KR100731833B1 - 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니 - Google Patents

Abstract

실리콘 단결정의 인상에 사용되는 석영 그라스 도가니에 있어서, 적어도 그 만곡부가 합성 석영 그라스로 이루어지고 Al농도가 낮은 투명내층, 천연 또는 천연합성 혼합 석영 그라스로 이루어지고 Al농도가 높은 투명 또는 불투명 중간층, 및 천연석영그라스로 이루어지고 Al농도가 상기 중간층보다 높은 불투명외층의 3층구조로 함으로써, 투명내층의 변형이 적고, 또한, 단결정의 인상에 수반하는 석영그라스도가니의 용입량의 변화를 억제하고, 단결정의 길이방향의 산소농도를 균일하게할 수 있는 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니이다.

단결정, 합성석영, 천연석영, 도가니, 알루미늄 농도, 투명층, 불투명층

Description

실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니{Quartz Glass Crucible for Pulling Up Silicon Single Crystal}

본 발명은 실리콘 단결정의 인상에 사용되는 석영 그라스 도가니에 관한 것이다.

종래, 실리콘 단결정의 제조에는 소위 쵸크랄스키법(CZ법)이라고 하는 방법이 널리 채용되고 있다.

이 CZ법은 석영 그라스로 제조된 도가니내에서 실리콘 다결정을 용융하고, 이 실리콘 융액에 실리콘 단결정의 종결정을 침적하고, 도가니를 회전시키면서 종결정을 서서히 인상하고, 실리콘 단결정을 종결정을 핵으로 하여 성장시키는 방법이다.

상기 CZ법에서 제조된 단결정은 고순도임과 동시에 실리콘 웨이퍼를 좋은 수율로 제조할 수 있는 것이 필요하고, 그 제조에 사용되는 석영 그라스 도가니로서는 기포를 포함하지 않는 투명한 내층과 기포를 포함하고 불투명한 외층으로 이루어지는 2층 구조의 석영 그라스 도가니가 일반적으로 사용되고 있다.

최근, 실리콘 단결정의 대구경화에 수반하여, 단결정 인상작업이 장시간화하기 때문에, 석영 그라스 도가니에 더욱 고순도화가 요구되어 왔다.

그 때문에, 본 출원인들은 투명한 내층과 불투명한 외층으로 이루어진 2층 구조의 석영 그라스 도가니의 내층을 합성실리카 분말로 형성한 도가니를 제안하였다.(일본특허 제2811290호, 특허 제29330404호).

이 도가니는 합성 석영 그라스로 이루어진 내층의 불순물함유량이 극히 적고, 실리콘 단결정의 인상에 수반하는 도가니 내표면의 거칠음 및 그라스토 바라이트반점의 발생이 적기 때문에, 단결정 인상의 수율을 높일 수 있다.

또한, 상기 도가니의 외층을 Al농도가 높은 고점성의 천연석영그라스로 구성하는 것에 의하여 고열부하 시의 무너져내림 및 좌굴이라고 하는 변형을 적게 할 수 있는 이점이 있다.

그러나, 도가니의 구경이 크게 됨에 따라 히터로부터의 열부하가 비약적으로 증가되기 때문에 상기 투명내층을 합성석영그라스, 외층을 천연석영그라스로 하는 2층구조로 구성한 경우, 특히 히터에 의한 열부하가 높고 실리콘 융액과의 접촉시간이 긴 도가니의 만곡부에서, Al 농도에 기인하는 점성의 차이에 의해 양층의 경계에 뒤틀림이 발생하고, 투명내층이 뒤틀림변형되고, 도가니 내면에 큰 웨이브가 발생하여 단결정의 수율을 저하시키는 문제가 발생하였다.

한편, CZ법에 의해 얻어진 실리콘 단결정중에는 산소가 존재하고 있지만, 이 산소는 석영 그라스 도가니의 융액으로의 용입에 의한 것이고, 그 농도는 석영 그라스 도가니(SiO₂)의 용입량과 실리콘 융액표면에서의 SiO의 증발량과의 차이에 지배된다.

일반적으로는 단결정의 인상이 진행되어 가면, 융액표면의 면적은 거의 변화하지 않지만, 석영그라스도가니의 접촉면적이 감소하고, 용입량이 감소하기 때문에, 단결정의 길이방향으로 산소농도에 구배가 발생한다.

이 구배가 크게 되면, 단결정인상이 잘 된다고 하더라도, 산소농도에 대하여 규격외의 부분이 증가하고, 제품수율이 나빠지게 되어 바람직하지 않다.

