KR100482812B1 - 실리콘단결정제조장치 - Google Patents

Abstract

실리콘 단결정 제조장치가 도가니, 히터, 전극 및 자석을 포함한다.

복수의 발열부 및 2개의 주전극부 이외에도, 상기 히터는 2이상의 보조 전극부를 갖는다.

절연성을 갖는 2이상의 히터 지지부재가 상기 보조전극부를 통해 히터를 지지하도록 제공된다.

히터 지지부재와 전극사이 및 인접한 히터지지부재사이에 존재할수 있는 발열부의 수는 4이하이다.

히터의 각 발열부는 25mm이상의 두께를 갖는다.

이구조는, 히터를 통해 다량의 전류가 흐르는 경우라도, 도가니내의 실리콘 융해물에 고강도의 자장이 인가되는 경우에도, 그리고 히터의 직경이 보다 큰 경우에도, 히터를 파손시킴이 없이 실리콘 단결정을 제조 가능하다.

Description

실리콘 단결정 제조장치

본발명은 자장의 인가하에 실리콘 단결정을 제조하는 장치에 관한 것이며, 보다 상세히는 직경 8인치 이상의 실리콘 단결정 웨이퍼를 제조하기에 적합한 장치에 관한 것이다.

반도체 소자 기판용 재료로 사용되는 실리콘 단결정은 주로 쵸코랄스키법(이하 단지 'CZ법' 이라한다)으로 주로 제조된다.

최근에는 CZ법을 개량한 소위 MCZ법(자장인가 CZ법)이 알려져 있다.

MCZ법에 의하면, 융해물의 가열에 의해 유도된 실리콘 융해물의 자연적인 대류를 억제하기 위하여 도가니내에 함유된 실리콘 융해물에 자장을 인가하면서 실리콘 단결정을 제조한다.

한편, 최근에는 직경 8인치 이상의 실리콘 단결정에 대한 수요가 증대되고 있다. 이같은 대구경의 실리콘 단결정을 제조함에 있어서는 다량의 실리콘 융해물을 담을 수 있는 큰 도가니가 사용된다.

예를들어 100kg이상의 실리콘 원료가 도가니에 충진되어 융해되며, 그후 실리콘 단결정이 인상(引上)되는 것이다.

그러나 이같이 다량의 실리콘 융해물이 사용될때에는 가열로 인한 자연대류가 심하게 일어나고 이로인해 실리콘 융해물이 불안정하게 되어 실리콘 단결정 성장을 어렵게 하게 된다.

MCZ법은 이같은 실리콘 융해물의 자연대류를 억제할수 있어 이러한 문제점을 방지할수 있다.

CZ법이나 MCZ법에 사용되는 실리콘 단결정 제조장치에 있어서는 통상적으로 도가니 내에 포함된 실리콘 융해물을 가열하기 위하여 도가니의 외주연을 둘러싸고 있는 원통형 히터가 제공된다. 이 원통형 히터는 선택적으로 상단에서 하부로 신장하는 요홈 및 하단에서 상부로 신장하는 요홈을 갖고 형성된다.

전류는 인접한 요홈으로 정해지는 각 세그먼트를 통해 수직으로 흐른다.

MCZ법에 사용되는 단결정 제조장치에는 통상적으로 도가니에 포함된 실리콘 융해물에 수평자장을 인가하는 자석이 또한 제공된다.

결과적으로, MCZ법에 사용되는 실리콘 단결정 제조장치에서는 상기 세그먼트를 통해 수직으로 흐르는 전류와 실리콘 융해물에 인가되는 수평자장이 상호작용하여 히터의 각 세그먼트 각각에 힘이 미치게 된다.

그러나 세그먼트를 통해 흐르는 전류의 방향에 따라 힘의 방향이 변화하기 때문에 이로인해 히터의 비틀림이나 파손이 생길수 있는 것이다.

8인치이상, 특히 최근에 수요가 급증하고 있는 10-16인치구경의 큰 실리콘 단결정 제조를 위하여는 상기한 바와같은 큰 직경의 도가니를 사용하고 그 도가니에 알맞는 큰 직경을 갖는 히터를 사용하는 것이 필요한 것이다.

큰직경의 도가니에는 다량의 실리콘 융해물이 장입된다.

