KR100786878B1 - 단결정 육성장치, 그 장치를 이용한 단결정 제조방법 및단결정 - Google Patents

Abstract

적어도, 원료융액(4)를 수용하는 도가니(5),(6) 및 원료융액을 가열하는 히터(7)을 격납한 메인챔버(1)와, 그 메인챔버 상부에 연결설치되고 성장한 단결정이 인상되어 수납되는 인상챔버(2)를 구비한 단결정 육성장치에 있어서,

인상 중의 단결정(3)을 둘러싸도록 상기 메인챔버의 적어도 천정부에서 원료융액 표면으로 연신되고 냉각매체에 의해 강제냉각되는 냉각통(11)과, 상기 냉각통에서 아래로 연신되고 원통 또는 아래로 테이퍼진 형상의 냉각보조부재(13)를 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치(20). 이에 의해 성장한 단결정에 대한 냉각효과를 최대로 발휘하고 결정성장속도를 고속화할 수 있으며 또한 파손 등에 의한 냉각매체의 누출이 일어나지 않아 안전하게 단결정을 제조할 수 있는 단결정 육성장치가 제공된다.

Description

단결정 육성장치, 그 장치를 이용한 단결정 제조방법 및 단결정{SINGLE CRYSTAL GROWING DEVICE AND PRODUCTION METHOD OF SINGLE CRYSTAL USING THE DEVICE AND SINGLE CRYSTAL}

본 발명은, 초크랄스키법(이하 CZ법, 인상법이라고도 함)에 의한 실리콘 단결정 등의 단결정 제조에 이용되는 단결정 육성장치, 제조방법 및 단결정에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 종래 예를 실리콘 단결정의 육성을 예로 들어 설명한다.

CZ법으로 실리콘 단결정을 제조할 때 사용하는 단결정 육성장치는, 일반적으로 원료융액이 수용되고 상하이동이 가능한 도가니와 상기 도가니를 둘러싸도록 배치된 히터가 단결정을 육성하는 메인챔버 내에 배치되어 있고, 상기 메인챔버 상부에는 육성한 단결정을 수납하여 꺼내기 위한 인상챔버가 연결설치되어 있다. 이러한 단결정 육성장치를 사용하여 단결정을 제조할 때는, 종자결정을 원료융액에 침지하고 회전시키면서 천천히 위로 인상하여 봉상의 단결정을 성장시키는 한편, 원하는 결정품질을 얻기 위해 융액면 높이가 항상 일정하게 유지되도록 결정이 성장함에 따라 도가니를 상승시킨다.

그리고 단결정을 육성할 때는, 종자홀더에 고정된 종자결정을 원료융액에 침 지한 뒤 인상기구에 의해 종자결정을 원하는 방향으로 회전시키면서 천천히 와이어를 감아 종자결정 선단부에 단결정봉을 성장시키는데, 종자결정을 융액에 착액시킬 때 생기는 전위를 소멸시키기 위해 일단 성장초기 결정을 3∼5㎜ 정도로 가늘게 조여, 전위가 사라지면 지름을 원하던 직경으로 확대시켜 목적하는 바의 품질로 된 단결정봉을 성장시킨다.

이 때, 단결정봉의 일정 직경을 갖는 정경부(定徑部)의 인상속도는 보통 0.5∼1㎜/min 정도로 매우 느려, 너무 빨리 인상하면 육성 중의 단결정이 변형되어 일정한 직경을 갖는 원기둥 모양의 제품을 얻지 못하게 되거나, 단결정봉에 슬립전위가 발생하거나, 결정이 융액에서 떼어져 불량품이 되는 등의 문제가 일어나서 결정성장속도의 고속화를 꾀하는 데는 한계가 있었다.

그러나 상기 CZ법에 의해 단결정봉을 제조함에 있어서, 생산성 향상을 꾀하고 비용을 감소시키려면, 단결정 성장속도를 고속화하는 것이 중요한 한 가지 수단이며, 지금까지도 결정 성장속도의 고속화를 달성하려고 많은 개량이 이루어졌다.

인상속도, 즉 결정 성장속도는 성장 중인 결정의 열수지에 따라 결정된다. 결정에 포섭되는 열량에는 융액이나 히터로부터 결정에 들어가는 유입열량과 융액이 결정화될 때 발생하는 고화잠열이 있는데, 육성 중인 결정의 열수지를 고려해 볼 때, 결정표면이나 종자결정을 통해 결정 밖으로 방출될 유출열량이 유입열량과 고화잠열의 합과 같을 필요가 있다. 고화잠열은 단위시간당 성장하는 결정의 부피에 의존하기 때문에, 결정 성장속도를 고속화하려면 고속화로 인해 증대되는 고화잠열의 증가분을, 유입열량을 감소시킴으로써 상쇄하거나 유출열량을 증가시킴으로 써 상쇄할 필요가 생긴다.

