KR100423753B1 - 실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법 - Google Patents

실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 잉곳 성장 챔버 내부의 석영 도가니에 항상 일정한 양의 실리콘 융액이 채워지도록 하여 실리콘 잉곳을 원하는 직경과 길이를 갖도록 성장시킬 수 있는 실리콘 잉곳의 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법에 관한 것으로서, 여러 개의 실리콘 잉곳 성장 챔버 중 어느 하나의 챔버에서 실리콘 융액의 충진을 위한 충진용 실리콘 잉곳을 계속적으로 성장시키고, 성장된 충진용 실리콘 잉곳을 나머지 챔버에 장착하여 재 용융시킴으로써 실리콘 융액량을 일정하게 유지시킨다.

Description

실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법{A silicon and dopant melting method for growing a silicon ingot}
본 발명은 실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법에 관한 것으로서, 특히 실리콘 잉곳 성장 챔버 내의 석영 도가니에 담겨진 실리콘 융액이 실리콘 잉곳 성장에 필요한 양으로 충진되도록 하는 실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법에 관한 것이다.
쵸크랄스키(CZ)성장법에 의한 실리콘 단결정 성장 공정 중 원부자재 준비 공정은 성장 챔버(GROWER CHAMBER)에 넣어서 단결정을 성장시킬 수 있는 실리콘 원부자재를 준비하고 관리하는 공정을 말하는 것으로, 단결정을 성장시키는데 필요한 주원료는 폴리 실리콘(POLY SILICON)과 불순물(DOPANT)이다.
폴리 실리콘은 크게 덩어리(CHUNK POLY)와 알갱이(GRANULE POLY)를 대부분 사용하며, 이중 알갱이(GRANULE POLY)는 300 mm 웨이퍼 제조 시 필수적으로 쓰이는 원재료이다.
그리고, 불순물(DOPANT)은 잉곳의 타입, 즉 N-타입, P-타입을 결정지으며, P-타입에는 붕소(BORON), N-타입에는 인(PHOSPHORUS) 등이 사용된다.
이러한 실리콘 원부자재는 고체 상태이므로 이를 용융시켜 실리콘 융액으로 형성하기 위해 성장 챔버 내부에 설치될 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE)내에 순차적으로 쌓아올리는 적층(STACKING)이 이루어진다.
이때, 실리콘 원부자재를 잘못 적층하게 되면 완전 용해(MELT DOWN)되어 실리콘 융액으로 형성되는 과정에 많은 시간이 소요되므로 순차적으로 적층이 이루어져야 된다.
실리콘 원부자재의 적층은 대개 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE)에 불순물(DOPANT)을 넣고, 폴리 실리콘 덩어리의 가장 작은 덩어리는 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE) 중간에 위치시키고, 중간 정도의 덩어리는 맨 윗 부분에 위치시켜 적층이 완료되면 그 모양이 돔(DOME)형태가 되어야 한다.
그러나, 종래의 적층 방식은 대구경 실리콘 잉곳의 성장에 적합하지 않은 문제점이 있어왔다.
좀더 구체적으로 설명하면, 원부자재인 폴리 실리콘 덩어리와 불순물을 석영 도가니 내부에 돔 형태로 가득 채워지게 적층하더라도 완전히 용해되는 경우, 실리콘 융액의 전체량은 석영 도가니 내부에 가득 채워지지 않게 된다.
즉, 실리콘 덩어리와 불순물은 적층되는 경우, 덩어리와 덩어리 사이에 공극이 형성되므로 완전 용해 후 공극 만큼의 부피가 줄어들기 때문에 원하는 직경과 길이로 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해서는 줄어든 부피만큼 실리콘 융액을 보충하여 주는 별도의 장치가 필요하다.