실리콘 단결정이 성장되는 동안 이같은 다량의 실리콘융해물을 일정온도로 유지하기 위하여는 히터의 열량값을 증대시키는 것이 필요하다. 작업전력이 증대하면 히터를 통해 흐르는 전류도 증가한다. 반면, 이같은 큰직경을 갖는 도가니내에서 다량의 실리콘 융해물의 급격한 대류가 일어나는 것을 억제하기 위하여는 실리콘 융해물에 고강도(high intensity)의 자장을 인가할 필요가 있다.

8"이상의 직경을 갖는 실리콘 단결정 성장을 위하여는 많은 전류 및 고강도 자장을 공급할 필요가 있으나, 이로인해 히터의 열변형이 보다 두드러지고 그 변형으로 인해 히터가 파손되기 쉽게 되는 것이다.

나아가 직경 8"이상인 실리콘 단결정 제조에 사용되는 히터는 그 자신 아주 무겁기 때문에 그 자중(自重)에 의해서도 히터의 변형이 일어날수도 있는 것이다.

이같은 여건하에서, 히터를 통해 다량의 전류가 흐를때라도, 도가니내의 실리콘 융해물에 고강도의 자장이 인가되더라도, 그리고 보다 큰 직경의 히터가 사용되는 경우에도, 사용되는 히터를 파손시킴이 없이 실리콘 단결정을 제조할수 있는 장치의 개발이 요구되어 왔다.

본 발명의 목적은 다량의 전류가 히터를 통해 흐르더라도, 도가니내의 실리콘 융해물에 고강도의 자장이 인가되는 경우에도, 그리고 큰 직경의 히터를 사용하는 경우에도, 사용되는 히터를 손상시키지 않고 실리콘 단결정을 제조할수 있는 개량된 실리콘 단결정 제조장치를 제공하는 것이다.

광범위한 연구를 통해 본 발명자들은 히터를 통해 다량의 전류가 흐를 때, 실리콘 융해물에 고강도의 자장이 인가되는 때 및 히터의 직경이 큰 경우라도 실리콘 단결정 제조장치에서 하기(1)-(3)을 조합하면 히터의 각 세그먼트를 통해 흐르는 전류와 실리콘 융해물에 인가된 수평자장의 상호작용으로부터 유발된 비틀림을 억제하고 히터자체의 중량에 기인한 비틀림을 억제시킴으로서 히터를 손상시키지 않고 실리콘 단결정을 제조할수 있다는 것을 발견하였다.

(1) 통상의 장치에 사용되는 히터는 2개의 전극부(도 5에서 부호 32로 표시)를 갖고 있으며 그 2개의 전극부를 통해 전극에 의해 지지된다.

본 발명에서는 사용된 히터가 통상의 장치에서와 같은 2개의 전극부(주전극부)이외에 2개이상의 보조전극부를 갖고, 그리고 그 보조전극부를 통해 히터를 지지할수 있도록 절연성을 갖는 2이상의 히터지지부재가 제공된다.

(2) 히터에는 앞에서 언급한 바와같이 상단으로부터 아래로 신장하고 하단에서 위로 신장하는 교번 요홈을 갖는다.

상단에서 아래로 신장하는 하나의 요홈으로부터 상단에서 아래로 신장하는 다음 요홈까지의 부위가 하나의 발열부(도 5에서 부호 34로 나타낸 빗금친 부위)를 구성한다고 하면, 히터지지부재와 전극사이 및 인접하는 히터지지부재 사이에 존재하는 발열부의 수는 4이하이다.

(3) 히터의 발열부 각각은 그 두께가 25mm이상이다.

보다 상세히는, 본발명에 의하면 다음 3가지 장치가 제공된다.

(1) 실리콘 융해물을 수용하는 회전가능한 도가니,

상기 도가니의 외주연을 둘러싸면서 설치되어 있는 히터,

상기 히터에 직류를 공급하는 전극, 및

상기 도가니에 포함된 실리콘 융해물에 수평자장을 인가하는 자석,

을 포함하여 구성되는 실리콘 단결정 제조장치

이 장치는 히터가 복수의 발열부, 2개의 주전극부 및 2이상의 보조전극부를 갖고, 상기 보조전극부를 통해 히터를 지지하도록 절연성을 갖는 2이상의 히터 지지부재가 제공되며,

또한 히터지지부재와 전극사이 및 서로 인접한 히터지지부재 사이에 존재하는 발열부의 수가 4이하,

인 것을 특징으로 한다.

