KR20220088554A

KR20220088554A - AlN 단결정 및 이의 성장방법

Info

Publication number: KR20220088554A
Application number: KR1020200178421A
Authority: KR
Inventors: 여임규; 전명철; 이승석
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-06-28

Abstract

본 발명은 물리기상전달(PVT)법을 사용하여 AlN 단결정을 성장시키는 방법으로서, AlN 단결정 성장시 사용되는 질화알루미늄(AlN) 원료 분말의 공극률이 70부피% 내지 75부피%인, AlN 단결정 성장방법에 관한 것이다.

Description

AlN 단결정 및 이의 성장방법 {AlN SINGLE CRYSTAL AND THE GROWING METHOD THEREOF}

본 발명은 AlN 단결정 및 이의 성장방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 AlN 단결정 성장방법 중의 원료 물질을 제어하여 고품질의 AlN 단결정을 성장시켜 수득하고자 하는 것이다.

대표적인 반도체 소자 재료로 사용된 규소(Si)가 물리적 한계를 보이게 됨에 따라, 차세대 반도체 소자 재료로서 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄(AlN) 등의 광대역 반도체 재료가 각광을 받고 있다. 여기에서, 질화알루미늄은 상온에서 6.2eV의 밴드갭 에너지를 가지며 뛰어난 물리적 특성을 갖는 직접 천이형 화합물 반도체 소재로 GaN 및 InN와 고용체를 형성하여 UV영역부터 IR까지 넓은 범위의 발광소자 제조에 적용되고 있다.

AlN 단결정 성장방법으로 PVT 법(Physical Vapor Transport)이 높은 수율과 고품질화된 질화알루미늄을 제작할 수 있는 장점이 있어 현재 널리 통용되고 있다. PVT법은 질화알루미늄(AlN) 혹은 탄화규소(SiC), 사파이어(Sapphire)로 이루어진 종자정을 종자정 받침대에 부착하고, 이를 성장 장치내부에 장입한다. 그리고 흑연 혹은 내화금속(W, Ta, Pt)을 포함하는 반응기 내부에 장입된 원료 물질 즉, 질화알루미늄 분말을 가열하고 이를 승화시켜 종자정에 단결정을 성장시킨다.

한편, 단결정 성장용 질화알루미늄 분말은 고품질화 된 잉곳(ingot)을 얻기 위해 입도가 제어된 고순도 분말 사용이 필수적이다. 상용화된 대부분의 분말은 주로 소결체 혹은 필러용으로 사용되기 때문에 평균 입도가 1㎛ 이하의 수준 가진다. 이러한 미립자들은 성장 수율의 저하 및 품질의 영향을 주기 때문에, 자체적으로 고온 열처리 즉, 입 성장에 대하여 연구하는 등 다양한 시도가 이루어지고 있다.

질화알루미늄(AlN) 단결정 성장에 있어서, 성장 방법이 유도 가열인 경우 질화알루미늄 원료 분말의 불균일한 승화를 해결하여 질화알루미늄 단결정 성장방법의 수율을 높이고 이로부터 수득되는 질화알루미늄 단결정의 품질을 높이고자 한다.

본 발명 일 구현예에 따른 AlN 단결정 성장방법은 물리기상전달(PVT)법을 사용하여 AlN 단결정을 성장시키는 방법으로서, AlN 단결정 성장시 사용되는 질화알루미늄(AlN) 원료 분말의 공극률이 70부피% 내지 75부피%이다.

상기 물리기상전달법을 사용하여 AlN 단결정을 성장시키는 방법은 단결정 성장 반응기 내부의 하부에 질화알루미늄(AlN) 원료 분말을 장입하는 단계; 종자정을 단결정 성장 반응기 내부의 상부에 장착시키는 단계; 단결정 성장 반응기를 대기압에서 성장온도까지 승온시키는 단계; 및 단결정 성장 반응기 내부를 성장 압력까지 감압하고 유지시켜 단결정을 성장시키는 단계;를 포함한다.

