KR100800212B1 - 단결정 성장 장치에 고체 원료를 공급하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘이나 게르마늄 등의 반도체 단결정 성장 장치에 고체 원료를 공급하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 도가니의 상방에 장착되고 내부에 고체 원료가 적재되는 원통형의 본체; 본체의 하단에 탈착 가능하고, 기본적인 형태가 원추형인 하부 덮개; 및 하부 덮개를 본체에 대해 상하 이동시키는 연결 수단;을 구비하는 고체 원료 공급 장치에서, 원추형 하부 덮개의 재질을 단결정 성장시키고자 하는 반도체와 동일한 재질로 하고, 또한 하부 덮개를 도가니에 담긴 융액과 소정의 이격거리를 유지한 상태에서 고체 원료를 충전함으로써, 하부 덮개를 반복 사용할 수 있고, 하부 덮개가 고체 원료의 낙하에 의한 충격으로 깨지더라도 융액을 오염시키는 일이 없다.

또한, 본 발명은 하부 덮개의 형상을 기본적으로 원추형으로 하되 그 구체적인 형상과 구조를 다양하게 변경함으로써, 하부 덮개가 깨지는 것을 방지하고, 고체 원료가 도가니 안에 균일하게 분산되어 충전되도록 한다.

단결정 성장, 고체 원료, 반도체 원료, 호퍼(hopper)

Description

단결정 성장 장치에 고체 원료를 공급하는 장치 및 방법{Apparatus and method for supplying solid raw material to single crystal grower}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체 원료 공급 장치를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체 원료 공급 장치를 이용하여 도가니에 고체 원료가 충전되는 모습을 도시한 단면도이다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고체 원료 공급 장치의 하부 덮개의 다양한 예를 보여주는 도면들이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 단결정 성장 장치 110 : 결정 융액

120 : 도가니 130 : 하부 챔버

140 : 상부 챔버 170 : 게이트

200 : 고체 원료 공급 장치 210 : 고체 원료

300 : 본체 310 : 스톱퍼

400, 410, 420, 430, 440 : 하부 덮개

450 : 연결 수단 500 : 상부 덮개

본 발명은 고체 원료 공급 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘이나 게르마늄 등의 반도체 단결정 성장 장치에 고체 원료를 충전하기 위한 고체 원료 공급 장치 및 고체 원료 공급 방법에 관한 것이다.

단결정 반도체의 제조 방법으로서, 도가니에 용융된 실리콘이나 게르마늄 결정 융액으로부터 결정을 성장시키면서 끌어올리는 쵸크랄스키법(Czochralski method)이 널리 알려져 있다. 이 쵸크랄스키법은, 도가니에 통상 다결정의 고체 원료를 충전하고 가열하여 용융시킴으로써 결정 융액을 만든 다음, 이 결정 융액에 단결정 시드(seed)를 접촉시켜 서서히 인상시키면서 원하는 지름을 가지는 단결정 잉곳(ingot)을 성장시킨다.

본 발명은 이 도가니에 고체 원료를 충전시키는 고체 원료 공급 장치 및 고체 원료 공급 방법에 관한 것으로, 도가니에 고체 원료를 공급하는 방법으로는 고체 원료의 형태에 따른 분류로서, 다음과 같은 세 가지가 알려져 있다. 첫째, 부정형의 칩 형태 고체 원료를 도가니의 중앙 상방으로부터 직하시켜 공급하는 방법, 둘째, 입자 형태의 고체 원료를 도가니의 중앙 또는 경사 상방으로부터 직하 또는 비스듬하게 공급하는 방법, 및 셋째, 봉상의 고체 원료를 도가니의 중앙 상방으로부터 아래로 서서히 공급하면서 녹이는 방법이 그것이다. 이 세 가지 방법들은 각각의 원료 형태에 따라 각각 다른 구조의 공급 장치를 사용하게 되며, 각각의 장단점을 가지고 있지만, 원료의 입수가 가장 용이하고 저렴하며 재생(재활용) 원료를 사용할 수 있다는 점에서 상기 첫째 방법이 널리 사용되고 있다. 이 첫째 방법 및 그 장치에 관해서는 다음과 같은 선행기술들이 알려져 있다.

즉, 일본 공개특허공보 제2004-244236호나 일본 재공표특허공보 제2002/068732호 등에 개시된 고체 원료 공급 장치는, 도가니에 공급할 칩 형태의 고체 원료가 적재되는 수직 원통형의 본체, 이 본체의 상단 개구부를 덮는 상부 덮개, 본체의 하단 개구부를 막는 하부 덮개, 및 이 하부 덮개의 상단에 연결되고 본체의 내부를 관통하여, 하부 덮개가 고체 원료의 하중에 의해 밑으로 떨어지는 것을 막고, 하부 덮개를 적절하게 열어 고체 원료의 낙하량 및 낙하 속도를 제어하는 지지봉 또는 지지 와이어로 이루어진다. 여기서, 상기 본체, 상하부 덮개 및 지지봉은 통상 석영 또는 석영 유리로 이루어지고, 상기 지지 와이어는 내열성 금속으로 이루어진다. 또한, 상기 하부 덮개는 고체 원료와 대면하는 쪽에 원추의 정점이 있는 원추 형상을 가지고 있어, 지지봉 또는 지지 와이어에 의해 위로 당겨진 상태에서 상기 본체의 하단 개구부를 막고 있다가, 지지봉 또는 지지 와이어가 아래로 이동함에 따라 본체의 하단 개구부가 열려 고체 원료가 도가니에 충전되게 된다.

