다중물리 유한요소해석에 의한 SiC 단결정의 용액성장 공정 설계

윤지영,이명현,서원선,설용건,정성민,Yoon, Ji-Young,Lee, Myung-Hyun,Seo, Won-Seon,Shul, Yong-Gun,Jeong, Seong-Min 한국결정성장학회 2016 한국결정성장학회지 Vol.26 No.1

용액성장법에 의한 SiC 단결정 성장은 Si 또는 Si-금속합금의 융액으로부터 SiC를 성장시키는 방법으로서, 통상의 상부종자 용액성장법(Top Seeded Solution Growth)에서는 Si 융액을 담는 흑연도가니로부터 C가 Si 융액에 용해되고 용해된 C이 상부에 위치한 종자결정으로 이동하여 종자결정상에 SiC 형태로 재결정화하는 단계를 거쳐 SiC의 단결정을 성장시키는 과정을 거치게 된다. SiC 용액성장에 있어서는 SiC의 단결정성장을 위하여 흑연도가니의 형상, 크기, 재질 및 상대적 위치 배열 등 온도제어와 유체흐름 제어를 위해 다양한 공정변수를 선정해야한다. 본 연구에서는 용액성장공정의 설계를 위해 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 전자기장해석, 열전달해석, 유체해석에 대한 다중물리해석모델을 구축하고 이 모델을 이용하여 결정성장공정을 설계하였다. 해석결과에 기초하여 2 inch off-axis 4H-SiC 단결정을 종자결정으로 적용하여 $1700^{\circ}C$에서 상부종자 용액성장법에 의하여 SiC 단결정을 성장시켰다. 광학현미경 및 고분해능 X선회절분석을 통해 결정성을 분석한 결과 해당 성장조건에서 양호한 품질의 단결정이 성장함을 확인하였다. 이로써 본 연구에서 구축된 다중물리해석모델이 SiC의 용액성장 공정설계에 유효함을 확인하였다.

흑연 단열재 최적화 및 질소 도핑을 통한 SiC 단결정성장에서의 폴리타입 안정화와 결정성 향상

김나경,송경준,김대욱,박찬호,박미선,정광희,김정곤,이원재 한국결정성장학회 2025 한국결정성장학회지 Vol.35 No.3

물리적 기상 수송법(Physical Vapor Transport, PVT)을 이용한 SiC 단결정 성장에서 최적화된 성장조건, 핫존 및 단열재의 설계가 중요하다. 불완전한 성장 설계로 인한 단결정 내부의 폴리타입(Polytype) 혼입, 균열(Crack) 발생, 결함밀도 증가는 최종 SiC 단결정의 품질을 저하시킨다. 본 연구에서는 기존 흑연 단열재 구조 대비 도가니 상부의 축 방향(Axial direction)과 반경 방향 (Radial direction) 온도구배를 높일 수 있는 새로운 단열재 디자인을 구성하고 폴리타입 안정성 확보 를 위해 성장 공정에 질소가스를 주입하는 단계를 적용하였다. 상부 단열 보강에 의한 도가니 내부 온도 분포, SiC 원료 화학종의 이동경로를 확인하기 위해 VR reactor 소프트웨어를 통한 시뮬레이션을 진행하였다. 각 디자인을 적용하여 성장 된 잉곳은 ~100 µm/hr 초중반의 성장률이 달성되었다. 기존 구조인 Design A를 이용한 결정의 경우, 잉곳 전체로 폴리타입 의 혼입과 균열이 발생하였으나, Design B와 Design C를 이용한 결정에서는 잉곳 외곽부의 다결정 발생 상대적으로 억제 되었으며 결정성이 대폭 향상된 것을 알 수 있었다. 특히, 도가니 상부측 단열을 강화하고 성장 공정동안 질소 가스 주입한 Design C를 적용한 결정의 경우 고품질 4H-SiC 결정이 얻어졌다. The optimization of growth conditions, hot zone design, and insulation structure is crucial for high-quality SiC single crystal growth using Physical Vapor Transport (PVT) techniques. Inadequate growth design can lead to polytype inclusions, crack formation, and increased defect density within the crystal, ultimately deteriorating the quality of the final SiC single crystal. In this study, a new insulation design was developed to enhance the axial and radial temperature gradients at the top of the crucible compared to the conventional graphite insulation structure. Additionally, nitrogen gas was employed during the growth process to ensure polytype stability. Simulations using VR reactor software were conducted to analyze the internal temperature distribution within the crucible and the migration pathways of SiC source chemical species resulting from the enhanced upper insulation. Ingots grown using each design achieved growth rates in the mid-100 µm/hr range. In crystals grown with the conventional Design A, polytype inclusions and cracking were observed throughout the ingot. In contrast, crystals grown with Designs B and C showed significant suppression of polycrystalline formation at the ingot periphery and markedly improved crystallinity. Notably, the application of Design C, which featured enhanced upper crucible insulation and nitrogen gas employed during the growth process, resulted in high-quality 4H-SiC crystals.