(2) 실리콘 융해물을 수용하는 회전가능한 도가니,

상기 도가니의 외주연을 둘러싸고 설치된 히터,

상기 히터에 직류를 공급하는 전극, 및

도가니에 포함된 실리콘 융해물에 수평자장을 인가하는 자석,

을 포함하는 실리콘 단결정제조장치로서,

상기 장치는 히터가 복수의 발열부, 2개의 주전극부, 그리고 2개이상의 보조전극부를 갖고,

상기 보조전극부를 통해 히터를 지지하도록 절연성을 갖는 2이상의 히터 지지부재를 갖고, 또한

히터의 발열부 각각은 25mm 이상의 두께를 가짐을 특징으로 한다.

(3) 실리콘 융해물을 수용하는 회전가능한 도가니,

상기 도가니의 외주연을 둘러싸고 설치된 히터,

상기 히터에 직류를 공급하는 전극, 및

상기 도가니에 포함된 실리콘 융해물에 수평자장을 인가하는 자석,을 포함하는 실리콘 단결정 제조장치로서,

상기 히터가 복수의 발열부, 2개의 주전극부 및 2이상의 보조전극부를 갖고,

상기 보조전극부를 통해 히터를 지지하도록 절연성을 갖는 2이상의 히터지지부재가 제공되며,

히터 지지부재와 전극사이 및 서로 인접한 히터지지부재사이에 존재할수 있는 발열부의 수는 4이하이며,

히터의 발열부 각각은 두께가 25mm이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 실리콘 단결정 제조장치는 직경이 8인치 이상인 실리콘 단결정제조에 적합할 뿐만아니라 직경이 8인치 미만인 실리콘 단결정 제조에도 사용가능한 것이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 의한 실리콘 단결정 제조장치의 개략구조가 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와같이, 상기 장치에서는, 회전축 12가 챔버 5의 저부로 부터 삽입되어 있다.

상기 회전축의 상단에는 도가니 14가 지지되는 서셉터(susceptor)13이 고정되어 있다.

상기 도가니 14 내부에는 실리콘 융해물이 장착된다.

상기 서셉터 13은 히터 1에 의해 둘러싸여 있다.

상기 히터 1에는 주전극부 2를 통해 연결구 6이 부착되어 있다.

히터 1은 전극 7에 연결되어 있으며, 전극 7은 상기 연결구 6을 통해 챔버 5의 저부로 부터 삽입되어 있다.

상기 히터 1은 열절연실린더 8에 의해 둘러싸여져 있다. 상기 챔버 5의 외측에는 도가니 14내의 실리콘 융해물 19에 수평자장을 인가하는 초전도성 자석9가 제공되어 있다. 회전인상축 또는 와이어와 같은 단결정 18인상용 회전인상부재 11이 챔버 5의 천정으로 부터 삽입되어 있다.

종자 결정 17은 상기 인상부재 11의 끝단부에 부착되어있다.

상기 장치에서, 실리콘 단결정은 종자결정 17을 실리콘 융해물 19에 담근다음 그 융해물에 수평자장을 인가하고 축 12와 인상부재 11을 회전시키면서 인상시켜 제조한다.

도 2 및 3에 도시된 바와같이, 본발명에 의한 단결정 제조장치에 사용되는 히터 1은 복수의 발열부 4, 2개의 주전극부 2, 및 2개이상의 보조전극부 3을 갖는다. 보다 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 히터 1에는 2개의 보조전극부 3이 제공되는 반면, 도 3에 도시된 히터 1에는 10개의 보조 전극부가 제공되어 있다.

도 2 및 3에 도시된 보조 전극부가 히터 1의 발열부 4와 일체로 형성되어 있지만, 이같은 일체형 구조가 항상요구되는 것은 아니다.

보조전극부는 히터와 같거나 다른 물질을 이용하여 성형함으로서 별도의 부재로 형성할수 있으며, 이같이 형성된 보조전극부는 히터 1의 하단부에 부착될수 있다.

본 발명에 의한 실리콘 단결정 제조장치에는 도 4에 도시된 바와같이 보조전극부 3을 통해 히터 1을 지지하기 위하여 전기 절연성을 갖는 2이상의 히터 지지부재 10이 제공된다.