상기 질화알루미늄 원료 분말은 평균 입경이 50 내지 100㎛인 입자의 부피분율이 75% 이하이다.

상기 종자정 표면에 수평한 가로 방향의 온도 구배가 1.95 내지 2.15℃/cm이다.

상기 종자정은 질화알루미늄, 탄화규소, 및 사파이어로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함한다.

상기 단결정 성장 반응기를 대기압에서 성장온도까지 승온시키는 단계; 전에 단결정 성장 반응기 내부 불순물 제거단계; 및 불활성 가스를 이용한 퍼징단계;를 포함한다.

상기 단결정 성장 반응기 내부 불순물 제거단계;는 진공압력하에서 1000℃미만으로 2시간 내지 3시간 동안 가열하여 불순물을 제거하는 단계이다.

상기 단결정 성장 반응기를 대기압에서 성장온도까지 승온시키는 단계;에서 성장온도는 1800℃ 내지 2200℃이다.

상기 단결정 성장 반응기 내부를 성장 압력까지 감압하고 유지시켜 단결정을 성장시키는 단계;에서 성장 압력은 300torr 내지 600torr이다.

본 발명 일 구현예에 따른 AlN 단결정은 질화알루미늄(AlN) 단결정의 XRD Rocking Curve의 FWHM(degree)가 0.1 이하이다.

본 발명 일 구현예의 질화알루미늄 단결정 성장방법에 따르면, 질화알루미늄 원료 분말의 물리적 성질을 제어함으로써, 질화알루미늄 원료 분말의 승화 거동을 제어할 수 있다.

본 발명 일 구현예의 질화알루미늄 단결정 성장방법에 따르면, 질화알루미늄 원료 분말의 승화 거동을 제어함으로써, 단결정 잉곳 성장 수율을 높일 수 있다. 또한, 이로부터 고품질의 질화알루미늄 단결정을 수득할 수 있다.

도 1은 본 개시 일 구현예의 AlN 단결정 성장 장치의 모식도이다.
도 2는 종래 방법에 따라 AlN 단결정을 성장시키는 경우 시간 경과에 따른 원료 분말의 변화를 도시한 것이다.
도 3은 본 개시 일 구현예의 AlN 단결정의 XRD Rocking Curve 분석을 도시한 것이다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.

또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 1은 본 발명 일 구현예에 따른 AlN 단결정 성장장치를 도시한 것이다.

도 1의 단결정 성장장치는, 원료분말이 장입되는 단결정 성장 반응기, 상기 반응기를 둘러싸는 단열재, 상기 단열재를 감싸며 상, 하부가 개방된 석영관, 상기 석영관의 상, 하부를 폐쇄하는 플랜지, 상기 석영관을 감싸는 가열수단을 포함한다.

본 발명 일 구현예에 따른 AlN 단결정 성장방법은 물리기상전달 (Physical Vapor Transport, PVT) 방법을 이용하여 종자정에 단결정을 성장시킨다.

구체적으로 단결정 성장 반응기 내부의 하부에 질화알루미늄(AlN) 원료 분말을 장입하는 단계; 종자정을 단결정 성장 반응기 내부의 상부에 장착시키는 단계; 단결정 성장 반응기를 대기압에서 성장온도까지 승온시키는 단계; 및 단결정 성장 반응기 내부를 성장 압력까지 감압하고 유지시켜 단결정을 성장시키는 단계;를 포함한다.

이때 종자정은 질화알루미늄, 탄화규소, 및 사파이어로 이루어진 군 중에서 1 종 이상을 포함한다. 보다 구체적으로는 질화알루미늄, 탄화규소, 또는 사파이어로 이루어져 있다. 종자정은 종자정 홀더에 결합되어 단결정 성장 반응기 내부의 상부에 장착될 수 있다.

상기 단결정 성장 반응기 내부 불순물 제거단계;는 진공압력하에서 1000℃미만으로 2시간 내지 3시간 동안 가열하여 단결정 성장 반응기 내의 불순물을 제거하는 단계이다. 이후 불활성 가스 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 반응기 내부 및 반응기와 단열재 사이에 남아있는 공기를 제거하는 퍼징(Purging) 단계를 수행한다. 여기서 불활성 가스를 이용한 퍼징(purging) 단계는 2 내지 3회 반복되는 것이 바람직하다.

