JP5715159B2

JP5715159B2 - 単結晶成長装置

Info

Publication number: JP5715159B2
Application number: JP2012547944A
Authority: JP
Inventors: リ、サン−フン; オー、ヒュン−ジュン; チョイ、イル−ス
Original assignee: エルジーシルトロンインコーポレイテッド
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: KR101218852B1; JP2013516384A; WO2011083898A1; EP2521805A4; KR20110080342A; EP2521805A1; CN102695822A; US20120266809A1

Description

本発明は、単結晶成長装置の断熱装置およびこれを含む単結晶成長装置に関するものである。

半導体を製造するためにはウェハを製造し、ウェハを製造のためには単結晶シリコンをインゴット形態に成長させる。

シリコン単結晶インゴットIGの成長のための代表的な製造方法としては、単結晶の種結晶を溶融シリコンに漬けた後ゆっくり引き上げながら結晶を成長させるチョクラルスキー(Cz)法がある。

従来技術によれば、単結晶成長工程での断熱材は、ヒーターから発生した熱を外部に逃さないように設計されている。このような設計によって、ヒーターの外側部を熱伝導度が低い断熱材により熱損失を遮断しており、断熱材の厚さはできるだけ厚くしている。

一方、従来技術による単結晶成長装置は、ヒーターから発生した熱が外部に流出ないように断熱材の厚さを利用して制御することで、熱の3つ特性でる伝導、対流、輻射のうち、伝導のみを考慮して熱の流出を抑制しようとする限界がある。

本発明は、熱の流れを効果的に遮断できる単結晶成長装置の断熱装置およびこれを含む単結晶成長装置を提供する。

本発明の単結晶成長装置の断熱装置は、単結晶成長装置のチャンバー内に設置される断熱装置において、前記断熱装置は、第１距離に離隔されて形成される複数の断熱ブロックを含む。

また、本発明の単結晶成長装置は、ヒーターを備えるチャンバーと、前記ヒーターの一側の前記チャンバー内部に設置される断熱装置と、を含み、前記断熱装置は、第１距離に離隔されて形成される複数の断熱ブロックを含む。

本発明の単結晶成長装置の断熱装置およびこれを含む単結晶成長装置によれば、対流や輻射を利用しても熱の流れを効果的に遮断することができる。

また、本発明によれば、単結晶成長工程でヒーターパワー(Heater Power)値を３００mm基準、約３KW〜８KWまでダウンでき、これによってルツボの劣化現象の減少およびホットゾーンの寿命増加および工程費用の減少などの効果がある。

また、本発明によれば、ヒーターパワーが高い場合、ルツボ近くの温度が高いのでメルト(melt)の状態が不安定になるが、ヒーターパワーを下げることでメルトを安定状態にすることができる。

また、本発明による単結晶成長装置の断熱装置を適用した場合、同一ヒーターパワーでの作業時、従来の単結晶成長装置に比べてシリコン溶融時間(melting time)が短くなる効果がある。

また、本発明によれば、４５０mmのような大口径の結晶成長時にはヒーターパワー値の減少が重要であるだけに、その減少は大口径の結晶成長技術において大きい効果を奏することができる。

実施例に係る単結晶成長装置の例示図である。第１実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の部分断面図である。第２実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の部分断面図である。第３実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の部分断面図である。従来技術による単結晶成長装置の熱分布シミュレーション例示図である。第１実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の熱分布シミュレーション例示図である。第２実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の熱分布シミュレーション例示図である。

実施例の説明において、各層(膜)、領域、パターンまたは構造物が基板、各層(膜)、領域、パッドまたはパターンの「上」または「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は「直接」または「他の層を介して」形成されるものを全部含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面における各構成要素の大きさは、説明の便宜を図って誇張されることがあり、実際適用される大きさを意味するものではない。
（実施例）
図１は、実施例に係る単結晶成長装置１００の例示図である。

実施例に係る単結晶成長装置１００は、チャンバー１１０、ルツボ１２０、ヒーター１２７、引上手段(図示されない)等を含むことができる。

例えば、実施例に係る単結晶成長装置１００は、チャンバー１１０と、前記チャンバー１１０の内部に備えられ、シリコン融液SMを収容するルツボ１２０と、前記チャンバー１１０の内部に備えられ、前記ルツボ１２０を加熱するヒーター１２７および単結晶インゴットIGを取囲む冷却管１１５等を含むことができる。

