JP6236158B2

JP6236158B2 - インゴット成長装置

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Publication number: JP6236158B2
Application number: JP2016536018A
Authority: JP
Inventors: チョン、ハン−ソル; キム、ド−ヨン
Original assignee: エスケーシルトロンカンパニーリミテッド
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-08-06
Also published as: WO2015046746A1; CN105408529A; EP3051008A1; KR20150033909A; JP2016528157A; EP3051008B1; KR101516486B1; US20160208406A1; EP3051008A4

Description

本発明は、坩堝及びそれを含むインゴット成長装置に関するものであり、特に坩堝の断熱をより向上する坩堝及びインゴット勢著装置に関するものである。

半導体素子製造用シリコンウェハの大口径化が進められるにつれ、シリコンウェハの殆どはチョクラルスキー（ＣＺ）法によって成長されたシリコン単結晶インゴットから製造されている。

ＣＺ方法では、石英坩堝にポリシリコンを装入し、それを黒鉛発熱体によって加熱して溶融した後、溶融の結果で形成されたシリコン融液に種子結晶を接触し、界面で結晶化が起こるようにして種子結晶を回転しながら徐々に引き揚げることで、望みの直径を有するシリコン単結晶インゴットを成長させる。

ところで、石英坩堝内のポリシリコンの溶融の際と単結晶成長工程の際、黒鉛坩堝の上側及び下側は外部に露出されていて露出された坩堝の熱伝導率が高く、坩堝の上側と下側で大量の熱が損失される問題点が発生していた。

また、熱の損失を補償するためにヒータパワーを上昇する際、黒鉛坩堝の上側と下側との間のコナー部に劣化が集中する現象が発生しており、このような劣化による損傷がコナー部に集中的に発生して、黒鉛坩堝だけでなく石英坩堝の寿命が短くなる問題点が発生していた。

本発明は前記のような問題点を解決するためのものであって、ポリシリコンを加熱する際に黒鉛坩堝の内部を断熱して坩堝の特定部位に劣化が集中する現象を防止するインゴット成長装置を提案する。

本実施例のインゴット成長装置は、シリコン融液が収容される石英坩堝と、前記石英坩堝が収容される黒鉛坩堝と、前記黒鉛坩堝の下部を支持する坩堝台と、前記黒鉛坩堝の方に熱を提供するためのヒータ部と、を含み、前記黒鉛坩堝は前記石英坩堝と接する内側本体と前記内側本体から所定間隔を置いて配置される外側本体とから形成され、前記内側本体と外側本体との間には不活性ガスが注入されている不活性ガス層が形成されることを特徴とする。

提案する本実施例によると、ポリシリコンを溶融する際に坩堝の内部を断熱することで、ヒータパワーを減少してインゴットの品質を向上し単価を下げる長所がある。

また、本実施例によると、坩堝内壁の特定部位に劣化が集中する現象を防止して劣化による損傷を予防することで、坩堝の寿命が増加する長所がある。

本実施例のインゴット成長装置を示す図である。本実施例の坩堝と坩堝周辺の構成要素の断面を示す図である。本実施例の坩堝の上面を示す図である。本実施例の不活性ガス層のない坩堝にヒータが熱を加える様子を示す図である。本実施例の不活性ガス層のある坩堝にヒータが熱を加える様子を示す図である。

以下、本実施例について添付した図面を参照して詳細に説明する。但し、本実施例が開示する事項から本実施例が有する発明の思想の範囲が決められるが、本実施例が有する発明の思想は提案する実施例について構成要素の追加、削除、変更などの実施変形を含むといえる。

図１は、本実施例のインゴット成長装置を示す図である。

図１を参照すると、インゴット成長装置内にはシリコン融液を入れる石英坩堝２００とそれを支持する黒鉛坩堝１００が含まれ、熱を加えるヒータ３００と、外部からの熱を遮断する側面断熱部６００と上部断熱部７００を含む。

また、前記黒鉛坩堝１００を支持する坩堝台４００、坩堝台４００から延長されて前記坩堝を回転させる坩堝回転部４１０を更に含むが、前記坩堝回転部４１０は上下移動も可能であるため、前記黒鉛坩堝１００は坩堝回転部４１０によって回転及び昇降される。

