KR100710049B1 - 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 성장 장치에 설치되는 석영 도가니에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명인 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니는 그 표면에 크리스토발라이트 분말(cristobalite powder)이 도포 된 것이 특징이며, 상기 크리스토발라이트 분말은 알코올, 특히 메탄올(CH₃OH)에 혼합되어 상기 석영 도가니의 표면에 도포 된 것이 바람직하며, 또, 상기 메탄올에 혼합되는 크리스토발라이트의 부피비는 20~90% 인 것이 더욱 바람직하다.

실리콘 단결정, 석영 도가니, 크리스토발라이트.

Description

실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니{A Quartz crucible of grower of silicon single crystals}

도 1a는 일반적인 석영 도가니의 단면도.

도 1b는 석영 도가니의 부분 단면 확대도.

도 2는 석영 도가니의 표면에서 성장하는 크리스토발라이트 입자의 사진.

도 3은 석영 도가니 표면에서 크리스토발라이트의 파티클 형성 개념도.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명인 석영 도가니 표면에서 크리스토발라이트의 생성 개념도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

10 : 석영 도가니 10-1 : 투명 층

10-2 : 버블(bubble) 층

SM : 실리콘 융액

C : 크리스토발라이트 분말

Gc : 크리스토발라이트 성장 결정 Fc : 크리스토발라이트 성장 막

본 발명은 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 성장 장치에 설치되는 석영 도가니에 관한 것이다.

종래의 쵸크랄스키 법에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는, 도 1a에 도시된 바와 같은, 석영 도가니(10)를 내부에 설치하여, 석영 도가니(10)의 내부에 폴리 실리콘을 적재하고 용융 시켜, 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 성장시킨다. 그리고, 석영 도가니(10)의 단면을 확대하여 보면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 외벽 쪽으로 내부에 버블(bubble)이 내포되어 있는 버블층(10-2)과 내벽 쪽으로 순수 석영 결정으로 이루어진 투명 층(10-1)으로 이루어진다.

상술한 바와 같은 석영 도가니(10)는 유리질의 실리카로서 실리콘 단결정의 성장 시, 약 1400?? 이상의 실리콘 융액을 담고 있기 때문에 석영 도가니(10) 투명 층(10-1)의 내벽에서 고온의 실리콘 융액과 반응하여 크리스토발라이트(Cristobalite)라는 결정이 발생하여 성장한다.

즉, 크리스토발라이트는 석영 도가니(10) 투명 층(10-1)의 내벽에서 발생하여 , 도 2에 나타낸 사진에서와 같이 방사형으로 계속 성장하는 것이다. 그리고, 시간이 경과함에 따라, 도 3에 도시된 개념도에서와 같이, 각각의 위치에서 성장하던 크리스토발라이트 결정은 수상 돌기(Dendrite) 형상으로 성장하게 됨으로써 박리 되어 나오는 조각(Broken Piece : Pc)들을 발생시키게 된다.

크리스토발라이트 결정 성장에 의하여 발생한 박리 조각(Pc)들은 그 융점이 약 1700?? 이상으로 실리콘 단결정 융액 온도(약 1400??)에서는 용융 되지 않고, 실리콘 융액(SM) 내부에서 대류 하게 되며, 일부 박리 조각(Pc)들은 실리콘 단결정의 성장 계면으로 혼입 된다. 즉, 박리 조각(Pc)이 실리콘 단결정 성장 계면에 혼입 됨으로서 무전위 실리콘 단결정 성장을 방해하게 되는 것이다.

이처럼 석영 도가니(10) 내벽에 발생되는 크리스토발라이트 결정의 핵은 주로 석영 도가니(10) 내벽 표면상의 기포 노출부(open bubble)나 불순물(Impurity), 표면 결함부( Unevenness Surface)가 존재하는 영역에서 발생하며, 실리콘 단결정의 성장에 따라서 그 온도와 시간에 비례하여 성장하는 것으로 알려져 있다.

