KR100682585B1 - 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템 및 이를 사용하는단결정 성장 공정의 압력 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정이 성장되는 챔버를 구비한 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상기 챔버 내에 진공력을 전달하는 주펌프; 상기 주펌프의 진공력을 증강시키는 보조펌프; 상기 챔버의 압력을 측정하는 압력게이지; 상기 챔버의 압력을 제어하는 컨트롤러; 및 상기 챔버, 압력게이지, 주펌프와 컨트롤러를 연결하는 배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템에 대한 것이다.

이상의 본 발명에 따르면 밸브 등의 별도의 압력조절 수단 없이 컨트롤러가 펌프의 흡입력을 직접 제어하여 챔버 내의 압력을 일정하게 유지하기 때문에, 챔버 내의 높은 압력을 안정적으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 특히 고산소농도의 실리콘 단결정의 생산성을 현저히 향상시킬 수 있다.

압력제어, 압력조절 밸브, 컨트롤러, 펌프

Description

단결정 성장 장치의 압력제어 시스템 및 이를 사용하는 단결정 성장 공정의 압력 제어방법{PRESSURE CONTROL SYSTEM OF SINGLE CRYSTAL GROWER AND PRESSURE CONTROL METHOD USING THEREOF}

도1은 석영 도가니로부터 융액에 녹아 들어가는 산소의 양, 융액 표면으로부터 증발하는 산소의 양, 및 단결정 중에 들어가는 산소의 양의 관계를 간단하게 나타낸 도면,

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도,

도3은 실리콘 단결정 잉곳의 바디부 성장 동안의 압력편차를 나타내는 그래프,

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도,

도5는 압력조절 밸브의 개폐도와 챔버의 압력의 상관관계 분석을 나타내는 그래프,

도6은 비교예의 아르곤가스 유입량(slpm), 챔버의 압력(torr), 압력조절 밸브의 개폐도(%)를 실리콘 단결정의 길이에 대해 나타낸 그래프,

도7은 도6의 조건으로 성장된 실리콘 단결정의 산소농도를 실리콘 단결정의 길이에 대해 나타낸 그래프,

도8은 본 발명의 일실시예에 따른 아르곤가스 유입량(slpm), 챔버의 압력(torr), 압력조절 밸브의 개폐도(%)를 실리콘 단결정의 길이에 대해 나타낸 그래프,

도9는 도8의 조건으로 성장된 실리콘 단결정의 산소농도를 실리콘 단결정의 길이에 대해 나타낸 그래프이다.

본 발명은 압력제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 쵸크랄스키법(Czochralski method)에 의한 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 쵸크랄스키 법에 따라 단결정을 성장시키는 방법에서는 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 실리콘 융액의 표면으로부터 단결정을 성장시킨다.

씨드 결정을 인상하여 성장시킨 상기 단결정 중에는 산소가 고용되어 있다. 산소는 상기 석영 도가니로부터 실리콘 융액 중에 녹아 들어가 단결정의 인상시에 단결정 중에 들어간다. 단결정 중의 산소농도는 소자, 디바이스의 특성에 중대한 영향을 줌과 동시에, 소자, 디바이스의 제조공정에 있어서 그 수율에 중대한 영향 을 준다.

도1에는 석영 도가니(3)로부터 융액(5)에 녹아 들어가는 산소의 양, 융액 표면(5a)으로부터 증발하는 산소의 양, 및 단결정(6) 중에 들어가는 산소의 양의 관계를 나타내였다. 도1에 나타내는 바와 같이, 단결정(6)으로 들어가는 산소의 양은, 석영 도가니(3)로부터 융액(5)에 녹아 들어가는 산소의 양으로부터 융액 표면(5a)으로부터 증발하는 산소의 양을 빼면 된다. 일반적으로 석영 도가니로부터 융액(5)으로 녹아 들어간 산소는 99%정도가 증발하고, 남은 1%정도가 단결정(6)으로 들어간다.