그래서, 종래는 석영그라스 도가니의 회전수를 증사시키는 것으로 용입량을 증가시키거나 로내의 압력을 높여 융액표면에서의 SiO의 증발량을 감소시키는 것으로 대응하고 있지만, 조업이 복잡하고 제조비용을 높이는 결점이 있었다.

이와 같은 점을 해소하기 위하여, 석영그라스 도가니의 저부 형상을 반구상으로 하여 융액표면의 면적과 도가니와 융액의 접촉면적의 발란스를 유지하는 석영 그라스 도가니가 제안되어 있지만(일본 특개평 11-199368호), 이 석영 그라스 도가니는 종래의 평저형 석영 그라스 도가니의 형상을 변경하는 것으로, 이를 위한 설비등을 대폭적으로 변경할 필요가 있고 많은 비용이 소요되는 결점이 있다.

이와 같은 현상을 감안하여, 본 발명자들은 예의연구를 거듭한 결과, 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니의 적어도 만곡부에서 Al농도가 낮은 투명내층, Al 농도가 높은 불투명외층, 및 이것들의 중간에 양층의 중간의 Al농도를 갖는 중간층을 설치하는 것으로, 투명내층의 변형을 용이하게 방지하는 것을 발견하였다.

더욱이, 상기 석영 그라스 도가니의 투명내층의 두께를 도가니의 하부에서 상부로 향하여 얇게 하는 것으로, 석영 그라스 도가니와 실리콘 융액과의 접촉면적이 감소하더라도 석영 그라스 도가니의 용입량의 변화를 억제할 수 있고, 단결정의 길이방향의 산소농도를 균일화 할 수 있는 것을 발견하고 본 발명을 완성한 것이다.

즉, 본 발명은 투명내층의 변형이 작고, 또한 단결정의 인상에 수반하는 석영 그라스 도가니의 용입량의 변화를 억제하고, 단결정의 길이방향의 산소농도를 균일화할 수 있는 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 단결정의 인상에 사용되는 석영그라스 도가니에 있어서, 적어도 그 만곡부가 합성 석영 그라스로 이루어지고 Al농도가 낮은 투명내층, 천연 또는 천연합성 혼합 석영 그라스로 이루어지고 Al농도가 높은 투명 또는 불투명 중간층, 및 천연석영그라스로 이루어지고 Al농도가 상기 중간층보다 높은 불투명외층의 3층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니에 관한 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니는 그것의 적어도 만곡부가 합성 석영 그라스로 이루어지고 Al농도가 낮은 투명내층, 천연 또는 천연합성 혼합 석영 그라스로 이루어지고 Al농도가 높은 투명 또는 불투명 중간층, 및 천연 석영 그라스로 이루어지고 Al농도가 상기 중간층보다 높은 불투명외층을 갖는 3층구조의 석영 그라스 도가니로서, 바람직하게는 상기 투명내층의 Al농도 C_A가 0.01-1ppm, 투명 또는 불투명중간층의 Al농도 C_B가 1-8ppm, 불투명외층의 Al농도 C_C가 5-20ppm의 범위인 석영 그라스 도가니이다.

C_C가 상기 범위내의 경우에는 열부하가 높고, 인상시간이 긴 경우에도 도가니의 무너져내림 및 좌굴이 적다.

그러나, C_C가 5ppm미만에서는 도가니 자체의 변형이 쉽게 발생하고, 또한, C_C가 20ppm을 초과하면 Al에 부수하여 함유되는 다른 원소의 농도가 상승하고, 실리콘 단결정의 품질에 악영향을 미친다.

상기 투명내층, 천연 또는 천연합성 혼합석영 그라스로 이루어진 투명 또는 불투명 중간층 및 천연석영그라스로 이루어진 불투명외층의 Al 농도는 필요에 따라 실리카 분말에 Al 미분말을 혼합하는 방법, 규소화합물과 Al 화합물과의 균일용액을 가수분해하고, 건조, 소성하는 방법, 또는 실리카 분을 Al화합물의 용액에 침적한 후, 건조하고, 실리카 분을 Al화합물로 피복하는 방법등으로 조정할 수 있다.

특히, Al 함유합성실리카 그라스 제조의 경우, 예를 들면 사염화 규소 용액에 소정량의 염화알루미늄을 첨가하고 균일하게 혼합한 후, 가수분해하고, 건조, 소성하는 방법을 채용하면 균일하게 소망의 Al농도를 갖는 합성 석영 그라스가 얻어져 바람직하다.