이에 대한 종래의 해결 방법으로는 현재 크게 2가지 있다.

그 하나는 석영 도가니(10)의 내벽에 존재할 수 있는 불순물의 농도를 현저히 감소시킨 합성 석영 도가니를 사용하여, 석영 도가니 내벽을 구성하는 방법이고, 또 다른 방법으로는 결정 핵의 주요 원인으로 알려져 있는 알칼리 금속 화합물(예 : BaCO₃)을 석영 도가니(10)의 내벽에 코팅하여, 석영 도가니(10)의 내벽 전체에 균일한 크리스토발라이트 결정 층을 형성하여 크리스토발라이트 결정의 비 균일한 성장에 따른 박리 현상을 제거하는 방법이다.

그러나, 전자의 경우에는 실리콘 단결정의 성장 공정에서 강한 자장을 형성하는 등의 방법을 이용하여 실리콘 융액의 대류를 제어하지 않는 경우에는 일정 시간 이상에서 석영 도가니 내벽에 크리스토발라이트 결정의 생성 및 박리 현상을 제어할 수 없게 된다는 문제점이 있었다.

그리고, 후자의 경우는 코팅 처리된 알칼리 금속 화합물이 실리콘 융액(SM)에 혼입 되면서 실리콘 단결정이 알칼리 금속에 의하여 오염될 수 있다는 단점이 있는 것이다.

이에 최근에는 석영 도가니의 내벽에 균일한 두께의 크리스토발라이트 결정 층을 융착 시킨 석영 도가니가 제안되기도 하였지만, 이는 석영 도가니의 내벽 전체(100%)를 일정 크기의 크리스토발라이트 결정 층을 제작하여 융착 시키는 방법으로 크리스토발라이트 결정 층의 융착을 위한 시설과 비용 그리고 많은 시간이 필요하게 되는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 저비용으로 간단하게 석영 도가니의 표면을 처리하여, 실리콘 단결정의 성장 중에 크리스토발라이트 박리 조각이 발생되지 않도록 제어한 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니를 제공하려는 것이다.

이를 위한 본 발명인 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니는 그 표면에 크리스토발라이트 분말(cristobalite powder)이 도포 된 것이 특징이며, 상기 크리스토발라이트 분말은 알코올, 특히 메탄올(CH₃OH)에 혼합되어 상기 석영 도가니의 표면에 도포 된 것이 바람직하며, 또, 상기 메탄올에 혼합되는 크리스토발라이트의 부피비는 20~90% 인 것이 더욱 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 실리콘 단결정 성장 장치에 설치되는 석영 도가니에 있어서, 그 표면에 크리스토발라이트 분말(cristobalite powder)이 도포 된 것이 특징이다. 이 때, 상기 크리스토발라이트 분말은 상기 석영 도가니의 내부면에만 도포 되거나, 상기 석영 도가니의 내부면 및 외부면 모두에 도포 될 수 있다.

이 때, 본 발명인 석영 도가니의 표면에 도포 된 크리스토발라이트 분말에 따른 크리스토발라이트 결정 성장 메커니즘을 살펴보면 다음과 같다.

즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 석영 도가니의 투명층(10-1) 내벽에 도포 된 크리스토발라이트 분말(C)은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 크리스토발라이트 결정 성장의 핵으로서 작용하여, 투명층(10-1) 내벽 전체에 균일하고 조밀하게 성장(Gc)을 하게 되며, 그 결과 도 4c에 도시된 바와 같이, 투명층(10-2)의 내벽 전체에 크리스토발라이트 막(Fc)을 형성하게 되는 것이다.

따라서, 크리스토발라이트 결정의 불 균일한 방사형의 수상 돌기(Dendrite)식 성장에 따른 용융 실리콘의 침식 작용으로 발생하는 박리 조각을 방지할 수 있으며, 또한, 크리스토발라이트의 결정 성분 자체가 유리질의 실리카로서 실리콘 융액의 오염 원인이 되지 않는 것이다.