特に、前記インゴット成長装置は前記黒鉛坩堝１００の内部に空き空間及びガス注入口を備え、前記ガス注入口と連結されて黒鉛坩堝１００の内部空間に不活性ガスを伝達するガス供給管５１０と、前記ガス供給管５１０に不活性ガスを供給するガス供給手段５００を更に含む。

一方、前記黒鉛坩堝１００は材質が黒煙で形成された坩堝を指すが、炭素複合材料で構成された坩堝もそれに含まれる。

そして、前記石英坩堝２００の上側にはその下端部に単結晶の種子結晶が付着される種子結晶回転軸８００が位置し、前記種子結晶回転軸８００は坩堝回転部４１０とは異なる方向に回転され、種子結晶回転軸８００も坩堝回転部４１０と同じく昇降が行われる。

前記黒鉛坩堝１００の方に熱を発生する前記ヒータ部３００はインゴットの原料であるポリシリコンを溶かしてシリコン融液を製造するために工程中に熱を供給する役割をし、側面断熱部６００はインゴット成長装置内の断熱のためにヒータ部３００の外側に構成され、前記上部断熱部７００はシリコン融液の上方に位置し、インゴットは上部断熱部７００の内側に種子結晶回転軸８００の上昇によって引き上げられる。

ところで、前記ヒータ部３００が黒鉛坩堝１００を加熱する際に前記黒鉛坩堝１００の部位に応じて熱伝達に偏差が生じるが、前記熱伝達の偏差によって黒鉛坩堝１００の特定部位に劣化が集中する現象が発生する。

そして、このような劣化集中現象によって前記黒鉛坩堝１００の特定部位に損傷が集中的に発生し、このような損傷によって黒鉛坩堝１００の寿命が縮む問題点が発生する恐れがあるため、本実施例では前記坩堝１００に対する断熱がより効果的に行われるように不活性ガス層が更に形成される。

即ち、前記黒鉛坩堝１００の寿命を延長するために本発明では前記黒鉛坩堝１００の内部空間に不活性ガス層１１０を設け、前記不活性ガス層１１０が黒鉛坩堝１００の内部を断熱して坩堝の内壁に均一に熱を分布するようにすることで、前記黒鉛坩堝１００の特定部位における劣化集中による損傷を防止することができる。また、このような不活性ガス層１１０によって坩堝外部への過度な熱損失も防止される。

本発明の構成要素をより詳細に説明するために図２を参照する。

図２は、本実施例の黒鉛坩堝１００と黒鉛坩堝１００周辺の構成要素を示す図である。

図２を参照すると、シリコン融液が収容されている石英坩堝２００は黒鉛坩堝１００内に配置され、二重構造の坩堝が形成される。

前記黒鉛坩堝１００から熱を伝達されて前記石英坩堝が高温の環境に置かれると、前記石英坩堝で酸化シリコンガス（ＳｉＯ_ｘ）が発生し、前記酸化シリコンガスは黒鉛坩堝１００の炭素と反応して炭化珪素（ＳｉＣ）化する現象が発生する。

このような現象は、黒鉛坩堝１００の温度が高い特定部位で集中的に発生し、前記炭化珪素化は黒鉛坩堝１００の損傷の原因となる。

そして、前記損傷した黒鉛坩堝１００内に石英坩堝２００を位置させる場合、黒鉛坩堝１００の損傷した特定部位の内部で更に炭化珪素化が集中的に発生し、結局前記特定部位と接触する石英坩堝２００の形状が変形して、前記黒鉛坩堝１００の寿命が短くなる恐れがある。

以下、前記損傷を防止するための本発明の黒鉛坩堝１００について説明する。

前記黒鉛坩堝１００内には本実施例によって不活性ガスが収容される空間が設けられる。前記黒鉛坩堝１００内には不活性ガスで満たされる空間が多様に形成される。

例えば、前記黒鉛坩堝１００の内部に少なくとも一つの空き空間を形成してもよく、または前記黒鉛坩堝１００が所定間隔離隔された内側本体１０１と外側本体１０２で形成されて本体の間に空間を形成してもよい。