또한, 일반적으로 인상 후기에서 아르곤 주입량은 많고, 챔버 내의 압력이 낮기 때문에 융액으로부터의 산소 증발량이 증가 되어 단결정 중의 산소농도는 감소하게 된다. 이에 따라, 인상 후기에서는 단결정의 산소농도가 감소하기 때문에 고산소농도의 단결정을 생산하는 경우에는 프라임 구간의 비율이 감소되어 생산성이 낮아지는 문제점이 있었다.

이에 따라, 고산소농도의 단결정을 생산하고자 하는 경우 또는 안티모니와 같은 휘발성이 강한 분순물(dopant)을 첨가하기 때문에 챔버의 압력을 높게 유지해야 할 필요가 있는 경우에는 인상 후기에도 챔버 내의 압력을 일정 크기 이상으로 유지할 수 있도록 하는 압력제어 수단이 필요하다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 컨트롤러가 펌프의 흡입력을 조절하여 챔버 내의 압력을 일정하게 유지할 수 있 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템을 제공함에 있다.

특히 본 발명은 종래 기술과는 달리 밸브 등 별도의 압력조절 수단 없이 펌프에서 압력을 조절하기 때문에 챔버 내의 압력 편차가 적고, 밸브 고장에 의한 문제를 미연에 방지할 수 있는 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 챔버 내부를 높은 압력으로 제어하여 고산소농도의 단결정 제조의 생산성을 향상시킬 수 있는 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 안티모니와 같은 휘발성이 강한 분순물(dopant)을 첨가하므로 챔버를 높은 압력으로 유지해야 하는 경우에 특히 유용한 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 단결정이 성장되는 챔버, 상기 챔버 내에 진공력을 전달하는 펌프 및 상기 챔버의 압력을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 단결정 성장 장치를 사용하여 단결정을 성장시키는 단결정 성장 공정의 압력을 제어하는 방법에 있어서, 상기 컨트롤러가 상기 펌프의 흡입력을 조절하여 상기 챔버 내부의 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 공정의 압력을 제어하는 방법을 제공함에 있다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 단결정의 인상 후기에 융액 표면으로부터 증발되는 산소의 양을 줄이기 위해 챔버 내부를 높은 압 력으로 유지하여 많은 양의 산소를 단결정으로 유입시키고자 하였으나, 종래의 시스템으로는 단결정 성장 장치의 챔버 내부의 압력을 일정 이상으로 제어할 수 없음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 단결정이 성장되는 챔버를 구비한 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템에 있어서, 상기 챔버 내에 진공력을 전달하는 주펌프; 상기 주펌프의 진공력을 증강시키는 보조펌프; 상기 챔버의 압력을 측정하는 압력게이지; 상기 챔버의 압력을 제어하는 컨트롤러; 및 상기 챔버, 압력게이지, 주펌프 및 컨트롤러를 연결하는 배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템을 제공한다.

상기 챔버와 보조펌프 사이의 배관상에 압력조절 밸브를 더 설치한 것을 특징으로 한다.

상기 컨트롤러는 상기 보조펌프의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 단결정이 성장되는 챔버, 상기 챔버 내에 진공력을 전달하는 펌프 및 상기 챔버의 압력을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 단결정 성장 장치를 사용하여 단결정을 성장시키는 단결정 성장 공정의 압력을 제어하는 방법에 있어서, 상기 컨트롤러가 상기 펌프의 흡입력을 조절하여 상기 챔버 내부의 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 공정의 압력을 제어하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템은 종래의 밸브를 사용하여 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지하던 기술과는 달리, 펌프의 흡입력을 제어 함으로써 씨드 결정의 쏘킹(soaking), 네킹(necking), 숄더링(shouldering), 바디 그로잉(body growing) 과정을 거쳐 테일링(tailing) 까지 단결정 성장기간 동안 챔버 내의 압력을 일정하게 유지하는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다(상기 도면에서 실선은 진공배관, 점선은 제어 신호선을 나타낸다).

