 있도록 한다.

당해 탄화규소 단결정을 성장하는 장치는, 흑연 도가니, 가열 유닛, 종결정 유닛 및 보온 구조를 포함하고, 당해 보온 구조는 보온 구조 정부(頂部), 보온 구조 측부(側部) 및 보온 구조 저부(底部)를 포함하고, 당해 흑연 도가니의 내벽은 대략적으로 원통형이며, 당해 흑연 도가니의 측벽은 흑연 도가니 저부로부터 개구 방향에 따라 선형으로 두꺼워지는 것을 특징으로 한다.

옵션으로서, 당해 종결정 유닛은 흑연 도가니 개구 상부 위치에 설치되고, 당해 보온 구조는 개구 구조를 갖지 않으며, 당해 종결정 유닛은 탄화 단결정 종결정을 포함한다.

옵션으로서, 당해 흑연 도가니는 당해 보온 구조의 밀폐 챔버 내에 위치한다.

옵션으로서, 당해 보온 구조의 측부의 벽부(壁部)는 흑연 도가니 개구로부터 저부 방향에 따라 선형으로 두꺼워진다.

옵션으로서, 당해 흑연 도가니의 개구 단면으로부터 그 상부의 보온 구조 정부 내표면은 제1 거리를 가지며, 당해 제1 거리는 흑연 도가니 중심으로부터 흑연 도가니 가장자리의 방향으로 증가한다.

옵션으로서, 상기 가열 유닛이 흑연 도가니에 대한 가열 방식은 유도 가열 방식이다. 바람직하게는, 상기 가열 유닛은 중간주파수 코일을 포함한다.

옵션으로서, 당해 흑연 도가니와 당해 보온 구조는 제1 중심 축선을 공유하고,

당해 제1 중심 축선은 당해 흑연 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조의 측부 외표면과 평행되며,

당해 제1 중심 축선과 당해 흑연 도가니의 측벽 외표면은 제1 협각을 가지고, 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조의 측부 내표면은 제2 협각을 가지며, 당해 제1 협각과 제2 협각의 값은 5~30°이다. 더 나아가, 당해 제1 협각과 제2 협각의 값의 하한은, 7°, 10°, 13° 또는 15°에서 선택되고, 상한은 28°, 25°, 23°, 20° 또는 18°에서 선택된다.

옵션으로서, 당해 제1 협각과 제2 협각의 값은 10~25°이다.

옵션으로서, 당해 제1 협각과 제2 협각은 대략적으로 같다.

옵션으로서, 당해 흑연 도가니의 개구 단면으로부터 그 상부의 보온 구조 정부 내표면은 제1 거리를 거지며, 당해 제1 거리는 흑연 도가니 중심으로부터 흑연 도가니 가장자리에 따라 증가한다. 일 실시형태로서, 상기 보온 구조 정부는 돔 형태이다.

옵션으로서, 당해 제1 거리의 변화값의 값은 5-50mm이다. 옵션으로서, 당해 제1 거리의 변화값의 범위의 하한은, 10mm, 15mm, 20mm, 25mm 또는 30mmm에서 선택되고, 상한은 15mm, 20mm, 25mm, 30mmm, 35mm, 40mm 또는 45mm에서 선택된다.

옵션으로서, 당해 제1 거리의 변화값의 범위는 10-45mm이다.

옵션으로서, 당해 보온 구조의 외표면은 원기둥이고, 당해 보온 구조 정부는 개구를 갖지 않으며, 당해 보온 구조 저부의 내표면은 대략적으로 원통형이며, 당해 흑연 도가니 저부로부터 그 개구 방향에 따라, 당해 보온 구조 측부 내표면은 당해 흑연 도가니 중심 축선에서 멀어지는 방향으로 연신되며, 당해 보온 구조 정부는 흑연 도가니 가장자리부터 중심으로의 방향에 따라 두꺼워진다.

옵션으로서, 당해 흑연 도가니의 측벽 내표면은 대략적으로 원통형이고, 당해 흑연 도가니의 외벽은 당해 보온 구조 측부 내표면과 대략적으로 동일한 연신 방향을 가진다.

본 출원의 다른 양태에 따르면, 상술한 임의의 장치를 포함하는 결정 성장 장치를 제공한다.

바람직하게는, 당해 결정 성장 장치는, 직경이 4-12인치인 반절연 탄화규소 단결정 및 그 기판의 제조에 이용된다. 더 나아가, 당해 결정 성장 장치는, 직경이 8인치를 초과하고 12인치 이하인 반절연 탄화규소 단결정 및 그 기판의 제조에 이용된다.

본 출원의 또 다른 양태에 따르면, 본 출원은 탄화규소 단결정을 성장하는 열장 구조를 제공하고, 당해 열장 구조는 도가니와 도가니 주변에 피복된 보온 구조를 재 설계하는 것에 의해, 반경방향에 따라 균일한 열장 구조를 형성하기에, 탄화규소 단결정의 반경방향 균일성을 향상시키여, 고품질의 큰사이즈 고순도 반절연 탄화규소 단결정 기판을 제조할 수 있도록 한다.

당해 탄화규소 단결정을 성장하는 열장 구조는,도가니, 가열 유닛 및 보온 구조를 포함하고, 당해 보온 구조는 보온 구조 정부, 보온 구조 측부 및 보온 구조 저부를 포함하며, 당해 도가니가 당해 보온 구조의 밀폐 챔버 내에 위치하며,

당해 도가니의 측벽 개구 구역의 벽 두께가 저부 구역의 벽 두께를 초과하는 것을 특징으로 한다.

옵션으로서, 당해 도가니와 보온 구조는 도가니 내부로 하여금, 축방향 온도 구배를 갖도록 하고, 및/또는 반경방향 온도 구배가 0에 접근하도록 한다.

바람직하게는, 당해 도가니는 흑연 도가니이다.

옵션으로서, 당해 도가니의 측벽은 도가니 저부로부터 개구 방향에 따라 선형으로 두꺼워진다.

바람직하게는, 당해 보온 구조의 측부의 벽부는 도가니 개구로부터 저부 방향에 따라 선형으로 두꺼워진다.

옵션으로서, 당해 도가니의 개구 단면으로부터 그 상부의 보온 구조 정부 내표면은 제1 거리를 가지며, 당해 제1 거리는 당해 도가니 중심으로부터 도가니 가장자리의 방향으로 증가한다.

바람직하게는, 당해 제1 거리의 변화값의 값은 5-50mm이다. 옵션으로서, 당해 제1 거리의 변화값의 변화의 하한은 10mm, 15mm, 20mm, 25mm 또는 30mm로부터 선택되고, 상한은 15mm, 20mm, 25mm, 30mmm, 35mm, 40mm 또는 45mm로부터 선택된다.