도 1 은 쵸크랄스키법으로 실리콘 잉곳을 성장시키는 종래 실리콘 잉곳 성장챔버를 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 종래 실리콘 잉곳 성장챔버(10)는 챔버 내부에 놓여져 소정 속도로 회전하고 내부에 실리콘 원부자재가 적층되는 석영 도가니(12)및 석영 도가니를 가열하여 고체 상태인 실리콘 원부자재를 용융시켜 액체 상태인 실리콘 융액(13)으로 형성하는 전기히터(14)와, 시드(seed)를 실리콘 융액에 담거 서서히 상측으로 인상 및 회전시켜 실리콘 잉곳을 성장시키는 구동부(16), 그리고 석영 도가니 내에 적층된 실리콘 원부자재의 완전 용융 후 줄어든 원부자재 부피만큼 실리콘 융액을 보충하기 위해 폴리 실리콘 덩어리를 석영 도가니에 공급하는 보조 공급부(18)가 챔버의 외부에 형성된다.
이와 같이 구성된 종래 단결정 잉곳 성장챔버는 시드(seed)를 석영 도가니의 실리콘 융액(13)에 디핑(dipping)시키고, 구동부(16)에 의해 시드가 인상 및 회전되면서 실리콘 융액이 시드에 달라 붙어 실리콘 잉곳(11)이 성장된다.
그러나, 종래 실리콘 잉곳 성장 챔버는 석영 도가니에 적층된 실리콘 원부자재를 용융시키면 실리콘 융액의 부피가 줄어들어 이를 보충하기 위해 장치로서 보조 공급부를 구비하고, 보조 공급부에서 실리콘 덩어리를 석영 도가니 내부에 공급하여 보충시키고 있으나, 보조 공급부가 부가 형성됨으로써 실리콘 잉곳 성장챔버의 구조를 복잡하게 한다.
또한, 원하는 직경과 길이를 갖는 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 실리콘 융액량이 일정하게 유지되어야 하나, 보조 공급부에서 석영도가니로 공급되는 폴리 실리콘 덩어리량과 무게를 정확하게 제어하기 어렵고, 이에 따라 석영 도가니의 실리콘 융액량이 부족하거나 과다한 경우가 발생된다.
따라서, 실리콘 융액량이 부족한 경우 원하는 직경과 길이를 갖는 실리콘 잉곳의 성장이 불가능하고, 과다한 경우 실리콘 융액이 석영 도가니 외부로 넘치는 등의 문제가 발생된다.
이에 본 발명은 실리콘 잉곳 성장 챔버 내부의 석영 도가니에 항상 일정한 양의 실리콘 융액이 채워지도록 하여 실리콘 잉곳을 원하는 직경과 길이를 갖도록 성장시킬 수 있는 실리콘 잉곳의 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위해, 다수개의 실리콘 잉곳 성장 챔버 중 어느 하나의 챔버에서 실리콘 융액의 충진을 위한 충진용 실리콘 잉곳을 연속 성장시키는 제1단계와, 성장된 충진용 실리콘 잉곳을 실리콘 잉곳 성장 챔버 내에 장착하는 제2단계와, 충진용 실리콘 잉곳이 장착된 실리콘 잉곳 성장 챔버 내 석영 도가니에 실리콘 원자재를 적층하는 제3단계와, 석영 도가니를 전기히터로 가열하여 실리콘 원자재를 제1 실리콘 융액으로 형성하는 제4단계와, 제1 실리콘 융액에 충진용 실리콘 잉곳을 디핑시켜 제1실리콘 융액과 함께 용융되어 제2 실리콘 융액을 형성하는 제5단계를 포함하여 실리콘 잉곳의 성장을 위한 실리콘 융액을 형성한다.
도 1 은 종래 단결정 잉곳 성장 챔버를 설명하기 위한 도면.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치의 구성도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치에서 충진용 실리콘 잉곳을 성장시키는 챔버를 설명하기 위한 도면.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치 중 실리콘 잉곳을 성장시키는 챔버를 설명하기 위한 도면.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치 중 실리콘 잉곳을 성장시키는 챔버에서 충진용 실리콘 잉곳의 용융을 설명하기 위한 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,100,200 : 챔버 12,102,202 : 석영도가니
13,103,203,303 : 실리콘 융액 14,104,204 : 전기히터
16,106,206 : 구동부 18,108 : 보조 공급부
110 : 감지부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 잉곳의 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법에 대한 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치의 구성도이다.
