KR100485656B1 - 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의시드 척 - Google Patents

쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의시드 척 Download PDF

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Abstract

본 발명은 쵸크랄스키법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되는 시드 척에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명인 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척은 시드 결합부가 하단부에 형성되고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 상부에 설치되어 상승ㆍ하강하는 로프(rope)와 결합되는 로프 결합부가 상단부에 형성되고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 성장시키고자 하는 실리콘 단결정 잉곳의 지름과 동일하거나 작은 지름 크기의 몸체부가 형성된 것이 특징이다.
이 때, 상기 몸체부는 그 상단부에 형성된 로프 결합부로부터 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 성장시키고자 하는 실리콘 단결정 잉곳의 지름과 동일하거나 작은 크기의 지름 부분(이하, '최대 지름부'이라 함)까지 그 지름이 서서히 증가하여 그 단면이 대각선이 되도록 형성되고, 상기 최대 지름부로부터 그 하단부에 형성된 시드 결합부까지 그 지름이 서서히 감소하여 그 단면이 대각선이 되도록 형성된 것이 바람직하다.

Description

쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척{Seed chuck of grower silicon single crystal ingot used by Czochralski Method}
본 발명은 쵸크랄스키법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되는 시드 척에 관한 것이다.
일반적으로 쵸크랄스키법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(10)와, 챔버(10) 내부에 설치되어 폴리 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액(SM)을 저장하는 석영 도가니(20)와, 석영 도가니(20)를 지지하는 흑연 도가니(30)와, 석영 도가니(20)와 흑연 도가니(30)를 지지ㆍ회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈(40)과, 석영 도가니(20) 내부의 폴리 실리콘 및 실리콘 융액(SM)에 열을 가하는 히터(50)와, 히터(50)로부터의 열이 챔버(10)의 외부로 방출되는 것을 차단하는 복사 단열체(60)와, 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액(SM)으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)를 성장 인상시키는 성장 챔버(70)를 포함하여 이루어진다.
그리고, 성장 챔버(70)의 상부에 설치되어 상승ㆍ하강하는 로프(90)의 하단부와 시드 척(100)의 로프 결합부(120)를 결합시키고, 시드 척(100) 하단부에 형성된 시드 결합부(110)와 시드(80)를 결합한다. 이 후, 로프(90)를 하강하여 시드(80)의 하단부를 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액(SM)에 디핑(dipping)시킨다. 이 때, 로프(90)를 회전시킴으로서 시드 척(100)과 시드(80)를 회전시키면서, 네킹(necking) 공정을 거치고, 로프(90)를 상승시킴으로서 시드(80)의 하단부로부터 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장되는 것이다.
상술한 바와 같은 과정을 통하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킬 때에는 석영 도가니로부터 용출되는 산소가 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 유입되어 실리콘 단결정의 품질을 저하시키는 요인이 된다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 초기 부분 즉, 실리콘 단결정 잉곳 성장 후 약 300mm가 되는 지점까지 산소의 농도가 높게 나타났다가 약 300mm이상으로 성장할수록 점차 감소되는 것을 알 수 있다.
이는 종래의 시드 척(100)이, 도2에 도시된 바와 같이, 상부에 로프 결합부(120)가 형성되고, 하단부에 시드 결합부(110)가 형성되며, 로프 결합부(120)와 시드 결합부(110) 사이의 몸체부(130)가 원통형으로 좁게 형성되어 있기 때문이다.
즉, 시드 척(100)의 몸체부가 원통형으로 좁게 형성됨으로 인하여, 도 1에 표시된 바와 같이, 성장 챔버(70) 쪽으로 개방부(O)의 크기가 크게 형성된다. 따라서, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 초기에 챔버(10)의 측벽부와 바닥부에는 복사 단열체(70)에 의한 방출 열의 단열이 가능하나, 성장 챔버(70) 쪽의 개방부(O)를 통하여 성장 챔버(70)의 상부로 열이 빠져나가게 된다. 이에 따라, 챔버(10) 내부의 온도가 낮아지게 되므로 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액(SM)의 온도를 약 1420℃ 정도의 온도로 유지하기 위하여 히터(50)의 발열량을 증가시켜야 한다. 그러나, 히터(50)의 발열량을 증가시키면 실리콘 융액(SM)에 석영 도가니(20)로부터의 산소의 용출량이 많아지게 된다.