도2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템은 단결정이 성장되는 챔버를 구비한 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템으로서, 상기 챔버 내에 진공력을 전달하는 주펌프; 상기 주펌프의 진공력을 증강시키는 보조펌프; 상기 챔버의 압력을 측정하는 압력게이지; 상기 챔버의 압력을 제어하는 컨트롤러; 상기 챔버, 압력게이지, 주펌프 및 컨트롤러를 연결하는 배선을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 챔버는 단결정의 성장이 이루어지는 곳으로서, 흑연 재질의 지지대로 에워 쌓인 석영 도가니, 히터, 보온통 등을 포함하여 구성되며, 고객이 원하는 스펙에 따라 단결정 성장시의 챔버 내부의 온도 및 압력을 적절히 조절하는 것이 매우 중요하다.

일반적으로, 상기 챔버의 온도는 히터에서 공급되는 열량에 의해 제어되고, 압력은 챔버 내로 주입되는 아르곤가스의 유량 및 펌프의 진공 전달력을 조절함으로써 제어된다.

상기 주펌프는 진공펌프로서 상기 챔버 내에 진공력을 전달하고, 이때 보조펌프는 블로어 펌프로서 상기 주펌프의 진공 전달력을 증강시키며, 상기 압력게이지는 상기 주펌프와 보조펌프에 의해 일정하게 유지되는 상기 챔버 내부의 압력을 측정하고 그 측정치는 상기 컨트롤러에 입력된다. 이때, 상기 챔버, 압력게이지, 주펌프, 보조펌프 및 컨트롤러는 배선으로 연결된다.

도3은 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 동안의 압력편차를 나타내는 그래프이다. 도3을 참조하면, 본 발명에 따라 펌프의 흡입량을 조절하여 챔버내의 압력을 제어하는 방식이 종래기술에 따라 트로틀 밸브로 압력을 제어하는 방식보다 그 압력 편차가 적음을 알 수 있다.

도4 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도, 도4는 압력조절 밸브의 개폐도와 챔버의 압력의 상관관계 분석을 나타내는 그래프이다.

도4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템은 상기 챔버 내에 진공력을 전달하는 주펌프; 상기 주펌프의 진공력을 증강시키는 보조펌프; 상기 챔버의 압력을 측정하는 압력게이지; 상기 챔버와 보조펌프 사이의 배관상에 설치된 압력조절 밸브; 상기 챔버의 압력을 제어하는 컨트롤러; 상기 챔버, 압력게이지, 주펌프, 및 컨트롤러를 연결하는 배선을 포함하여 구성된다.

도4의 실시예는 상기 챔버, 주펌프와 보조펌프, 압력게이지, 및 컨트롤러를 포함하는 전체 구성을 동일하고, 다만 압력조절 밸브를 더 포함하는 것이 도2의 실시예와 구별되는 점이므로 상기 챔버, 주펌프와 보조펌프, 압력게이지, 및 컨트롤러에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 압력조절 밸브는 그 개폐량에 따라 상기 주펌프/보조펌프에서 챔버로 전달되는 진공력을 조절함으로써 상기 챔버 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 하는 역할을 한다. 이때, 상기 압력조절 밸브의 개폐여부와 개폐량은 상기 컨트롤러에 의해 조절된다.

상기 압력조절 밸브는 단결정 성장 공정에 따라 혹은 고객이 원하는 스펙에 따라 상기 주펌프/보조펌프와 상호 보완적으로 또는 독립적으로 작동될 수 있다.

그러나, 단결정 성장 후기에도 높은 압력 조건에서 성장되어야 하는 고산소농도의 단결정을 제조하는 경우 또는 안티모니와 같은 휘발성이 강한 분순물(dopant)을 첨가하므로 챔버를 높은 압력으로 유지해야 하는 경우에 상기 컨트롤러가 직접 보조펌프의 회전수를 제어하는 것이 바람직하다.