상기 단결정 성장 반응기를 대기압에서 성장온도까지 승온시키는 단계;에서 성장온도는 1800℃ 내지 2200℃이다. 이때 승온시키는 단계에서 단결정 성장 반응기를 대기압으로 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형 및 급격한 분말의 승화를 방지하기 위함이다.

상기 단결정 성장 반응기 내부를 성장 압력까지 감압하고 유지시켜 단결정을 성장시키는 단계;에서 성장 압력은 300torr 내지 600torr이다. 단결정을 성장시키는 단계에서 원료 물질이 승화되며 종자정에서 AlN 단결정이 성장된다.

통상적으로 질화알루미늄(AlN) 단결정 성장에 있어서 성장된 단결정의 수율은 분말의 소진량과 비례한다. 그러나, 유도가열법의 특성상 단결정 성장 반응기의 표피를 가열시켜 내벽부의 열이 내부로 전달되는데 있어서, 분말 사이에 공극(Porosity)은 열 전달을 방해하기 때문에 분말 외각만 승화되고, 중심부는 남아있는 불균일한 승화가 일어나게 된다. 이는 수율을 저하시키는 주된 원인이다. 또한 불균일한 승화가 상단에 재결정화되는 종자정에도 동일한 영향을 줄 수 있다. 이에 따라, 성장된 잉곳의 품질이 제어되지 않아 전위(dislocation) 에너지를 크게 하여 다양한 결함들을 야기시키고, 수율 또한 낮아 고품질의 단결정 구현이 힘들어지는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 단결정 성장 반응기의 하부에 장입되는 AlN(질화알루미늄) 원료 분말의 특징을 제어하여 상기의 문제점을 해결하고자 한다. 특히 질화알루미늄 원료 분말의 입도, 보다 구체적으로는 공극률을 제어함으로써, 원료 분말의 승화거동을 제어하여, 종자정 성장 수율을 향상시키고, 종자정 표면에 평행한 가로 방향의 온도 구배를 제어하여 고품질의 질화알루미늄 단결정을 성장시키는 방법을 제공하고자 한다.

질화알루미늄 원료 분말은 상(phase), 입도(distribution), 순도(purity) 형상(shape)등의 다양한 물리적 특성을 가지고 있다. 이러한 원료 분말의 물리적 특성은 고품질의 단결정 성장을 위해서는 제어되어 하는 중요한 요소 중 하나이다. 반응기 내에서 분말은 입도에 따라 승화거동에 큰 차이를 보인다. 이에 추가로 입도가 동일해도 분말의 형상이 달라지게 되면 공극율이 달라지기 때문에 두 가지를 동시에 제어해야 된다.

유도가열의 특성상 단결정 성장 반응기 중심부 보다 내벽부의 온도가 높기 때문에 분말의 가장자리에서 먼저 승화가 일어나게 된다. 이 때 승화거동은 충진 밀도 즉, 공극에 차이에 따라 반응기 중심부로 열 전달의 차이를 보이게 된다. 또한 반응기에서 분말로 전도 열이 계속 공급되기 때문에, 분말에서는 복사열 형태로 상부에 종자정 방향으로 향하게 된다. 그러나, 시간이 경과될수록 분말이 소진되어 빈 공간이 발생하여 복사열의 열량은 계속 감소된다. 상기에서 설명한 두 가지 요인에 의해서 단결정 성장 시 분말의 승화거동이 달라지기 때문에 이를 활용하여 잉곳의 수율 및 품질을 제어 할 수 있다. (도2 참조)