본 발명의 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니에 있어서, 히터로부터의 열부하가 특히 높은 조건에서 사용하는 경우에는 불투명외층의 Al농도 C_C를 12-20ppm로 높게 할 필요가 있다.

이 경우는 C_A와 C_C의 차이가 크게 되기 때문에, 중간층은 투명층으로 하는 것으로 각각의 층간의 경계에서의 뒤틀림을 보다 완화시킬 수 있다.

한편, 열부하가 비교적 낮은 경우는 불투명외층의 Al 농도 C_C를 5-10ppm로 하는 것으로, 석영 그라스 도가니가 외측의 카본도가니에 빠르게 수용될 수 있고, 초기공정의 불량을 저감시킬 수 있다.

또한, 이 경우, C_A와 C_C의 차이가 그다지 크지 않기 때문에, 중간층은 형성이 쉬운 불투명층으로 하는 편이 비용상 유리하다.

또한, 본 발명의 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니에 있어서는 합성 석영 그라스로 이루어지고 Al농도가 낮은 투명내층의 두께가 도가니의 하부로부터 상부를 향하여 얇게 되어 있다.

구체적으로는 도가니 기체의 저부 최하단에서 직동부상단면까지의 높이(H)에 대하여 0(저부최하단부)-0.25H의 평균두께 T_A1을 0.5-3mm, 0.25-0.5H의 평균두께 T_A2를 0.3-2mm, 0.5-1H의 평균두께 T_A3를 0-0.9mm로 하고, 또한 T_A1 ＞T_A2 ＞T_A3 로 하는 것이 좋다.
상기 0.5-1H의 평균두께 T_A3에 있어서 0-0.9mm은 합성석영그라스로 이루어진 투명내층이 형성되어 있지 않거나 또는 0.9mm이하의 두께를 갖는 것을 의미한다.

또한, 0.25-1H의 범위에 있어서는 투명내층의 두께가 위로 감에 따라 서서히 얇아지도록 구배를 두면 좋다.

실리콘 단결정의 인상에 있어서, 투명내층의 두께를 상기 범위로 하는 것으로, 다결정 실리콘을 용융하여 멜트로 할 때에 두께가 얇은 T_A3가 거의 용해하고, Al농도가 높고 융액에 용해하기 어려운 중간층이 노출한다.

그 결과, 실리콘 단결정의 산소농도는 도가니 하부의 투명내층의 용출에 지배되는 것에 의해, 실리콘 단결정의 진행에 수반하는 도가니의 용출량의 변화를 억제할 수 있다.

또한, 투명내층의 두께를 T_A1 ＞T_A2 ＞T_A3 로 구배를 두는 것으로, 중간층의 노출제어가 용이하게 되고 용출량의 일정화가 유지될 수 있다.

또한, 중간층의 두께에 대해서는 0.8-5mm이고 또한 전체두께의 10-40%로 하는 것으로, 완화부분으로서의 기능이 최적화된다.

본 발명은 적어도 만곡부에, Al농도가 낮은 투명내층, Al농도가 높은 불투명외층과, 그 중간에 상기 양층의 중간의 Al농도를 갖는 중간층을 갖는 3층 구조로서 보다 바람직하게는 투명내층의 두께가 도가니 하부로부터 상부를 향하여 얇게 되어 있는 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니이다.

상기 구조를 채용하는 것에 의하여 본 발명의 실리콘 단결정 인상용 석영그라스 도가니는 열부하시의 투명내층의 변형이 적고, 또한 실리콘 융액과의 접촉면적이 감소하더라도 석영그라스 도가니의 용입량의 변화가 억제되고 단결정의 길이방향의 산소농도를 균일하게 유지할 수 있고, 결정화율이 높게 실리콘 단결정을 인상할 수가 있다.

본 발명의 실리콘 단결정인상용 석영그라스 도가니를 도 1에 나타내었다.

1은 석영 그라스 도가니, 2는 도가니의 저부, 3은 직통부, 4는 천연석영 그라스로 이루어진 불투명 외층, 5는 천연 또는 천연합성혼합 석영 그라스로 이루어진 투명 또는 불투명중간층, 6은 합성 석영 그라스로 이루어진 투명내층, 7은 만곡부이다.

상기 석영 그라스 도가니를 제조하는 장치를 도 2에 나타내었다.

도 2에서, 8은 회전하는 형틀(型), 9는 도가니 기체, 10, 15는 실리카 분말공급수단, 11은 판상의 덮개, 12는 유량제어밸브, 13은 전원, 14는 아크전극, 16은 고온분위기이다.