前記黒鉛坩堝１００が前記石英坩堝２００と接する内側本体１０１と前記内側本体１０１から所定間隔を置いて配置される外側本体１０２で形成される場合、前記内側本体１０１と前記外側本体１０２との間には少なくとも一つの支持部１２０が形成される。

よって、前記支持部１２０は所定厚さで少なくとも一つ形成され、黒鉛坩堝１００内部の空間は不活性ガスで満たされる。この際、前記黒鉛坩堝１００の側面部に位置した内側本体１０１と外側本体１０２との間にも不活性ガスが収容される空間が設けられ、不活性ガスが前記黒鉛坩堝１００の内側本体１０１を包むように提供される。

そして、前記支持部１２０によって内側本体１０１と外側本体１０２とが離隔される高さは前記黒鉛坩堝１００の全体の厚さの５０％以内になるように形成される。

例えば、内側本体１０１と外側本体１０２の厚さ及び不活性ガスで満たされる空間の高さを足した全体の厚さが２５〜３０ｍｍになる場合、前記不活性ガスで満たされる空間の高さ（即ち、支持部によって内側本体と外側本体とが離隔された距離）は１０〜１４ｍｍの範囲になる。もし前記黒鉛坩堝１００が炭素複合材料で形成されてより薄い厚さに形成される場合、例えば全体の厚さを８〜１０ｍｍの範囲に形成することができる場合には、内側本体と外側本体が離隔された長さが３〜４ｍｍの範囲になる。

そして、前記黒鉛坩堝１００の内側本体１０１と外側本体１０２は上側で互いに連結されるように形成し、不活性ガスが黒鉛坩堝の外部に漏れることを防止する。

ところで、前記黒鉛坩堝１００の場合、黒鉛を形成する炭素の結合は結合力が弱いファンデルワールス結合で形成されているため高温反応によってパーティクルが発生しやすく、不活性ガスが外側本体を介して漏れる恐れがあり、黒鉛坩堝の内部のシリコンが汚染する恐れがある。

それを防止するために、前記石英坩堝２００を収容する前記黒鉛坩堝１００の表面または黒鉛坩堝１００の内部空間を形成する外側と内側本体の内面をガラス状炭素（Ｇｌａｓｓｙｃａｒｂｏｎ）でコーティングし、黒鉛坩堝１００の強度を上げて不活性ガスの外部への漏れを防ぐことができる。

ガラス状炭素をコーティングする方法としては、前記黒鉛坩堝１００の表面に熱硬化性樹脂層を形成してから乾燥及び熱処理して、前記熱硬化性樹脂をガラス状炭素に炭化することで、ガラス状炭素を黒鉛坩堝１００と外側及び内側本体の表面にコーティングする。この際、使用される熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂、フラン樹脂またはその混合物が使用される。

一方、前記不活性ガス層１１０を形成する不活性ガスは熱伝導率が非常に低いため、前記内側本体１０１と外側本体１０２の間の熱交換を遮断する。

即ち、前記不活性ガス層１１０は黒鉛坩堝１００の内部に流れ込んだ熱が容易に坩堝の外に抜けられないようにすることで、ヒータ部３００のヒータパワー値を下げても坩堝の温度は維持されるが、このような前記不活性ガス層１１０の断熱作用によって黒鉛坩堝１００の内側壁の特定部位に劣化が集中することを防止することができる。

また、前記不活性ガス層１１０は黒鉛坩堝１１０の内側壁に熱を均一に分布するようにすることで劣化集中現象を防止し、更に黒鉛坩堝１００の損傷を予防することができる。

本実施例では前記不活性ガス層１１０の断熱効果を上げるために、熱伝導率が低いアルゴンガス（Ａｒｇａｓ）を使用する。

ところで、ポリシリコンを溶融するために前記黒鉛坩堝１００を加熱すると、前記黒鉛坩堝１００内部の不活性ガスが膨張して黒鉛坩堝１００が損傷する恐れがある。それを防止するために、不活性ガスによる黒鉛坩堝１００の内部圧力を調節する必要がある。