도 2 를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치는 다수개의 실리콘 잉곳 성장 챔버 중 어느 하나의 챔버를 실리콘 융액의 충진을 위한 충진용 실리콘 잉곳을 연속 성장시키는 제1 챔버(100)로 설정하고, 다른 나머지 실리콘 잉곳 성장 챔버를 충진용 실리콘 잉곳으로 실리콘 융액량을 증가시켜 실리콘 잉곳을 성장시키는 제2챔버(200)로 설정한다.
도2에서 화살표(→)는 제1챔버(100)와 제2챔버(200) 사이에서 충진용 실리콘 잉곳의 이동 경로를 도시한 것이다.
좀더 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치에서 충진용 실리콘 잉곳을 성장시키는 제1 챔버를 설명하기 위한 도면인 도 3을 참조하면, 제1챔버(100)는 챔버 내부에 놓여져 소정 속도로 회전하고 내부에 충진용 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 원부자재가 적층되는 석영 도가니(102)가 형성된다.
그리고, 석영 도가니(102)를 가열하여 실리콘 원부자재를 용융시켜 실리콘 융액(103)으로 형성하는 전기히터(104)가 형성되고, 시드를 실리콘 융액에 디핑(dipping)시키고, 시드를 인상 및 회전시켜 충진용 실리콘 잉곳이 성장되도록 하는 구동부(106), 그리고 석영 도가니 내에 적층된 실리콘 원부자재의 완전 용융 후 공극에 의해 줄어든 부피만큼 실리콘 융액(13)을 보충하기 위해 외부에서 원부자재를 석영 도가니에 공급하는 보조 공급부(108)가 챔버의 외부에 형성된다.
또한, 구동부(106)에는 충진용 실리콘 잉곳(101)의 무게를 감지하는 감지부(110)를 부가 형성된다.
여기서, 감지부(110)는 충진용 실리콘 잉곳의 무게를 감지하기 위한 것으로, 구동부에 의해 충진용 실리콘 잉곳이 인상 및 회전되면서 충진용 실리콘 잉곳의 무게가 원하는 무게에 도달하면 잉곳을 그대로 들어올려 성장을 중단시키도록 한다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치에서 실리콘 잉곳을 성장시키는 제2 챔버를 설명하기 위한 도면인 도 4을 참조하면, 제2 챔버(200)는 챔버 내부에 놓여져 소정 속도로 회전하고 내부에 성장시키고자 하는 실질적인 실리콘 잉곳의 성장을 위한 실리콘 원부자재가 적층되는 석영 도가니(202)가 형성된다.
그리고, 석영 도가니(202)를 가열하여 실리콘 원부자재를 용융시켜 실리콘 융액(203)으로 형성하는 전기히터(204)가 형성되고, 시드를 실리콘 융액에 디핑(dipping)시켜 상측으로 인상 및 회전시킴으로써 실리콘 잉곳을 성장시키는 구동부(206)를 포함하여 구성된다.
또한, 제2 챔버의 구동부(206)는 제1 챔버(100)에서 성장된 충진용 실리콘 잉곳을 장착하여 실리콘 융액(203)으로 디핑시킬 수 있도록 한다.
이러한 구성으로 된 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치에서 실리콘 잉곳의 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법을 도 3 내지 도 5 를 참조하여 설명한다.
