KR100835292B1 - 실리콘 단결정 제조용 도가니 및 이를 포함하는 실리콘단결정 제조장치 - Google Patents

실리콘 단결정 제조용 도가니 및 이를 포함하는 실리콘단결정 제조장치 Download PDF

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Abstract

실리콘 융액에 의한 식각을 방지하면서도, 실리콘 단결정의 품질을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 제조용 도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치가 개시된다. 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조용 도가니는 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 제조하기 위하여 실리콘 융액을 담는 용기로서, 상기 실리콘 융액이 담기는 수용공간을 형성하는 몸체부 및 상기 수용공간 내에 상기 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 하나 이상의 표면 높이에 대응하여, 상기 몸체부의 내면에 상기 실리콘 융액의 결정화제로 코팅된 코팅부를 포함하여 구성된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 코팅에 의해 실리콘 융액에 의한 식각 현상을 방지함과 동시에, 코팅으로 야기되는 실리콘 단결정의 품질 저하를 최소화할 수 있다.
도가니, 실리콘, 융액, 단결정, 결정화제, 코팅

Description

실리콘 단결정 제조용 도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치{Crucible for manufacturing Silicon Single Crystal and Manufacturing Apparatus of Silicon Single Crystal Comprising the Same}
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조장치를 나타내는 구성도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니를 나타내는 단면도;
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 도가니를 나타내는 단면도;
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 도가니를 나타내는 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >
10: 챔버 25: 도가니 지지대
30: 회전축 40: 히터
45: 단열부재 50: 열실드
60: 열차폐부 65: 홀
100: 도가니 110: 몸체부
130: 코팅부 IG: 실리콘 단결정 잉곳
SM: 실리콘 융액
본 발명은 실리콘 단결정 제조용 도기니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조를 개선하여 실리콘 융액에 의한 식각을 방지하면서도, 실리콘 단결정의 품질을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 제조용 도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에서는 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 실리콘 융액의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.
실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때에는 석영 도가니를 지지하는 축을 회전시키면서 석영 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳은 석영 도가니의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 석영 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올린다.
또한, 원활한 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위해, 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 잉곳 성장 장치의 상부로 유입하였다가 잉곳 성장 장치의 하부로 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.
한편, 석영 도가니를 사용하여 실리콘 단결정을 제조하는 경우, 석영 도가니 몸체의 내면은 실리콘 융액과 반응하여 표면이 거칠어진다. 그리고, 이와 같은 표면 결함은 실리콘 용융과 추가적으로 반응하여 일부 불순물이 실리콘 단결정 내부로 혼입되어 단결정 품질에 악 영향을 미칠 수 있다.
이와 같은 현상을 방지하기 위하여, 석영 도가니 제조 중 석영 도가니 몸체의 내면을 알루미늄(Al)이나 바륨(Ba) 등의 결정화제로 코팅하여, 제조 당시 또는 실리콘 단결정 생산 초기에 내벽에 균일한 결정상을 만들어 위와 같은 부분화적인 실투화를 방지하게 된다. 이와 같은 방법으로 재조된 석영도가니의 내벽은 장시간의 실리콘 용융과의 노출에도 매끈함을 유지할 수 있으며 단결정 제조에도 유리하다.
하지만, 이와 같이 내면에 결정화제를 코팅한 석영 도가니는 결정화제가 실리콘 융액에 접하면서 실리콘 융액에 유입됨에 따라, 실리콘 내에서 불순물로 작용하여 단결정의 품질에 악영향을 주는 문제점이 있었다.
한 예로, 종래 석영 도가니를 사용하여 실리콘 단결정을 성장시키고 품질 평가용 웨이퍼로 OiSF(Oxidation induced Stacking Fault) 항목을 측정하면 뚜렷한 OiSF 형태가 관찰된다. 하지만 위와 같이 결정화제, 한 예로 바륨이 코팅되어있는 석영 도가니를 사용하면 OiSF 형태가 흐릿하여 품질 평가에 어려움을 겪게 된다.
이 밖에도, 바륨 코팅으로 인한 멜트 진동(melt vibration) 등으로 실리콘단결정 성장에 어려운 점이 존재한다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구조를 개선하여 도가니 내면의 식각 방지를 사용되는 결정화제에 의해 실리콘 단결정의 품질이 저하되는 것을 방지하는 실리콘 단결정 제조용 도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 실리콘 융액에 의해 실리콘 내면이 식각되어 이에 따른 단결정의 품질 저하가 생기는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 제조하기 위하여 실리콘 융액을 담는 실리콘 단결정 제조용 도가니에 있어서, 상기 실리콘 융액이 담기는 수용공간을 형성하는 몸체부 및 상기 수용공간 내에 상기 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 하나 이상의 표면 높이에 대응하여, 상기 몸체부의 내면에 상기 실리콘 융액의 결정화제로 코팅된 코팅부를 포함하여 구성되는 실리콘 단결정 제조용 도가니를 제공한다.
그리고, 상기 코팅부는 상기 몸체부의 내면에서 상기 실리콘 융액이 형성하는 표면 높이가 변화될 수 있는 범위를 커버하도록 일정 길이만큼 코팅된 것이 바람직하다.
이와 함께, 상기 몸체부는 석영을 포함하는 재질로 구성될 수 있다.
상기 코팅부는 초기에 상기 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 표면 높이에 대응하여 코팅된 제1코팅파트 및 초기에 상기 실리콘 융액에 의해 단결정이 성장한 후 남은 잔여 실리콘 융액이 형성하는 표면 높이에 대응하여 코팅된 제2코팅파트를 포함할 수 있다.
