KR100544778B1

KR100544778B1 - 질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳성장장치

Info

Publication number: KR100544778B1
Application number: KR1020030092085A
Authority: KR
Inventors: 김상희; 최일수; 이경석; 이상훈
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2006-01-23
Also published as: KR20050060459A

Abstract

본 발명은 질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 대한 것이다. 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 실리콘 융액으로부터 단결정을 인상시키면서 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘단결정 잉곳 성장장치로서, 상기 실리콘 융액이 담겨지는 도가니의 외측에서 도가니로 열을 방사하는 발열체와; 상기 실리콘융액으로부터 인상되며 성장되는 단결정 잉곳에 상기 발열체에 의해 전달되는 열을 차폐시키는 열실드와; 상기 열실드 표면에 피복되는 질화붕소피복층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 상기와 같이 잉곳 성장장치의 열실드 표면에 질화붕소층을 Pyrolitic구조로 증착하여, SiO₂등의 산화물이 열실드에 증착되는 것을 방지할 수 있게 된다.

질화붕소, 열실드, 반응성, 피복, 성장장치

Description

질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치{A Grower For Silicon Single Crystal Ingot With A Heat Shield Coated With Boron Nitride Layer}

도 1은 종래의 실리콘 단결정 잉곳성장장치를 예시한 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 실시예의 질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 예시한 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 실시예의 열실드를 예시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

30.......실리콘 단결정잉곳 성장장치 31.........챔버

33.......석영도가니 35.........발열체

37.......열실드 40.......질화붕소 피복층

41.......지지대 SM.........실리콘 융액

SI.......실리콘 잉곳

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 초 크랄스키 방법으로 실리콘 단결정을 성장시키는 성장장치의 열실드의 표면을 질화붕소를 증착 피복하여 열실드에 산화물의 증착과 열충격의 발생으로 인한 파괴위험을 감소시키는 것이 가능한 질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 대한 것이다.

도 1은 종래의 실리콘 단결정 잉곳성장장치를 예시한 단면도이다.

도시된 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(10)는, 잉곳성장이 일어나는 공간인 챔버(11)와, 단결정 잉곳(SI)으로 성장되는 실리콘융액(SM)이 담겨지는 도가니(13)와, 도가니(13)에 열을 가하는 발열체인 히터(15)와, 성장중인 단결정 잉곳(SI)에 대해 발열체로부터 전달되는 열을 차단하는 열실드(17)를 포함한다.

종래의 단결정잉곳 성장장치(10)에서는 실리콘융액의 오염을 방지하기 위해 Si을 포함하는 석영(SiO₂) 도가니를 사용한다. 도가니(13)의 실리콘융액 접촉면에서는 고열에 의해 도가니(13)로부터 산소가 용해되어 도가니벽을 타고 융액표면으로 이동하게 된다. 그리고 발생한 산소는 약 99%가 실리콘 융액(SM)의 표면에서 증발된다.

실리콘융액(SM) 표면으로부터 증발하는 산소는 SiO₂기체로 이 SiO₂기체는 챔버(11) 내부로 주입되는 아르곤 등의 불활성 기체와 같은 경로를 이동하게 된다. 즉, 챔버(11)의 상부에서 주입되는 아르곤 등의 불활성 기체는 융액표면에서 발생하는 SiO₂기체를 포함하여 열실드(17)의 외측면과 히터(15) 사이의 공간을 지나 하부로 배출되어진다.

그런데, 상기와 같은 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에는 다음과 같은 문제점이 있어 왔다.

SiO₂는 실리콘 융액(SM) 표면에서는 고온의 상태가 유지되므로 기체상태로 유지되지만, 아르곤 등의 불활성 기체와 함께 열실드(17) 외측면으로 이동하게 되면 챔버의 상부는 상대적으로 저온상태를 유지하기 때문에, SiO₂기체가 열실드(17)의 상단 외측면에 증착되어 SiO₂층(20)이 형성되게 된다.

또한 챔버(11) 내부의 기체흐름은 난류를 이루게 되어 증착반응을 가속시키게 되며, 한 번 증착이 일어난 부위는 단결정 성장장치의 사용회수가 증가할수록 산화물의 증착량이 급속도로 증가하게 된다.