前記チャンバー１１０は、半導体などの電子部品素材として用いられるシリコンウェハ用単結晶インゴットを成長させるための所定の工程が実施される空間を提供する。

前記チャンバー１１０は、ルツボ１２０が収容される成長チャンバーと、前記成長チャンバー上に単結晶インゴットIGが成長していくプルチャンバーを含むことができる。

前記チャンバー１１０の内壁には、ヒーター１２７の熱が前記チャンバー１１０の側壁部に放出されないように断熱装置１３０を設置することができる。

実施例は、シリコン単結晶成長時の酸素濃度を制御するために、ルツボ１２０の回転、内部の圧力条件など様々な因子を調節することができる。例えば実施例は、酸素濃度を制御するために、シリコン単結晶成長装置のチャンバー１１０内部にアルゴンガスなどを注入して下部に排出することができる。

前記ルツボ１２０は、シリコン融液SMを収容できるように前記チャンバー１１０の内部に備えられ、石英材質からなることができる。前記ルツボ１２０の外部には、ルツボ１２０を支持できるように黒鉛からなるルツボ支持台１２５を設けることができる。前記ルツボ支持台１２５は、回転軸(図示されない)上に固定設置され、この回転軸は駆動手段(図示されない)によって回転して、ルツボ１２０を回転および昇降運動させながら、固液界面が同一高さを維持するようにする。

前記ヒーター１２７は、ルツボ１２０を加熱するようにチャンバー１１０の内部に設けることができる。例えば、前記ヒーター１２７はルツボ支持台１２５を取囲む円筒状に形成することができる。このようなヒーター１２７は、ルツボ１２０内に積まれた高純度の多結晶シリコン塊を溶融させて、シリコン融液SMとすることになる。

実施例は、シリコン単結晶インゴットIG成長させる製造方法として、単結晶の種結晶をシリコン融液SMに漬けた後ゆっくり引上げながら結晶を成長させるチョクラルスキー(Cz)法を採用することができる。

この方法によれば、種結晶から細長い結晶を成長させるネッキング(necking)工程と、結晶を直径方向に成長させて目標直径とするショルダーリング(shouldering)工程と、一定の直径を有する結晶に成長させるボディグローイング(body growing)工程と、一定の長さにボディグローイングが進んだ後、結晶の直径を徐々に減少させて最終的に溶融シリコンと分離させるテーリング(tailing)工程を順に経ることで、単結晶インゴットIGの成長が完了する。

図１は、単結晶インゴットIG成長工程中のボディグローイング工程を示している。

図２は、第１実施例に係る単結晶成長装置中の断熱装置の部分断面図である。

第１実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置１３０は、所定の第１距離ｄ１に離隔されて形成される複数の断熱ブロック１３１、１３２、１３３、１３４、１３５を含むことができる。

実施例によれば、断熱装置１３０の断熱材を１つのブロックではなく、複数の断熱ブロック１３１、１３２、１３３、１３４、１３５に分けた形態に形成することで、輻射による断熱効果によりヒーターのパワー値を減少させることができる。

図２では、断熱ブロックの個数を５個としているが、断熱ブロックの個数はこれに限定されるものではなく、２以上の複数にすることができる。

また、実施例は、前記断熱ブロック１３１、１３２、１３３、１３４、１３５の間の離隔距離を約１mm〜約５mmの第１距離ｄ１に離隔させることで、輻射による断熱効果によってヒーターのパワー値を減少させることができる。

実施例で、前記断熱ブロック１３１、１３２、１３３、１３４、１３５の間の離隔距離である第１距離ｄ１は、同一距離に限定されず、約１mm〜約５mm範囲でそれぞれ異なる距離を有するようにすることもできる。

表１は、断熱ブロック間の第１距離によるヒーターパワー値である。

第１実施例によれば、断熱ブロックを複数にし、断熱ブロック間の離隔距離を約１mm〜約５mmに離隔させることで、輻射による断熱効果によってヒーターのパワー値を約１KW程度減少させることができる。

図３は、第２実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の部分断面図である。

第２実施例は、上記第１実施例の技術的な特徴を採用することができる。

第２実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置は、前記断熱ブロック１３１、１３２、１３３、１３４、１３５の間に第１断熱層１３７をさらに含むことができる。

例えば、実施例は、輻射効果を考慮して複数の断熱ブロックの間に、断熱ブロックより放射率(emissivity)が低い第１断熱層１３７を介在させることができる。

例えば、放射率が０.８より低い材質を第１断熱層１３７として追加する場合、断熱効果が増加し、ヒーターパワー値を減少させることができる。

実施例は、黒鉛(Graphite)の放射率０.８より低い約０.４５の放射率を有するスチール(steel)等を前記第１断熱層１３７の材質として採用できるが、これに限定されるものではない。