도 4a 내지 도 4c에서는 석영 도가니의 투명층(10-1) 내벽에만 크리스토발라이트 분말(C)을 도포 한 경우만을 예시하였지만, 석영 도가니의 버블층 외벽에 크리스토발라이트 분말(C)을 도포 하였을 경우에도 동일한 효과를 볼 수 있다.

그리고, 상기 크리스토발라이트 분말(C)을 석영 도가니의 표면에 도포 할 때에는 크리스토발라이트 분말을 알코올(alcohol)에 혼합하여 상기 석영 도가니의 표면에 도포 하는 것이 바람직하며, 이 때, 사용되는 알코올은 메탄올(CH₃OH)인 것이 더욱 바람직하다.

이는 크리스토발라이트 분말이 알코올과 혼합된 상태에서 석영 도가니의 표면에 쉽고 균일하게 흡착이 되도록 유도하며, 크리스토발라이트 분말이 석영 도가니의 표 면에 흡착된 후에는 알코올의 높은 휘발성으로 인하여 모두 휘발되어 석영 도가니의 표면에 잔류하지 않게 하려는 것이다.

즉, 크리스토발라이트 분말을 석영 도가니의 표면에 흡착시키는 용재로서 휘발성이 높은 알코올을 사용함으로서, 크리스토발라이트 흡착 용재에 의한 실리콘 융액의 오염을 방지한 것이다.

이 때, 상기 알코올 또는 메탄올에 혼합되는 크리스토발라이트의 부피비는 20~90%로 하여 석영 도가니의 내벽에 도포 함으로서, 석영 도가니의 내벽의 전체에 균일하고 조밀한 크리스토발라이트 막(Fc)을 형성하기에 충분한 크리스토발라이트가 도포 되도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명은 실리콘 단결정 성장 장치에 설치되는 석영 도가니의 내벽에 크리스토발라이트 결정의 핵으로서 미리 크리스토발라이트 분말(C)을 도포 함으로서, 실리콘 단결정의 성장 중에 크리스토발라이트 분말(C)이 크리스토발라이트 결정 성장의 핵으로 작용하여, 석영 도가니의 내벽 전체 균일하게 크리스토발라이트 결정(Gc)이 성장하여, 크리스토발라이트 막(Fc)이 형성되도록 하였다.

그 결과, 실리콘 단결정의 성장 중에 석영 도가니 내벽에서 발생되는 크리스토발라이트 박리 조각에 의한 결정 성장 계면에의 영향을 제거하고, 또한, 석영 도가니의 내벽에 형성된 크리스토발라이트 막(Fc)에 의하여 석영 도가니 내벽으로부터 용출 되어 나오는 산소의 양을 줄임으로서 성장 중인 실리콘 단결정의 산소 농도를 낮게 제어할 수도 있게 되었다.

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 저비용으로 간단하게 석영 도가니의 표면을 처리하여, 실리콘 융액의 오염을 방지하고, 실리콘 단결정의 성장 중에 크리스토발라이트 박리 조각이 발생되지 않도록 제어하며, 석영 도가니 내벽으로부터 용출 되는 산소 농도를 낮게 제어한 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니를 제공하였다.

Claims (4)

1. 실리콘 단결정 성장 장치에 설치되는 석영 도가니에 있어서,

   상기 석영 도가니의 표면에 크리스토발라이트 분말(cristobalite powder)이 균일하게 도포 된 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 크리스토발라이트 분말은 알코올에 혼합되어 상기 석영 도가니의 표면에 도포 된 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 알코올은 메탄올(CH₃OH)인 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 알코올 또는 메탄올에 혼합되는 크리스토발라이트의 부피비 20~90% 인 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치의 석영 도가니.

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