챔버(11) 내부에서는 폴리실리콘의 용융과 재용융 등과 같이 열변화가 크고, SiO₂등의 산화물이 증착되면 이 SiO₂층(20)과 열실드(17) 사이에는 열팽창계수의 차이로 열응력이 발생하게 된다. 이 열응력이 특정부위에 집중되면 그에 의해 열실드(17)나 열실드(17)를 지지하는 지지대(19) 등에 파손이 발생할 수 있다.

또한, 열실드(17)나 지지대(19)에 증착되는 SiO₂층(20) 자체가 벗겨져서 오염원으로 작용할 수 있을 뿐만 아니라, 열실드(17)나 지지대(19)의 파손이나 손상에 의해 실리콘 융액(SM)내로 불순물이 유입될 수 있다.

본 발명의 목적은, 실리콘 단결정 성장장치의 열실드에 실리콘 잉곳 성장과 정 중 SiO₂등의 산화물이 증착되는 것을 방지하는 질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 구현하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 흑연재질의 열실드의 열충격에 약한 특성을 보완할 수 있도록 하는 질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳성장장치를 구현하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 실리콘 융액으로부터 단결정을 인상시키면서 성장시켜 실리콘 단결정 잉곳을 형성하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치로서, 상기 실리콘 융액이 담겨지는 도가니의 외측에서 도가니로 열을 방사하는 발열체와; 상기 실리콘 융액으로부터 인상되며 성장되는 단결정 잉곳에 상기 발열체에 의해 전달되는 열을 차폐시키는 열실드와; 상기 열실드 표면에 증착 피복되는 질화붕소 피복층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 질화붕소 피복층은 CVD(Chemical Vapour Deposition) 방법에 의해 Pyrolitic 구조로 증착 피복되는 것을 특징으로 한다.

상기 질화붕소 피복층은 파이롤리틱(Pyrolitic) 구조로 2~10㎛의 두께로 증착 피복되는 것을 특징으로 한다.

상기 질화붕소 피복층은 상기 열실드의 외측표면에 증착 피복되는 것을 특징으로 한다.

상기 질화붕소 피복층은 상기 열실드의 상단부가 상기 잉곳성장장치의 상단 부에 고정 지지되게 하는 부분인 지지대에도 증착 피복되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의하여, 실리콘 단결정성장장치의 열실드의 표면에 질화붕소를 피복하는 것에 의해 열실드에 산화물이 증착되는 것을 방지하고 가해지는 열충격으로 인해 열실드가 파괴되는 위험을 감소할 수 있게 된다.

이하 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 질화붕소층이 피복된 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 바람직한 실시예의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 실시예의 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 예시한 단면도이고, 도 3은 상기 성장장치에 사용되는 열실드의 세부구성을 예시한 단면도이다.

도시된 본 실시예의 실리콘 단결정 성장장치(30)는, 실리콘 융액(SM)으로부터 단결정을 인상시키면서 성장시키는 쵸크랄스키 방법에 의하는 실리콘 단결정 성장장치이다.

본 실시예의 실리콘 단결정 성장장치(30)의 챔버(31) 내부에는 실리콘 융액(SM)이 담겨지는 석영도가니(33)가 구비되며, 그 석영도가니(33)의 외주에는 석영도가니(33)로 열을 방사하여 폴리 실리콘의 용융을 가능하게 하는 발열체(35)가 구비된다.

본 실시예에서 실리콘 단결정 잉곳(SI)은 석영도가니(33)에 담겨진 실리콘융액(SM)에 담겨지는 시드로부터 인상되면서 성장되는데, 단결정 잉곳(SI)의 성장속도를 향상시키기 위해서는 상기 발열체(35)로부터 성장중인 실리콘 단결정(SI)에 전달되는 열을 차폐시켜 제어할 필요가 있다.