그래서 일반적으로는, 결정표면에서 방출되는 열을 효율적으로 제거하여 유출열량을 증가시키는 방법이 쓰이고 있다.

그 한 가지로서 메인챔버 내부에 인상 중인 단결정봉을 둘러싸도록 냉각수단을 설치하여 인상 중의 단결정봉을 효율적으로 냉각함으로써 인상속도를 높이는 장치가 제안되었다. 예컨대 특개평6-211589호 공보에 개시된 장치를 들 수 있다. 이 장치는 인상 중의 단결정봉을 동심원으로 둘러싸도록, 인상챔버 하부에서 메인챔버 내부를 향해 금속제 외측냉각통과 흑연 등으로 이루어진 내부냉각통의 이중구조로 된 정류냉각통을 설치하고, 외측냉각통에 의해 내부냉각통에 발생한 열을 밖으로 이송함으로써 내부냉각통의 온도상승을 막고 결정의 냉각효율을 향상시킨 것이다.

또한, 성장 중의 단결정을 더욱 효과적으로 냉각시키기 위해 물 등의 냉각매체를 이용한 장치도 알려져 있다. 예를 들어 특개평8-239291호 공보에 개시된 단결정 육성장치에서는, 액체냉매를 유통시키는 냉각덕트를 메인챔버 내에 설치하고 그 밑에 은 등 높은 열전도율을 갖는 재질로 이루어진 냉각부재를 설치하여 결정표면에서 방출된 열을 재빨리 외부로 이송함으로써 효과적인 결정냉각을 수행한다. 그러나 일반적으로 냉각매체로 쓰이는 물 등의 유체가 1000℃를 웃도는 고온으로 가열된 융액면에 접근하는 것은 수증기폭발의 원인이 되기도 해 위험하므로, 이 장치에서는 냉각덕트와 융액면 사이에 거리를 둠으로써 안전을 확보하고 있다.

이들 장치, 예컨대 상기 특개평6-211589호 공보에 개시된 장치와 같은 이중구조의 냉각통에서는, 금속제 외측냉각통과 흑연 등으로 이루어진 내부냉각통 사이 에 열팽창률의 차이가 있어서 항상 완전 밀착한다는 것은 불가능하다. 개시된 장치에서는 아래로 테이퍼지게 함으로써 접촉면적을 크게 한다고 하나, 그런 경우에도 실제로는 선접촉에 그쳐 완전한 밀착은 이룰 수 없다. 따라서 실제로는 외측냉각통과 내부냉각통 사이에 간격이 벌어지고 이것이 단열층으로 작용한다. 게다가 외측냉각통 내면과 내부냉각통 외면 사이에는 접촉열저항이 존재한다. 이 접촉열저항은 재질이나 표면상태에 의존하며 쉽게 구할 수 있는 수치는 아니지만, 개시된 장치와 같은 구조에서는 내부냉각통이 충분히 냉각되지 않아 높은 결정냉각효과를 발휘하는 데는 미치지 못한다는 문제가 있다.

한편 상기 특개평8-239291호 공보에 개시된 단결정 육성장치에서는 냉각덕트와 융액면이 떨어져 있어 안전이 배려되고 있지만, 이런 구조로는 메인챔버내의 중앙부 부근에 냉각덕트 전체가 배설됨으로써 실용적인 작업성, 조작성에 문제가 생긴다. 또한 구조상 덕트 강도를 충분히 확보하기 어렵고 파손에 의한 액체냉매 누출 등의 위험이 커질 수도 있다.

또한 냉각덕트와 인상챔버 사이에 결정이 냉각되지 못하는 부분이 있어, 결정에서 방출된 상기 유출열량을 반드시 효율적으로 제거한다고 볼 수 없으며, 큰 냉각효과를 얻기에 충분하다고 할 수 없다.

상기 문제점을 바탕으로, 본 발명은 성장한 단결정에 대한 냉각효과를 최대로 발휘하고 결정 성장속도의 고속화를 꾀하며 파손, 용손 등에 의한 냉각매체의 누출 없이 안전하게 단결정을 제조할 수 있는 단결정 육성장치 및 그 장치를 이용 한 단결정 제조방법과 단결정을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 단결정 육성장치는,

적어도, 원료융액을 수용하는 도가니 및 원료융액을 가열할 히터를 격납하는 메인챔버와, 그 메인챔버 상부에 연결설치되고 성장한 단결정을 인상하여 수납하는 인상챔버를 구비한단결정 육성장치에 있어서,

인상 중의 단결정을 둘러싸도록 상기 메인챔버의 적어도 천정부에서 원료융액표면으로 연신되고 냉각매체로 강제냉각되는 냉각통과, 그 냉각통에서 아래쪽으로 연신되고 원통 또는 아래로 테이퍼진 형상의 냉각보조부재를 갖춘 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치이다.