実施例で、前記断熱ブロックと前記第１断熱層１３７の間の第２距離ｄ２は１mm〜１０mmにすることができる。

表２は、断熱ブロックと第１断熱層１３７の間の第２距離ｄ２によるヒーターパワー値である。

第２実施例によれば、放射率が低い材質を断熱ブロックの間に第１断熱層１３７として追加する場合、断熱効果が増加し、ヒーターパワー値が著しく減少することが分かる。

図４は、第３実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の部分断面図である。

第３実施例は、上記第１実施例、第２実施例の技術的な特徴を採用することができる。

第３実施例は、前記第２実施例と比べて、前記断熱ブロック１３１、１３２、１３３、１３４、１３５の外壁に、コーティングされた第２断熱層１３８を含むことができる。

前記第２断熱層１３８は、前記断熱ブロックより低い放射率を有し、前記第２断熱層１３８間の第３距離ｄ３は１mm〜１０mmにすることができる。

図５は従来技術による単結晶成長装置の熱分布シミュレーション例示図、図６は第１実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の熱分布シミュレーション例示図で、図７は第２実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置の熱分布シミュレーション例示図である。

図５は、従来技術によりチャンバー１０、ヒーター２７、単一ブロックの断熱材３０を備える例であり、図６は第１実施例により５個の断熱ブロックを約１mm間隔に設定した例である。

第１実施例によれば、断熱ブロックを複数にし、断熱ブロック間の離隔距離を約１mm〜約１０mmに離隔させることで、輻射による断熱効果によってヒーターのパワー値を約１KW程度減少させることができる。

図７は、放射率が低い物質を第１断熱層として断熱ブロックの間に入れて断熱効果を増大させた例として、例えば黒鉛材質の断熱ブロックの間に、約１mm厚さのスチール材質の第１断熱層１３７を、断熱ブロックとの距離が約１mmとなるようにして配置した場合のシミュレーション例である。

第２実施例によれば、放射率が低い材質を断熱ブロックの間に第１断熱層１３７として追加する場合、断熱効果が増加し、ヒーターパワー値を約３KW以上減少させることができる。

実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置およびこれを含む単結晶成長装置によれば、対流や輻射を利用しても熱の流れを効果的に遮断できる。

また、実施例によれば、単結晶成長工程でヒーターパワー値を３００mm基準、約３KW〜８KWまでダウン可能となり、これによってルツボの劣化現象の減少およびホットゾーンの寿命増加および工程費用の減少などの効果がある。

また、実施例によれば、ヒーターパワーが高い場合、ルツボ近くの温度が高いのでメルト(melt)の状態が不安定になるが、ヒーターパワーを下げることでメルトを安定状態にすることができる。

また、実施例に係る単結晶成長装置の断熱装置を適用する場合、従来の単結晶成長装置と比較して、同じヒーターパワーで作業時シリコン溶融時間(melting time)が減る効果がある。

また、実施例によれば、４５０mmのような大口径の結晶成長時にはヒーターパワー値の減少が重要であるだけに、その減少は大口径の結晶成長技術において大きい効果を奏することができる。

以上の実施例で説明された特徴、構造、効果などは、少なくとも１つの実施例に組合せることができ、必ず１つの実施例に限定されるものではない。また、各実施例に例示した特徴、構造、効果などは、当業者であれば、別の実施例に組合せたり変形して実施可能であり、このような組合と変形も本発明の範囲内に含まれるものであると解釈されるべきである。

また、以上では実施例を中心に本発明を説明したが、これは例示であり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で、以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であることは自明である。例えば、実施例に具体的に開示された各構成要素は、変形して実施可能であり、このような変形と応用に係る差異点も、添付された特許請求の範囲の範囲内に含まれるものであると解釈されるべきである。

本発明は、単結晶成長工程でシリコンインゴットの直径３００mmを基準とする場合、ヒーターパワー値を約３KW〜８KWまでダウン可能となるが、これに限定されるものではない。

例えば、本発明は、４５０mmのような大口径のシリコンインゴット結晶成長時に、ヒーターパワー値の減少などのために適用することができる。

Claims

ヒーターを備えるチャンバーと、
前記ヒーターの一側の前記チャンバー内部に設置される断熱装置と、を含み、
前記断熱装置は、黒鉛で構成された複数個の断熱ブロックを含み、
前記複数個の断熱ブロックは、相互に第１距離で離隔するように配置され、
前記複数個の断熱ブロックの間には第１断熱層が介在され、
前記複数個の断熱ブロックは、前記第１断熱層と第２距離で離隔するように配置され、
前記第１断熱層は前記断熱ブロックより低い放射率を有する単結晶成長装置。
前記断熱装置の断熱ブロック間の第１距離は１mm〜１０mmである請求項１に記載の単結晶成長装置。
前記第２距離は１mm〜１０mmである請求項１に記載の単結晶成長装置。
前記第１断熱層は０.８以下の放射率を有する請求項１に記載の単結晶成長装置。
前記第１断熱層は、スチールで構成される請求項１に記載の単結晶成長装置。