그런데, 상기 본체 내부에 적재되어 있던 고체 원료가 도가니에 충전될 때 고체 원료는 하부 덮개의 표면에 부딪히고, 이 충격으로 인하여 석영 또는 석영 유리 재질의 하부 덮개가 깨지는 현상이 종종 발생한다. 이렇게 깨져나온 하부 덮개의 조각은 고체 원료와 함께 도가니 내부로 떨어지게 되고, 이로 인하여 고 순도의 결정 융액에 석영 성분이 첨가되어 오염이 발생하여 양질의 단결정 잉곳을 생산할 수 없게 되고 수율이 저하되는 문제를 발생시킨다.

한편, 상기 고체 원료 공급 장치는 비어있는 도가니에 처음으로 고체 원료를 충전할 때에 사용될 수 있지만 추가 충전 또는 재충전시에 사용되는 것이 일반적이다. 즉, 단결정 잉곳의 생산성은 도가니의 용적과 도가니에 충전되어 있는 융액의 양에 비례하게 되는데, 비어 있는 도가니에 처음으로 고체 원료를 충전하고 녹이면 고체 원료 사이의 공극에 의해 융액의 체적이 공급했던 고체 연료의 체적에 비해 훨씬 줄어들게 된다. 따라서, 고체 연료를 보충하는 추가 충전을 행함으로써 융액의 양을 늘리고 생산성을 높이게 된다. 또한, 종래의 단결정 성장 방법에서는 잉곳을 성장시킨 후 성장 장치를 냉각시켜 잉곳을 꺼내게 되는데, 이때 도가니 안에 남아 있는 융액이 응고되면서 팽창되어 석영 재질의 도가니가 깨지게 되어 도가니와 남은 융액이 낭비되었다. 이를 극복하기 위하여 성장 장치를 냉각시키지 않고 남아 있는 융액에 고체 원료를 보충하는 재충전을 행함으로써, 동일한 도가니로 복수회 성장을 가능하게 하는 방법이 종종 사용된다.

이러한 추가 충전이나 재충전을 행할 때에는 최초의 충전과 달리 고려해야 할 사항이 존재한다. 즉, 도가니 안에 융액이 있는 상태에서 충전을 하기 때문에 낙하하는 고체 원료에 의해 융액이 튀어 성장 장치나 공급 장치에 부착하고, 심한 경우 융액이 비산되어 단결정 성장이 불가능하게 되는 문제가 있다. 따라서, 고체 원료의 낙하 속도를 적절하게 감소시키고 고체 원료를 도가니 안에 고르게 분산시켜 낙하시킬 필요가 있다.

이를 위해 전술한 일본 재공표특허공보 제2002/068732호에서는 공급 장치의 원통형 본체를 하단부 쪽으로 갈수록 넓어지게 하거나, 원추형 하부 덮개의 크기와 꼭지각을 조절하는 등의 방안을 제시하고 있으나, 만족할 만한 수준은 아니다. 또 한, 고체 원료의 낙하 속도를 줄이거나 단속적으로 낙하되도록 하는 방안이 고려되나, 이는 고온으로 가열된 성장 장치 내에 고체 원료 공급 장치가 머무는 시간을 길게 하고, 그에 따라 공급 장치의 원통형 본체 내에 적재된 고체 원료가 부분적으로 녹거나 팽창하여 원활하게 낙하하지 않는 등의 문제를 발생시킨다. 나아가, 융액의 표면을 응고시킨 상태에서 고체 원료를 낙하함으로써 융액이 비산하는 문제를 해결하는 방안도 제시되었으나, 이는 융액 표면의 응고를 위한 장치와 시간이 소요되어 생산성이 떨어질 뿐만 아니라 융액의 응고시 석영 도가니의 일부가 박리되어 오염원이 되는 등의 문제가 발생한다.

한편, 고체 원료에 의한 융액의 비산 문제나 융액 표면의 응고후 충전시 발생하는 석영 도가니의 박리 문제를 해결하기 위하여, 미국특허 제6,908,509호는 하부 덮개를 실리콘 융액에 녹는 단결정 또는 다결정 실리콘 재질로 하고, 공급 장치의 본체에 실리콘 고체 원료를 적재한 상태에서 본체를 융액에 담가 하부 덮개가 용융되면서 본체 내부의 고체 원료가 융액 중으로 공급되도록 하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법은 공급 장치의 하부 덮개가 녹아서 소진되기 때문에 일회용 하부 덮개를 매번 새로 만들어 장착해야 하는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 단결정 성장 장치에 고체 원료를 공급할 때 융액의 비산이나 오염을 방지할 수 있는 구조의 고체 원료 공급 장치를 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 반도체 단결정 성장 장치에 고체 원료를 공급할 때 융액의 비산이나 오염을 방지할 수 있는 고체 원료 공급 방법을 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 거듭된 연구와 실험 끝에, 상기 하부 덮개의 재질과 형상을 변경함으로써 융액의 비산이나 오염을 방지하고 최적의 충전 효율을 달성할 수 있다는 사실을 알아내어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 고체 원료 공급 방법은, 상기 원추형 하부 덮개의 재질을 단결정 성장시키고자 하는 반도체와 동일한 재질로 하고, 또한 하부 덮개를 도가니에 담긴 융액에 담그지 않고 소정의 이격거리를 유지한 상태에서 고체 원료를 충전함으로써, 하부 덮개를 반복 사용할 수 있게 하고, 설령 하부 덮개가 고체 원료의 낙하에 의한 충격으로 깨지더라도 융액을 오염시키지 않도록 한다.