Halogen floating zone 법에 의한 $LiTaO_3$ 단결정 성장$I.LiTaO_3$단결정 성장특성

류정호,임창성,오근호 한국결정성장학회 1997 한국결정성장학회지 Vol.7 No.4

Halogen type floating zone system을 이용하여 직경 6 mm, 길이가 20 mm인 조화용융조성(congruently melting composition)의 $LiTaO_3$(LT) 단결정을 성장시켰다. 최적의 분말합성조건, 원료봉의 소결조건, 결정 성장조건을 확립하였다. 공기나 질소분위기에서는 결정성장이 불가능하였으나 아르곤 분위기에서는 안정한 형태의 용융대를 형성 및 유지할 수 있어서 결정성장이 용이하게 진행될 수 있었다. 성장된 결정으로 Laue back reflection pattern, 전이온도, 굴절율분포, 투과율을 측정하여 성장된 결정의 물성을 평가하였다. 성장된 결정의 부분별(top, body, tail) 전이온도 차가 $1^{\circ}C$로 측정되어 floating zone(FZ)법으로 성장된 LT결정이 조성적으로 균일함을 확인할 수 있었다.

승화법에 의한 SiC 단결정 육성

강승민,오근호 한국결정성장학회 1995 한국결정성장학회지 Vol.5 No.1

자체 제작된 승화법에 의한 결정성장 장치를 이용하여, 6H-SiC 단결정을 성장하였다. Acheson 법으로 얻어진 6H 결정을 seed substrate로 사용하였으며, SiC source 로부터 분해된 승화 증기가 seed상에서 육성되도록 흑연 도가니내의 온도구배 및 성장온도와 압력을 유기적으로 조절하였다. 성장 전 graphite 도가니 구성부와 SiC 원료에 대한 purification을 행함으로써 성장결정 내부로의 불순물 혼입이 억제되도록 하엿다. 결정 성장시의 육성조건으로 도가니 바닥의 온도는 $2300~2400^{\circ}C$였으며, 성장로 내부의 분위기 압력은 200~400 torr에서 양질의 단결정을 얻을 수 있었다. 성장된 결정을 두께 1.5 mm의 wafer로 제작하여 XRD와 optical microscope로 관찰하였고, FT-IR spectrum으로 분석하였다.

일방향 응고법에 의한 단결정 Si의 결정성장에 관한 연구

김계수,이창원,홍준표 한국결정성장학회 1993 한국결정성장학회지 Vol.3 No.2

Si과 흑연 주형사이에 release layer로서 $CaCl_2$를 사용하여 vold와 crack이 없는 건전한 다결정 Si ingot를 제조하였다. 원소재로서 merallurgical-grade Si를 사용하였으며, 결정성장속도와 응고분율에 따른 불순물농도변화, X-선 회절분석, 비저항측정등을 행하였다. X-선 회절분석 결과 R=0.5mm/min으로 성장된 다결정 Si의 우선성장방향은 (220)면이고, R=0.2mm/min의 경우 우선성장방향은 (111)면임을 확인하였다. 또한 결정성장속도 및 응고분율의 증가에 따라 비저항값은 감소하는 경향을 나타내었다.

석탄 바닥재가 포함된 결정화 유리의 특성에 미치는 수식제의 영향

강승구,Kang, Seung-Gu 한국결정성장학회 2010 한국결정성장학회지 Vol.20 No.1

화력 발전소에서 배출된 석탄 바닥재로 L-A-S($Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$)계 결정화 유리를 제조함에 있어 수식제인 CaO 첨가가 결정화 온도, 결정상 종류, 미세구조 등의 특성에 미치는 영향을 분석하였다. L-A-S계 유리에 CaO를 첨가하면 DTA 그래프 상의 유리 전이 온도 및 결정화 온도가 함께 높아지고 주 결정상으로 ${\beta}$-spodumene($LiAlSi_2O_6$) 및 eucryptite ($LiAlSiO_4$)가 생성되었으며, 동시에 CaO와 관련된 미지의 상도 약간 생성되었다. 결정화 유리 시편은 표면 및 내부 결정화 거동을 함께 나타냈으며, CaO 첨가량이 증가하면 시편 내부의 결정 크기 및 분율이 높아졌다. 또한 시편의 겉에서 내부 방향으로 성장한 표면 결정은, CaO 첨가에 따라 다양한 형태를 보였으며 CaO 첨가량이 9 wt% 이상이 되면 일부 균열이 관찰되었는데 이는 ${\beta}$-spodumene과 CaO 관련 결정 간에 열팽창계수 차이에 의한 것으로 생각된다.