옵션으로서, 당해 도가니와 당해 보온 구조는 대략적으로 제1 중심 축선을 공유하고,

당해 제1 중심 축선은 당해 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조 측부 외표면과 대략적으로 평행되며,

당해 제1 중심 축선과 당해 도가니의 측벽 외표면은 제1 협각을 가지고, 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조 측부 내표면은 제2 협각을 가지고, 당해 제1 협각과 제2 협각＜90°이다.

더 나아가, 당해 도가니와 당해 보온 구조는 제1 중심 축선을 공유하고,

당해 제1 중심 축선은 당해 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조 측부 외표면과 평행되며,

당해 제1 중심 축선과 당해 도가니의 측벽 외표면은 제1 협각을 가지고, 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조 측부 내표면은 제2 협각을 가지며, 당해 제1 협각과 제2 협각＜90°이다.

옵션으로서, 당해 제1 협각의 값은 5~30°이고, 당해 제2 협각의 값은 5~30°이다. 더 나아가, 당해 제1 협각과 제2 협각의 값의 하한은 7°, 10°, 13° 또는 15°로부터 선택되고, 상한은 28°, 25°, 23°, 20° 또는 18°로부터 선택된다.

옵션으로서, 당해 제1 협각과 제2 협각은 대략적으로 같다.

옵션으로서, 당해 보온 구조의 외표면은 원기둥이고, 당해 보온 구조 정부는 개구를 갖지 않으며, 당해 보온 구조 저부의 내표면은 대략적으로 원통형이며, 당해 도가니 저부로부터 그 개구 방향으로, 당해 보온 구조 측부 내표면은 당해 도가니 중심으로부터 멀어지는 방향으로 연신되며, 당해 보온 구조 정부는 도가니 가장자리부터 중심의 방향으로 두꺼워지며,

당해 도가니의 측벽 내표면은 대략적으로 원통형이고, 당해 도가니의 외벽은 당해 보온 구조 측부 내표면과 대략적으로 동일한 연신 방향을 가진다.

옵션으로서, 당해 열장 구조는 종결정 유닛을 더 포함하고, 당해 종결정 유닛은 당해 도가니 개구 상부에 설치되며, 당해 보온 구조는 개구 구조를 갖지 않는다. 당해 종결정 유닛은 탄화 단결정 종결정을 포함한다.

본 출원의 다른 양태에 따르면, 상술한 임의의 열장 구조를 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정의 제조 방법을 제공한다.

본 출원의 다른 양태에 따르면, 상술한 임의의 열장 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치를 제공한다.

바람직하게는, 당해 결정 성장 장치는 4-12인치의 반절연 탄화규소 단결정 및 그 기판의 제조에 이용된다. 더 나아가, 당해 결정 성장 장치는 직경이 8인치를 초과하고 12인치 이하인 반절연 탄화규소 단결정 및 그 기판의 제조에 이용된다.

본 출원의 또 다른 양태에 따르면, 탄화규소 단결정의 제조 방법을 제공하고, 당해 방법은 도가니와 도가니 주변에 피복된 보온 구조를 재 설계하는 것에 의해, 반경방향에 따라 균일한 열장 구조를 형성하기에, 탄화규소 단결정의 반경방향 균일성을 향상시키여, 고품질의 큰사이즈 고순도 반절연 탄화규소 단결정 기판을 제조할 수 있도록 한다.

당해 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법은,

1) 조립 단계: 탄화규소 분말을 넣은 도가니를 종결정 유닛에 배치한 후, 도가니를 밀폐된 보온 구조의 챔버 내에 배치하여, 결정 성장 장치 내에 넣는 단계;

2) 불순물 제거 단계: 결정 성장 장치를 밀폐하고 진공화하며, 불순물을 제거한 후 보호 기체를 넣는 단계; 및

3) 결정 성장 단계: 결정 성장 장치의 가열 유닛을 이용하여 도가니 온도를 제어하며, 결정 성장을 진행하여, 고순도 탄화규소 단결정을 획득하는 단계;를 포함한다.

옵션으로서, 상기 탄화규소 분말의 순도는 99.9999%보다 낮지 않고, 상기 탄화규소 분말 중의 얕은 에너지 준위 도너 불순물의 농도는 1×10¹⁶cm^-3를 초과하지 않고, 얕은 에너지 준위 억셉터 불순물의 농도는 1×10¹⁶cm^-3를 초과하지 않는다.

더 나아가, 상기 얕은 에너지 준위도너 불순물의 농도는 1×10¹⁵cm^-3를 초과하지 않고, 상기 얕은 에너지 준위 억셉터 불순물의 농도는 1×10¹⁵ cm^-3를 초과하지 않는다.

옵션으로서, 상기 얕은 에너지 준위 도너 불순물은 질소 원소를 포함하고, 상기 얕은 에너지 준위 억셉터 불순물은 붕소와 알루미늄을 포함한다.

옵션으로서, 상기 결정 성장 단계는, 30-50mbar/h의 속도로 도가니 내의 압력을 10-100mbar까지 상승시킴과 동시에, 10-20℃/h의 속도로 도가니 내의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 50-100h 유지하는 것을 포함한다.

더 나아가, 상기 결정 성장 단계는, 35-45mbar/h의 속도로 도가니 내의 압력을 20-80mbar까지 상승시킴과 동시에, 10-20℃/h의 속도로 도가니 내의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 60-80h 유지하는 것을 포함한다.

옵션으로서, 상기 불순물 제거 단계는, 도가니 내부의 압력을 10^-5Pa까지 진공화시킨 후 5-10h 유지하고, 이어서 보호 기체를 넣는다. 더 나아가, 도가니 내부의 압력을 10^-5Pa까지 진공화시킨 후 6-9h 유지한다. 더 나아가, 상기 기체는 아르곤 가스와 헬륨 가스를 포함한다.

옵션으로서, 당해 도가니와 당해 보온 구조는 도가니 내부로 하여금 축방향 온도 구배를 갖도록 하고, 및/또는 반경방향 온도가 균일하도록 한다. 바람직하게는, 당해 도가니와 당해 보온 구조는 도가니 내부로 하여금 반경방향 온도 구배가 0에 접근하도록 한다.

바람직하게는, 상기 도가니가 흑연 도가니이다.

바람직하게는, 상기 보온 구조는 보온 구조 정부, 보온 구조 측부 및 보온 구조 저부를 포함하고, 당해 보온 구조 측부의 벽부는 도가니 개구로부터 저부 방향에 따라 선형으로 두꺼워진다.

당해 제1 중심 축선은 당해 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조의 측부 외표면과 대략적으로 평행되며,

당해 제1 중심 축선과 당해 도가니의 측벽 외표면은 제1 협각을 갖고 및/또는 , 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조의 측부 내표면은 제2 협각을 가지며, 당해 제1 협각＜90°이며, 당해 제2 협각＜90°이다.