구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 고체 원료 공급 방법은, 반도체 단결정 성장을 위한 결정 융액이 소정 높이로 담겨 있는 도가니에 상기 반도체 단결정의 원료가 되는 고체 원료를 공급하기 위한 방법으로서, 원통형 공급 장치 본체의 일단 개구부를 그 기본적인 형태가 원추형인 덮개로 본체의 안쪽에 원추의 정점이 위치하도록 막은 상태에서, 본체의 내부에 고체 원료를 적재하는 단계; 상기 도가니의 상방에 원통형의 공급 장치 본체를 상기 덮개가 도가니 안의 결정 융액과 대향하도록 장착하는 단계; 상기 도가니 안의 결정 융액과 덮개가 소정의 이격거리를 유지한 상태에서 덮개와 본체를 상대적으로 이동시킴으로써 본체의 일단 개구부를 열어 상기 고체 원료를 도가니 안으로 충전하는 단계;를 포함하고, 상기 덮개는 상기 반도체와 동일한 재질의 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고체 원료를 상기 도가니 안으로 충전하는 단계에서는, 도가니와 공급 장치 본체를 0.1~3rpm의 속도로 상대적으로 회전시킴으로써, 고체 원료가 도가니 안에 고르게 분산되어 충전되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고체 원료는 직경이 3~30mm인 입자 또는 칩 형태의 다결정 반도체로 함으로써, 상기 덮개에 미치는 낙하 충격을 저감하고 융액의 비산을 방지하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 고체 원료 공급 장치는, 상기 하부 덮개의 형상을 기본적으로 원추형으로 하되, 그 구체적인 형상과 구조를 다양하게 변경함으로써 하부 덮개가 깨지는 것을 방지하고, 고체 원료가 도가니 안에 균일하게 분산되어 충전되도록 하여 융액의 비산을 방지한다.

구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 고체 원료 공급 장치는, 반도체 단결정 성장 장치의 도가니에 상기 반도체 단결정의 원료가 되는 고체 원료를 공급하기 위한 장치로서, 상기 도가니의 상방에서 성장 장치에 탈착 가능하고 내부에 고체 원료가 적재되는 원통형의 본체; 고체 원료의 낙하를 막도록 본체의 하단에 탈착 가능하게 설치되고, 그 기본적인 형태가 고체 원료와 대면하는 쪽에 원추의 정점이 위치하는 원추형인 하부 덮개; 및 하부 덮개를 본체에 대해 상대적으로 상하 이동 가능하도록 상기 하부 덮개의 원추 정점 부근에 연결되어 상기 본체의 중앙을 관통 하는 연결 수단;을 구비하고, 상기 하부 덮개의 고체 원료와 대면하는 원추면의 표면에, 하부 덮개의 원추 정점에서부터 하방으로 복수의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 하부 덮개의 종단면 형상은, 하부 덮개의 원추 정점에서부터 하방으로 갈수록 하부 덮개의 하면에 대한 경사각이 점점 커지는 종형일 수도 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 하부 덮개의 종단면 형상은, 하부 덮개의 원추 정점에서부터 하방으로 갈수록 하부 덮개의 하면에 대한 경사각이 점점 작아지다가 다시 점점 커지는 잉곳 숄더(ingot shoulder) 형상일 수도 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 하부 덮개의 상기 고체 원료와 대면하는 원추면의 표면에는, 적어도 하나의 오목부 또는 볼록부가 형성되어 있을 수도 있다.

여기서, 상기 하부 덮개는 실리콘이나 게르마늄 등의 결정 성장시키고자 하는 반도체와 동일한 재질로 이루어지는 것이 바람직하나, 고체 원료의 낙하 충격을 저감하는 구조와 형상을 가지고 있으므로 석영 유리로 이루어져도 괜찮다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체 원료 공급 장치를 보여주는 단면도이다. 본 실시예에서 단결정 성장시키고자 하는 반도체는 실리콘으로 설명되나, 본 발명은 게르마늄 등의 다른 반도체를 결정 성장시키는 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 실시예에서 공급되는 고체 원료는 부정형(칩 형태의) 다결정 실리콘으로 설명되나, 본 발명은 입자 형태의 다결정 실리콘이나 재생 실리콘을 공급하는 경우에도 적용될 수 있음은 물론이다. 나아가, 본 실시예에서는 도가니 안에 결정 융액이 남아 있는 상태에서 고체 원료를 추가 충전 또는 재충전하는 경우를 예로 들어 설명하나, 본 발명은 비어 있는 도가니에 고체 원료를 충전하는 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있음은 물론이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 고체 원료 공급 장치(200)는, 단결정 성장 장치(100)의 도가니(120)에 칩 형태의 다결정 실리콘 원료(210)를 공급하도록 성장 장치의 게이트(170)에 장착되어 사용된다. 고체 원료 공급 장치(200)는, 내부에 다결정 실리콘 원료(210)가 적재되는 원통형의 본체(300), 본체 하단의 개구부를 막는 원추형의 하부 덮개(400), 본체(300) 상단의 개구부를 막는 상부 덮개(500), 및 하부 덮개(400)의 정점 부근에 연결되어 본체(300)의 내부를 관통하는 연결 수단(450)을 구비한다.