전기절연성을 갖는 상기 히터지지부재 10은 바람직하게는 예를들어 실리콘 카바이드(silicon carbide), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride), 혹은 알루미나 등과 같이 단열 및 내열성이 우수한 세라믹 물질로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 히터 지지부재 10용 재료로서 흑연이 역시 사용가능하며, 이 경우 히터 지지부재 10 각각은 절연성 저부를 갖는 것이 요구된다.

상기 히터 지지부재 10과 상기 보조전극부 3은 예를들어 연결구 16을 통한 전극 및 전극부 연결에서와 같은 방법으로 연결될수 있다.

상기 히터 지지부재의 형상은 히터를 지지할수 있는 한 특히 제한되지 않는다.

일예는 전극과 동일한 칼럼형상이다.

칼럼형상 또는 이와유사한 형상은 자장에 의해 유발되고 회전방향에 영향을 미치는 힘에 저항성이 우수하다는 점에서 바람직하다.

상기한 바와같은 본발명의 실리콘 단결정 제조장치의 일실시예에 있어서, 상기 히터는 복수의 발열부 및 2개의 주 전극부 이외에도 2이상의 보조전극부를 가지며; 그 보조전극부를 통하여 히터를 지지하도록 절연성을 갖는 2이상의 히터지지부재가 제공되며; 덧붙여서 히터지지부재와 전극사이 혹은 인접한 히터 지지부재사이에 존재할수 있는 발열부의 수는 4이하이다. 예를들어, 도 2에 도시된 히터 1에 대하여는, 2개의 히터 지지부재가 제공된다. 이 경우, 히터지지부재와 전극사이에 존재하는 발열부의 수는 하나이다.

사용된 히터 지지부재의 수가 사용된 보조전극의 수와 같은 경우에 여기서 사용되는 "히터지지부재와 전극사이에 존재하는" 이란 표현은 "보조전극부와 주전극부사이에 존재하는"이라는 표현으로 바꾸어 질수 있다.

한편, 도 3에 도시된 히터 1의 경우에 있어서는 최대 10개의 히터 지지부재가 제공될수 있다. 예를들어 만일 10개의 히터 지지부재가 사용되면, 히터지지부재와 이에 인접한 전극 사이 또는 인접한 히터 지지부재사이에 존재하는 발열부 4의 수는 0이다.

도 2 및 3에 도시된 히터 각각은 도 5에 도시된 통상의 히터 31의 발열부 34와 동일한 수(8)의 발열부를 갖는다.

본 발명의 실리콘 단결정 제조장치에서는, 히터 지지부재와 전극사이 및 서로 인접한 히터 지지부재사이에 존재할수 있는 발열부의 수는 4이하이며 히터내에 전체 4이상의 발열부가 존재하는 것이 요구된다.

본발명에 의한 실리콘 단결정 제조장치의 다른 실시예에 있어서는, 앞서 언급한 바와같이, 상기 히터는 복수의 발열부, 2개의 주전극부 및 2이상의 보조전극부를 가지며,

상기 보조전극부를 통해 히터를 지지하기 위하여 절연성을 갖는 2이상의 히터지지부재가 제공되며; 그리고 덧붙여서, 히터내의 각 발열부의 두께는 25mm이상으로 설정된다.

바람직하게는, 각 발열부의 두께는 50mm 이하인 것이 좋다.

이는 두께가 50mm 보다 크게 되면 히터를 통해 흐르는 전류가 너무 많게 되고 또한 히터 자체가 너무 무겁게 되기 때문이다.

앞서 언급한 바와같이 본 발명에 의한 실리콘 단결정 제조장치의 또다른 실시예에서는, 상기 히터가 복수의 발열부, 2개의 주전극부 및 2이상의 보조전극부를 갖고, 상기 보조전극부를 통하여 히터를 지지하기 위해 절연성을 갖는 2이상의 히터 지지부재가 제공되며, 덧붙여서 히터 지지부재와 전극사이 및 인접한 히터 지지부재사이에 존재할수 있는 발열부의 수는 4이하이며 이를 발열부 각각은 25mm 이상의 두께를 갖는다.