당해 제1 중심 축선은 당해 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조의 측부 외표면과 평행되며,

당해 제1 중심 축선과 당해 도가니의 측벽 외표면은 제1 협각을 가지고, 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조의 측부 내표면은 제2 협각을 가지며, 당해 제1 협각＜90°이며, 제2 협각＜90°이다.

옵션으로서, 당해 제1 협각의 값은 5~30°이다. 더 나아가, 당해 제1 협각의 범위의 하한은 7°, 10°, 13° 또는 15°로부터 선택되고, 상한은 28°, 25°, 23°, 20° 또는 18°로부터 선택된다.

옵션으로서, 제2 협각의 값은 5~30°이다. 더 나아가, 당해 제2 협각의 범위의 하한은 7°, 10°, 13° 또는 15°, 상한은 28°, 25°, 23°, 20° 또는 18°로부터 선택된다.

바람직하게는, 당해 제1 협각과 제2 협각은 대략적으로 같다.

옵션으로서, 당해 도가니의 개구면으로부터 그 상부의 보온 구조 정부 내표면은 제1 거리를 가지고, 당해 제1 거리는 당해 도가니 중심으로부터 도가니 가장자리의 방향으로 증가한다.

옵션으로서, 당해 제1 거리의 변화값의 범위는 5-50mm이다. 옵션으로서, 당해 제1 거리의 변화값의 범위의 하한은 10mm, 15mm, 20mm, 25mm 또는 30mm로부터 선택되고, 상한은 15mm, 20mm, 25mm, 30mm, 35mm, 40mm 또는 45mm로부터 선택된다.

옵션으로서, 당해 보온 구조의 외표면은 원기둥이고, 당해 보온 구조 정부는 개구를 갖지 않고, 당해 보온 구조 저부의 내표면은 대략적으로 원통형이며, 당해 도가니 저부로부터 그 개구 방향에 따라, 당해 보온 구조 측부 내표면은 당해 도가니 중심 축선으로부터 멀어지는 방향으로 연신되며, 당해 보온 구조 정부는 도가니 가장자리로부터 중심의 방향으로 두꺼워지며,

당해 도가니의 측벽 내표면은 대략적으로 원통형이고, 당해 도가니의 외벽은 당해 보온 구조 측부 내표면과 대략적으로 동일한 연신 방향을 갖는다.

옵션으로서, 당해 종결정 유닛은 도가니 개구에 설치되고, 당해 종결정 유닛은 탄화규소 단결정 종결정을 포함한다. 옵션으로서, 당해 보온 구조는 개구 구조를 갖지 않는다.

본 출원의 또 다른 양태에 따르면, 상술한 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정을 제공한다.

본 출원의 다른 양태에 따르면, 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정 기판의 방법을 제공하고, 당해 방법은 상술한 임의의 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법; 및 4) 기판 제조 단계: 획득한 고순도 탄화규소 단결정에 대해 절단, 연마 및 폴리싱을 진행하여, 고순도 반절연 탄화규소 단결정 기판을 획득하는 단계;를 포함한다.

본 출원의 또 다른 양태에 따르면, 상술한 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정 기판을 제공한다.

바람직하게는, 당해 방법은 직경이 4-12인치인 반절연 탄화규소 단결정 및 그 기판의 제조에 이용된다. 더 나아가, 당해 방법은 직경이 8인치를 초과하고 12인치 이하인 반절연 탄화규소 단결정 및 그 기판의 제조에 이용된다.

본 출원에 있어서, 상기 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정, 큰사이즈 탄화규소 단결정 기판 중의 큰사이즈는 직경 4-12인치를 의미한다.

본 출원에 있어서, PVT법은 물리 기상 이동법을 가리킨다.

종래 기술은 PVT법을 통해 결정 성장을 진행하고, 결정 성장 열장은 도가니 벽에서 발열한후 도가니 내부로 전달된다. 도가니 외벽으로부터 멀어지는 위치일수록 온도가 더욱 낮기에, 도가니 내부는 비교적 큰 반경방향 온도 구배를 초래한다. 이러한 상황은 도가니와 결정 사이즈의 증가에 따라 더욱 악화된다. 고순도 반절연 탄화규소 단결정 기판의 저항률은 결정 중의 전기 활성 불순물의 농도에 의해 결정되고, 얕은 도너 원소 질소는 저항률의 수치 및 분포에서 결정적인 작용을 한다. PVT법에 의해 탄화규소 단결정을 제조할 때의 열장 분포 특성으로 인해, 결정 중심으로부터 가장자리로 질소 농도는 점차적으로 감소하기에, 반경방향에서 저항률이 중심으로부터 가장자리로 상승하는 추세를 형성하기 쉽고, 동일한 기판의 저항률 분포 불균일성을 초래한다.

본 출원의 유익한 효과는 다음과 같다.

본 출원의 탄화규소 단결정을 성장하는 열장 구조는, 도가니와 도가니 주변에 피복된 보온 구조를 재 설계하여, 반경방향에 따라 균일한 열장 구조를 형성하기에, 탄화규소 단결정의 품질의 반경방향 균일성을 향상시키여, 고품질의 큰사이즈 고순도 반절연 탄화규소 단결정 기판을 제조할 수 있도록 한다.

본 출원의 탄화규소 단결정의 제조 방법은 고품질의 큰사이즈 고순도 반절연 단결정 및 단결정 기판을 제조할 수 있고, 본 출원의 제조 방법은 부동한 벽 두께의 도가니 및 부동한 두께의 보온 구조를 사용하여 축방향 온도 구배를 제조함과 동시에, 흑연 도가니 상부의 흑연 보온 구조를 변경하기에, 반경방향 온도 분포가 일치한 열장 구조를 제조하여, 큰사이즈 도가니 내부 열장으로 하여금 반경방향 분포가 균일하도록 한다.

본 출원은 PVT법의 열장 분포를 개선하는 것에 의해, 전통적인 상단 보온 구멍 산열에 의해 축방향 온도 구배를 제조하는 방법을 변경하고, 부동한 벽 두께의 도가니 및 부동한 두께의 보온 구조를 이용하여 축방향 온도 구배를 제조하도록 변경함과 동시에, 도가니 상부의 흑연 보온 위치에서 보온 구조를 변경하기에, 경방향 온도 분포가 일치한 열장 구조를 제조할 수 있다. 질소 원소가 온도 구배에 따라 성장하여 결정에 진입하기에, 이러한 반경방향 온도 분포가 균일한 열장 구조는 질소 원소를 반경방향에 따라 균일하게 분포되도록 안내한다. 이러한 방법으로 반경방향 저항률이 일치하고 응력이 작은 고순도 반절연 탄화규소 단결정 및 단결정 기판을 제조할 수 있다.