상기 본체(300)는 내부에 다결정 실리콘 원료(210)를 적재하는 원통형의 구조를 가지며, 다결정 실리콘 원료의 낙하를 용이하게 하기 위해 하단부쪽이 약간 넓어지는 테이퍼 형상으로 할 수 있다. 한편, 본체(300)의 외주면에는 연속 또는 불연속적으로 돌출된 스톱퍼(310)가 형성된다. 이 스톱퍼(310)는 단결정 성장 장치(100)의 상부에 본 실시예의 고체 원료 공급 장치(200)를 장착할 때, 게이트(170)에 스톱퍼(310)가 걸리도록 하여 본체(300)를 일정한 위치에 고정시키는 역할을 한다. 본체(300)는 통상 고열에 강하고 오염이 적으며 투명한 석영 유리를 원료로 제작한다.

상기 하부 덮개(400)는 원추형으로 하단면의 직경이 본체(300)의 하단 개구부 직경보다 약간 크게 하여 원추의 정점이 본체(300)의 내부를 향하도록 하여 장착되었을 때 본체의 하단 개구부를 완전히 폐색하도록 한다. 본 실시예에서 이 하부 덮개(400)는 상기 다결정 실리콘 원료(210)와 동일한 또는 실질적으로 동등한 순도와 농도를 가지는 단결정 또는 다결정 실리콘으로 제작한다.

상기 연결 수단(450)은 하부 덮개(400)의 원추 정점 부근에 연결되고 본체(300)의 내부와 상부 덮개(500)를 관통하여 도시하지 않은 시드 커넥터(seed connector)에 연결됨으로써, 하부 덮개(400)가 다결정 실리콘 원료(210)의 하중에 의해 하방으로 낙하하는 것을 방지하는 지지 와이어 또는 지지봉의 역할을 한다. 또한, 연결 수단(450)은 도가니(120)에 다결정 실리콘 원료(210)를 충전할 때 본체(300)의 하단 개구부가 열리도록 하부 덮개(400)를 하방으로 이동시키는 역할도 한다. 이 연결 수단(450)은 지지 와이어로 이루어지는 경우 몰리브덴이나 텅스텐 등의 오염에 강하고 고온 기계적 강도가 강한 고융점 금속이나 그 합금으로 이루어지며, 지지봉인 경우 마찬가지로 고융점 금속이나 그 합금, 또는 본체(300)와 동일한 석영 유리로 제작할 수 있다.

상기 상부 덮개(500)는 본체(300)의 상단에 탈착 가능하게 설치되는 뚜껑으로, 상부 덮개(500)는 관찰이 용이하고, 고온에 견디며 오염방지를 위하여 통상 석영 유리로 제작한다.

한편, 상기 고체 원료 공급 장치(200)가 설치되는 단결정 성장 장치(100)는 하부 챔버(130)와 상부 챔버(140)에 의해서 외부와 밀폐된다. 하부 챔버(130)의 안에는 도가니(120), 히터(150) 및 단열재(160)가 배치된다. 또한, 도가니(120)에는 도가니를 상하로 승강시키거나 회전시키는 구동 기구(미도시)가 연결될 수 있다. 상부 챔버(140)는 하부 챔버(130)에서 상부로 연장되어 도가니(120)의 상부에 원통형으로 설치되며, 게이트(170)를 통해 상기 고체 원료 공급 장치(200)를 설치하거나 단결정 잉곳을 인상시키기 위한 공간을 제공한다.

이어서, 이와 같이 구성되는 본 실시예의 고체 원료 공급 장치(200)를 이용하여 단결정 성장 장치(100) 내부의 도가니(120)에 고체 원료인 다결정 실리콘 원료(210)을 충전하는 방법에 관하여 상세히 설명한다.

먼저, 고체 원료 공급 장치(200)의 본체(300) 하단 개구부를 하부 덮개(400)의 원추 정점이 본체 내부를 향하도록 하여 막은 상태에서 고체 원료인 다결정 실리콘 원료(210)를 적재한다. 이때 고체 원료인 다결정 실리콘 원료(210)는 부정형 의 칩 형태이거나 입자 형태의 것으로서 그 직경이 3~30mm인 것이 바람직하다. 직경이 3mm 미만이면 고체 원료를 적재한 상태에서 고체 원료 공급 장치(200)를 운반하거나 단결정 성장 장치(100)에 장착하는 과정에서 본체(300)와 하부 덮개(400) 사이의 의도하지 않은 틈새로 새어 나올 우려가 있고, 30mm를 넘으면 적재 또는 낙하시에 하부 덮개(400)에 과도한 충격을 주어 하부 덮개(400)를 파손하거나, 충전시에 도가니(120) 안의 결정 융액을 비산시킬 우려가 있다. 하지만, 여기서 제시하는 직경의 범위는 어디까지나 예시적인 것으로, 본체(300)와 하부 덮개(400)의 수치정밀도가 높거나 그 크기 등에 기인하는 내충격 강도가 충분히 큰 경우에는 상기 직경의 범위는 상기에서 제시한 범위를 벗어날 수도 있다.