본 발명의 실리콘 융액 형성방법은 제1 챔버(100)에서 충진용 실리콘 잉곳(101)을 성장시키는 제1 단계와, 성장된 충진용 실리콘 잉곳을 제2 챔버(200)내에 장착하는 제2단계와, 제2 챔버 내에 설치된 석영 도가니(202)에 실리콘 원부자재를 적층하는 제3 단계와, 실리콘 원부자재를 전기히터(204)로 가열하여 제1 실리콘 융액(203)을 형성하는 제4 단계와, 제1 실리콘 융액에 충진용 실리콘 잉곳(101)을 디핑시키고, 디핑된 충진용 실리콘 잉곳을 용융시켜 제1실리콘 융액보다 큰 부피와 무게를 갖는 제2 실리콘 융액(303)을 형성하는 제5 단계를 포함하여 이루어진다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 제1단계는 충진용 실리콘 잉곳(101)을 성장시키고자 도3에 도시된 바와 같은 제1 챔버에서 이루어지는 것으로, 제1 챔버(100)의 석영 도가니(102)에 충진용 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 원부자재를 적층하는 적층단계와, 전기히터(104)로 석영 도가니(102)를 가열하여 실리콘 융액(103)을 형성하는 실리콘 융액 형성단계와, 구동부(106)에 시드를 장착하여 실리콘 융액에 디핑시키고, 상측으로 인상 및 회전시키면서 충진용 실리콘 잉곳(101)을 성장시키는 잉곳 성장단계와, 충진용 실리콘 잉곳이 성장함에 따라 감소되는 실리콘 융액(103)을 보조 공급부(106)에서 공급되는 실리콘 원부자재에 의해 계속적으로 충진시켜 충진용 실리콘 잉곳이 연속적으로 성장되도록 하는 실리콘 융액 충진단계로 구성된다.
여기서, 잉곳 성장단계에는 구동부(106)에 연결된 감지부(110)에서 계속적으로 성장되는 충진용 실리콘 잉곳(101)의 무게를 감지하는 단계와, 감지된 충진용 실리콘 잉곳의 무게가 제2 챔버(200)에서 충진될 실리콘 융액량에 일치하면 인상 및 회전을 중단시키는 단계가 부가된다.
또한, 잉곳 성장단계에서 충진용 실리콘 잉곳(101)의 성장속도는 빠르게 성장시킬 수 있는데, 이는 성장된 충진용 실리콘 잉곳이 제2 챔버의 석영 도가니(202)에서 재 용융되기 때문에 단결정 또는 다결정 성장에 구애를 받을 필요가 없기 때문이다.
상기 제2 단계는 실질적인 실리콘 잉곳을 성장시키고자 도 4에 도시된 바와 같은 제2 챔버에서 이루어지는 것으로서, 제1단계에서 성장된 충진용 실리콘 잉곳(101)을 제2챔버의 구동부(206)에 장착하는 단계이다.
여기서, 충진용 실리콘 잉곳(101)의 장착은 제1단계에서 성장된 충진용 실리콘 잉곳을 시드가 부착된 상태에서 그대로 제2 챔버로 이송시키고, 제2 챔버의 구동부에시드를 장착하여 이루어지도록 한다.
상기 제3 단계는 실리콘 잉곳의 성장을 위한 실리콘 원부자재를 제2 챔버 내부의 석영 도가니에 적층하는 적층단계이다.
여기서, 실리콘 원부자재의 적층은 돔(DOME)형태가 되도록 한다.
상기 제4 단계는 실리콘 잉곳의 성장을 위해 제2 챔버의 석영 도가니(202)를 전기히터(204)로 가열하여 적층된 실리콘 원부자재를 용융시켜 제1 실리콘 융액(202)이 형성되도록 하는 단계로서, 제1 실리콘 융액은 실리콘 덩어리와 실리콘 덩어리 사이의 공극에 의해 석영 도가니 내부에 가득 채워지지 않게 되어 실리콘 잉곳을 원하는 직경과 크기로 성장시키기에 부족한 양으로 추가적으로 실리콘 융액의 보충이 필요한 상태이다.