도1은 본 출원의 실시예의 도가니를 포함하는 열장 구조 모식도이다.
도2는 본 출원의 실시예의 고순도 탄화규소 단결정 기판의 저항률 분포도이다.

여기서 설명된 도면은 본 출원에 대한 더욱 깊은 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 출원의 일부분을 구성하고, 본 출원의 예시적 실시예 및 그 설명은 본 출원을 해석하기 위한 것으로, 본 출원에 대한 부당한 제한을 구성하는 것이 아니다.

본 출원의 전체적인 구상을 더욱 명료히 하기 위해, 이하 명세서 도면과 결합하여 예시의 방식으로 상세히 설명한다.

본 출원의 상술한 목적, 특징 및 장점을 더욱 명료히 하기 위해, 이하 도면과 구체적인 실시형태를 결합하여 본 출원을 더욱 상세히 설명한다. 설명이 필요한 것은, 충돌이 없는 한, 본 출원의 실시예와 실시예 중의 특징은 서로 결합될 수 있다.

본 출원에 대한 충분한 이해를 돕기 위해, 이하의 설명에서 많은 구체적인 세부 사항이 설명되지만, 본 출원은 또한 본 명세서에 기술된 것과 다른 기타 형태로 구현될 수 있으므로, 본 출원의 범위는 아래에 개시된 구체적인 실시예에 의해 제한되지 않는다.

또한, 본 출원의 설명에 있어서, 용어 “상”, “하”, “전”, “후”, “좌”, “우”, “내”, “외”, “축방향”, “반경방향”, “원주방향” 등이 나타내는 방향 또는 위치 관계는 도면의 위치 또는 위치 관계를 토대로 하고, 다만 본 출원을 설명하고 간단화하기 위한 것으로, 사용되는 장치 또는 소자가 반드시 특정한 위치, 특정된 위치 구조 및 조작을 갖는다는 것을 지시 또는 암시하는 것이 아니기에, 본 출원에 대한 제한으로 이해해서는 안됨은 이해해야 할 바이다.

또한, 용어 “제1”, “제2”는 설명의 목적으로만 이용되며, 상대적인 중요성을 지시 또는 암시하거나, 또는 기술적 특징의 수량을 암시적으로 나타내는 것으로 이해해서는 안된다. 따라서, “제1”, “제2”라고 제한된 특징은 하나 이상의 특징을 명시적 또는 암시적으로 포함할 수 있다. 본 출원의 설명에 있어서, “복수”의 의미는 특별히 구체적으로 다르게 정의되지 않는 한 두개 이상을 가리킨다.

본 출원에 있어서, 기타 명확한 규정과 제한이 없는 한, 용어 “설치”, "장착", “연결”, “고정” 등 용어는 광범위하게 이해되어야 하는 바, 예를 들어, 고정 연결일 수도 있고, 분리가능 연결일 수도 있으며, 또는 일체적일 수도 있으며； 기계적 연결일 수도 있고, 전기 연결일 수도 있고, 통신일 수도 있으며; 직접 연결일 수도 있고, 중간 매체를 통한 간접 연결일 수도 있고, 두 개 소자 내부의 연결 또는 두 개 소자의 상호작용 관계일 수도 있다. 당업자에게 있어서, 구체적인 상황에 근거하여 본 출원 중의 상술한 용어의 구체적인 의미를 이해할 수 있다.

본 출원에 있어서, 기타 명확한 규정과 제한이 없는 한, 제1 특징이 제2 특징 “상” 또는 “하”에 있다는 것은, 제1과 제2 특징의 직접 접촉 또는 제1과 제2 특징의 중간 매체를 통한 간접 접촉이다. 본 명세서의 설명에 있어서, 참조 용어 “일 실시예”, “일부 실시예”, “예시”, “구체적인 예시”, 또는 “일부 예시” 등의 설명은, 당해 실시예 또는 예시와 결합하여 설명한 구체적 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 출원의 적어도 하나의 실시예 또는 예시 중에 포함됨을 나타낸다. 본 명세서에 있어서, 상술한 용어의 개략적인 표현은 반드시 동일한 실시 예 또는 예시일 필요가 없다. 또한, 설명된 구체적인 특징, 구조, 재료 또는 특성은 임의의 하나 또는 복수 개의 실시예 또는 예시 중에 적절한 방식으로 결합될 수 있다.

도1을 참조하면, 본 출원의 실시예는 탄화규소 단결정을 성장하는, 도가니를 포함하는 열장 구조를 공개하고 있으며, 당해 열장 구조는 도가니(2), 가열 유닛 및 보온 구조(6)을 포함한다. 도가니(2)는 밀폐된 보온 구조(6) 내부에 위치하고, 가열 유닛은 유도의 방식으로 도가니(2)의 외벽을 가열하며, 가열 유닛은 보온 구조(6)의 주변에 설치된다. 도가니(2) 내에는 결정을 성장하는 원료(1)이 배치되어 있다.

본 출원의 실시예에는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치가 공개하고, 당해 장치는 도가니의 열장 구조와 종결정 유닛(8)을 포함하고, 당해 열장 구조는 도가니(2), 가열 유닛 및 보온 구조(6)을 포함한다. 당해 장치는 흑연 도가니(2), 가열 유닛, 보온 구조(6) 및 종결정 유닛(8)을 포함한다. 흑연 도가니(2)는 밀폐된 보온 구조(6)의 내부에 위치하고, 가열 유닛은 유도의 방식으로 흑연 도가니(2)의 외벽을 가열하며, 가열 유닛은 보온 구조(6)의 주변에 설치된다. 흑연 도가니(2) 내에는 결정 성장 원료(1)이 배치되어 있다. 흑연 도가니(2)의 내벽은 대략적으로 원통형이고, 당해 흑연 도가니(2)의 측벽은 흑연 도가니(2) 저부로부터 개구 방향에 따라 선형으로 두꺼워진다.

가열 유닛은 도가니(2)의 외벽을 가열하기만 하면 실현할 수 있고, 가열 유닛은 전원 제어기와 상응한 중간주파수 유도 코일(4)에 의해 구성된다. 유도 코일(4)는 보온 구조(6) 측부의 주변에 위치하고, 보온 구조(6)을 둘러싸고 도가니(2)와 제1 중심 축선을 공유한다. 중간주파수 유도 코일은, 유도의 방식으로 도가니(2)를 가열한다.

도가니(2)는 흑연 도가니일 수 있지만, 흑연 도가니에 제한되는 것이 아니고, 탄화규소 단결정을 제조하는 임의의 재료일 수 있다. 흑연 도가니(2)의 내벽은 대략적으로 원통형이고, 당해 흑연 도가니(2)의 측벽은 흑연 도가니(2) 저부로부터 개구 방향에 따라 선형으로 두꺼워진다.