이어서, 내부에 다결정 실리콘 원료(210)가 적재된 상태의 고체 원료 공급 장치(200)를 단결정 성장 장치(100)에 장착한다. 구체적으로, 하부 덮개(400)를 하방으로 하여 연결 수단(450)의 하부 덮개와 반대쪽 단부를 시드 커넥터(미도시)에 연결하고, 서서히 상부 챔버(140)와 게이트(170)를 관통해 하부 챔버(130) 안쪽으로 하강시킨다. 그러면, 상부 챔버(140)의 내벽에 돌출되어 형성된 게이트(170)에 본체(300)의 외주면에 형성된 스톱퍼(310)가 걸려, 본체(300)는 더 이상 하강하지 못하고 일정한 위치에 정지된다. 이때, 도가니(120)에는 다결정 실리콘 원료를 최초 충전한 다음 용융시켰거나 단결정 성장한 후 남아 있는 실리콘 결정 융액(110)이 담겨져 있다.

이어서, 연결 수단(450)을 더 하강시키면 본체(300)는 스톱퍼(310)에 의해 더 이상 하강하지 못하지만 하부 덮개(400)는 더 하강하여 본체의 하단 개구부가 열리게 된다. 그러면, 도 2에 도시된 바와 같이, 본체(300) 내에 적재된 다결정 실리콘 원료(210)가 본체(300)와 하부 덮개(400) 사이의 틈새를 통해 도가니(120) 안으로 낙하함으로써 고체 원료가 충전되게 된다.

이때, 하부 덮개(400)는 도가니(120) 안에 담겨 있는 결정 융액(110)에 직접 닿지 않고 소정의 이격 거리를 가지도록 하강 거리가 조절된다. 상기 소정의 이격 거리는 낙하하는 다결정 실리콘 원료(210)에 의해 결정 융액(110)이 비산하지 않으면서 또한 다결정 실리콘 원료(210)의 충전에 의해 높아지는 결정 융액(110)의 액면이 하부 덮개(400)와 닿지는 않을 정도의 거리로서, 고체 원료의 크기나 낙하시간, 도가니의 용적 등을 고려하여 적절하게 최적화될 수 있다. 또한, 필요에 따라 소정의 이격거리를 유지하기 위해 다결정 실리콘 원료(210)의 충전 중에 지속적으로 또는 단속적으로 본체(300) 및 하부 덮개(400)와 도가니(120)를 상대적으로 이동시켜 하부 덮개와 도가니 사이의 이격거리를 증가시킬 수도 있다. 여기서 상대적으로 이동시킨다 함은, 본체(300)와 하부 덮개(400)를 고정한 상태에서 도가니(120)를 도시하지 않은 구동 수단에 의해 하강시킬 수도 있고, 도가니(120)를 고정한 상태에서 본체(300)와 하부 덮개(400)를 상승시킬 수도 있다는 것을 의미한다. 마찬가지로, 본체(300)와 하부 덮개(400) 간의 이동도 상대적인 개념으로, 위에서는 본체(300)가 스톱퍼(310)에 의해 고정된 상태에서 하부 덮개(400)를 연결 수단(450)을 이용하여 하강시킴으로써 본체 하단 개구부를 여는 것으로 설명하였지만, 하부 덮개(400)의 위치를 고정시킨 상태에서 본체(300)를 상승시킴으로써 본체 하단 개구부를 열 수도 있다.

또한, 다결정 실리콘 원료(210)를 도가니(120)에 충전할 때 도가니(120)를 서서히 회전시킴으로써 낙하된 다결정 실리콘 원료(210)가 도가니 안에 균일하게 분산되어 충전되도록 하는 것이 바람직하다. 이때 도가니의 회전 속도는 다결정 실리콘 원료(210)의 입자 크기와 양, 본체(300)와 하부 덮개(400)의 직경, 도가니(120)의 용적, 다결정 실리콘 원료(210)의 수평 낙하거리 등을 고려하여 적절하게 최적화될 수 있다. 예로서, 도가니(120)는 다결정 실리콘 원료(210)의 충전 중에 0.1~3rpm의 속도로 회전시킬 수 있다. 도가니(120)의 회전속도가 0.1rpm 미만인 경우 다결정 실리콘 원료(210)의 총 낙하시간에 비해 회전속도가 너무 느려 다결정 실리콘 원료의 분산 효과가 적고, 3rpm을 넘는 경우 결정 융액(110)이 비산될 우려가 있어 바람직하지 못하다. 한편, 여기서는 도가니(120)를 회전시키는 것으로 설명하였으나, 도가니(120)를 고정시키고 본체(300)를 회전시킴으로써 동일한 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.

이와 같이 하여 본체(300) 내에 적재된 다결정 실리콘 원료(210)가 모두 도가니(120) 안에 충전되면 본체(300)를 포함하는 고체 원료 공급 장치(200)를 상부 챔버(140) 쪽으로 상승시켜 꺼내고, 단결정 성장을 위한 시드를 시드 커넥터(미도시)에 연결시켜 본격적인 단결정 실리콘 성장 공정을 진행한다.