이렇게 냉각매체로 강제냉각되는 냉각통과, 그 냉각통에서 아래로 연신되는 냉각보조부재를 설치함으로써, 원료융액에서 인상한 매우 고온의 단결정은 히터의 복사가 냉각보조부재에 차단되므로 서서히 냉각되고 나아가 위로 이동함에 따라서 냉각통에 의해 한층 효과적으로 냉각되기 때문에, 결과적으로 결정 성장속도를 높일 수 있게 된다. 특히, 메인챔버의 천정부에서 원료융액 표면으로 연신되는 냉각통을 냉각매체에 의해 강제 냉각하는 구조를 갖춤으로써 냉각능력이 향상되고 나아가 메인챔버 위쪽의 공간을 유효하게 활용하여 결정의 냉각을 실시할 수 있게 되었으므로, 결정을 강제로 냉각하는 영역을 길게 설정할 수 있어 더 큰 결정냉각효과를 얻을 수 있다.

또한 냉각통이 매우 고온의 융액면과 충분히 떨어져 있기 때문에, 원료용융시 또는 우연한 지진 등의 원인으로 발생되는 융액의 비산(飛散)으로 냉각통에 융 액이 닿아 파손, 용손 등이 초래될 일도 없고 매우 안전하게 단결정을 육성할 수 있다.

본 발명에 관련된 단결정 육성장치에서는 상기 냉각통이 철, 니켈, 크롬, 구리, 티탄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 이들 금속을 포함한 합금으로 이루어지거나 상기 금속 또는 합금을 티탄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 백금족금속으로 피복한 것으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 금속은 내열성, 열전도성이 뛰어나서 이들 금속을 본 발명의 장치에 사용하면 히터 및 융액면의 복사열을 흡수하여 효율적으로 물 등의 냉각매체로 전달할 수 있다.

또한 상기 냉각보조부재가 흑연, 몰리브덴 또는 텅스텐으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 재료는 내열성이 매우 뛰어나므로 융액 및 히터의 복사열을 효과적으로 차단하면서도 융액면에서 인상한 직후의 매우 고온의 단결정봉을 냉각하는 데 적합하다. 또한 이러한 재료로 냉각보조부재를 구성하면 내구성까지 뛰어난 냉각보조부재로서, 고온에서 변형이나 왜곡이 잘 생기지 않고 장시간 사용할 수 있으면서도 기계적 강도도 높아 단결정 육성장치의 해체나 청소시 취급이 쉽고 작업성도 향상된다.

또한 상기 냉각보조부재에 차열부재가 갖춰지는 것이 바람직하다.

이렇게 냉각보조부재에 차열부재를 갖추게 함으로써 히터 및 융액의 복사열을 더욱 효과적으로 차단하고, 결국에 결정 성장속도를 가일층 향상시킬 수 있다.

상기 냉각통의 선단은 도가니 내부를 채운 원료융액의 표면에서 10㎝이상 떨어져 있는 것이 바람직하다 .

이렇게 원료융액면에서 일정한 거리를 두고 냉각통을 배치함으로써 융액이 냉각통에 부착될 우려가 거의 없어지며 더 안전하게 단결정을 육성할 수 있다. 또 융액면과 냉각통 하단의 거리를 10㎝ 이상 비워 둠으로써, 냉각통에 특별한 가공을 하지 않고도 쉽게 결정육성부의 조환(퓨전링)을 단결정 육성장치 밖에서 관찰할 수 있게 되어, 결정직경 제어 등을 위한 검출창을 가공하기 쉬운 냉각보조부재에 마련하기만 하면 되므로 장치가 간략화되어 안정적으로 조업할 수 있게 된다.

상기 냉각통 외측에 흑연 또는 금속으로 이루어진 보호부재를 설치하는 것이 바람직하다.

냉각통 외측에 내열성이 있는 보호부재를 설치함으로써, 원료용융 시 등에 비산하는 융액이 냉각통에 부착하거나 조업중에 원료융액에서 증발한 증발물이 냉각통 표면에 석출하는 것을 억제할 수 있다. 이럼으로써 장시간에 걸쳐 안정된 조업을 실시할 수 있다. 또한 히터나 원료융액 표면의 복사열이 직접 냉각통에 노출되는 것도 방지할 수 있기 때문에 더욱더 효율적인 냉각효과를 얻게 된다.

그리고 상기 냉각통의 내측표면을 흑화처리해 두는 것이 바람직하다.