보온 구조(6)은 보온 단열 재료로 제조되고, 예를 드러 흑연 보온 펠트에 의해 제조되며, 보온 구조(6)은 보온 측부(66), 보온 저부(62) 및 보온 구조 정부(64)를 포함한다.

더 나아가, 당해 열장 구조는 종결정 유닛(8)을 갖고, 당해 종결정 유닛(8)은 흑연 도가니(2) 커버 내측에 설치되며, 당해 보온 구조(6)는 개구 구조를 갖지 않는다. 당해 종결정 유닛(8)은 탄화 단결정 종결정을 포함한다.

도가니(2)와 보온 구조(6)는 제1 중심 축선(A)를 공유하고, 제1 중심 축선(A)는, 도가니(2)의 측벽 내표면 및 보온 구조(6)의 벽부 외표면과 평행되며, 제1 중심 축선(A)와 도가니(2)의 측벽 외표면 다시말해서 도면 중의 표시선(B)는 제1 협각을 가지며 , 제1 중심 축선(A)와 보온 구조(6)의 벽부 내표면 다시 말해서 도1 중의 표시선(C)는 제2 협각을 가지며, 제1 협각과 제2 협각＜90°이다.

본 출원의 일 실시형태로서, 흑연 도가니(2)에 대한 중간주파수 가열의 표피 효과를 토대로, 흑연 도가니(2)에 대해 중간주파수 가열을 진행할 때, 흑연 도가니(2)의 외벽은 발열원이다. 본 실시예 중의 흑연 도가니(2) 외벽은 사다리꼴 형태이고, 흑연 도가니(2)의 내측은 직통(直筒) 형태를 나타내며, 흑연 도가니(2) 벽 두께는 종결정 위치로부터 흑연 도가니(2) 저부로 두께가 감소된다. 흑연 도가니(2) 주변의 흑연 보온 펠트(6)은 보온 펠트 저부(62), 보온 펠트 정부(64) 및 보온 펠트 측부(66)에 구성되고, 보온 펠트 저부(62)은 규칙적인 원통형이다. 보온 펠트 측부(66)의 두께는 흑연 도가니(2) 외경에 따라 사다리꼴 구조를 나타내며, 다시 말해서 흑연 도가니(2) 상부에 접근한 보온 펠트 측부(66)의 두께가 제일 작고 또한 두께는 흑연 도가니(2) 저부에 접근함에 따라 점차적으로 증가한다. 보온 펠트 정부(64)는 흑연 도가니(2)에 접근하는 한쪽이 돔 형태를 나타내며, 흑연 도가니(2)의 개구면으로부터 그 상부의 보온 펠트 정부(64) 벽부 내표면은 제1 거리(X)를 가지며, 당해 제1 거리(X)의 변화값의 범위는 5-50mm이고, 또한 보온 펠트 정부(64)는 온도 측정 원형 구멍을 더이상 유지하지 않으며, 더 나아가, 당해 제1 거리(X)의 변화값은 25mm이다.

본 출원의 실시형태 중의 흑연 도가니 원통은 위로부터 아래로 두께가 선형으로 감소되고, 흑연 도가니 내벽은 수직 직선을 나태내며, 외벽은 사선(斜線) 형태를 나타낸다. 흑연 도가니 외벽 표면이 유도 가열되기에, 흑연 도가니 상부의 비교적 두꺼운 흑연 벽이 발열된 후 열량이 흑연 도가니 내부 챔버로 전달될 때 흑연 도가니 효율이 흑연 도가니 하부의 비교적 얇은 구역보다 작고, 흑연 도가니 챔버 내에 하부 고온 구역과 상부 저온 구역을 형성하며, 따라서 축방향 온도 구배를 형성한다. 흑연 도가니 벽 내외측 단면 직선이 형성한 각도는 5-30°에 제한되어야 하며, 다시 말해서 흑연 도가니 외표면과 제1 중심선 축선의 제1 협각은 5-30°이며, 당해 제1 협각은 형성된 온도 구배와 흑연 도가니의 발열 효율을 평형시킬 수 있다. 더 나아가, 흑연 도가니 외표면과 제1 중심선 축선의 제1 협각은 20°이다.

더 나아가, 본 출원의 실시형태 중의 흑연 도가니 외측 보온 구조는 흑연 펠트에 의해 제조되고, 당해 보온 구조 다시 말해서 흑연 펠트의 외부는 원통형 구조를 나타내며, 흑연 펠트 측부 외표면은 수직 직선을 나타내며, 흑연 펠트 측부 내표면과 흑연 도가니 외벽은 평행된다. 흑연 펠트 측부 내외 표면의 단면의 협각은 5-30°를 나타내고 다시 말해서 흑연 펠트 측부 내표면과 제1 중심선 축선의 제2 협각은 5-30°이다. 흑연 도가니 하부 얇은 구역 외부는 두꺼운 흑연 펠트를 피복하여 열량 손실을 감소시키여, 고온 구역을 형성한다. 흑연 도가니 상부 얇은 구역이 얇은 흑연 펠트를 피복하여, 열량 손실이 비교적 많기에, 저온 구역을 형성한다. 따라서, 흑연 도가니 흑연 챔버 내에 축방향 온도 구배를 더 형성한다.

더 나아가, 본 출원의 실시형태 중의 흑연 도가니 상부의 흑연 펠트가 흑연 도가니에 접근하는 한쪽은 호형(弧形) 설계를 채용하고 또한 흑연 도가니 중심에는 더 이상 개구를 설치하지 않는다. 상술한 흑연 도가니와 보온 펠트의 설계에 따르면, 흑연 도가니 챔버 내에 축방향 온도 구배를 형성하여, 상부 보온 펠트에 설치된 중앙 구멍 산열에 의해 축방향 온도 구배를 형성하는 설계를 대체한다. 하지만, 흑연 도가니 벽 발열의 원인으로 인해, 반경방향에는 여전히 흑연 도가니 벽에 접근하는 구역의 온도가 높고 흑연 도가니 벽으로부터 멀어지는 챔버 중심의 온도가 낮은 온도 구배가 존재하며, 반경방향 온도 구배를 초래한다. 호형 설계를 이용하여, 흑연 도가니 상부 중심이 상부 흑연 펠트에 비교적 가깝고, 흑연 도가니 가장자리가 상부 보온 흑연 펠트로부터 비교적 멀리 떨어져 있기에, 흑연 도가니 중심의 산열이 적고, 가장자리 산열이 많으며, 따라서 흑연 도가니 벽 발열 상황과 상호적으로 보상하고, 반경방향 온도 구배를 감소시키거나 심지어 없앨 수 있다. 상부 보온 펠트 호형면 높이 차이가 5-50mm로 유지되어야, 반경방향 온도 구배를 합리적으로 제어할 수 있다.