本実施例では前記黒鉛坩堝１００の圧力を調節するために前記黒鉛坩堝１００の下側には不活性ガス収容空間または内部空間にガスを注入するための注入口を設け、前記注入口に連結されて不活性ガスを供給及び除去するガス供給管５１０を更に配置する。

このような構成を介し、前記黒鉛坩堝１００は内部空間の不活性気体の量を調節して黒鉛坩堝１００の内部圧力を均一に維持することができる。

以下、黒鉛坩堝１００の内部空間に不活性ガスを供給及び除去するための構成要素についてより詳細に説明する。

まず、前記黒鉛坩堝１００の下部のガス注入口には不活性ガスを伝達するためのガス供給管５１０が連結される。

前記ガス供給管５１０は前記黒鉛坩堝１００を支持する坩堝台４００の内部を通過し、坩堝回転部４１０の内部で回転部４１０の回転軸に沿って延長されてガス供給手段５００に連結される。

前記ガス供給手段５００はチェンバー５００の外部に設けられ、前記ヒータ部３００が動作する間にのみ不活性ガスが黒鉛坩堝１００の内部に供給されるようにする。

また、それとは逆に前記ガス供給手段５００は前記黒鉛坩堝１００内部の不活性ガスを吸入して不活性ガスを除去することもできる。

即ち、前記ガス供給手段５００は前記黒鉛坩堝１００の内部に不活性ガス層を備え、不活性ガスの量を維持して黒鉛坩堝１００の内部気圧を一定に維持する役割をする。

図３は、本実施例の坩堝の上面を示す図である。

図２を見ると、前記黒鉛坩堝１００には注入された不活性ガスを排出する孔Ｈが少なくとも一つ形成される。

インゴット成長工程の際、前記黒鉛坩堝１００の上端で石英坩堝２００と接触した隙間にインゴット成長装置内部の異物が吸着する現象が発生する。このような異物の吸着のため、黒鉛坩堝１００の上端に損傷が集中する問題点がある。

それを防止するために、前記黒鉛坩堝１００の孔Ｈは黒鉛１００の上面に形成される。より詳しくは、前記孔Ｈは黒鉛坩堝１００の上面に形成される。

図３を参照すると、前記孔は黒鉛坩堝１００の上面に等間隔に少なくとも２つ以上配置される。

前記ガス供給手段５００から注入された不活性ガスは前記孔Ｈを介して排出され、黒鉛坩堝１００と石英坩堝２００の間の隙間に異物が吸着することを未然に防止する。

上述した構成要素によって、前記黒鉛坩堝１００の内部には不活性ガス層１１０が備えられる。このような不活性ガス層１１０が有する効果を図４と図５を参照して説明する。

図４と図５は不活性ガス層１１０の有無によって、ヒータ３００が黒鉛坩堝１００に熱を加える際の熱分布の差を説明するための図である。

前記黒鉛坩堝１００を上側部１３０と中間部１４０と下側部１５０に区分し、ヒータ３００から黒鉛坩堝１００に熱が伝達される過程を説明する。

図３を参照すると、前記ヒータ部３００が黒鉛坩堝１００を加熱すると、前記黒鉛坩堝１００の側面に熱が伝達される。この際、前記黒鉛坩堝１００の中間部１４０は黒鉛坩堝１００の側面部と底面とを連結するために屈曲を有する形状に設けられるが、このような黒鉛坩堝１００の形状によって中間部１４０が熱を受ける面積が増加するため、中間部１４０に熱伝達が集中する現象が発生する。

また、前記上側部１３０と下側部１５０は全て外部に露出されているため、前記上側部１３０と下側部１５０に囲まれている中間部１４０に比べ熱が容易に損失されるため、前記ヒータ部３００はこのような上側部１３０と下側部１５０の温度を維持するためにパワーを上げる。