따라서 본 발명 일 구현예에 따른 AlN 단결정 성장방법에서 단결정 성장 반응기 내부의 하부에 장입되는 질화알루미늄 원료 분말은 공극률이 70부피% 내지 75부피%일 수 있다. 공극률이 70부피% 보다 낮게 되면 분말 충진 밀도가 증가하여 성장속도가 빨라지는 장점이 있다. 그러나, 통기성이 부족하여 하단부의 분말이 상단부로 이동이 어렵게 된다. 따라서, 일정시간 경과 후 성장률이 낮아지게 되고, 장시간 성장이 불가능 하기 때문에 잉곳의 수율 및 품질이 하락하게 된다. 반면 공극률이 76 부피 %보다 높게 되면 분말내 통기성은 증가하나, 유도가열의 특성상 외부에서 내부로 오는 가로방향의 열 전달량이 시간이 지남에 따라 감소하게 된다. 따라서 외각부의 분말이 먼저 승화하고, 중심부가 승화되지 않는 불균일한 승화 거동을 보이게 된다. 또한 승화되는 분말의 급격한 감소로 성장률이 감소하게 된다. 따라서, 공극률이 70부피% 내지 75부피%일 때 전체적으로 균일한 승화가 일어나서 높은 결정성을 가지며, 장시간 성장이 가능하여 수율을 높일 수 있다.

또한, 상기 질화알루미늄 원료 분말은 평균 입경이 50 내지 100㎛인 입자의 부피분율이 75 부피% 이하일 수 있다. 일반적으로 일반적으로 질화알루미늄 분말의 밀도는 3.26g·cm^-3 이기 때문에 부피, 질량의 상관관계를 환산하였을 때 상기 70부피% 내지 75부피%의 공극률을 달성하기 위하여는 평균 입경이 50 내지 100㎛인 입자의 부피분율이 75 부피% 이하이어야 한다.

상기와 같은 공극률을 가지는 질화알루미늄 원료 분말을 이용하여 단결정을 성장시키는 경우, 종자정 표면에 수평한 가로 방향의 온도 구배는 1.95 내지 2.15℃/cm일 수 있다.

상기와 같은 성장조건을 만족시키며 AlN 단결정을 성장시키면, XRD Rocking Curve의 FWHM(degree)가 0.1 이하로 결정성이 우수한 고품질의 AlN 단결정을 수득할 수 있다. 구체적으로 XRD Rocking Curve의 FWHM(degree)가 0.04 내지 0.05인 AlN 단결정을 수득할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

실험예

본 발명의 효과를 확인하기 위해 자체적으로 전 처리한 AlN 분말을 사용, tapping을 통해 공극율을 계산하였고, 시뮬레이션으로 종자정의 가로 온도구배(radial temperature gradient)를 구하였다. 또한 성장된 기판의 성장률 및 XRD Rocking Curve 분석을 통해 품질과의 상관관계를 도출하였다. 표 1은 분말의 공극율에 따른 가로 온도구배, 성장률(성장속도), 기판 품질의 상관관계를 나타내었다. FWHM(Full Width at Half Maximum, 반치전폭)은 XRD Rocking Curve의 피크 값의 절반이 되는 Omega Degree의 폭을 나타낸 것이다.

본 실험예에서는 밀도가 3.26g·cm^-3이고 질화알루미늄 분말의 입도가 50㎛ 이상 100㎛ 이하인 분말 비율의 체적을 제어하여 공극률을 표 1과 같이 제어하였다.

	공극률(%)	가로 온도구배(℃/cm)	성장속도 (㎛/h)	FWHM (deg)
실험예 1	65 ~ 69	1.80 ~ 1.94	52.2	0.1128
실험예 2	70 ~ 75	1.95 ~ 2.15	31.3	0.0484
실험예 3	76 ~ 80	2.16 ~ 2.30	2.3	측정 불가

동일한 반응기 내부구조에서 공극율이 차이에 따라 분말의 승화거동이 변화되는 것으로 관찰되었다. 이는, 열 및 물질 전달 특성이 달라질 수 밖에 없기 때문에 성장되는 단결정 잉곳의 가로 온도구배, 성장률, 품질에도 영향을 미칠 수 있다.실험예 1번의 경우 가로온도구배가 가장 낮게 계산되었다. 이는 반응기에서 분말로 전도되는 열이 계속 공급되는 것과 동시에 분말에서 복사열 형태로 상부 종자정 방향으로 향하게 된다. 따라서 잉곳의 가로 온도구배가 낮게 계산되고, 이와 반대로 분말의 승화는 활발해져서 성장률이 상대적으로 높게 관찰된다. 일반적으로 성장률과 품질은 반비례 관계를 가지기 때문에 FWHM(deg)의 경우 0.1128 수준을 가지고 다소 열위한 품질의 AlN 단결정이 얻어진다.