상술한 방법으로 흑연 보온 펠트 보온 구조와 흑연 도가니를 제조한 후 획득한 열장 구조는, 탄화규소 단결정 제조 시에 반경방향 온도 구배가 0에 접근하는 열장 구조를 형성한다. 제조된 열장 구조는 고순도 탄화규소 단결정의 성장에 이용되고, 당해 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법은 다음의 단계를 포함한다.

① 일정한 수량의 탄화규소 분말을 흑연 도가니 내에 배치하 되, 탄화규소 분말의 순도는 99.9999% 이상이어야 하고, 함유된 얕은 에너지 준위 도너 불순물, 예를 들어 질소의 농도는 1×10¹⁶cm^-3 이하이며, 얕은 에너지 준위 억셉터 불순물, 예를 들어 붕소, 알루미늄 등의 농도의 합은 1×10¹⁶cm^-3 이하이다.

② 탄화규소 단결정의 성장에 이용되는 종결정을 흑연 도가니 내부의 탄화규소 분말 상부에 배치한 후, 흑연 도가니를 밀폐하고, 밀폐 후의 흑연 도가니를 흑연 보온 펠트 보온 구조 내부에 배치한 후, 전체를 단결정 성장 장치 내에 이동한 후 노 챔버를 밀폐한다.

③ 노 챔버 내의 압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 5-10h 유지하여, 노 챔버 내의 잔류 불순물을 제거한 후, 노 챔버 내에 점차적으로 예를 들어 아르곤 또는 헬륨과 같은 기체 분위기를 도입한다.

④ 30-50mbar/h의 속도로 노 챔버 압력을 10-100 mbar까지 상승시킴과 동시에, 10-20℃/h의 속도로 노 챔버 내의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 이 온도에서 50-100h 유지하여, 탄화규소 단결정의 성장 과정을 완료한다.

⑤ 단결정 성장 과정 완료 후, 노 챔버 가열을 정지하여, 노 챔버 온도를 실온까지 자연적으로 하강시킨 후, 노 챔버를 개방하여 흑연 도가니를 꺼내면, 상기 고순도 탄화규소 단결정을 획득할 수 있다.

상술한 방법에 따라 탄화규소 단결정을 제조하 되, 구체적인 제조 파라미터와 상술한 방법의 상이점은 표1과 같으며, 고순도 탄화규소 단결정1#-4#가 제조된다.

샘플	제1 협각	제2 협각	제1 거리/mm	원료	불순물 제거 단계 파라미터	결정 성장 단계 파라미터
고순도 탄화규소 단결정1#	20°	20°	25	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 8h 유지	40mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 50mbar까지 상승시킴과 동시에, 15℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 80h 유지
고순도 탄화규소 단결정2#	20°	20°	25	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소의 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 5h 유지	30mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 10mbar까지 상승시킴과 동시에, 10℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 50h 유지
고순도 탄화규소 단결정3#	20°	20°	25	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소의 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 10h 유지	50mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 100mbar까지 상승시킴과 동시에, 20℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 100h 유지
고순도 탄화규소 단결정4#	20°	20°	25	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소의 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 9h 유지	40mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 70mbar까지 상승시킴과 동시에, 18℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 60h 유지
고순도 탄화규소 단결정5#	5°	5°	5	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소의 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 8h 유지	40mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 50mbar까지 상승시킴과 동시에, 15℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 80h 유지
고순도 탄화규소 단결정6#	50°	50°	50	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소의 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 8h 유지	40mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 50mbar까지 상승시킴과 동시에, 15℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 80h 유지
고순도 탄화규소 단결정D1#	3°	3°	25	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소의 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 8h 유지	40mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 50mbar까지 상승시킴과 동시에, 15℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 80h 유지
고순도 탄화규소 단결정D2#	20°	20°	55	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소의 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 8h 유지	40mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 50mbar까지 상승시킴과 동시에, 15℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 80h 유지
고순도 탄화규소 단결정D3#	60°	60°	25	N원소 농도가 5×10¹⁵cm^-3, 붕소와 알루미늄 원소의 농도가 5×10¹⁵cm^-3	압력이 10^-5Pa이 될 때까지 진공화한 후 8h 유지	40mbar/h의 속도로 도가니 내부의 압력을 50mbar까지 상승시킴과 동시에, 15℃/h의 속도로 도가니 내부의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 80h 유지

제조된 탄화규소 단결정1#, 탄화규소 단결정2#, 탄화규소 단결정3#, 탄화규소 단결정4#, 탄화규소 단결정5#, 탄화규소 단결정6#, 탄화규소 단결정D1#, 탄화규소 단결정D2# 및 탄화규소 단결정D3#에 대해 각각 동일한 절단, 연마 및 폴리싱 방법을 진행하여, 탄화규소 단결정 기판1#, 탄화규소 단결정 기판2#, 탄화규소 단결정 기판3#, 탄화규소 단결정 기판4#, 탄화규소 단결정 기판5#, 탄화규소 단결정 기판6#, 탄화규소 단결정 기판D1#, 탄화규소 단결정 기판D2# 및 탄화규소 단결정 기판D3#을 각각 제조한다. 탄화규소 단결정 기판1#, 탄화규소 단결정 기판2#, 탄화규소 단결정 기판3#, 탄화규소 단결정 기판4#, 탄화규소 단결정 기판5#, 탄화규소 단결정 기판6#, 탄화규소 단결정 기판D1#, 탄화규소 단결정 기판D2# 및 탄화규소 단결정 기판D3#은 각각 4-12인치의 규격을 갖는다.

제조된 탄화규소 단결정 기판1#, 탄화규소 단결정 기판2#, 탄화규소 단결정 기판3#, 탄화규소 단결정 기판4#, 탄화규소 단결정 기판5#, 탄화규소 단결정 기판6#, 탄화규소 단결정 기판D1#, 탄화규소 단결정 기판D2# 및 탄화규소 단결정 기판D3#의 저항률 분포를 각각 측정한다. 일반적으로 반절연 탄화규소 단결정 기판의 반경방향 저항률 차이는 하나의 수량급 이상이고,본 출원의 실시예에서 제조된 4-8인치 반절연 탄화규소 단결정 기판1#-6# 저항률은 1×10¹⁰Ω·cm 이상에 도달할 수 있으며, 또한 저항률 반경방향 분포를 하나의 수량급 이내에 제어할 수 있기에, 더 나아가 50% 이내에 제어할 수 있기에, 탄화규소 단결정 기판의 저항률의 균일한 분포를 실현할 수 있다. 탄화규소 단결정D1#, 탄화규소 단결정D2# 및 탄화규소 단결정D3#의 저항률 분포 균일성이 떨어지고, 저항률 반경방향 분포가 두개 수량급을 초과한다. 4인치의 탄화규소 단결정 기판1#을 예로 측정되는 구조를 설명하는 바, 탄화규소 단결정 기판1#의 저항률 분포는 도2에 도시된 바와 같이, 탄화규소 단결정 기판1#의 저항률은 균일하게 분포된다. 4인치 반절연 탄화규소 단결정 기판은, 저항률 최대치가 가장자리 구역에 위치하고, 최소치가 중심 구역에 위치하며, 저항률 값은 각각 4.24×10¹¹Ω·cm와 4.84×10¹¹Ω·cm이며, 저항률 값의 차이는 50% 미만이다.