물론 이때 상기 압력조절 밸브를 보완적인 수단으로 사용할 수 있음은 당연하다. 하지만, 압력조절 밸브의 개폐도와 챔버의 압력 사이의 상관관계를 나타낸 그래프인 도5를 참조하면, 상기 주펌프/보조펌프에 의해 챔버로 전달되는 진공력이 매우 높은 경우 즉, 펌프의 용량이 큰 경우에는 상기 압력조절 밸브(트로틀 밸브)를 모두 닫은(closed) 경우에도 밸브의 실링(sealing)이 완벽하지 않아서 상기 컨트롤러를 통해 압력조절 밸브의 개폐량을 조절하는 것만으로는 챔버 내부의 압력을 안정적으로 높게 유지할 수 없다. 또한, 펌프 용량이 적은 경우에는 원하는 압력에 도달하기 까지 오랜 시간이 소요되는 문제가 있다.

본 발명의 특징은 컨트롤러가 밸브 등의 별도의 보조 수단 없이 펌프의 흡입력을 직접 제어함으로써 챔버 내부의 압력을 제어하는 데에 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 컨트롤러 내의 인버터가 상기 보조펌프의 유도모터의 회전수를 제어함으로써 그 흡입력을 제어하여 챔버 내의 압력이 일정하게 유지되도록 제어하는 것이다.

물론, 상기 주펌프의 회전수를 제어할 수도 있으나 로터리 피스톤 펌프를 주 펌프로 사용하여 챔버에 진공력을 전달하는 경우, 컨트롤러가 상기 주펌프의 회전수를 제어하게 되면 상기 주펌프는 그 성능을 유지하기 어렵기 때문에 상기 보조펌프의 회전수를 제어함으로써 챔버의 내부 압력을 제어하는 것이 보다 바람직하다.

이러한 구성에 따라, 본 발명의 압력제어 시스템은 밸브 등 압력 제어를 위한 여타의 보조수단이 필요 없고 컨트롤러가 직접 펌프를 제어하여 압력을 조절하기 때문에, 단결정 성장 공정 중의 챔버 내부의 압력 편차가 적고, 트로틀 밸브 고장에 의해 압력 제어가 되지 않는 문제를 미연에 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 압력제어 시스템을 사용하여 고산소농도의 단결정을 성장시키고자 하는 경우를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

우선, 씨드 결정을 석영 도가니에 담그는 네킹 공정부터 숄더 공정까지는 컨트롤러가 압력조절 밸브를 제어하여 챔버 내부의 압력을 약 10 ~ 20 torr로 제어하는 것이 바람직하다.

다음으로, 바디 그로잉 공정 중에는 압력제어 밸브는 약 35% 오픈되도록함과 동시에 컨트롤러가 직접 펌프의 흡입력을 제어하도록 하여 챔버 내부를 약 25-35 torr 정도의 높은 압력으로 유지하는 것이 바람직하다. 이는 단결정의 바디 후반부 이후에는 산소농도가 감소하는 것, 즉 단결정 성장 후반기에 아르곤가스 유량은 높고 챔버의 압력이 낮아 융액으로부터의 산소 증발이 증가하는 것을 방지하기 위함이다. 그리고, 테일 공정 시작부터는 컨트롤러가 다시 압력조절 밸브를 개폐하여 챔버 내부의 압력을 10 ~ 20 torr로 제어하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 압력제어 시스템을 사용하여 단결정 성장 시에 컨트롤러가 펌프와 압력제어 밸브를 보완적으로 제어하도록 하면, 높은 압력을 안정적으로 유지할 수 없어 특히, 고산소농도의 단결정 제조시 생산성이 떨어졌던 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명은 고객이 원하는 스펙에 따라 다양한 레벨로 산소농도를 제어하고자 하는데, 산소용해량을 제어하는 것만으로는 단결정 내의 산소농도를 넓은 범위에 걸쳐서 자유롭게 제어할 수는 없어 융액 표면으로부터 증발하는 산소의 증발량을 제어하여 단결정 중의 산소농도를 제어할 때, 특히 고산소농도의 단결정을 높은 생산성으로 제조하고자 할 때, 특히 유용하다.

<비교예>

6" 실리콘 단결정을 인버터를 사용하지 않고, 챔버 내부의 압력을 20 내지 30 torr까지 상승시키면서 잉곳의 바디부를 성장시켰다.

