KR100486880B1 - 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 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드 척에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명인 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드 척은 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되는 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck)에 있어서, 상기 시드는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되어 있는 석영 도가니의 내부 실리콘 융액에 디핑(dipping)되는 막대 형상의 디핑부와, 상기 디핑부의 상부에 상기 디핑부의 단면적보다 넓게 형성된 시드 척 결합부를 포함하여 이루어지며, 상기 시드 척 결합부의 하단부는 상기 디핑부의 상단부까지 일정한 곡률을 가지는 볼록한 형태의 시드 라운드(round)부로 형성되며, 상기 시드 척은 그 하단부에 형성된 시드 결합부가 상기 시드의 시드 척 결합부에 형성된 시드 라운드부와 접하도록 오목한 형태로 형성된 시드 척 라운드부로 형성된다.

Description

쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 척{Seed and seed chuck of grower silicon single crystal ingot used by Czochralski Method}
본 발명은 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드 척에 관한 것이다.
일반적으로 쵸크랄스키 법에 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)을 성장 인상시키는 성장 챔버(70)를 포함하여 이루어진다.
그리고, 성장 챔버(70)의 상부에 설치되어 상승ㆍ하강하는 로프(80)의 하단부와 시드 척(120)의 상단부를 결합시키고, 시드 척(120)의 하단부에는 시드(110)를 결합한다. 이 후, 로프(80)를 하강하여 시드(110)의 하단부를 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액(SM)에 디핑(dipping)시키고, 일정 공정을 거친 후에 로프(80)를 상승시킴으로서 시드(110)의 하단부로부터 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장ㆍ인상시키는 것이다.
여기에서 종래의 시드 및 시드 척에 대하여 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 종래의 시드(110)는 긴 막대 모양으로 형성되어 그 상부에 시드 척(120)의 결합을 위하여 시드(110)의 측벽부에 핀 결합부(111)가 형성되고, 시드 척(120)의 하단부에도 시드(110)와의 결합을 위하여 핀 결합부(121)가 형성된다. 그리고, 시드(110)와 시드 척(120)에 형성된 핀 결합부(111, 121) 사이에 고정핀(130)을 체결함으로서 시드(110)와 시드 척(120)을 결합하는 것이다.
그 후, 시드(110)의 하단부로부터 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킴에 따라 시드(110)에는 큰 하중이 인가된다. 이 때, 시드(110)의 핀 결합부(111)는 고정핀(130)과의 선 접촉에 의하여 시드(110)의 다른 부분과 비교하여 더욱 많은 하중을 받게 되고, 이러한 하중 증가는 국부적으로 집중적인 응력으로 작용을 하고, 이에 따라 시드(110)의 핀 결합부(111)에 미세 크랙(Micro crack)을 발생시켜, 결국 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 중에 시드(110)가 파손되어 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 낙하되는 사고가 발생한다는 문제점이 있어 왔다. 그리고, 이러한 문제는 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 직경이 점차로 대구경화 되면서 더욱 심각해진 것이다.
이에 이를 개선하기 위하여, 도 2b에 도시된 바와 같이, 시드(210)는 긴 막대 형상의 디핑부(211)로 형성되어 그 상단부에 시드 척과 결합하는 결합부(212)를 디핑부(211)의 단면적 보다 넓게 형성하여 결합부(212)와 디핑부(211)사이에 단층부(212-1)를 형성시켰다. 그리고, 시드 척(220) 하단부의 시드 결합부(221)에는 시드(210)의 시드 척 결합부(212)에 형성된 단층부(212-1)와 맞닿도록 단층부(221-1)를 형성시켜, 시드(210)와 시드 척(220)의 결합 시, 상호 간에 형성된 단층부(212-1, 221-1)가 맞닿도록 하여 결합시켰다. 이에 따라, 종래의 도 2a에 도시된 시드(110)와 시드 척(120)에서의 핀 결합에 의한 시드(110)의 파손 문제는 어느 정도 개선이 되었다.
그러나, 시드(210)의 시드 척 결합부(212)에 형성된 단층부(212-1)에서 디핑부(211)와 접하는 지점이 직각으로 형성되어 있음으로, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장에 따른 하중이 시드(210)의 시드 척 결합부(212)에 형성된 단층부(212-1)에 집중적으로 가해짐에 따라, 디핑부(211)와 단층부(212-1)가 접하는 모서리 부분에 집중적 응력이 가해지게 된다.