即ち、前記中間部１４０は黒鉛坩堝１００の屈曲した形状のため熱伝達が集中し、また中間部１４０は外部への熱損失も少ないため周辺部に比べ劣化が集中する。

よって、前記中間部１４０に接触する石英坩堝２００の一部分は周辺部より更に高い高温の環境に置かれるが、前記高温の環境のため前記石英坩堝２００の一部分では酸化シリコンガスの発生がより促進され、前記酸化シリコンガスと黒鉛坩堝１００の炭素が反応して炭化珪素が生じる反応も促進される。

このような炭化珪素は黒鉛坩堝１００をクリーニングする際に黒鉛坩堝１００から容易に剥がれるが、前記剥がれた炭化珪素の量だけ損傷が発生して黒鉛坩堝１００の現象の変化が起こるため寿命が縮む原因になる。

特に、前記中間部１４０は屈曲のある部位に形成されているが、このような屈曲のある部位の内部まで炭化珪素化反応が浸透し、前記黒鉛坩堝１００に石英坩堝２００が潜入すると屈曲のある部位がよく砕けてしまうが、このような砕けた部分や形状が変形した部分では更に熱及びガスの動きが活発になるため、前記黒鉛坩堝１００の損傷が更に促進される。よって、前記中間部１４０の損傷程度が黒鉛坩堝１００の寿命を左右する部分となる。

図４を参照すると、このような中間部１４０の損傷を防止するために前記黒鉛坩堝１００の内部に不活性ガス層１１０が設けられる。

前記不活性ガス層１１０は熱伝導率が非常に低いため、黒鉛坩堝１００の内部に流れ込んだ熱は外部に放出されることが難しい。特に、外部に露出された黒鉛坩堝１００の上側部１００と下側部１５０は熱伝導率が高い黒鉛坩堝１００によって多くの熱が放出されるが、この部分に熱伝導率が低い不活性ガス層１１０が形成されることで熱の放出を防止することができる。

よって、従来の黒鉛坩堝１００を加熱する際に必要なヒータパワーより低い値でも十分に黒鉛坩堝１００を加熱することができる。

前記不活性ガス層１１０によって黒鉛坩堝１００の上側部１３０と下側部１５０に抜ける熱が減って前記中間部１４０にのみ劣化が集中する現象が減り、また前記中間部１４０の外側壁が受ける熱が内側部に伝達される量を減らして前記中間部１４０に劣化が集中する形状を防止することができる。

結局、前記不活性ガス層１１０によって黒鉛坩堝１００は全領域にわたって均一な熱分布を有するようになり、特定部位に劣化が集中する現象を防止することができるため、劣化集中による黒鉛坩堝１００の損傷を防止することができる。

上述したインゴット成長装置によって、黒鉛坩堝１００の内部を断熱することでヒータパワーを減少することができ、黒鉛坩堝１００の特定部位に劣化が集中する現象を防止して前記黒鉛坩堝１００の寿命を増加させることができるため、それによってインゴットの生産費が節減する長所がある。

これまで本発明を図面に図示した位置実施例を参照して説明したが、本技術分野の通常の知識を有する者であればこれから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解できるはずである。

