[논문]PVT법에 의한 AlN 단결정 성장에서 Hot-Zone 의존성

인경필; 강승민

doi:10.6111/jkcgct.2016.26.2.084

초록
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PVT(Physical vapor transport)법을 이용하여 AlN 단결정을 성장시켰으며 유도 코일의 위치를 변화시켜가면서 핫존의 위치가 달라짐에 따라 변화하는 결과를 비교하였다. 그라파이트 도가니가 사용되었으며 그 규격은 ${\Phi}90{\times}H120$이었다. 온도는 $1950{\sim}2050^{\circ}C$이며 챔버 압력은 150에서 1 Torr까지 사용되었다. 또한 핫존은 실험 회차에 따라 변화를 주었으며 이 결과가 비교되었다. 핫존의 위치가 AlN 단결정 응축 위치에서부터 충분히 아래쪽(> 40 mm)인 경우 성장된 결정 사이즈는 다른 조건들에 비해 양호했지만(${\sim}300{\mu}m/hr$), 조건 재현성은 상당히 떨어졌다. 반대로 핫존과 AlN 성장 위치간의 거리가 가까워질수록 성장된 결정의 크기는 작아지고 결정의 핵이 생성되는 빈도는 낮아지면서 성장된 결정의 질의 안정성은 증가했다. 성장 속도와 품질 두 가지 면에서 초기 핫존 코일의 위치가 결정 성장 위치로부터 20 mm 정도일 때가 가장 우수했다. 핫존의 위치는 매우 민감한 결과를 주었고 이것에서 더 나아가 코일의 이동 속도 또한 최적으로 컨트롤 되어야만 최적의 성장 조건이 설정될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

AlN single crystals were grown by the PT (Physical vapor transport) method with position-changable induction coil. And the graphite crucible dimensioned ${\Phi}90{\times}H120$ was used on processing. The temperature was $1950{\sim}2050^{\circ}C$ and ambient pressure was 150~1 T...

AlN single crystals were grown by the PT (Physical vapor transport) method with position-changable induction coil. And the graphite crucible dimensioned ${\Phi}90{\times}H120$ was used on processing. The temperature was $1950{\sim}2050^{\circ}C$ and ambient pressure was 150~1 Torr. And the hot-zone was changed according to times on growing for result comparison. When hot-zone by coil is located below far enough (> 40 mm) from AlN crystal concentration position, the as-grown crystals physical size is better ($300{\mu}m/hr$) than another condition, but the condition-reproducibility was very poor. However the closer the distance between hot-zone and AlN growing posion, the smaller the size of as-grown crystal and the rarer the generation of the crystal nuclear, but the crystal growing condition is stable for quality. The best condition for both growth rate and quality is gained when the starting position of hot-zone coil is about 20 mm distance from growing position. For the best growth condition, the position of hot-zone is very sensitive factor and the further more the condition of speed of coil shift also must control.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 핫존의 위치를 변화시켜가면 종자결정이 없이 AlN 단결정을 성장시키고 이를 핫존과 성장 위치간의 거리의 변화에 의한 성장 결과 및 성장 조건의 차이를 고찰하고 이를 보고하고자 한다.

제안 방법

AlN 단결정을 성장시키기 위해 PVT법의 고온 진공 유도 가열로을 사용하였으며, 그라파이트 재질의 도가니를 이용하였고, 해당 도가니 내부의 하반에 AlN 분말을 장입하여 증발되도록 하였고 상부에서 결정으로 응축되도록 그라파이트 재질의 증착판을 설치하여 그곳에 직접적으로 결정의 핵 및 결정이 성장되도록 진행하였다. 실험 중에는 신규로 생성되는 결정만을 평가하기 위해 종자결정은 사용되지 않았다.

대상 데이터

사용된 도가니는 G348 계열의 그라파이트 재질(비중 1.92, 비저항 10 μΩm)을 사용하였으며, 도가니는 상하로 구분되어 하부에는 원료 분말을 담을 수 있도록 구성하였는데 사용된 원료로는 Tokuyama 사(일본)의 AlN 분말(순도 99.95 %, D₅₀ < 1.0 μm)이 이용되었다. 또한 안쪽의 상부에 원료로부터 일정한 거리에 동일한 그라파이트 재질로 되어져 결정이 재응축될 판을 부착하였는데 이의 탈부착이 용이하도록 구성하여 해당 위치에 증발 가스들이 모여 결정으로 재결정화 될 수 있도록 제작하였다.

성능/효과

PVT법을 이용한 AlN 단결정 성장에 있어서 결정의 성장률과 결정의 품질을 좌우하는 요소로서 온도와 반응챔버 내의 압력 등 여러 가지가 있지만 이런 요소 외에도 실제로 주목해야할 요소로서 핫존과 결정이 생성되는 거리 등의 요소 또한 매우 중요하다고 보여진다. 본 실험을 통해 이 거리를 변화시켜 가면서 생성된 결정의 양과 조건의 안정성들을 평가해본 결과 핫존의 위치가 결정 생성부에 가까울수록 안정된 조건에 의해 작지만 반복성있는 결정을 얻을 수 있었다. 거리가 멀어질수록 결정의 성장률이 증가하게 되지만 실험 구조상 조건의 불안정이 증가하는 것으로 나타났다.
본 실험을 통해 이 거리를 변화시켜 가면서 생성된 결정의 양과 조건의 안정성들을 평가해본 결과 핫존의 위치가 결정 생성부에 가까울수록 안정된 조건에 의해 작지만 반복성있는 결정을 얻을 수 있었다. 거리가 멀어질수록 결정의 성장률이 증가하게 되지만 실험 구조상 조건의 불안정이 증가하는 것으로 나타났다.