본 실시예의 실리콘 단결정 잉곳성장장치(30)에는 발열체(35)에 의한 열전달의 제어를 위해 성장중인 실리콘 단결정(SI)의 외주를 둘러싸는 열실드(37)를 설치하고 있다. 이 열전달을 제어하기 위한 열실드(37)는 그 형상과 재질에 따라 실리콘 단결정(SI)에 전달되는 열량이 상이해질 수 있기 때문에 성장시키고자 하는 잉곳의 종류에 따라 열실드(37)의 형상과 구조가 달리 결정된다.

본 실시예의 열실드(37)는 성장장치(30)의 상단에서 하부로 갈수록 내측방향으로 경사진 통모양을 이루며, 그 하면은 실리콘 융액(SM)으로부터의 복사열을 제어할 수 있도록 통의 중심을 향해 구불어진 구조이다.

본 실시예의 열실드(37)는 내부에는 열차단을 위한 단열재(37a)가 투입되고, 그 외측을 흑연층(37b)이 감싸고 있다. 그리고, 이 열실드의 상단에는 잉곳 성장장치(30)의 그라파이트링(39)에 열실드를 고정시키는 고정부(37c)가 구비된다.

또한 본 실시예에서는 열실드(37)의 표면에, 상온과 오퍼레이션 온도 사이에서 챔버내에 존재하는 원소(C, Si, O) 등과의 반응성이 매우 낮아 안정하고 열충격에 강한 물질인 질화붕소를 증착시키고 있다. 본 실시예에서는 열실드(37)의 내측 표면에는 질화붕소를 증착피복 하지 않고 SiO₂등의 산화물의 증착이 많이 되는 열실드(37)의 외측 표면에 대해 질화붕소 피복층(40)을 형성시키고 있다.

또한, 열실드(37)가 지지되는 열실드 지지대(41)에도 산화물이 증착되며, 열충격이나 열응력 등에 의해 파손의 우려가 있기 때문에 질화붕소 피복층(40)을 형성시킨다.

본 실시예에서는 불활성기체가 투입되는 부분인 열실드(37)의 내측에는 상대적으로 산화물의 증착 가능성이 적기 때문에 질화붕소를 피복하지 않은 상태로 유지한다.

그리고, 본 실시예의 질화붕소 피복층(40)은 열실드(37)의 표면에 CVD(Chemical Vapour Deposition) 방법에 의해 파일롤리틱(Pyrolitic) 구조로 증착피복된다. 따라서 본 실시예의 질화붕소 피복층은 PBN(Pyrolitic BN)이라 부르며 치밀한 육방정계(Hexagonal) 질화붕소로 액체금속에 대한 내식성이 뛰어나고, 순도가 높으며 강도가 온도의 상승과 함께 증가하는 특이한 성질을 나타나낸다.

이하 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예의 열실드가 구비된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 작용을 설명한다.

본 실시예의 잉곳성장장치(30)를 이용하여, 실리콘 단결정(SI)을 성장시키는 과정은 다음과 같다. 폴리실리콘을 석영도가니(33)에 담고 발열체(35)를 작동시켜 실리콘 융액(SM)으로 만든다. 다음으로 단결정 시드를 담구어 일정 속도로 인상시키면서 실리콘 단결정 잉곳(SI)을 형성시키게 된다.

실리콘 단결정 잉곳의 성장과정 전체에 걸쳐, 챔버(30) 상부에서는 실리콘의 용융과정에서 발생한 오염물질이나 성장과정에 발생되는 산화물 등을 포함하여 외부로 배출하기 위하여 아르곤 등의 불활성 기체가 투입된다.

실리콘 융액(SM)의 표면에서 발생하는 산소에 의한 SiO₂등의 기상의 산화물들은 불활성기체와 함께 열실드(37)와 히터(15) 사이 공간을 지나 챔버(31) 외부로 배출되어진다.

본 실시예에서는 열실드(37)의 표면에 반응성이 매우 낮은 질화붕소를 피복하고 있기 때문에, 산화물들은 열실드(37)의 표면에 증착되지 못하고 불활성기체와 함께 외부로 배출되게 된다.

즉, 열실드(37)를 감싸는 질화붕소 피복층(40)은 반응성이 매우 낮아서 흑연과 반응하는 물질들과 잘 반응하지 않기 때문에 흑연에는 SiO₂등의 산화물의 증착이 발생하지 않는다.