즉, 디핑부(211)와 단층부(212-1)가 접하는 모서리 부분에 집중적으로 가해지는 국부적인 응력은 역시 그 부분에 미소 크랙을 발생시키게 되고, 이는 역시 시드(210)의 파손을 유발하는 문제점이 있는 것이다.
또한, 도 2a에서 나타낸 바와 같이 핀 결합에 의한 시드 및 시드척의 경우에는 시드 및 시드척, 이와 연결되는 로프(80)의 무게 중심 축을 기준으로 좌ㆍ우 대칭이 이루어지지 않은 상태에서 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 회전시키면서 성장시키게 되므로, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 시 Orbit를 야기 시키는 원인이 된다. 여기에서 Orbit란 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장을 하면서 좌우로 중심축이 흔들리면서 회전하는 스윙(swing) 현상을 의미한다. 이는 특히, 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 대구경화 및 대용량화로 인하여 이러한 현상은 더욱 커지게 되는 반면, 대구경화 및 대용량화로 인한 결정 성장을 위한 성장 조건이 더욱 엄격해 지면서 결정 성장 기술의 재현성 및 생산성에 좋지 않은 결과를 초래하게 되는 문제점이 있었던 것이다.
본 발명은 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드척을 개선하여 실리콘 단결정 잉곳의 하중에 의하여 파손되지 않는 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드 척을 제공하려는 것이다.
이를 위한 본 발명인 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드 척은 상기 시드는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되어 있는 석영 도가니의 내부 실리콘 융액에 하부가 디핑(dipping)된 상태에서 인상시켜 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 막대 형상의 디핑부와, 상기 디핑부의 상부에 상기 디핑부의 단면적보다 넓고 하부가 상기 디핑부의 상부까지 일정한 곡률을 가지는 볼록한 형태의 시드 라운드(round)부를 갖도록 형성된 시드 척 결합부를 포함하며, 상기 시드 척은 하부에 형성된 시드 결합부가 상기 시드 척 결합부에 형성된 시드 라운드부와 접하도록 오목한 형태로 형성된 시드 척 라운드부로 형성된다. 상기에서 시드 라운드부와 상기 시드 척 라운드부는 곡률 반경(R)이 25㎜ 내지 30㎜로 형성된다.
또, 상기 시드는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되어 있는 석영 도가니의 내부 실리콘 융액에 하부가 디핑(dipping)된 상태에서 인상시켜 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 막대 형상의 디핑부와, 상기 디핑부의 상부에 상기 디핑부의 단면적보다 넓게 형성되데 하부는 그 가장 자리 부분에 형성된 시드 단층부와 이 시드 단층부의 내면에서 돌출 되어 상기 디핑부의 상부까지 일정한 곡률을 가지는 볼록한 형태로 형성된 시드 라운드(round)부를 갖도록 형성된 시드 척 결합부를 포함하며, 상기 시드 척은 그 하부에 형성된 시드 결합부가 상기 시드 척 결합부에 형성된 시드 단층부와 접하는 시드 척 단층부와, 상기 시드척 결합부에 형성된 시드 라운드(round)부와 접하도록 오목한 형태로 형성된 시드 척 라운드부로 형성된다. 상기에서 시드 라운드부와 상기 시드 척 라운드부는 곡률 반경(R)이 6㎜ 내지 9㎜로 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
먼저 본 발명의 제 1실시예로서 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되는 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck)은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같다.
즉, 도 3a에 도시된 바와 같이, 시드(311)는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되어 있는 석영 도가니의 내부 실리콘 융액에 디핑(dipping)되는 막대 형상의 디핑부(311)와, 디핑부(311)의 상부에 디핑부(311)의 단면적보다 넓게 형성된 시드 척 결합부(312)를 포함하여 이루어진다. 이 때, 시드(310)의 시드 척 결합부(312)는 그 가공 방법에 따라 사각기둥 모양 또는 원기둥 모양으로 형성할 수 있다.
그리고, 시드(310)의 시드 척 결합부(312)의 하단부는 디핑부(311)의 상단부까지 일정한 곡률을 가지는 볼록한 형태의 시드 라운드(round)부(312-1)로 형성된다.