이상과 같이, 본 실시예에 따르면, 상기 하부 덮개(400)가 결정 융액과 동일한 실리콘 성분으로 제작되어 있기 때문에, 실리콘 다결정 원료(210)가 하부 덮개(400)에 부딪혀서 하부 덮개의 일부가 깨지더라도 아무런 오염의 문제가 없게 된다.

또한, 실리콘으로 만들어진 하부 덮개(400)는, 전술한 미국특허 제6,908,509호의 기술과 달리, 결정 융액(210)에 직접 닿지 않기 때문에 반복적인 사용이 가능하다. 나아가, 본 실시예의 하부 덮개(400)는 석영으로 만들어진 종래의 경우에 비하여 물질의 탄성이 우수하기 때문에 하부 덮개(400)의 사용 수명이 길어지는 장점이 있다.

다음으로, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 상기 하부 덮개의 구조 및 형상에 대해 다양한 실시예들을 설명한다.

먼저, 도 3에 그 정면도가 도시된 하부 덮개(410)는 기본적으로 원추형으로 이루어지되, 그 원추면에는 나선형의 홈(412)이 형성되어 있다. 따라서, 고체 원료가 하부 덮개(410)의 원추면을 따라 낙하하면서 도가니(120) 안에 충전될 때, 나선형 홈(412)을 따라 낙하하는 고체 원료는 나선형의 궤적을 그리면서 낙하하게 되므로 전술한 실시예에서 도가니(120)를 회전시킨 것과 유사한 효과를 나타낸다. 결과적으로 도 3에 도시된 하부 덮개(410)를 이용하면 나선형 홈이 없는 하부 덮개를 사용한 경우에 비해 고체 원료가 더욱 분산되어 낙하함으로써 더욱 고르게 충전된다.

한편, 도 3에서 홈(412)은 하부 덮개(410)의 원추면을 따라 나선형으로 형성된 것으로 도시되고 설명되었지만, 홈을 반드시 나선형으로 할 필요는 없다. 예컨대 홈을 원추 정점을 중심으로 직선 방사상으로 형성하더라도, 전술한 나선형 낙하 궤적을 얻을 수는 없지만, 홈을 지나는 고체 원료와 홈이 형성되지 않은 원추면을 지나는 고체 원료의 수평 낙하거리가 다르게 되어, 홈이 없는 하부 덮개를 사용한 경우에 비해 수평적으로 분산도가 더 크게 된다.

다만, 나선형 홈(412)이든 직선 방사상 홈이든 홈을 하부 덮개(410)의 하단 모서리까지 형성하는 것은 피해야 한다. 이는, 만약 홈을 하부 덮개(410)의 하단 모서리까지 형성하면, 도 1과 같이 하부 덮개에 의해 본체(300)의 하단 개구부가 막힌 상태에서 하부 덮개와 본체 사이에 홈(412)에 의한 틈새가 발생하여 이 틈새를 통해 고체 원료가 새어나올 수가 있기 때문이다. 따라서, 홈은 적어도 하부 덮개가 본체(300)와 접촉하는 지점보다 안쪽까지만 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 홈의 폭과 깊이, 단면 형상, 개수 등은 특별히 한정되지 않으며, 고체 원료의 입자 크기, 하부 덮개의 직경 등을 고려하여 적절히 최적화하면 된다. 또한, 하부 덮개(410)의 재질은, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 실시예의 효과를 고려한다면 충전할 고체 원료와 동일한 것이 바람직하겠지만, 종래와 같이 석영 유리나 고융점 금속 또는 그 합금으로 이루어지더라도 괜찮다.

도 4에 그 정면도가 도시된 하부 덮개(420)는 기본적으로 원추형에 가깝지만 더 구체적으로 보면, 하부 덮개(420)의 정점에서부터 하방으로 갈수록 하부 덮개의 하면에 대한 경사각이 점점 커지는 종형의 형상을 가진다. 도 4의 하부 덮개(420)는 종래기술란에서 설명한 하부 덮개의 깨짐 현상을 방지하는 데에 효과적이다. 즉, 단순 원추형 하부 덮개에서 낙하하는 고체 원료의 충격에 가장 약한 부위는 하부 덮개의 하단 모서리이다. 그런데, 본 실시예의 하부 덮개(420)는 하방으로 갈수록 하면에 대한 경사각이 점점 커지므로 하단 모서리에서는 낙하하는 고체 원료가 거의 비스듬하게 비껴가게 되어 그 충격량이 훨씬 저감된다. 따라서, 종래의 단순 원추형 하부 덮개에 비해, 깨져서 오염원이 되고 하부 덮개의 수명이 단축되는 등의 문제가 거의 없게 된다.