그리고, 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 일정 길이(약 300mm)이상으로 성장 한 후에는 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장 챔버(70)의 상부로 인상되기 때문에 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 지름만큼 성장 챔버(70)의 개방부가 좁아져서 성장 챔버(70) 쪽으로의 방출 열량이 줄어들게 된다. 즉, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 길이가 약 300mm이상으로 성장한 후에는 실리콘 단결정 잉곳(IG) 자체에 의하여 개방부(O)의 크기가 감소되므로 성장 챔버(70) 쪽으로의 방열되는 것이 감소된다. 이에 따라 히터(50)의 발열량을 낮게 설정하더라도 실리콘 융액(SM)의 온도를 약 1420℃ 정도로 일정하게 유지할 수 있는 것이다. 그러므로, 히터(50)의 발열량 감소에 따라 석영 도가니(20)로부터의 산소 용출량이 감소되며, 이에 의해 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 약 300mm 이상으로 성장하였을 때에는 실리콘 단결정 잉곳(IG)에 유입되는 산소의 농도가 점차로 감소하게 되는 것이다.
따라서, 종래의 시드 척(100)은 그 몸체부(130)가 원통형으로 좁게 형성되어 있으므로, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 초기에 성장 챔버(70) 쪽의 개방부(O)를 통하여 방열이 이루어지게 된다. 이에 따라, 실리콘 융액(SM)의 온도를 약 1420℃ 정도로 유지시키기 위해서는 히터(50)의 발열량을 증가시켜야 하는데, 히터(50)의 발열량을 증가에 따라 실리콘 단결정 성장 초기에 석영 도가니(20)로부터 용출되는 산소 양의 증가 및 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 유입되는 산소의 농도를 증가시키게 되는 문제점이 있었던 것이다.
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또한, 시드 척(100)과 시드(80)의 결합은 일반적으로 핀 결합에 의하여 이루어지며, 또한, 시드 척(100)는 몸체부(130)의 지름이 좁게 형성되어 중량이 작으므로 넥킹(Necking) 공정에서 로프(90)를 통하여 시드 척(100)과 시드(80)이 회전할 때 비대칭 회전을 하게 된다. 이러한 비대칭 회전은 시드(80)의 하단부가 실리콘 융액(SM)의 중심부에 정위치하여 회전하지 못하고, 동심원을 그리면서 회전을 하는 스윙 현상이 발생되는 것이다. 이에 따라, 넥킹 공정에 걸리는 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 성장 챔버의 개방부를 좁게 하고, 성장 챔버 쪽으로 방출되는 열을 차단하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장 초기에 히터의 발열량을 낮게 함으로서 석영 도가니로부터 용출되는 산소의 양을 감소시키고, 또한, 넥킹 공정 시 스윙 현상이 발생하지 않도록 하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척을 제공하려는 것이다.
이를 위한 본 발명인 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척은 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 상부에 설치되어 상승ㆍ하강하는 로프(rope)와 결합되도록 상부에 형성된 로프 결합부와, 상기 로프 결합부의 하부에 연장되며 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 성장시키고자 하는 상기 실리콘 단결정 잉곳의 지름과 동일하거나 작은 지름을 갖는 최대 지름부를 갖는 몸체부와, 상기 로프 결합부의 하부에 형성되어 상기 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 시드가 결합되는 시드 결합부를 포함한다.
상기에서 몸체부는 상기 로프 결합부로부터 상기 최대 지름부의 상부까지 그 지름이 서서히 증가하여 그 단면이 대각선이 되도록 형성되며, 상기 최대 지름부의 상부로 부터 하부까지 수직을 이루다가, 상기 최대 지름부의 하부로 부터 상기 시드 결합부까지 그 지름이 서서히 감소하여 그 단면이 대각선이 되도록 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명인 쵸크랄스키(CZ) 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척(seed chuck : 200)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 시드 결합부(210)가 하단부에 형성되고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 상부에 설치되어 하강ㆍ상승하는 로프(rope)와 결합되는 로프 결합부(220)가 상단부에 형성되고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 성장시키고자 하는 실리콘 단결정 잉곳의 지름과 동일하거나 작은 크기의 지름으로 몸체부(230)가 형성된 것이 특징이다.
본 발명인 시드 척(200)을 설치한 실리콘 단결정 성장 장치는 도 4에 도시된 바와 같다.
시드 척(200)의 시드 결합부(210)에 시드(80)의 상단부를 삽입하여 한 몸체와 같이 되도록 결합하고, 이 시드(80)의 하단부를 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액(SM)에 디핑(dipping)시키기 위하여, 로프(90)를 하강시켜 시드 척(200)과 시드(80)를 하강시킨다. 이 때, 본 발명인 시드 척(200)의 몸체부(230)가 성장시키고자 하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 지름과 동일하게 형성되어 있으므로, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 초기에도 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 완전히 성장시켰을 때와 동일한 크기의 개방부(O)를 가지게 된다. 즉, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 초기에도 본 발명인 시드 척(200)의 몸체부(230)에 의하여 성장 챔버(70)의 개방부(O)의 크기가 작게 형성되는 것이다. 이에 따라, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 초기에도 성장 챔버(70) 쪽으로 방출되는 열을 시드 척(200)을 통하여 차단함으로서, 챔버(10) 내부의 온도 하강이 발생하지 않아 히터(50)의 발열량을 낮게하여도 실리콘 융액(SM)을 적정 온도, 즉, 약 1420℃ 정도로 유지시킬 수 있는 것이다. 그리고, 히터(50)의 발열량이 낮아짐에 따라 석영 도가니(20)로부터 용출되는 산소의 양이 줄어들고, 이에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 성장 초기의 유입되는 산소 농도를 낮게 할 수 있는 것이다.