상기 제5 단계는 제1 실리콘 융액의 부족한 양을 보충하기 위해 충진용 실리콘 잉곳(101)을 용융시켜 실리콘 잉곳의 성장에 필요한 융액량을 가지는 제2 실리콘 융액(303)을 형성시키고자 도 5에 도시된 바와 같은 제2 챔버에서 이루어지는 것으로서, 제2 챔버의 구동부(106)에서 충진용 실리콘 잉곳(101)을 디핑시킨다.
그리고, 충진용 실리콘 잉곳(101)이 디핑되면 고온의 제1실리콘 융액과 전기히터(204)에 의해 고체 상태인 충진용 실리콘 잉곳이 서서히 용융되어 혼합됨으로써 제2실리콘 융액(303)이 형성된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 융액 형성방법은 제2 챔버의 석영 도가니에 담겨진 실리콘 융액의 부피 감소량에 해당하는 무게를 갖는 충진용 실리콘 잉곳이 제1 챔버에서 미리 성장되고, 성장된 충진용 실리콘 잉곳이 제2 챔버에 장착되어 용융된다.
따라서, 제2 챔버의 석영 도가니에 융용된 실리콘 융액은 실리콘 잉곳을 성장시키기에 적합한 부피 및 무게를 항상 가지게 되고, 실리콘 융액의 부족에 의한 성장 불량 및 실리콘 융액의 과다에 의한 원부자재의 낭비를 효율적으로 방지하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 융액 형성방법은 다수개의 실리콘 잉곳 성장 챔버 중 어느 하나의 챔버를 충진용 실리콘 잉곳을 계속적으로 성장시키는 챔버로 설정하고, 나머지 챔버에서는 석영 도가니 내에 실리콘 융액을 충진시키기 위한 별도의 장치를 구비할 필요가 없게 된다.
따라서, 실리콘 잉곳 성장 챔버의 구조를 간단하게 할 수 있으며, 가동효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 다수개의 실리콘 잉곳 성장 챔버 중 어느 하나의 챔버에서 충진용 실리콘 잉곳을 성장시키는 제1 단계와;
    성장된 상기 충진용 실리콘 잉곳을 나머지 실리콘 잉곳 성장챔버에 장착하는 제2단계와;
    상기 충진용 실리콘이 장착된 실리콘 잉곳 성장챔버 내의 석영 도가니에 실리콘 원부자재를 적층하는 제3 단계와;
    상기 실리콘 원부자재를 가열하여 제1 실리콘 융액을 형성하는 제4 단계와;
    상기 제1 실리콘 융액에 상기 충진용 실리콘 잉곳을 디핑시키고, 디핑된 상기 충진용 실리콘 잉곳을 용융시켜 제1실리콘 융액보다 큰 부피와 무게를 갖는 제2 실리콘 융액을 형성하는 제5 단계를 포함하여 이루어진 실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1단계는 상기 충진용 실리콘 잉곳을 성장시키는 챔버 내부의 석영 도가니에 실리콘 원자재를 적층하는 단계와;
    상기 석영 도가니를 전기히터로 가열하여 상기 충진용 실리콘 잉곳의 성장을 위한 실리콘 융액을 형성하는 단계와;
    상기 챔버의 구동부에 시드를 장착하여 상기 실리콘 융액에 디핑시키고, 인상 및회전시켜 상기 충진용 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계와;
    상기 충진용 실리콘 잉곳이 성장함에 따라 감소되는 상기 실리콘 융액을 상기 챔버의 보조 공급부에서 공급되는 실리콘 원자재에 의해 계속적으로 충진시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충진용 잉곳을 성장시키는 단계에는 상기 구동부에 연결된 무게 감지부에서 성장되는 상기 충진용 실리콘 잉곳의 무게를 감지하는 단계와;
    상기 감지단계에서 감지된 상기 충진용 실리콘 잉곳의 무게가 목적으로 하는 무게에 도달하면 상기 구동부에 의한 잉곳의 인상을 중단하는 단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 충진용 실리콘 잉곳은 단결정 또는 다결정 실리콘 잉곳인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장을 위한 실리콘 융액 형성방법.
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