이와 같이, 도 4의 하부 덮개(420)는 깨지는 문제가 해소되기 때문에 석영 유리나 고융점 금속 또는 그 합금으로 제작해도 되고, 충전될 고체 원료와 동일한 재질로 제작해도 된다

도 5에 그 정면도가 도시된 하부 덮개(430)는 도 4의 하부 덮개(420)와 기본적으로 그 형상 및 효과가 유사하다. 그렇지만 더 구체적으로 보면, 도 5에 도시된 하부 덮개(430)는 그 정점에서부터 하방으로 갈수록 하부 덮개의 하면에 대한 경사각이 점점 작아지다가 다시 점점 커지는 잉곳 숄더(ingot shoulder) 형상을 가진다. 이는 주로 제작의 용이성을 위한 것으로, 전술한 실시예의 하부 덮개들은 주조 등 별도의 가공을 필요로 하지만, 도 5의 하부 덮개(430)는 통상 버려지는 부분인 잉곳 숄더 부분을 하부 덮개로 그대로 사용할 수 있어, 제작을 위한 별도의 장비나 비용을 필요로 하지 않으면서도 충전될 고체 원료와 동일한 재질의 하부 덮개를 용이하게 마련할 수 있을 뿐만 아니라, 반도체 재료의 재활용이란 측면에서도 바람직하다.

도 6의 (a)는 하부 덮개(440)의 상면에서 본 평면도이고, 도 6의 (b)는 (a)에서 b-b선을 따라 본 단면도이다. 도 6에 도시된 하부 덮개(440)는 기본적으로 원추형이되, 원추 정점(441)을 기준으로 원추면 상에 볼록부(443)와 오목부(445)가 원주방향을 따라 교대로 형성되어 있다. 도 6의 하부 덮개(440)는 주로 분산 충전 을 위한 것으로서, 볼록부(443)를 지나는 고체 원료와 오목부(445)를 지나는 고체 원료의 수평 낙하거리가 다르게 되어, 단순 원추형의 하부 덮개를 사용한 경우에 비해 수평적으로 분산도가 더 크게 된다.

한편, 도 6에서 볼록부(443)와 오목부(445)는 교대로 두 쌍이 형성된 것으로 도시되었지만, 볼록부와 오목부의 수나 배치는 도시된 예에 한정되지 않는다. 또한, 단순 원추형의 원추면에 볼록부만이 형성되거나 오목부만이 형성되더라도 볼록부 또는 오목부를 지나는 고체 원료와 원추면을 지나는 고체 원료 간의 수평 낙하거리차에 의해 수평 분산도를 높일 수 있다. 나아가, 볼록부나 오목부를 불규칙하게 형성하더라도 도가니와 하부 덮개를 상대적으로 회전시킴으로써 분산도를 높일 수 있다.

도 6에 도시된 하부 덮개(440)도 전술한 바와 같은 다양한 재질로 제작할 수 있다. 다만, 특히 오목부(445)의 하단 모서리가 충격에 상대적으로 취약하다는 점을 고려한다면 충전할 고체 원료와 동일한 재질로 제작하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 원추형 하부 덮개의 재질을 단결정 성장시키고자 하는 반도체와 동일한 재질로 하고, 또한 하부 덮개를 도가니에 담긴 융액에 담그지 않고 소정의 이격거리를 유지한 상태에서 고체 원료를 충전함으로써, 하부 덮개를 반복 사용할 수 있고, 설령 하부 덮개가 고체 원료의 낙하에 의한 충격으로 깨지더라도 융액을 오염시키는 일이 없다.

또한, 본 발명에 의하면, 하부 덮개의 형상을 기본적으로 원추형으로 하되 그 구체적인 형상과 구조를 다양하게 변경함으로써, 하부 덮개가 깨지는 것을 방지하고, 고체 원료가 도가니 안에 균일하게 분산되어 충전되도록 할 수 있다.

Claims (17)

1. 반도체 단결정 성장 장치의 도가니에 상기 반도체 단결정의 원료가 되는 고체 원료를 공급하기 위한 장치로서,

   상기 도가니의 상방에서 상기 성장 장치에 탈착 가능하고 내부에 상기 고체 원료가 적재되는 원통형의 본체;

   상기 고체 원료의 낙하를 막도록 상기 본체의 하단에 탈착 가능하게 설치되고, 그 기본적인 형태가 상기 고체 원료와 대면하는 쪽에 원추의 정점이 위치하는 원추형인 하부 덮개; 및

   상기 하부 덮개를 상기 본체에 대해 상대적으로 상하 이동 가능하도록 상기 하부 덮개의 원추 정점 부근에 연결되어 상기 본체의 중앙을 관통하는 연결 수단;을 구비하고,

   상기 하부 덮개의 상기 고체 원료와 대면하는 원추면의 표면에, 상기 하부 덮개의 원추 정점에서부터 하방으로 복수의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 홈은, 상기 하부 덮개의 상부에서 보았을 때 나선형 곡선을 이루는 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
3. 반도체 단결정 성장 장치의 도가니에 상기 반도체 단결정의 원료가 되는 고체 원료를 공급하기 위한 장치로서,

   상기 도가니의 상방에서 상기 성장 장치에 탈착 가능하고 내부에 상기 고체 원료가 적재되는 원통형의 본체;

   상기 고체 원료의 낙하를 막도록 상기 본체의 하단에 탈착 가능하게 설치되고, 그 기본적인 형태가 상기 고체 원료와 대면하는 쪽에 원추의 정점이 위치하는 원추형인 하부 덮개; 및

   상기 하부 덮개를 상기 본체에 대해 상대적으로 상하 이동 가능하도록 상기 하부 덮개의 원추 정점 부근에 연결되어 상기 본체의 중앙을 관통하는 연결 수단;을 구비하고,