그리고, 시드 척(200)의 몸체부(230)의 지름이 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 지름과 동일한 정도로 크게 형성하였으므로 회전체의 지름에 비례하는 회전 모멘트가 증가된다. 그러므로, 시드 척(200)은 증가된 회전 모멘트에 의해 안정적인 회전이 가능하게 되는 것이다.
또한, 시드 결합부(210)에 시드(80)를 핀결합에 의하여 결합시키더라도 시드 척(23)은 몸체부(230)의 지름 증가에 따른 전체의 중량이 증가에 의해 비대칭 회전의 영향을 적게 받게 되는 것이다. 따라서, 시드 척(200)은 비대칭 회전의 영향 감소로 넥킹(Necking) 공정 시에 시드(80)의 스윙 현상이 발생하지 않게 되는 것이다.
그리고, 상술한 넥킹 공정이 끝난 후에는 로프(90)를 이용하여 시드 척(200)과 시드(80)를 상승시킴으로서 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장 챔버(70) 쪽으로 인상시키면서 성장시킬 수 있는 것이다.
여기에서, 시드 척(200) 몸체부(230)의 지름을 성장시키고자 하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 지름과 동일하거나 작게 한 것은 일반적으로 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부 장치를 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 지름을 기준으로 제조하기 때문에, 시드 척(200)을 상승 또는 하강시킬 때 다른 장치들과의 충돌을 방지하기 위해서이다.
그리고, 본 발명의 시드 척(200)에서 몸체부(230)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 상단부에 형성된 로프 결합부(220)로부터 실리콘 단결정 성장 장치에서 성장시키고자 하는 실리콘 단결정 잉곳의 지름과 동일하거나 작은 크기의 지름 부분(이하, '최대 지름부'이라 함 : 231)까지 그 지름이 서서히 증가하여 그 단면이 대각선이 되도록 형성되고, 최대 지름부(231)로부터 그 하단부에 형성된 시드 결합부(210)까지 그 지름이 서서히 감소하여 그 단면이 대각선이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
이는 일반적으로 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 성장 챔버(70)의 상부에서 아르곤(Ar) 가스를 유입시켜 챔버(10)의 하부로 배출하는데, 시드 척(200)의 몸체부(230)의 지름 증가에 따라 성장 챔버(70) 개방부(O)의 면적이 좁아지고, 이에 따라 아르곤 가스의 흐름 환경이 급격하게 변화되는 것을 방지하려는 것이다. 즉, 시드 척(200)의 몸체부(230)에 형성된 경사면을 따라 아르곤 가스가 성장 챔버(70)에서 챔버(10)의 내부로 유입되게 함으로서, 아르곤 가스의 흐름 환경이 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 시드 척은 몸체부의 지름이 성장될 실리콘 단결정 잉곳의 지름과 동일하거나 작은 크기로 형성되어 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 성장 챔버의 개방부를 좁게 하는 것에 의해 성장 챔버 쪽으로 방출되는 열을 차단하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장 초기에 히터의 발열량을 낮게 함으로서 석영 도가니로부터 용출되는 산소의 양을 감소시키고, 지름이 증가된 몸체부를 갖는 시드 척은 전체의 중량이 증가에 의해 비대칭 회전의 영향을 감소시켜 안정적으로 회전하도록 하여 넥킹 공정 시 스윙 현상이 발생하지 않도록 하는 잇점이 있다.
도 1은 종래의 시드 척을 설치한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 개략적인 개념도.
도 2는 종래의 시드 척의 정면도.
도 3은 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 의해 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 길이에 따른 산소 농도 그래프.
도 4는 본 발명인 시드척을 설치한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 개략적인 개념도.
도 5는 본 발명인 시드 척의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
10 : 챔버 20 : 석영 도가니
30 : 흑연 도가니 40 : 페데스탈
50 : 히터 60 : 복사 단열체
70 : 성장 챔버 80 : 시드(seed)
90 : 로프(rope)
100, 200 : 시드 척(seed chuck) 110, 210 : 시드 결합부
120, 220 : 로프 결합부 130, 230 : 몸체부
231 : 최대 지름부

Claims (2)

  1. 쵸크랄스키(CZ) 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척(seed chuck)에 있어서,
    상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 상부에 설치되어 상승ㆍ하강하는 로프(rope)와 결합되도록 상부에 형성된 로프 결합부와,
    상기 로프 결합부의 하부에 연장되며 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 성장시키고자 하는 상기 실리콘 단결정 잉곳의 지름과 동일하거나 작은 지름을 갖는 최대 지름부를 갖는 몸체부와,
    상기 로프 결합부의 하부에 형성되어 상기 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 시드가 결합되는 시드 결합부를 포함하는 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척.
  2. 청구항 1에 있어서 상기 몸체부는 상기 로프 결합부로부터 상기 최대 지름부의 상부까지 그 지름이 서서히 증가하여 그 단면이 대각선이 되도록 형성되며, 상기 최대 지름부의 상부로 부터 하부까지 수직을 이루다가, 상기 최대 지름부의 하부로 부터 상기 시드 결합부까지 그 지름이 서서히 감소하여 그 단면이 대각선이 되도록 형성된 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척.
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