후속연구

이러한 요소는 현재 사용 중인 도가니 시스템, 단열성, 발열특성 및 장비의 구조 등과 직접적으로 연관되며 특히 PVT 시스템에서 안정적인 장기 성장을 이루기 위해서는 열적인 특성 및 핫존의 합리적 이동 등이 복합적인 요소로 작용될 것으로 보여져 필수적으로 고려되어져야 한다. 따라서 PVT 시스템에서의 도가니의 구조와 발열에 관한 연구는 앞으로도 지속적으로 진행되어져야 할 것으로 사료된다.
이러한 요소는 현재 사용 중인 도가니 시스템, 단열성, 발열특성 및 장비의 구조 등과 직접적으로 연관되며 특히 PVT 시스템에서 안정적인 장기 성장을 이루기 위해서는 열적인 특성 및 핫존의 합리적 이동 등이 복합적인 요소로 작용될 것으로 보여져 필수적으로 고려되어져야 한다. 따라서 PVT 시스템에서의 도가니의 구조와 발열에 관한 연구는 앞으로도 지속적으로 진행되어져야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PVT법을 이용한 AlN 단결정 성장에서 결정의 성장률과 품질을 좌우하는 요소에는 무엇이 있는가?	PVT법을 이용한 AlN 단결정 성장에 있어서 결정의 성장률과 결정의 품질을 좌우하는 요소로서 온도와 반응챔버 내의 압력 등 여러 가지가 있지만 이런 요소 외에도 실제로 주목해야할 요소로서 핫존과 결정이 생성되는 거리 등의 요소 또한 매우 중요하다고 보여진다. 본 실험을 통해 이 거리를 변화시켜 가면서 생성된 결정의 양과 조건의 안정성들을 평가해본 결과 핫존의 위치가 결정 생성부에 가까울수록 안정된 조건에 의해 작지만 반복성있는 결정을 얻을 수 있었다.
	AlN은 Si와 같은 반도체 재료의 어떤 단점을 극복하기 위해 개발되어져왔는가?	AlN 단결정은 오래전부터 흥미있는 관심거리였다. Si과 같은 반도체 재료는 이미 개발되어 사용되어지지만부속 시스템들 간의 연결에서 열 발생 문제, 절연 특성 등에 있어서 상당히 제한적이며 이러한 특성들로 인해 초고밀도로 집적하는데 방해를 받아왔다. 이러한 사유로 인해 좀 더 밴드갭이 넓은 재료가 요구되어 졌으며 GaN, SiC, ZnO, AlN 등이 그에 적합한 재료로서 개발되어져왔고 AlN은 그중에서도 가장 우수한 특성을 나타낸다.
	PVT법을 이용해 AIN 단결정을 성장시킬 때 성장 속도와 품질은 핫존 코일의 위치가 어느 정도일 때 가장 우수하였는가?	반대로 핫존과 AlN 성장 위치간의 거리가 가까워질수록 성장된 결정의 크기는 작아지고 결정의 핵이 생성되는 빈도는 낮아지면서 성장된 결정의 질의 안정성은 증가했다. 성장 속도와 품질 두 가지 면에서 초기 핫존 코일의 위치가 결정 성장 위치로부터 20 mm 정도일 때가 가장 우수했다. 핫존의 위치는 매우 민감한 결과를 주었고 이것에서 더 나아가 코일의 이동 속도 또한 최적으로 컨트롤 되어야만 최적의 성장 조건이 설정될 수 있다.

참고문헌 (7)

R. Schlesser, R. Dalmaum and Z. Sitar, "Seeded frowth of AlN bulk single crystals by sublimation", J. Cryst. Growth 241 (2002) 416.

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S.M. Kang, "Growth of AlN crystals by the sublimation process", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 18 (2008) 68.
S.M. Kang, "A study on the growth morphology of AlN crystals grown by a sublimation precess", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 19 (2009) 242.
Z.G. Herro, D. Zhuang, R. Schlesser and Z. Sitar, "Growth of AlN single crystalline boules", J. Cryst. Growth 312 (2010) 2515.
V. Noveski, R. Schlesser, S. Mahajan, S. Beaudoin and Z. Sitar, "Mass transfer in AlN crystal growth at high temperature", J. Cryst. Growth 264 (2004) 369.

상세보기
M. Bickermann, B.M. Epelbaum and A. Winnacker, "Characterization of bulk AlN with low oxygen content", J. Cryst. Growth 269 (2003) 432.
M. Miyanaga, N. Mizuhara, S. Fujiwara, M Shimazu, H. Nakahata and T. Kawase, "Evaluation of AlN singlecrystal grown by sublimation method", J. Cryst. Growth 300 (2007) 45.

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