냉각통의 내측표면에 흑연 등을 도포 또는 증착하는 등 표면을 흑색화하는 흑화처리를 실시함으로써 결정에서 복사되는 열의 흡수효율을 더 향상시킬 수 있다. 흑화처리에 의해 냉각통의 열흡수효율이 높아짐으로써 더 빠른 결정성장을 실현할 수 있다.

더욱이 본 발명에 따르면, 상기 단결정 육성장치를 이용하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법이 제공되며, 또한 상기 단결정 육성장치를 이용하여 육성한 것을 특징으로 하는 단결정도 제공된다.

본 발명에 관련된 단결정 육성장치를 이용함으로써 변형되지 않고 원기둥 모양의 실리콘 단결정을 더 빠른 결정성장속도로 안전하게 육성할 수 있다. 따라서 결과적으로 제조비용을 감소시킬 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명의 단결정 육성장치는,

인상 중의 단결정을 둘러싸도록 상기 메인챔버의 적어도 천정부에서 원료융액 표면으로 연신되고 냉각매체로 강제냉각되는 냉각통과, 그 냉각통에서 아래로 연신되고 원통 또는 아래로 테이퍼진 형상의 냉각보조부재를 갖추는 것을 특징으로 한다. 이러한 냉각통과 냉각보조부재를 조합함으로써 냉각효과를 최대로 발휘할 수 있으며 인상속도를 향상시켜 단결정의 생산성을 비약적으로 높일 수 있다. 또한 냉각통보다 아래에 냉각매체 등에 의해 직접 냉각되지 않는 냉각보조부재를 배치했기 때문에, 냉각통이 매우 고온의 융액에 접촉할 우려가 없도록 보호되어 안정성이 한층 확보된다.

도1은 본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 일실시예의 개략적인 구성을 나타낸 단면도.

도2는 본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 제2 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 단면도.

도3은 본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 제3 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 단면도.

도4는 본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 제4 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 단면도.

도5는 시뮬레이션에 의한 결정성장축 방향의 온도분포를 나타낸 그래프.

이하는 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 실리콘 단결정 육성의 예를 들어 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이들 실리콘 단결정 성장에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 본 발명의 장치는 화합물반도체 등 다른 단결정 육성에도 이용가능하다.

도1은 본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 일례에 대한 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.

도1에 나타낸 단결정 육성장치는, 일반적인 단결정 육성장치와 마찬가지로 원료, 예를 들어 원료융액(4)를 수용하는 도가니(5),(6), 다결정실리콘원료를 가열, 용융하기 위한 히터(7) 등이 메인챔버(1) 내에 격납되고, 메인챔버(1) 위에 연결설치된 인상챔버(2)의 상부에는 육성된 단결정을 인상하는 인상기구(미도시)가 설치되어 있다.

인상챔버(2)의 상부에 설치된 인상기구로부터는 인상와이어(16)이 풀어지고 그 선단에는 종자결정(17)를 고정하기 위한 종자홀더(18)이 접속되고, 종자홀더(18) 끝에 고정된 종자결정(17)을 원료융액(4)에 침지하여 인상와이어(16) 을 인상기구로 감아올림으로써 종자결정(17) 아래 단결정봉(3)을 형성한다.

그리고 상기 도가니(5), (6)는 내측의 원료융액(4)를 직접 수용하는 석영도가니(5)와 외측의 상기 석영도가니(5)를 지지하기 위한 흑연도가니(6)으로 구성된다. 도가니(5), (6)은 단결정 육성장치(20)의 하부에 설치된 회전구동기구(미도시)에 의해 회전 및 상하이동이 자유로운 도가니회전축(19)에 지지되어 있으며, 단결정 육성장치 중의 융액면 변화에 따라 결정품질이 변하지 않도록 융액면을 일정위치에 유지시키기 위해 결정의 역방향으로 회전되면서 단결정봉(3)의 인상에 따라 융액이 감소한 만큼 도가니가 상승된다.

도가니(5), (6)을 둘러싸도록 가열히터(7)이 배치되고, 이 가열히터(7)의 외측에는 히터(7)의 열이 메인챔버에 직접 복사되는 것을 방지하기 위한 단열부재(8)이 주위를 둘러싸도록 설치된다.

또한 챔버(1), (2) 내부에는 도가니 내에 발생한 불순물을 도가니 밖으로 배출하는 것 등을 목적으로, 인상챔버(2) 상부에 설치된 가스도입구(10)에서 아르곤가스 등의 불활성가스가 도입되고 인상 중의 단결정봉(3), 융액(4) 상부를 지나 챔버(1), (2) 내부를 통과하여 가스유출구(9)에서 배출된다.

그리고 메인챔버(1) 및 인상챔버(2)는 스테인리스 등의 내열성, 열전도성이 뛰어난 금속으로 형성되고 냉각관(미도시)을 통해 수냉된다.