도6에는 실리콘 단결정 성장 조건 중의 아르곤가스 유입량(slpm), 챔버의 압 력(torr), 압력조절 밸브의 개폐도(%)를 실리콘 단결정의 길이에 대한 그래프로 나타내었으며, 도7에는 도6의 조건으로 성장된 실리콘 단결정의 산소농도를 실리콘 단결정의 길이에 대한 그래프로 나타내었다.

도7에서 보듯이 실리콘 단결정의 길이 650mm 이상인 부분에서는 챔버 내부의 압력을 제어할 수 없어 산소농도가 14ppma 이하로 급격히 낮아지는 것을 알 수 있다.

<실시예>

6" 실리콘 단결정을 인버터 수치 50, 아르곤가스 유입량 30slpm 조건에서 챔버 내부의 압력을 25 torr에서 33 torr까지 상승시키면서 잉곳의 바디부를 성장시켰다.

도8에는 실리콘 단결정 성장 조건 중의 아르곤가스 유입량(slpm), 챔버의 압력(torr), 압력조절 밸브의 개폐도(%)를 실리콘 단결정의 길이에 대한 그래프로 나타내었으며, 도9에는 도8의 조건으로 성장된 실리콘 단결정의 산소농도를 실리콘 단결정의 길이에 대한 그래프로 나타내었다.

도9에서 보듯이 실리콘 단결정의 길이가 700mm 이상인 부분에서 산소농도가 0.5ppma 정도 상승하여, 실리콘 단결정 길이 900mm 이상인 부분까지 산소농도가 14ppma 이상으로 유지되어 프라임 로스가 전혀 없는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며 당분야에서의 통상의 지식을 가진자에 의하여 본 발명의 기술적 사상내에서 많은 변형에 의한 실시가능함은 명백하 다.

이상과 같은 본 발명에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템 및 이를 사용하는 단결정 성장 공정의 압력 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템은 종래의 밸브 등 별도의 조절수단에 의해 압력을 조절하는 기술과는 달리, 컨트롤러가 펌프의 흡입력을 직접 제어하여 챔버 내의 높은 압력을 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템 및 이를 사용하는 단결정 성장 공정의 압력 제어방법은 펌프 흡입력 직접 제어 방법과 종래의 밸브 압력 제어 방법을 동시에 사용하여 압력을 유지할 수도 있다.

이에 따라, 성장 후기에도 챔버 내의 높은 압력 조건에서 성장되어야 하는 고산소농도의 단결정을 제조하는 경우 또는 안티모니와 같은 휘발성이 강한 분순물(dopant)을 첨가하므로 챔버를 높은 압력으로 유지해야 하는 경우에 특히 생산성을 현저히 향상시킬 수 있다는 탁월한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템은 종래 기술과는 달리 별도의 밸브 없이 펌프에서 압력을 조절하기 때문에 챔버 내의 압력 편차가 적고, 밸브 고장에 의한 문제를 미연에 방지할 수 있다.

Claims (4)

1. 단결정이 성장되는 챔버를 구비한 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템에 있어서,

   상기 챔버 내에 진공력을 전달하는 주펌프;

   상기 주펌프의 진공력을 증강시키는 보조펌프;

   상기 챔버의 압력을 측정하는 압력게이지;

   상기 챔버의 압력을 제어하는 컨트롤러; 및

   상기 챔버, 압력게이지, 주펌프 및 컨트롤러를 연결하는 배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 챔버와 보조펌프 사이의 배관상에 압력조절 밸브를 더 설치한 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 컨트롤러는 상기 보조펌프의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치의 압력제어 시스템.
4. 단결정이 성장되는 챔버, 상기 챔버 내에 진공력을 전달하는 펌프 및 상기 챔버의 압력을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 단결정 성장 장치를 사용하여 단결정을 성장시키는 단결정 성장 공정의 압력을 제어하는 방법에 있어서,

   상기 컨트롤러가 상기 펌프의 흡입력을 조절하여 상기 챔버 내부의 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 공정의 압력을 제어하는 방법.

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