또, 도 3b에 도시된 바와 같이, 시드 척(320)은 그 하단부에 형성된 시드 결합부(321)가 시드(310)의 시드 척 결합부(312)의 하단부에 형성된 시드 라운드부(312-1)와 접하도록 오목한 형태의 시드 척 라운드부(321-1)로 형성된다. 이 때, 시드 라운드부(312-1)와 시드 척 라운드부(321-1)의 일정 곡률 반경(R)은 25㎜ 내지 30㎜의 크기로 형성된 것이 바람직하다.
따라서, 시드(310)와 시드 척(320)이 결합할 때, 서로 시드 라운드부 및 시드 척 라운드부(312-2, 321-1)로 접촉 결합을 하므로 그 접촉 면적이 극대화되며, 또한 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳으로부터 하중이 가해지더라도 시드 라운드부(312-1)로 하중이 가해진다. 이에 따라, 시드 라운드부(312-1)로 가해지는 하중이 시드 라운드부(312-1)의 곡률 반경을 따라 분산되어, 시드 결합부(320)의 특정 부위에 국부적인 응력이 가해지는 것을 방지 할 수 있는 것이다. 이에 따라, 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 직경이 대구경화 되어, 그 하중이 증가하더라도 실리콘 단결정 잉곳의 하중에 의한 시드(310)의 파손을 방지할 수 있게 된다. 이 때, 시드 라운드부 및 시드 척 라운드부(312-1, 321-1)의 곡률 반경(R)은 25㎜ 내지 30㎜의 크기로 형성하는 것이 실리콘 단결정 잉곳에 의하여 시드 라운드부(312-1)로 가해지는 하중을 분산시켜 시드(310)의 파손을 방지하는데 가장 효과적이다.
다음으로, 본 발명의 제 2실시예로서 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되는 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck)은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같다.
즉, 시드(410)는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되어 있는 석영 도가니 내부의 실리콘 융액에 디핑(dipping)되는 막대 형상의 디핑부(411)와, 디핑부(411)의 상부에 디핑부(411)의 단면적보다 넓게 형성된 시드 척 결합부(412)를 포함하여 이루어지며, 시드 척 결합부(412)의 하단부는 그 가장 자리 부분에 형성된 시드 단층부(412-2)와, 시드 단층부(412-2)의 내면에서 돌출 되어 디핑부(411)의 상단부까지 일정한 곡률을 가지는 볼록한 형태로 형성된 시드 라운드부(412-1)를 포함하여 형성된다.
그리고, 시드 척(420)은 그 하단부에 형성된 시드 결합부(421)가 시드(410)의 시드 척 결합부(412)의 하단부에 형성된 시드 단층부(412-2)와 접하는 시드 척 단층부(421-2)와, 시드(410)의 시드척 결합부(412)에 형성된 시드 라운드부(412-1)와 접하도록 오목한 형태로 형성된 시드 척 라운드부(421-1)를 포함하여 형성된다. 이 때, 시드 라운드부(412-1)와, 시드 척 라운드부(421-1)의 일정 곡률 반경(R)은 6㎜ 내지 9㎜의 크기로 형성된 것이 바람직하다.
따라서, 시드(410)와 시드 척(420)이 결합할 때, 시드 단층부(412-2)와 시드 척 단층부(421-2)가 서로 접한 상태에서, 시드 라운드부(412-1)와 시드 척 라운드부(421-1)가 서로 접촉 결합을 하므로 그 접촉 면적이 극대화되며, 또한 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳으로부터 하중이 가해지더라도 시드 단층부(412-2)와 시드 라운드부(412-1)로 하중이 가해진다. 이에 따라, 시드 라운드부(412-1)로 가해지는 하중이 시드 라운드부(412-1)의 곡률 반경을 따라 분산되어, 시드 결합부(420)의 특정 부위에 국부적인 응력이 가해지는 것을 방지 할 수 있는 것이다. 또, 실리콘 단결정 잉곳으로부터의 하중을 시드 단층부(412-2)로 가해지는 하중으로 분산을 유도할 수 있다.