（付記）
（付記１）
シリコン融液が収容される石英坩堝と、
前記石英坩堝が収容される黒鉛坩堝と、
前記黒鉛坩堝の下部を支持する坩堝台と、
前記黒鉛坩堝の方に熱を提供するためのヒータ部と、を含み、
前記黒鉛坩堝は前記石英坩堝と接する内側本体と前記内側本体から所定間隔を置いて配置される外側本体とを含むように構成され、前記内側本体と外側本体との間には空間が形成される、
インゴット成長装置。
（付記２）
前記黒鉛坩堝の空間は不活性ガスで満たされている付記１に記載のインゴット成長装置。
（付記３）
前記黒鉛坩堝の内部に前記不活性ガスを供給するためのガス供給手段を更に含む付記２に記載のインゴット成長装置。
（付記４）
前記ガス供給手段を介して供給される不活性ガスは、前記坩堝台を通過して前記黒鉛坩堝の下側部を介して提供される付記３に記載のインゴット成長装置。
（付記５）
前記ガス供給手段は前記ヒータ部が動作する際に前記不活性ガスを前記黒鉛坩堝の内部に供給する付記３に記載のインゴット成長装置。
（付記６）
前記不活性ガスはアルゴンガスである付記２に記載のインゴット成長装置。
（付記７）
前記黒鉛坩堝の内側本体と外側本体との間には所定厚さの少なくとも一つの支持部によって離隔された間隔が維持される付記１に記載のインゴット成長装置。
（付記８）
前記不活性ガス層は前記黒鉛坩堝の厚さの５０％未満の高さを有するように形成される付記１に記載のインゴット成長装置。
（付記９）
前記黒鉛坩堝の少なくとも一部の表面にはガラス状炭素がコーティングされる付記１に記載のインゴット成長装置。
（付記１０）
前記不活性ガス層と接する前記外側本体と内側本体の少なくとも一部の面にはガラス状炭素がコーティングされる付記１に記載のインゴット成長装置。
（付記１１）
前記黒鉛坩堝の上面には孔が形成された付記１に記載のインゴット成長装置。
（付記１２）
インゴットを成長するためのインゴット成長装置の内部に配置され、石英坩堝を収容する黒鉛坩堝であって、
前記石英坩堝と接する内側本体と、
前記内側本体から所定間隔を置いて配置される外側本体と、
前記外側本体と内側本体を連結する上部連結部と、を含み、
前記内側本体と外側本体との間には少なくとも一つの空間が形成された、
黒鉛坩堝。
（付記１３）
前記黒鉛坩堝の空間は不活性ガスで詰められている付記１２に記載の黒鉛坩堝。
（付記１４）
前記黒鉛坩堝の空間に不活性ガスを注入するためのガス供給手段を含む付記１３に記載の黒鉛坩堝。
（付記１５）
前記黒鉛坩堝の上面には不活性ガスを排出するための少なくとも一つの孔が配置された付記１４に記載の黒鉛坩堝。
（付記１６）
前記黒鉛坩堝の内側本体と外側本体との間には所定厚さの少なくとも一つの支持部によって離隔された間隔が維持される付記１２に記載のインゴット成長装置。

本発明はウェハに材料となるインゴットを成長させるためのインゴット成長装置とそれに使用される坩堝に関するものであるため、産業上の利用可能性がある。

Claims

シリコン融液が収容される石英坩堝と、
前記石英坩堝が収容される黒鉛坩堝と、
前記黒鉛坩堝の下部を支持する坩堝台と、
前記黒鉛坩堝の方に熱を提供するためのヒータ部と、
前記黒鉛坩堝に形成された空間と、
前記空間の内部に不活性ガスを供給するガス供給手段と、
前記黒鉛坩堝の上部に設けられ、前記空間から前記不活性ガスを排出する複数個の孔と、
を含み、
前記黒鉛坩堝は前記石英坩堝と接する内側本体と前記内側本体から所定間隔を置いて配置される外側本体とを含むように構成され、前記空間は前記内側本体と前記外側本体との間に形成される、
インゴット成長装置。
前記ガス供給手段を介して供給される前記不活性ガスは、前記坩堝台を通過して前記黒鉛坩堝の下側部を介して提供される請求項１に記載のインゴット成長装置。
前記ガス供給手段は前記ヒータ部が動作する際に前記不活性ガスを前記黒鉛坩堝の内部に供給する請求項１に記載のインゴット成長装置。
前記不活性ガスはアルゴンガスである請求項１に記載のインゴット成長装置。
前記黒鉛坩堝の前記内側本体と前記外側本体との間には所定厚さの少なくとも一つの支持部によって離隔された間隔が維持される請求項１に記載のインゴット成長装置。
前記不活性ガス層は前記黒鉛坩堝の厚さの５０％未満の高さを有するように形成される請求項１に記載のインゴット成長装置。
前記黒鉛坩堝の少なくとも一部の表面にはガラス状炭素がコーティングされる請求項１に記載のインゴット成長装置。
前記不活性ガス層と接する前記外側本体と前記内側本体の少なくとも一部の面にはガラス状炭素がコーティングされる請求項１に記載のインゴット成長装置。