질화붕소는 불활성 기체 분위기에서는 2500 내지 3000℃ 까지 사용가능하고 내구성이 크고 열충격 저항이 우수하기 때문에, 1500℃ 정도에서 급가열 또는 급냉각이 이루어지는 본 실시예의 잉곳 성장장치(30)에서도 안전하게 사용할 수 있다.

본 실시예에서는 질화붕소의 증착은 CVD방법에 의하는데, 이는 열실드(37)에 피복되는 질화붕소는 흑연과 같은 육방정계의 구조를 가지며 물리적 특성이 흑연과 유사하여 흑연으로 형성된 열실드의 표면에 증착이 용이하기 때문이다.

이와 같이 열실드(37)나 지지대(41)에 CVD 방법에 의해 증착된 질화붕소 피복층(40)은 뛰어난 이방성 열전도성(즉, 측면으로 높은 열전도성)을 갖기 때문에, 열실드(37)의 상단과 하단에 걸쳐 거의 균일한 온도분포를 이루도록 하는 것이 가능하며, 챔버(31) 내의 위치별 온도차이로 발생하는 열충격을 완화시키는 것이 가능하게 된다.

또한 질화붕소 피복층(40)은 열실드(37)와 열실드 지지대(41) 등에 형성된 미세균열을 충진 피복하기 때문에 미세균열의 성장과 전파를 차단하고 방지하는 것이 가능해진다.

본 실시예에서는 상술한 바와 같이 열실드(37) 및 열실드 지지대(41)에 산화물이 증착되는 것을 막을 수 있고, 산화물 증착에 의한 열응력의 집중이나 열충격에 의해 열실드(37)나 지지대(41)가 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.

본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 정해지며, 특허청구범위에 기재된 사항과 동일성 범위에서 당업자가 행한 다양한 변형과 개작을 포함함은 자명하다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 열실드 및 열실드 지지대에 SiO₂등의 산화물의 증착을 방지할 수 있어 열응력에 의한 열실드 및 그 지지대의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한 질화붕소의 피복에 의해 열실드 등에 열충격을 완화시키고, 열실드 등에 발생한 균열이 성장이나 전파되는 것을 방지할 수 있게 된다.

그리고, 열실드 등에 증착된 산화물이나 열실드 등의 균열에 의해 실리콘 융액이 오염되는 것을 방지할 수 있게 된다.

그 결과 잉곳성장장치의 사용기간을 증대시키는 것이 가능하고, 이에 의해 실리콘 단결정 잉곳의 생산단가를 절감시키는 것이 가능해진다.

Claims

실리콘 융액으로부터 단결정을 인상시키면서 성장시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치로서,

상기 실리콘 융액이 담겨지는 도가니의 외측에서 도가니로 열을 방사하는 발열체와;

상기 실리콘 융액으로부터 인상되면서 성장되는 단결정 잉곳에 상기 발열체에 의해 전달되는 열을 차폐시키는 열실드와;

상기 열실드 표면에 피복되는 질화붕소 피복층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화붕소층이 피복된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
청구항 1에 있어서, 상기 질화붕소 피복층은 CVD(Chemical Vapour Deposition) 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 질화붕소층이 피복된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
청구항 2에 있어서, 상기 질화붕소 피복층은 파이롤리틱 구조로 2~10㎛의 두께로 증착 피복되는 것을 특징으로 하는 질화붕소층이 피복된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
청구항 1에 있어서, 상기 질화붕소 피복층은 상기 열실드의 외측표면에 증착 피복되는 것을 특징으로 하는 질화붕소층이 피복된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
청구항 1에 있어서, 상기 질화붕소 피복층은 상기 열실드의 상단부가 상기 잉곳성장장치의 상단부에 고정 지지되게 하는 부분인 지지대에도 증착 피복되는 것을 특징으로 하는 질화붕소층이 피복된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
청구항 1 또는 5 중 어느 한 항에 있어서,

상기 질화붕소 피복층은 각이 져서 오목한 부위에 피복된 것을 특징으로 하는 질화붕소층이 피복된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.