그러므로 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 직경이 대구경화 되어, 그 하중이 증가하더라도 실리콘 단결정 잉곳의 하중에 의한 시드(410)의 파손을 방지할 수 있게 된다. 이 때, 시드 라운드부 및 시드 척 라운드부(412-1, 421-1)의 곡률 반경(R)은 6㎜ 내지 9㎜의 크기로 형성하는 것이 실리콘 단결정 잉곳에 의하여 시드 라운드부(412-1)로 가해지는 하중을 분산시켜 시드(410)의 파손을 방지하는데 가장 효과적이다.
또한, 상술한 바와 같은 구성으로 시드 및 시드 척이 결합하므로, 시드 및 시드 척, 로프의 중심 축을 기준으로한 좌ㆍ우 대칭이 이루어진 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 회전시키면서 성장ㆍ인상시키게 되므로, orbit에 발생에 의한 스윙 현상이 발생하지 않아, 실리콘 단결정 잉곳 성장 중에 orbit 발생에 의한 성장 조건에의 악 영향을 제거 하였다.
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.
본 발명은 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드척을 개선하여 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳의 하중에 의한 응력 집중 현상을 방지함으로서, 실리콘 단결정 잉곳의 대용량에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 하중에 의하여 파손되고, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 중에 orbit 발생을 제거한 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드 척을 제공하였다.
도 1은 일반적인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 개략적인 단면도.
도 2a 및 도 2b는 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드 및 시드 척.
도 3a는 본 발명의 제 1실시예에 의한 시드의 사시도.
도 3b는 본 발명의 제 1실시예의 시드와 시드 척의 결합 단면도.
도 4a는 본 발명의 제 2실시예에 의한 시드의 사시도.
도 4b는 본 발명의 제 2실시예의 시드와 시드 척의 결합 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 : 로프
SM : 실리콘 융액 IG : 실리콘 단결정 잉곳
110, 210, 310, 410 : 시드(seed) 120, 220, 320, 420 : 시드 척(seed chuck)
111, 121 : 핀 결합부 130 : 고정핀
211, 311, 411 : 디핑부 212, 312, 412 : 시드 척 결합부
221, 321, 421 : 시드 결합부

Claims (4)

  1. 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되는 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck)에 있어서,
    상기 시드는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되어 있는 석영 도가니의 내부 실리콘 융액에 하부가 디핑(dipping)된 상태에서 인상시켜 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 막대 형상의 디핑부와, 상기 디핑부의 상부에 상기 디핑부의 단면적보다 넓고 하부가 상기 디핑부의 상부까지 일정한 곡률을 가지는 볼록한 형태의 시드 라운드(round)부를 갖도록 형성된 시드 척 결합부를 포함하며,
    상기 시드 척은 하부에 형성된 시드 결합부가 상기 시드 척 결합부에 형성된 시드 라운드부와 접하도록 오목한 형태로 형성된 시드 척 라운드부로 형성된 것이 특징인 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시드 라운드부와 상기 시드 척 라운드부는 곡률 반경(R)이 25㎜ 내지 30㎜로 형성된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck).
  3. 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되는 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck)에 있어서,
    상기 시드는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 설치되어 있는 석영 도가니의 내부 실리콘 융액에 하부가 디핑(dipping)된 상태에서 인상시켜 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 막대 형상의 디핑부와, 상기 디핑부의 상부에 상기 디핑부의 단면적보다 넓게 형성되데 하부는 그 가장 자리 부분에 형성된 시드 단층부와 이 시드 단층부의 내면에서 돌출 되어 상기 디핑부의 상부까지 일정한 곡률을 가지는 볼록한 형태로 형성된 시드 라운드(round)부를 갖도록 형성된 시드 척 결합부를 포함하며,
    상기 시드 척은 그 하부에 형성된 시드 결합부가 상기 시드 척 결합부에 형성된 시드 단층부와 접하는 시드 척 단층부와, 상기 시드척 결합부에 형성된 시드 라운드(round)부와 접하도록 오목한 형태로 형성된 시드 척 라운드부로 형성된 것이 특징인 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck).
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 시드 라운드부와 상기 시드 척 라운드부는 곡률 반경(R)이 6㎜ 내지 9㎜로 형성된 것이 특징인 쵸크랄스키 법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 시드(seed) 및 시드 척(seed chuck).
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