본 발명의 실리콘 단결정인상용 석영그라스 도가니는 천연실리카 분을 회전하는 형틀8에 도입하여 도가니 형상으로 성형한 후, 그 내부에 아크 전극 14를 삽입하고, 도가니형상체의 개구부를 판상의 덮개11로 덮고 아크 전극14에 의해 도가니 형상체의 내부 캐비티를 고온가스분위기로하여 적어도 부분적으로 용융그라스화하여 반투명의 도가니 기체9를 형성하고, 이어서 실리카 분 공급수단10으로부터 유량제어밸브12에서 공급량을 조절하면서 천연 또는 천연합성혼합실리카분을 고온분위기16로 공급하고, 용융그라스화하여 투명 또는 불투명중간층을 형성하고, 이어서 합성 실리카 분을 실리카 분 공급수단15으로부터 고온분위기16에 공급하여 용융그라스화하여 합성석영그라스로 이루어진 투명층을 형성하는데, 이 때, 투명내층의 두께를 도가니 기체의 저부 최하단에서 직동부 상단까지의 높이(H)에 대하여 0-0.25H의 범위를 평균두께 T_A1을 0.5-3mm로, 0.25-0.5H의 범위를 평균두께 T_A2를 0.3-2mm로, 0.5-1H의 범위의 평균두께 T_A3를 0-0.9mm로 하고, 또한 T_A1 ＞T_A2 ＞T_A3 가 되도록, 또한, 하부에서 상부로 향하여 투명내층의 두께가 얇아지도록 설정하여 제조된다.

도 1은 본 발명의 실리콘 단결정인상용 석영 그라스 도가니의 개략단면도이다

도 2는 도 1의 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니를 제조하기 위한 제조장치의 개략도이다.

실시예 1

도 2에 나타난 장치를 사용하여 회전하는 형틀 8내에 순화처리 한 고순도의 천연실리카 분을 투입하고, 원심력에 의해 석영 그라스 도가니 형상으로 형성하고, 그 내부에 아크 전극14를 삽입하고, 개구부를 판상의 덮개 11로 덮고, 아크 전극14에 의해 내부 캐비티내를 고온가스분위기로 하고, 용융 그라스화고, 냉각하여 불투명 석영 그라스 도가니상 성형체 9를 형성한다.

다음에, 형틀 8을 회전시키면서 아크 전극 14로 불투명 석영 그라스 도가니상 성형체 9의 내부 캐비티를 고온분위기16로 한 후, 실리카분 공급수단 10으로부터 천연실리카 분을 100g/min으로 공급하고, 불투명 석영그라스 도가니상 성형체9의 내표면에 2mm두께의 천연석영그라스 투명중간층5을 융합일체화하였다.

다음에 실리카 분 공급수단15으로부터 합성실리카 분을 유량제어밸브12를 제어하면서 100g/min으로 공급하고, 상기 중간층의 내표면에 T_A1이 1.5mm, T_A2가 1mm, T_A3가 0.3mm, 전 두께가 14mm가 되도록 용융일체화 하였다.

얻어진 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니의 직경은 24인치이고, C_A는 0.02ppm, C_B는 6ppm, C_C는 14ppm이었다.

이 석영 그라스 도가니를 사용하여 다결정 실리콘을 충전, 용융하여 CZ법으로 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 평균단결정화율은 94%이고, 단결정중의 산소농도분포는 균일하였다.

실시예 2

실시예 1에서, T_A1, T_A2, 및 T_A3를 1.5mm로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 24인치의 실리콘 단결정인상용 석영그라스 도가니를 제작하였다.

이 도가니의 C_A는 0.02ppm, C_B는 6ppm, C_C는 14ppm이었다.

이 석영 그라스 도가니를 사용하여 다결정 실리콘을 충전, 용융하여 CZ법으로 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 평균단결정화율은 95%로 고수율이였지만, 단결정중의 탑측의 산소농도가 높아 간신히 규격에 만족되었다.

비교예 1

실시예 2에 있어서, 석영그라스도가니에 천연투명중간층을 설치하지 않은 것 이외에는 실시예 2와 동일하게 하여 24인치의 실리콘 단결정 인상용 석영그라스 도가니를 제작하였다.

이 도가니의 C_A는 0.02ppm, C_C는 14ppm이었다.

이 석영 그라스 도가니를 사용하여 다결정 실리콘을 충전, 용융하여 CZ법으 로 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 평균단결정화율은 78%로 낮고, 사용이 끝난 석영 그라스 도가니를 관찰한 결과, 만곡부의 투명층이 뒤틀림변형되었다.