실험예 2번의 경우 가로 온도구배, 성장률, 품질 모두 이상적이기 때문에 FWHM(deg)의 경우 0.0484 수준의 고품질 단결정을 얻을 수 있다. 도 3의 경우 결정성을 평가하기위해 XRD를 활용하여 성장된 잉곳을 오메가 스캔(Omega Scan)한 결과이다. 성장에 사용된 종자정은 [11-20] 방향으로 약 4°off-axis 되어 있기 때문에, AlN의 c축 방향에 해당되는 (002)면 14° 근처에서 회절 피크가 관찰되었다.

실험예 3번의 경우 가로 온도구배가 가장 높게 계산되었다. 이는 열 전달의 문제로 분말의 복사열이 충분하지 못하였음을 얘기한다. 또한 불균일한 승화 문제로 분말 중심부가 승화되지 못하여 낮은 성장률을 얻었고, 따라서 품질 측정이 불가능하였다.

본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims

물리기상전달(PVT)법을 사용하여 AlN 단결정을 성장시키는 방법으로서,
AlN 단결정 성장시 사용되는 질화알루미늄(AlN) 원료 분말의 공극률이 70부피% 내지 75부피%인, AlN 단결정 성장방법.
제1항에 있어서,
상기 물리기상전달법을 사용하여 AlN 단결정을 성장시키는 방법은
단결정 성장 반응기 내부의 하부에 질화알루미늄(AlN) 원료 분말을 장입하는 단계;
종자정을 단결정 성장 반응기 내부의 상부에 장착시키는 단계;
단결정 성장 반응기를 대기압에서 성장온도까지 승온시키는 단계; 및
단결정 성장 반응기 내부를 성장 압력까지 감압하고 유지시켜 단결정을 성장시키는 단계;를 포함하는, AlN 단결정 성장방법.
제1항에 있어서,
상기 질화알루미늄 원료 분말은 평균 입경이 50 내지 100㎛인 입자의 부피분율이 75% 이하인, AlN 단결정 성장방법.
제2항에 있어서,
상기 종자정 표면에 수평한 가로 방향의 온도 구배가 1.95 내지 2.15℃/cm인, AlN 단결정 성장방법.
제2항에 있어서,
상기 종자정은 질화알루미늄, 탄화규소, 및 사파이어로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는, AlN 단결정 성장방법.
제2항에 있어서,
상기 단결정 성장 반응기를 대기압에서 성장온도까지 승온시키는 단계; 전에
단결정 성장 반응기 내부 불순물 제거단계; 및
불활성 가스를 이용한 퍼징단계;를 포함하는, AlN 단결정 성장방법.
제6항에 있어서,
상기 단결정 성장 반응기 내부 불순물 제거단계;는
진공압력하에서 1000℃미만으로 2시간 내지 3시간 동안 가열하여 불순물을 제거하는 단계인, AlN 단결정 성장방법.
제2항에 있어서,
상기 단결정 성장 반응기를 대기압에서 성장온도까지 승온시키는 단계;에서
성장온도는 1800℃ 내지 2200℃인, AlN 단결정 성장방법.
제2항에 있어서,
상기 단결정 성장 반응기 내부를 성장 압력까지 감압하고 유지시켜 단결정을 성장시키는 단계;에서
성장 압력은 300torr 내지 600torr인, AlN 단결정 성장방법.
질화알루미늄(AlN) 단결정의 XRD Rocking Curve의 FWHM(degree)가 0.1 이하인, AlN 단결정.