본 발명에 관련된 단결정 육성장치에서는, 냉각통(11)이 인상 중의 단결정봉(3)을 둘러싸도록 상기 메인챔버(1)의 적어도 천정부에서 원료융액 표면으로 연신되는 것을 한 가지 특징으로 한다.

이 때 냉각통 상단은 설치상황이나 도가니내 온도분포에 따라서 인상챔버 내까지 연장해도 된다.

도1에 나타낸 단결정 육성장치(20)의 냉각통(11) 내에는 냉각매체도입구(12)에서 냉각매체가 도입되고, 그 냉각매체는 냉각통(11) 내를 순환하여 냉각통(11)을 강제냉각한 뒤 외부로 배출된다.

그리고 냉각매체로는 종래 냉각매체로 쓰이는 액체 또는 기체를 사용할 수 있으나, 냉각특성 외에도 취급성, 비용면 등을 고려할 때 물을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 이들 냉각통(11) 내에 유입할 냉각매체의 유량이나 온도를 필요에 따라 조절하면 냉각통(11)의 제거열량을 변화시킬 수 있으므로 이럼으로써 단결정 성장속도에 맞게 원하던 냉각분위기를 조성할 수 있다.

냉각통(11)의 재질로는 내열성이 있고 열전도성이 뛰어난 것이면 특히 한정되지 않지만, 구체적으로는 철, 니켈, 크롬, 구리, 티탄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 이들 금속을 포함한 합금으로 제작할 수 있다. 또한 상기 금속 또는 합금을 티탄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 백금족금속으로 피복하여 구성할 수도 있다.

상기 금속 또는 합금을 사용함으로써 냉각통(11)의 내열성이 매우 뛰어난 데다가 열전도성이 아주 높아, 단결정봉에서 방사된 열을 흡수한 뒤 냉각통(11) 내부를 순환하는 물 등의 냉각매체에 효율적으로 전달하고 결정주위의 온도를 저하시키므로 단결정의 냉각속도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 관련된 단결정 육성장치는 다른 특징으로서, 상기 냉각통보다 아래로 연신되고, 원통 또는 아래로 테이퍼진 형상의 냉각보조부재를 갖추고 있다.

도1의 단결정 육성장치(20)에서는 상기 냉각통(11) 하단부에서 원료융액면 근방으로 연신된 원통상의 냉각보조부재(13)이 설치되어 있다. 냉각보조부재(13)은 인상한 직후의 고온의 단결정(3) 주위를 둘러싸고 있어 히터(7) 또는 융액(4) 등의 복사열을 차단하고 단결정(3)을 냉각하는 효과가 있다. 또한 냉각통(11)이 융액면 바로 위에 접근하는 것이 방지되어 안전성이 확보되는 동시에 융액 위쪽에서 결정 근방을 낮게 흐르는 불활성가스의 정류효과가 발휘된다.

상기 냉각보조부재(13)의 재질로는 내열성이 매우 뛰어나면서도 높은 열전도성을 갖는 것이 바람직하고, 구체적으로는 흑연, 몰리브덴 또는 텅스텐이 좋다. 특히 흑연은 히터나 융액 등의 복사열을 효율적으로 차폐하고 열전도율도 비교적 높아서 적절하다. 또한 표면을 탄화규소로 피복한 것을 사용하는 것도 좋다. 이렇게 하면 냉각보조부재에서 야기되는 불순물 오염을 더 억제할 수 있다.

상기와 같이 내열성이 뛰어나면서도 열전도율이 높은 재질로 이루어진 냉각보조부재(13)을 사용함으로써 냉각보조부재(13)에 흡수된 열은 냉각통(11)으로 전달되고 나아가 냉각통(11) 내를 순환하는 냉각매체를 통해 외부로 방출된다.

이상과 같은 본 발명에 관련된 단결정 육성장치(20)은, 상기와 같이 냉각통(11)과 냉각보조부재(13)을 조합하여 설치함으로써 융액(4)에서 성장한 직후의 매우 고온의 단결정(3)이 우선 냉각보조부재(13)에 의해 히터(7) 등으로부터의 복사열이 차단되어 효과적으로 냉각되고, 단결정(3)은 보다 인상됨으로써 냉각통(11)과 마주치게 되고 적어도 메인챔버(1)의 천정부까지 냉각통(11)에 의해 냉각되므로 결정의 넓은 부분에 걸쳐 효율적으로 냉각된다. 그 때문에 결정의 유출열량을 확실히 제거하고 냉각효과를 최대로 발휘하므로 결정을 매우 빠른 성장속도로 인상할 수 있게 된다.