탄화규소 단결정 성장 계면의 반경방향 온도가 일치성을 유지하기에, 결정 성장 과정 중의 불순물과 고유점 결함의 반경방향 분포가 균일하고, 저항률이 반경방향으로 균일하게 분포한, 더욱 큰사이즈 반절연 고순도 탄화규소 단결정 기판을 실현할 수 있다.

제조된 탄화규소 단결정 기판1#, 탄화규소 단결정 기판2#, 탄화규소 단결정 기판3#, 탄화규소 단결정 기판4#, 탄화규소 단결정 기판5#, 탄화규소 단결정 기판6#, 탄화규소 단결정 기판D1#, 탄화규소 단결정 기판D2# 및 탄화규소 단결정 기판D3#의 굽힘도와 휨도를 각각 측정한다. 4-8인치의 제조된 탄화규소 단결정 기판1#-6#의 굽힘도와 휨도는 10um 이내이다. 예를 들어 4인치 탄화규소 단결정 기판1#의 기판의 굽힘도(bow) 값은3.09um, 휨도(warp)는 6.20um인 바, 우수한 표면 품질을 갖는다.

당해 도가니는 반경방향의 온도 구배를 감소시키여, 탄화규소 결정의 내부 응력을 동시에 감소시키기에, 제조된 탄화규소 단결정 기판은 비교적 작은 응력을 가지며, 그 굽힘도와 휨도의 감소에 유리하며, 더욱 높은 품질의 탄화규소 단결정 기판을 획득할 수 있다. 8인치의 탄화규소 단결정 기판D1#, 탄화규소 단결정 기판D2# 및 탄화규소 단결정 기판D3#의 굽힘도와 휨도는 각각 23.39um/31.74um, 19.27um/29.73um, 27.84um/40.66um로서, 10um를 훨씬 초과한다.

본 출원의 실시예에서 제조된 8-12인치 반절연 탄화규소 단결정 기판1#-6#의 저항률은 1×10¹⁰Ω·cm 이상에 도달할 수 있고, 또한 저항률의 반경방향 분포를 하나의 수량급 이내에 제어할 수 있으며, 더 나아가, 80% 이내에 제어할 수 있기에, 탄화규소 단결정 기판의 저항률의 균일한 분포를 실현할 수 있다. 8-12인치 탄화규소 단결정 기판일 경우, 그 굽힘도와 휨도는 10um 이내에 제어될 수 있다.

이상 설명한 내용은 다만 본 발명의 실시예로서, 본 출원의 보호 범위는 이러한 구체적인 실시에 제한되는 것이 아니며, 본 출원의 특허청구범위에 의해 확정된다. 당업자에게 있어서, 본 출원에 대해 다양한 수정과 변경을 진행할 수 있다. 본 출원의 기술적 사상 및 원리 내에서 이루어진 임의의 수정, 균등한 대체, 개선 등은 본 출원의 범위 내에 포함된다.