이 구성에 따르면, 히터의 비틀림이 보다 억제되고 히터를 통해 보다 많은 전류가 흐르는 경우에도, 도가니내의 실리콘 융해물에 보다 강한 자장이 인가되는 경우에도, 그리고 히터의 직경이 보다 크다고 하더라도, 히터의 손상을 일으키지 않고 실리콘 단결정을 제조할수 있는 것이다.

〈실시예〉

본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조장치 및 통상의 실리콘 단결정 제조장치에서 직경 24인치인 석영도가니를 사용하여 수평자장 0.4T로 직경 8인치인 실리콘 단결정을 각각 제조하였다.

본 발명에 의한 실리콘 단결정 제조장치에서는, 도 2 및 3에 도시된 바와같은 형상을 갖고 내경 28인치인 흑연히터를 사용하였다.

도 2에 도시된 형상의 히터를 사용함에 있어서는, 2개의 히터 지지부재를 사용한 반면, 도 3에 도시된 형상의 히터를 사용함에 있어서는, 10개의 히터 지지부재를 사용하였다. 따라서 히터 지지부재와 전극사이 및/또는 인접한 히터 지지부재 사이에 존재하는 발열부의 수는 도 2에 도시된 히터에 대하여는 하나였으며, 도 3에 도시된 히터에 대하여는 0이었다.

이들 2개의 히터에서, 각 발열부의 두께는 25mm로 설정되었다.

한편 통상의 실리콘 단결정 제조장치에 있어서는 내경이 28인치이고 도 5에 도시된 형상을 갖는 흑연히터를 사용하였다. 히터 지지부재는 사용하지 않았다. 히터의 각 발열부 두께는 20mm로 설정되었다.

본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조장치에 의해서는 히터에 손상이 없이 8인치 직경의 실리콘 단결정을 인상시킬수가 있었다.

반면 통상의 실리콘 단결정 제조장치에서는, 직경 8인치인 실리콘 단결정을 인상하는 도중에 히터가 파괴되어 더 이상 결정인상 조작을 계속할 수가 없었다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는다.

상기 실시예는 단지 예시에 불과한 것으로서 이분야에서 통상의 지식을 가진자라면 상기한 바를 기초로 본발명의 범위내에서 그 변형이 가능한 것이다.

상기한 바와같이 본 발명에 의하면, 히터를 통해 다량의 전류가 흐르는 경우에도, 도가니내의 실리콘 융해물에 고강도의 자장이 인가되는 경우에도, 그리고 히터의 직경이 보다 크더라도, 히터의 파손을 야기함이 없이 실리콘 단결정을 제조하는 것이 가능한 것이다.

본 발명은 특히 직경 8인치 이상의 실리콘 단결정을 제조하는데 특히 적합하다.

도 1은 본발명에 의한 실리콘 단결정 제조장치의 일실시예의 개략단면도

도 2A 및 2B는 각각 본 발명에 의한 실리콘 단결정 제조장치에 사용가능한 히터의 일예를 보여주는 측면도 및 평면도

도 3A 및 3B는 각각 실리콘 단결정 제조장치에 사용 가능한 히터의 다른예를 보여주는 측면도 및 평면도

도 4는 본 발명에 의한 히터가 보조 전극부를 통해 히터 지지부재에 의해 지지되는 것을 보여주는 단면도

도 5A 및 5B는 각각 통상의 실리콘 단결정 제조장치에 사용되는 히터의 일예를 보여주는 측면도 및 평면도이다.

* 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 *

1...히터 2...주전극부

3...보조전극부 4...발열부(發熱部)

10...히터지지부재

Claims (1)

1. 실리콘 융해물을 수용하는 회전도가니;

   상기 도가니의 외주연을 둘러싸도록 설치되어 있으며, 복수의 발열부, 직류를 받기 위한 2개의 주전극부, 및 2이상의 보조전극부를 갖는 히터;

   절연성을 갖고 상기 보조전극부를 통해 상기 히터를 지지하도록 되어 있는 2이상의 히터 지지부재; 및

   상기 도가니내에 포함된 실리콘 융해물에 수평자장을 인가하는 자석;을 포함하여 구성되며;

   상기 히터 지지부재와 전극사이 및 서로 인접한 히터 지지부재사이에 존재하는 발열부의 수는 0이며, 상기 히터의 발열부 각각은 25mm이상의 두께를 가짐을 특징으로 하는 직경 8인치 이상의 실리콘 단결정 제조장치.

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