Co, Fe가 diopside 결정색 변화에 미치는 영향

변수민,이병하,Byeon, Soo Min,Lee, Byung-Ha 한국결정성장학회 2014 한국결정성장학회지 Vol.24 No.5

본 연구에서는 도예가들이 경험적으로 제조하여 사용하는 diopside 결정유약에 $Co_3O_4$와 $Fe_2O_3$를 첨가하였을 경우 Co와 Fe이 유약과 diopside 결정의 발색에 미치는 영향을 연구하고자 하였다. 그 결과 diopside 결정유약에 $Co_3O_4$를 넣을 경우 유약의 색상은 blue색을 띠며 결정의 색상은 diopside 결정에 Co가 고용되면서 pastel violet색을 띠었으며 diopside 결정유약에 $Fe_2O_3$를 넣을 경우 유약의 색상은 brown색을, 결정의 색상은 diopside 결정에 Fe가 고용되면서 goldenrod색을 띠었다. 그리고 diopside 결정유약 표면에 석출된 결정은 diopside 결정과 diopside precursor로 이루어져 있었다. 또한 유지시간이 길어짐에 따라 diopside precursor의 량은 줄고 diopside 결정량은 많아졌다. Diopside 결정에는 Fe보다는 Co가 더 잘 고용되었으며, Co가 고용될 경우 diopside 결정성은 더 좋아져 특성 peak의 강도가 높아졌다. 그리고 Fe이 고용되면 특성 peak의 강도는 낮아지면서 diopside 결정은 부분적으로 와해됨을 알 수 있었다.

2인치 기판용 n-InP 결정 성장 및 기판소재의 특성 분석

석주선,이경찬,임학준,주경,주형규 한국결정성장학회 2024 한국결정성장학회지 Vol.34 No.6

인화 인듐 (Indium phosphide, InP)은 약 1.36 eV의 에너지 밴드갭 (bandgap)을 갖는 III-V족의 직접형(direct bandgap) 반도체이며, 광통신 대역의 1,550 nm 파장 등 근적외선 파장 대역의 광반도체 제조에 필요한 기판소재로서 매우 중요한 소재이다. 이러한 근적외선 파장영역은 자율주행 자동차용 라이다(LiDAR), 광통신 반도체 레이저, 의료용 반도체 레이저, 반도체 광검출기, 미사일 탑재 적외선 탐색기, 군사용 고출력 레이저 및 각종 센서 등에 광범위하게 응용되고 있다. 본 연구에서는 황(Sulfur, S)이 도핑된 n-형 반도체인 InP를 고압 수직 브리지만 방식(Vertical Bridgman Method, VB법)으로 성장시켰으며, 이를 2인치 기판형태로 절단하여 기판 위의 위치에 따라서 5개의 시료로 준비하여 특성분석을 수행하였다. 성장된 소재의 특성은 결정학적, 전기적, 광학적인 영역으로 나누어 분석을 수행하였다. X선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD), 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 분석, 전위밀도(Etch Pit Density, EPD) 측정, 캐리어 농도 및 전기전도도, 전자이동도 분석, 가변 여기 파장 형광분석(Photoluminescence Excitation, PLE), 시간분해 형광분석(Time- resolved Photoluminescence, TR-PL) 등을 활용하여 해당 기판 소재의 특성 분석을 수행하였다. 성장된 n-InP 기판소재는 (100) 방향의 갖는 Zincblend 구조를 갖는 단결정으로 판단된다. 또한 캐리어 농도, 전기전도도, 전기이동도 등 전기적 특성은 우수한 편으로 분석되었다. 그러나 해외 기판소재와 비교해 볼 때, 측정된 EPD 값과 HR-XRD의 피크 값의 각도(2) 반치 폭이 상대적으로 크며, TR-PL에서 측정한 형광 수명이 상대적으로 짧다. 이는 본 성장 기판소재의 결정의 전위 밀도 등 상당한 양의 결함이 존재함을 의미하여 고품질 기판소재 제조를 위해서 성장 조건 최적화가 추가로 필요할 것으로 판단된다. Indium phosphide (InP) is a direct bandgap III-V semiconductor with the bandgap energy of approximately 1.36 eV, being used as a substrate semiconductor to fabricate optoelectronic devices at the near-infrared wavelengths such as 1,550 nm (telecommunication wavebands). Such optoelectronic devices include LiDAR for autonomous vehicles, semiconductor lasers, medical semiconductor lasers, photodetectors, infrared seekers for military missiles, military purpose high-power lasers, and various types of sensors. In this study, n-type InP doped with sulfur (S) was grown using the high-pressure Vertical Bridgman (VB) method for fabricating 2 inch wafers. We arranged the five specimens from five different positions on the wafer for characterization of various properties such as crystallographic, electrical, and optical one, via X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), etch pit density (EPD) estimation, Hall effects measurements, photoluminescence excitation (PLE) spectroscopy, and time-resolved photoluminescence (TR-PL). Characterization results indicated that the grown crystals could be approximately estimated as single crystals with Zincblende structure of (100) orientation and exhibited comparable or relatively good properties of electrical properties in comparison with n-InP single crystal wafers commercially available from overseas manufacturers. However, defects and crystalline impurity such as EPD were seen to be considerably higher than those of wafers of overseas manufacturers and needed to be minimized for improving n-InP single crystals. Given such defects, future works need to include the relevant optimization of growing conditions.