   상기 하부 덮개의 종단면 형상이, 상기 하부 덮개의 원추 정점에서부터 하방으로 갈수록 상기 하부 덮개의 하면에 대한 경사각이 점점 커지는 종형인 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
4. 반도체 단결정 성장 장치의 도가니에 상기 반도체 단결정의 원료가 되는 고체 원료를 공급하기 위한 장치로서,

   상기 도가니의 상방에서 상기 성장 장치에 탈착 가능하고 내부에 상기 고체 원료가 적재되는 원통형의 본체;

   상기 고체 원료의 낙하를 막도록 상기 본체의 하단에 탈착 가능하게 설치되고, 그 기본적인 형태가 상기 고체 원료와 대면하는 쪽에 원추의 정점이 위치하는 원추형인 하부 덮개; 및

   상기 하부 덮개를 상기 본체에 대해 상대적으로 상하 이동 가능하도록 상기 하부 덮개의 원추 정점 부근에 연결되어 상기 본체의 중앙을 관통하는 연결 수단;을 구비하고,

   상기 하부 덮개의 종단면 형상이, 상기 하부 덮개의 원추 정점에서부터 하방으로 갈수록 상기 하부 덮개의 하면에 대한 경사각이 점점 작아지다가 다시 점점 커지는 잉곳 숄더(ingot shoulder) 형상인 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
5. 반도체 단결정 성장 장치의 도가니에 상기 반도체 단결정의 원료가 되는 고체 원료를 공급하기 위한 장치로서,

   상기 도가니의 상방에서 상기 성장 장치에 탈착 가능하고 내부에 상기 고체 원료가 적재되는 원통형의 본체;

   상기 고체 원료의 낙하를 막도록 상기 본체의 하단에 탈착 가능하게 설치되고, 그 기본적인 형태가 상기 고체 원료와 대면하는 쪽에 원추의 정점이 위치하는 원추형인 하부 덮개; 및

   상기 하부 덮개를 상기 본체에 대해 상대적으로 상하 이동 가능하도록 상기 하부 덮개의 원추 정점 부근에 연결되어 상기 본체의 중앙을 관통하는 연결 수단;을 구비하고,

   상기 하부 덮개의 상기 고체 원료와 대면하는 원추면의 표면에는, 적어도 하 나의 오목부 또는 볼록부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 하부 덮개의 원추면의 표면에는 적어도 한 쌍의 상기 오목부 및 볼록부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 하부 덮개의 원추면의 표면에는 복수 쌍의 상기 오목부 및 볼록부가 상기 원추면의 원주방향을 따라 교대로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 하부 덮개는 상기 반도체와 동일한 재질의 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 반도체는 실리콘 또는 게르마늄인 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 본체 및 상기 하부 덮개는 석영 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 연결 수단은 몰리브덴 및 텅스텐을 포함하는 고융점 금속 또는 그 합금으로 이루어진 지지 와이어 또는 지지봉인 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 장치.
12. 반도체 단결정 성장을 위한 결정 융액이 담겨 있는 도가니에 상기 반도체 단결정의 원료가 되는 고체 원료를 공급하기 위한 방법으로서,

    원통형 공급 장치 본체의 일단 개구부를 그 기본적인 형태가 원추형인 덮개로 상기 본체의 안쪽에 원추의 정점이 위치하도록 막은 상태에서, 상기 본체의 내부에 고체 원료를 적재하는 단계;

    상기 도가니의 상방에 상기 원통형의 공급 장치 본체를 상기 덮개가 상기 도가니 안의 결정 융액과 대향하도록 장착하는 단계;

    상기 도가니 안의 결정 융액과 상기 덮개가 이격된 상태에서 상기 덮개와 본체를 상대적으로 이동시킴으로써 상기 본체의 일단 개구부를 열어 상기 고체 원료를 상기 도가니 안으로 충전하는 단계;를 포함하고,

    상기 덮개는 상기 반도체와 동일한 재질의 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 덮개의 상기 고체 원료와 대면하는 원추면의 표면에는 상기 하부 덮개의 원추 정점에서부터 하방으로 나선형을 이루는 복수의 홈이 형성되어 있어,

    상기 고체 원료를 상기 도가니 안으로 충전하는 단계에서, 상기 고체 원료가 나선형의 궤적을 그리며 상기 도가니 안으로 충전되는 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 방법.
14. 제12항에 있어서,

    상기 덮개의 상기 고체 원료와 대면하는 원추면의 표면에는, 적어도 하나의 오목부 또는 볼록부가 형성되어 있어,

    상기 고체 원료를 상기 도가니 안으로 충전하는 단계에서, 상기 고체 원료가 상기 도가니 안으로 낙하할 때의 수평 거리가 상기 오목부 또는 볼록부 부분에서 상기 오목부 또는 볼록부가 아닌 부분과 다르게 되는 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 방법.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 고체 원료는 직경이 3~30mm인 입자 또는 칩 형태의 다결정 반도체인 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 방법.
16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 반도체는 실리콘 또는 게르마늄인 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 방법.
17. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 고체 원료를 상기 도가니 안으로 충전하는 단계에서, 상기 도가니와 상기 공급 장치 본체를 0.1~3rpm의 속도로 상대적으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 고체 원료 공급 방법.

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