본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 냉각보조부재의 형상은 상기 원통상에 한정되지 않고 아래로 테이퍼진 형상을 취할 수도 있다.

도2는, 본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 다른 일례에 대한 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.

이 장치(20a)에서는 냉각보조부재(13a)가 메인챔버(1)의 천정부에서 냉각통(11)의 주위를 둘러싸도록 아래로 연신되고, 냉각통(11)의 하단부 근방에서 아래로 테이퍼진 형상을 하고 있다. 원료융액면 근방에서는 냉각보조부재(13a)의 선단부가 성장단결정봉(3)에 근접하여 원료용융 시 등에 비산하는 융액(4)가 냉각통(11)에 부착하는 것을 방지하고 또한 히터(7)의 복사열 외에 융액(4) 표면의 복사열도 효과적으로 차단하는 이점이 있다.

도3은 본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 또 다른 일례에 대한 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.

이 장치(20b)에서는 상기 도2의 장치(20a)와 마찬가지로 냉각통(11)의 하단부 근방에서 아래로 테이퍼진 형상을 한 냉각보조부재(13b)의 선단에 두께가 있는 차열부재(14)가 설치된다. 이렇게 냉각보조부재(13b)에 차열부재(14)를 설치함으로써 특히 고온의 융액면 근방에서 히터(7) 및 융액(4)의 복사열을 더 효과적으로 차단하고 결국 성장속도를 한층 더 향상시킬 수 있다.

그리고 차열부재(14)의 재질로는 특히 내열성이 뛰어나고 높은 열전도성을 갖는 것을 사용할 수 있는데, 예를 들어 냉각보조부재(13b)의 재료로서 예시한 흑연, 몰리브덴, 텅스텐 또는 탄화규소 또는 흑연 표면을 탄화규소로 피복한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 재료를 이용하면 히터나 융액표면의 복사열을 더 잘 차단할 수 있게 된다.

도4는 본 발명에 관련된 단결정 육성장치의 또 다른 일례에 대한 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.

이 장치(20c)에서는 상기 도1의 장치(20)과 마찬가지로 인상챔버(2)의 내측하부에서 메인챔버(1) 내로 연신된 냉각통(11)이 배치된다. 냉각통(11) 하부의 내측에서 원료융액면 근방으로 연신된 원통상의 냉각보조부재(13c)가 설치되고, 이 냉각보조부재(13c)의 선단 외주부에는 차열부재(14c)가 설치된다.

상기 냉각보조부재(13c)와 차열부재(14c)는 상술한 장치(20),(20a),(20b)에 설치된 것과 각각 형상의 차이가 다소 있지만, 상기와 마찬가지로 냉각보조부재(13c)로 말하자면 융액면 근방과 냉각통(22) 사이에서 히터(7)의 복사열을 차단하고 성장 단결정(3)을 냉각하는 효과를 발휘하고, 또 차열부재(14c)는 융액(4)와 히터(7)에 대향하는 면을 갖춰 더욱 효과적으로 복사열을 차단할 수 있다.

도4의 장치(20c)는 다시 한번 냉각통(11)의 외측에 보호부재(15)가 설치되어 있다. 이 보호부재(15)는 메인챔버(1)의 천정부에서 연신되고 메인챔버(1) 내의 냉각통(11)의 하단면을 포함한 외주면을 감싸도록 배치된다.

이러한 보호부재(15)를 갖춤으로써 원료용융 시 등에 비산의 우려가 있는 융 액(4)가 냉각통(11)에 부착하는 것을 막을 수 있으며, 또한 히터 등의 복사열이 직접냉각통(11)에 접촉하는 것을 경감할 수 있기 때문에 냉각통(11)의 제열효과도 향상된다.

그리고 보호부재(15)의 재질로는 흑연 또는 내열성이 있는 금속을 사용할 수 있다.

상기 어떤 형태에서도, 냉각통(11)의 선단은 원료융액면에서 10㎝ 이상 떨어져 있는 것이 바람직하다. 냉각통(11)이 융액면에 가까울수록 결정을 급랭하는 효과는 상승하나, 융액면 근방은 1000℃ 를 웃도는 고온이므로 냉각통(11)의 선단이 융액면에서 10㎝ 미만에 있으면 냉각통(11) 자체도 매우 고온으로 가열되어 열화되고 파손 등이 일어날 우려가 있다. 또한 냉각통(11)과 융액면의 거리가 너무 가까우면 상기 냉각통(11)보다 아래로 연신되는 냉각보조부재를 장착해도 길이가 극단적으로 짧아지거나 아예 장착할 수 없게 되므로 냉각보조부재에 의한 냉각통의 보호효과를 얻기 힘들다. 따라서 냉각통(11)의 선단은 융액면에서 10㎝ 이상 떨어져 있는 것이 바람직하다.