석탄 바닥재-${Na_2}O-{Li_2O}$계 결정화 유리의 미세구조 분석

강승구,Kang, Seung-Gu 한국결정성장학회 2009 한국결정성장학회지 Vol.19 No.1

화력발전소로부터 발생된 석탄 바닥재(coal bottom ash)에 융제로 $Na_{2}O$ 및 $Li_{2}O$를, 핵 형성제로 $TiO_2$를 첨가하여 결정화유리를 제조한 뒤 그 미세구조를 분석하였다. 시편내 주결정상은 nepheline이었고, $TiO_2$가 첨가됨에 따라 nepheline 결정상 분율이 증가되었다. $TiO_2$가 첨가되지 않은 시편은 표면 결정화 기구에 수지(dendrite) 형태의 결정상이 성장되었으며, 내부 모상에는 결정이 거의 생성되지 않았다. 그러나 $TiO_2$ 첨가량이 4% 이상으로 증가되면, 표면결정화 기구는 억제되어 표면결정층의 두께가 얇아졌고 내부 모상은 결정질로 전이되었으며 동시에 $1{\mu}m$ 이하 크기의 미립자도 함께 생성되었다. 특히 6%의 $TiO_2$가 첨가된 결정화유리 내부에는 길이가 $5{\mu}m$인 수지상 결정들이 서로 얽혀진 형태를 보였으며, 이러한 미세구조는 외부로부터 하중을 가해졌을 때 발생되는 균열의 전파를 효과적으로 억제할 수 있을 것으로 예상된다.

승화법에 의한 CdS 단결정 성장

정태수,김현숙,유평렬,신영진,신현길,김택성,정철훈,이훈,신영신,강신국,정경수,홍광준,Jeong, T. S.,Kim, H. S.,Yu, P. Y.,Shin, Y. J.,Shin, H. K.,Kim, T. S.,Jeong, C. H.,Lee, H.,SHin, Y. S.,Kang, S. K.,Jeong, K. S.,Hong, K. J. 한국결정성장학회 1993 한국결정성장학회지 Vol.3 No.2

수직 2단 전기로를 제작하고 결정성장관에 꼬리관을 연결하여 seed 결정없이 승화 방법으로 CdS 결정을 성장하였다. 이때 시료부분과 성장부분의 온도차 ${\Delta}T$가 이론적인 값 $14.7^{\circ}C$와 비교해서 실험적으로 얻은 값이 $15^{\circ}C$ 로 아주 일치하는 값을 나타내었다. 이때 꼬리관의 온도를 $110^{\circ}C$로 시간당 0.38mm 정도로 빨리 결정성장관을 끌어 올려 결정을 성장하였다. 분말법의 X-선 회절무늬와 Laue 배면 반사법의 Laue 무늬로부터 성장된 결정이 육방정이고 결정성장관의 길이 방향으로 c축을 갖는 단결정임을 확인하였다. 또한 CdS 단결정은 상온에서 전자 이동도와 운반자 밀도는 각각 $316cm^2/V{\cdot}sec$와 $2.90{\times}10^{16}cm^{-3}$정도이였다.