Claims

탄화규소 단결정을 성장하는 장치에 있어서,
흑연 도가니, 가열 유닛, 종결정 유닛 및 보온 구조를 포함하고,
당해 보온 구조는 보온 구조 정부(頂部), 보온 구조 측부(側部) 및 보온 구조 저부(底部)를 포함하고, 당해 흑연 도가니의 내벽은 대략적으로 원통형이며, 당해 흑연 도가니의 측벽은 흑연 도가니 저부로부터 개구 방향에 따라 선형으로 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제1항에 있어서,
당해 흑연 도가니는 당해 보온 구조의 밀폐 챔버 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제1항에 있어서,
당해 보온 구조 측부의 측벽은 흑연 도가니 개구로부터 저부 방향에 따라 선형으로 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제1항에 있어서,
당해 흑연 도가니의 개구 단면으로부터 그 상부의 보온 구조 정부 내표면은 제1 거리를 가지며, 당해 제1 거리는 흑연 도가니 중심으로부터 흑연 도가니 가장자리의 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 가열 유닛이 흑연 도가니에 대한 가열 방식은 유도 가열 방식인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제1항에 있어서,
당해 흑연 도가니와 당해 보온 구조는 제1 중심 축선을 공유하고,
당해 제1 중심 축선은 당해 흑연 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조 측부 외표면과 평행되며,
당해 제1 중심 축선과 당해 흑연 도가니의 측벽 외표면은 제1 협각을 가지고, 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조의 측부 내표면은 제2 협각을 가지며, 당해 제1 협각과 제2 협각의 값은 5~30°인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제4항에 있어서,
당해 제1 거리의 변화값은 5-50mm인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제1항에 있어서,
당해 보온 구조의 외표면은 원기둥이고, 당해 보온 구조 정부는 개구를 갖지 않으며,
당해 보온 구조 저부의 내표면은 대략적으로 원통형이며,
당해 흑연 도가니 저부로부터 그 개구 방향에 따라, 당해 보온 구조 측부 내표면은 당해 흑연 도가니 중심 축선으로부터 멀어지는 방향으로 연신되며,
당해 보온 구조 정부는 흑연 도가니 가장자리로부터 중심의 방향에 따라 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제1항에 있어서,
당해 흑연 도가니의 측벽 내표면은 대략적으로 원통형이고, 당해 흑연 도가니의 외벽은 당해 보온 구조 측부 내표면과 대략적으로 동일한 연신 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정을 성장하는 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 탄화규소 단결정을 성장하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치.
탄화규소 단결정을 성장하는 열장 구조에 있어서,
도가니, 가열 유닛 및 보온 구조를 포함하고, 당해 보온 구조는 보온 구조 정부(頂部), 보온 구조 측부(側部) 및 보온 구조 저부(底部)를 포함하며, 당해 도가니는 당해 보온 구조의 밀폐 챔버 내에 위치하며,
당해 도가니의 측벽 개구 구역 벽 두께는 저부 구역의 벽 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제11항에 있어서,
당해 도가니는 흑연 도가니인 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제11항에 있어서,
당해 도가니의 측벽은 도가니 저부로부터 개구 방향에 따라 선형으로 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제13항에 있어서,
당해 보온 구조 측부의 측벽은 도가니 개구로부터 저부 방향에 따라 선형으로 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제11항에 있어서,
당해 도가니의 개구 단면으로부터 그 상부의 보온 구조 정부 내표면은 제1 거리를 가지며, 당해 제1 거리는 도가니 중심으로부터 도가니 가장자리에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제15항에 있어서,
당해 제1 거리의 변화값은 5-50mm인 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제11항에 있어서,
당해 도가니와 당해 보온 구조는 대략적으로 제1 중심 축선을 공유하고,
당해 제1 중심 축선은 당해 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조 측부 외표면과 대략적으로 평행되며,
당해 1 중심 축선과 당해 도가니의 측벽 외표면은 제1 협각을 가지고 및/또는, 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조 측부 내표면은 제2 협각을 가지며, 당해 제1 협각과 제2 협각＜90°인 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제11항에 있어서,
당해 도가니와 당해 보온 구조는 제1 중심 축선을 공유하고,
당해 제1 중심 축선은 당해 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조 측부 외표면과 평행되며,
당해 제1 중심 축선과 당해 도가니의 측벽 외표면은 제1 협각을 가지고, 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조 측부 내표면은 제2 협각을 가지며, 당해 제1 협각과 제2 협각＜90°인 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제17항 또는 제18항에 있어서,
당해 제1 협각의 값은 5~30°이고, 당해 제2 협각의 값은 5~30°인 것
을 특징으로 하는 열장 구조.
제19항에 있어서,
당해 제1 협각과 제2 협각이 대략적으로 같은 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제11항에 있어서,
당해 보온 구조의 외표면은 원기둥이고, 당해 보온 구조 정부는 개구를 갖지 않으며,
당해 보온 구조 저부의 내표면은 대략적으로 원통형이며,
당해 도가니 저부로부터 그 개구 방향에 따라, 당해 보온 구조 측부 내표면은 당해 도가니 중심 축선으로부터 멀어지는 방향으로 연신되며,
당해 보온 구조 정부는 도가니 가장자리로부터 중심의 방향에 따라 두꺼워지며,
당해 도가니의 측벽 내표면은 대략적으로 원통형이고, 당해 도가니의 외벽은 당해 보온 구조 측부 내표면과 대략적으로 동일한 연신 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 열장 구조.
제11항 내지 제21항 중 어느 한 항의 열장 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치.
제22항에 있어서,
상기 결정 성장 장치는, 직경이 4-12인치인 반절연 탄화규소 단결정의 제조에 이용되는 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치.
큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법에 있어서,
제21항 내지 제21항 중 어느 한 항의 열장 구조 ,또는 제22항 또는 제23항의 결정 성장 장치에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법에 있어서,
1) 조립 단계: 탄화규소 분말을 넣은 도가니를 종결정 유닛에 배치한 후, 도가니를 밀폐된 보온 구조의 챔버 내에 배치하여, 결정 성장 장치 내에 이동하는 단계;
2) 불순물 제거 단계: 결정 성장 장치를 밀폐하고 진공화하며, 불순물을 제거한 후 보호 기체를 넣는 단계; 및
3) 결정 성장 단계: 결정 성장 장치의 가열 유닛을 이용하여 도가니 온도를 제어하며, 결정 성장을 진행하여, 고순도 탄화규소 단결정을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 탄화규소 분말의 순도는 99.9999%보다 낮지 않고,
상기 탄화규소 분말 중의 얕은 에너지 준위 도너 불순물의 농도는 1×10¹⁶cm^-3을 초과하지 않고, 얕은 에너지 준위 억셉터 불순물의 농도는 1×10¹⁶cm^-3을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 결정 성장 단계는, 30-50mbar/h의 속도로 결정 성장 장치 내의 압력을 10-100mbar까지 상승시킴과 동시에, 10-20℃/h의 속도로 결정 성장 장치 내의 온도를 2100-2200℃까지 상승시키여, 50-100h 유지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제25항에 있어서,
당해 도가니와 당해 보온 구조는 도가니 내로 하여금 축방향 온도 구배를 갖도록 하고, 및/또는 반경방향 온도가 균일하며; 바람직하게는, 상기 도가니가 흑연 도가니인 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 도가니의 측벽은 도가니 저부로부터 개구 방향에 따라 선형으로 두꺼워지며,
바람직하게는, 상기 보온 구조는 보온 구조 정부, 보온 구조 측부 및 보온 구조 저부를 포함하고, 당해 보온 구조 측부의 벽부(壁部)는 도가니 개구로부터 저부 방향에 따라 선형으로 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제29항에 있어서,
당해 도가니와 당해 보온 구조는 대략적으로 제1 중심 축선을 공유하고,
당해 제1 중심 축선은 당해 도가니의 측벽 내표면 및/또는 당해 보온 구조 측부 외표면과 대략적으로 평행되며,
당해 제1 중심 축선과 당해 도가니 측벽 외표면은 제1 협각을 가지고 및/또는, 당해 제1 중심 축선과 당해 보온 구조의 측부 내표면은 제2 협각을 가지며,
당해 제1 협각＜90°이고, 바람직하게는, 당해 제1 협각값이 5~30°이며,
당해 제2 협각＜90°이고, 바람직하게는, 당해 제2 협각값이 5~30°이며,
더 바람직하게는, 당해 제1 협각과 제2 협각이 대략적으로 같은 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제29항에 있어서,
당해 도가니의 개구면으로부터 그 상부의 보온 구조 정부 내표면은 제1 거리를 가지며, 당해 제1 거리는 당해 도가니 중심으로부터 도가니 가장자리의 방향에 따라 증가하며,
당해 제1 거리의 변화값의 범위는 5-50mm인 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제29항에 있어서,
당해 보온 구조의 외표면은 원기둥이고, 당해 보온 구조 정부는 개구를 갖지 않으며,
당해 보온 구조 저부의 내표면은 대략적으로 원통형이며,
당해 흑연 도가니 저부로부터 그 개구 방향에 따라, 당해 보온 구조 측부 내표면은 당해 흑연 도가니 중심 축선으로부터 멀어지는 방향으로 연신되며,
당해 보온 구조 정부는 도가니 가장자리로부터 중심의 방향에 따라 두꺼워지며,
당해 도가니의 측벽 내표면은 대략적으로 원통형이고, 당해 도가니의 외벽은 당해 보온 구조 측부 내표면과 대략적으로 동일한 연신 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제25항 내지 제32항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정.
제25항 내지 제32항 중 어느 한 항의 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정의 제조 방법; 및 4) 기판 제조 단계: 획득한 고순도 탄화규소 단결정에 대해 절단, 연마 및 폴리싱을 진행하여, 고순도 반절연 탄화규소 단결정 기판을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정 기판을 제조하는 방법.
제34항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 큰사이즈 고순도 탄화규소 단결정 기판.