그리고 메인챔버(1)의 천정부에서 원료융액면으로 연신된 냉각통(11)의 길이는 5㎝ 이상이 바람직하다. 냉각통(11)의 길이가 5㎝ 미만이면 원하는 냉각효과를 얻기 힘들고, 또 결정(3)이 인상챔버(2) 내에 들어가면 인상챔버(2)에 의한 제열효과가 기대되므로 냉각통(11)은 메인챔버(1)의 천정부에서 원료융액면으로 5㎝ 이상 원료융액표면에 연신된 것이 좋다.

메인챔버(1)의 천정부에서 융액표면까지의 거리는 장치 구성이나 단결정봉의 육성조건에 따라 변하는 것으로서, 냉각통(11) 자체의 길이는 결정육성장치의 챔버 길이나 조업조건에 따라 결정해야 한다. 그러나 본 발명의 냉각통(11)의 효과를 얻으려면 냉각통(11)의 길이가 가장 긴 경우로 융액면과 냉각통(11) 선단의 간격이 10㎝ 이상이 되도록 하고, 가장 짧은 경우로는 메인챔버 천정에서 냉각통 선단까지의 거리가 5㎝ 이상이 되도록 길이를 조절하면 전술한 효과를 확실히 얻을 수 있다.

그리고 이렇게 냉각통(11)를 설치함으로써 냉각통(11) 상부측에서 그 내측을 통과하는 아르곤 등의 불활성가스의 정류효과를 높여, 가스에 의한 냉각효과를 얻을 수도 있다. 게다가 냉각통(11)의 선단부와 융액표면 사이에 충분한 간격을 확보함으로써 이 간격을 통해 융액상의 단결정봉(3)의 육성부를 관찰할 수 있게 되어 냉각보조부재(13), (13a), (13b), (13c)에만 직경검출용 검출창이나 작업자가 결정육성 상황을 파악하기 위한 창을 마련해 주면 지장 없이 결정봉 육성부를 관찰할 수 있다. 이로써, 장치를 간소화하는 동시에 냉각통의 냉각효과를 균일하게 얻을 수 있게 된다.

또한 냉각통(11)의 내측표면에 흑연을 도포 또는 증착하는 등 표면을 흑색화하는 흑화처리를 실시하면, 냉각통(11)의 열흡수효과가 강화되어 더 효과적으로 성장 단결정(3)의 복사열을 흡수할 수 있어 냉각효과가 상승한다.

그리고 이상에 설명한 본 발명에 관련된 단결정 육성장치에서는, 냉각통에 대한 융액표면의 위치를 구동기구에 의해 변화시키거나 냉각보조부재의 길이를 임의로 선택함으로써 성장 단결정의 열이력을 맘대로 통제할 수 있다. 예를 들어, 냉 각통과 융액표면을 접근시키는 동시에 냉각보조부재를 융액면 바로 위까지 접근시키면 급냉효과를 얻는다. 반대로 냉각통과 융액표면을 멀리하면서 냉각보조부재도 융액면에서 멀리하면 서냉효과를 얻는다. 게다가 냉각통과 융액면을 멀리하면서 냉각보조부재를 융액면 바로 위까지 접근시키면 grown-in결함이라 불리는 결정결함의 응집온도대 또는 결정 중의 산소석출에 관련된 온도대를 원하는 대역으로 통제할 수도 있다.

또한 본 발명의 장치는 도4에 나타낸 바와 같이 융액(4)를 수용하는 메인챔버(1)의 외측에 전자석(21)를 배설하고 챔버내의 융액(4)에 자장을 인가하면서 단결정(3)을 육성하는 자계인상법(이하, MCZ법이라 함)의 육성장치에 사용하는 것도 당연히 가능하며 동종 효과를 얻을 수 있음은 물론이다. 특히 대형 단결정의 제조를 목적으로 한 MCZ법 단결정 육성장치에 본 발명의 장치를 이용하면 더 효과적으로 결정성장속도를 향상시킬 수 있으므로 대폭적인 생산성 향상을 기대할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

상기 도4에 나타낸 단결정 육성장치(20c)를 사용하여 MCZ법으로 실리콘 단결정봉을 육성했다. 이 때 냉각통(11)의 재질로는 스테인리스를, 냉각매체로는 물을 이용했다. 또한 냉각보조부재(13c), 차열부재(14c), 보호부재(15)는 흑연재를 사용했다. 그리고 냉각통(11)(길이:30㎝)의 선단은 융액면에서 25㎝ 떨어지게 하고 냉각보조부재(13c)는 융액면에 아주 근접시켜 조업을 실시했다. 한편, 실리콘 융액(4)에는 수평자장으로 중심 자장강도가 4000G가 되도록 자장을 인가하고 핫존은 직경 24인치짜리 도가니를 수용할 수 있도록 했다.