실시예 3

도 2에 나타난 장치를 사용하여 회전하는 형틀8내에서 순화처리 한 고순도의 천연 실리카 분을 투입하고, 원심력에 의해 석영 그라스 도가니 형상으로 성형하고, 또한 그 내측에 천연합성혼합 실리카 분을 투입하고, 동일하게 원심력에 의해 약 3mm의 천연합성 혼합실리카층을 형성한 후, 그 내부에 아크 전극 14을 삽입하고, 개구부를 판상의 덮개11로 덮고, 아크 전극14에 의해 내부 캐비티 내를 고온가스 분위기로 하고 용융그라스화하고, 냉각하여 약 2mm의 천연합성혼합석영그라스 층과 그 외측의 천연석영그라스 층으로 이루어진 불투명석영그라스 도가니상 성형체9를 제작하였다.

다음에, 형틀8을 회전시키면서 아크 전극14으로 불투명 석영 그라스 도가니상 성형체9의 내부 캐비티를 고온분위기16로 한 후, 실리카 분 공급수단10으로부터 합성 실리카 분을 유량제어밸브를 제어하면서 100g/min으로 공급하여, 상기 성형체9의 내표면에 T_A1이 2.8mm, T_A2가 2mm, T_A3가 0.8mm이고, 전 두께가 12mm가 되도록 용융일체화 하였다.

얻어진 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니의 직경은 22인치이고, C_A는 0.03ppm, C_B는 2ppm, C_C는 7ppm이었다.

이 석영 그라스 도가니를 사용하여 다결정 실리콘을 충전, 용융하여 CZ법으 로 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 평균단결정화율이 93%이고, 단결정중의 산소농도분포는 균일하였다.

비교예 2

실시예 3에 있어서 석영그라스도가니에 천연합성불투명중간층을 설치하지 않은 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 하여 22인치의 실리콘 단결정 인상용 도가니를 제작하였다.

이 도가니의 C_A는 0.03ppm, C_C는 7ppm이었다.

이 석영 그라스 도가니를 사용하여 다결정 실리콘을 충전, 용융하여 CZ법으로 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 평균단결정화율은 83%로 낮고, 사용이 끝난 석영 그라스 도가니를 관찰한 결과, 만곡부의 투명층이 변형기미가 있었다.

투명내층의 변형이 적고, 단결정의 인상에 수반하는 석영 그라스 도가니의 용입량의 변화를 억제하고 단결정의 길이방향의 산소농도를 균일화할 수 있고, 대형의 단결정인상에 유용하다.

Claims (6)

1. 실리콘 단결정의 인상에 사용되는 석영 그라스 도가니에 있어서,

   석영 그라스 도가니가 합성 석영 그라스로 이루어진 투명내층, 천연 또는 천연합성 혼합 석영 그라스로 이루어진 투명 또는 불투명 중간층, 및 천연석영 그라스로 이루어진 불투명외층을 갖고,

   합성석영 그라스로 이루어진 투명내층은 그 Al농도 C_A가 0.01-1ppm, 천연 또는 천연합성 혼합 석영 그라스로 이루어진 투명 또는 불투명 중간층은 그 Al농도 C_B가 1-8ppm, 천연석영그라스로 이루어진 불투명외층은 그 Al농도 C_C가 5-20ppm이고, 불투명외층의 Al농도가 중간층의 Al농도 보다 높은 농도이고,

   또한, 상기 합성석영 그라스로 이루어진 투명내층의 평균두께 T_A가 도가니 기체의 저부 최하단에서 직동부상단면까지의 높이(H)에 대하여 저부최하단부 ∼0.25H의 범위 T_A1이 0.5-3mm, 0.25-0.5H의 범위 T_A2가 0.3-2mm, 0.5-1H의 범위 T_A3가 합성석영그라스로 이루어진 투명층이 형성되어 있지 않거나 또는 0.9mm이하의 두께이고, T_A1 ＞T_A2 ＞T_A3 인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 합성석영그라스로 이루어진 투명내층의 Al농도 C_A가 0.01-1ppm, 중간층이 투명층이고,그 Al농도 C_B가 4-8ppm, 불투명외층의 Al농도 C_C가 12-20ppm인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니
4. 제1항에 있어서, 투명내층의 Al농도 C_A가 0.01-1ppm, 중간층이 불투명층이고, 그 Al농도 C_B가 1-3ppm, 불투명외층의 Al농도 C_C가 5-10ppm인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니
5. 삭제
6. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 0.25-1H의 범위의 합성석영그라스로 이루어진 투명한 내층의 평균두께 T_A가 상부로 감에 따라 서서히 얇게 되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 그라스 도가니

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