이 구경 24인치짜리 도가니에 150㎏의 다결정실리콘 원료를 넣어 직경 8인치, 정경부 길이가 약 100㎝인 단결정을 육성했다. 그 결과, 단결정 정경부의 평균인상속도가 2.0㎜/min으로 변형 없이 거의 원기둥 모양의 실리콘 단결정을 얻을 수 있었다. 다음으로, 그 같은 큰 도가니에 100㎏의 원료를 넣고 직경 6인치, 정경부 길이가 약 100㎝인 결정을 육성했다. 그 결과, 정경부의 평균인상속도가 2.6㎜/min의 속도로 변형 없이 거의 원기둥 모양의 실리콘 단결정을 얻을 수 있었다.

(비교예)

상기 실시예에서 사용한 단결정 육성장치의 냉각통을 대신해, 메인챔버의 천정에 흑연통을 메단 단결정 육성장치를 사용하고 그 이외의 조건은 실시예와 마찬가지 조건에서 단결정을 육성시켰다. 또한 육성한 단결정의 각각의 길이도 실시예와 거의 같은 길이로 하였다.

그 결과, 정경부직경 8인치짜리 결정에서는 정경부의 평균인상속도가 1.4㎜/min이하, 6인치짜리 결정에서는 정경부의 평균인상속도가 1.8㎜/min이하의 인상속도에서는 결정의 변형 없이 거의 원기둥 모양의 단결정을 육성할 수는 있었으나, 그 이상의 인상속도로는 육성 중에 결정이 변형되거나 슬립전위가 일어나는 등의 문제가 야기되어 정상적으로 단결정을 육성할 수 없었다.

이 이유를 조사하기 위해, FEMAG라 불리는 종합전열해석 소프트웨어(F.Dupret, P.Nicodeme, Y.Ryckmans, P.Wouters, and M.J.Crochet, Int.J.Heat Mass Transfer, 33, 1849(1990))를 이용하여 시뮬레이션을 실시했더니, 도5와 같은 결과를 얻었다. 도5에서, 냉각통을 갖춘 실시예의 장치에서는 냉각통의 효과로 비교예의 장치보다 급랭형의 장치구조로 이루어져 성장단결정의 열을 효율적으로 냉각시킨 것을 알 수 있다. 확인을 위해 실시예와 비교예 장치의 도가니내 온도분포를 측정하였더니, 시뮬레이션과 거의 같은 온도분포를 보였다. 따라서 본 발명의 장치를 이용함으로써 단결정 육성장치의 도가니내 온도분포가 급랭형으로 변화하고 결정냉각속도가 증가한 덕분에 인상속도의 고속화가 달성된 것이다.

그리고 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시예는 단지 예시일 뿐이며 본 발명의 특허청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성으로 이루어지고 같은 작용효과를 나타내는 것은 어떠한 것일지라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

예를 들어 본 발명의 장치를, 자장의 인가 없이 단결정을 육성하는 CZ법 단결정 육성장치 또는 융액에 수평자장을 인가하여 단결정을 육성하는 HMCZ법 단결정 육성장치를 예로 설명했으나, 그 밖의 카스프자장이나 수직자장 등을 이용한 단결정 육성장치로도 마찬가지 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.

Claims (15)

1. 원료융액을 수용하는 도가니와 원료융액을 가열하는 히터를 격납하는 메인챔버와, 상기 메인챔버 상부에 연결설치되고 성장한 단결정이 인상되어 수납되는 인상챔버를 구비한 단결정 육성장치에 있어서,

   인상 중의 단결정을 둘러싸도록 상기 메인챔버의 천정부에서 원료융액 표면으로 연신되고 냉각매체로 강제냉각되는 냉각통과, 상기 냉각통보다 아래로 연신되고 원통 또는 아래로 테이퍼진(직경이 감소되는) 형상의 냉각보조부재를 갖고, 그리고 상기 냉각통이 철, 니켈, 크롬, 구리, 티탄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 이들 금속을 포함한 합금, 또는 상기 금속 또는 합금을 티탄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 백금족금속으로 피복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 냉각보조부재가 흑연, 몰리브덴 또는 텅스텐으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 냉각보조부재에 차열부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치.
5. 제3항에 있어서,

   상기 냉각보조부재에 차열부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 냉각통의 선단이 도가니내에 채워진 원료융액의 표면에서 10㎝ 이상 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상기 냉각통의 외측에 흑연 또는 금속으로 이루어진 보호부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치.
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,

    상기 냉각통의 내측표면을 흑화처리한 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치.
11. 삭제
12. 제8항에 있어서,

    상기 냉각통의 내측표면을 흑화처리한 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

Images