한편, 상기 결정화제는 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 티타늄(Ti) 및 스트론튬(Sr) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단 결정을 제조하는 장치에 있어서, 챔버, 상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담는 도가니 및 상기 도가니를 가열하는 히터를 포함하며, 상기 도가니는 상기 실리콘 융액이 담기는 수용공간을 형성하는 몸체부 및 상기 수용공간 내에 상기 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 하나 이상의 표면 높이에 대응하여 상기 몸체부의 내면에 상기 실리콘 융액의 결정화제로 코팅된 코팅부를 가진다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여, 실리콘 단결정 제조장치의 전체적인 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 과정을 도시한 구성도로서, 본 실시예에 따른 실리콘 단결정 제조장치는 챔버(10)를 포함하며, 챔버(10)의 내부에 서 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 이루어진다.
상기 챔버(10) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담는 도가니(100)가 설치되며, 이 도가니(100)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(25)가 도가니(100)를 에워싸도록 설치된다.
도가니 지지대(25)는 회전축(30) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(30)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(100)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(25)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(40)에 에워싸여지며, 이 히터(40)는 단열부재(45)에 의해 에워싸여진다.
즉, 히터(40)는 도가니(25)의 측방에 설치되어 도가니(100) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들며, 단열부재(45)은 히터(40)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열효율을 향상시킨다.
상기 챔버(10)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 도가니(100) 내의 실리콘 융액(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 종결정이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(100)의 회전축(30)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(100)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올리도록 한다.
상기 챔버(10)의 상부로는, 성장되는 단결정 잉곳(IG)과 실리콘 융액(SM)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(10)의 하부를 통해 배출시킨다.
실리콘 단결정 잉곳(IG)과 도가니(100) 사이에는 잉곳(IG)을 에워싸도록 열실드(50)를 설치하여 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단할 수 있으며, 열실드(50)에서 잉곳(IG)과의 최인접부에는 원통형의 열차폐부(60)를 부착 설치하여 열 흐름을 더욱 차단하여 열을 보존할 수도 있다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 도가니의 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 도가니(100)는 상술한 실리콘 단결정 제조장치를 구성하며 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 제조하기 위하여 실리콘 융액(SM)을 담는 역할을 수행한다.
본 실시예에 따른 도가니(100)는 크게 몸체부(110)와 코팅부(130)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 몸체부(110)는 실리콘 융액(SM)이 담기는 수용공간을 형성하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 곡선 형태의 바닥부와 직선 형태의 측면부로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 몸체부(110)는 석영 재질로 이루어진 석영 도가니(100)인 것이 일반적이다.
상기 코팅부(130)는 몸체부(110)의 내면에 실리콘 융액(SM)의 결정화제를 코팅하여 형성된다. 여기서, 상기 결정화제는 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 티타늄(Ti) 및 스트론튬(Sr) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질인 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명에 따른 코팅부(130)는 도가니(100)의 몸체부(110) 내면 전체에 걸쳐 구성되는 대신, 수용공간 내에서 실리콘 융액(SM)이 담겨서 형성하는 표면 높이에 대응하여 구성된다.
본 실시예는 특히 multi-pull 공정으로 최적화되어 구성되어 있다.
코팅부(130)의 구체적인 형성 위치에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 초기에 실리콘 융액(SM)을 몸체부(110) 내부의 수용공간에 담게 되면, 실리콘 융액(SM)이 형성하는 표면 위치는 (A) 위치로 형성된다. 즉, (A) 위치는 모든 폴리 실리콘(poly-silicon)이 융화되어 수용공간 내에 담겨있을 때의 실리콘 융액(SM)의 표면위치이다.
다음으로, 도 1을 통해 상술한 바와 같이 최초 실리콘 단결정이 성장한 후에는 실리콘 융액(SM)이 감소하게 되어, 남은 잔여 실리콘 융액(SM)의 표면 위치는 (B) 위치로 변하게 된다.
이와 같이, 첫 단결정이 성장된 후 실리콘 융액(SM)이 감소하게 되면, 남겨진 잔류 실리콘 융액(SM)에 폴리 실리콘을 추가로 투입하여 융화시킨 후 추가적으로 단결정 성장을 실행한다.
이 때, 실리콘 융액(SM)은 일차적으로 성장한 단결정의 냉각을 위하여, 잔류 실리콘 융액(SM)의 표면 위치인 (B)의 위치에서 장시간 정체하게 된다.
한편, (B) 위치에 정체되어 있는 실리콘 융액(SM)의 표면은 몸체부(110)의 내면을 식각시키게 되며, 특히 고체, 액체 및 기체가 만나는 3중점을 이루고 있는 지점(P1)에서는 몸체부(110)의 내면을 집중적으로 식각하여 몸체부(110) 내면에 존재하는 기포, 불순물 등이 실리콘 융액(SM) 내부로 유입될 수 있다.
본 발명은 이와 같이 3중점을 이루는 지점(P1)에서 집중적인 식각 현상이 일어난다는 점에 착안하여, 실리콘 융액(SM)이 담긴 형성하는 표면 높이에 대응하는 부분(H2)에 결정화제를 코팅하여 코팅부(130)를 구성하고, 나머지 부분(H1)은 코팅부(130)가 형성되지 않도록 한다.
즉, 상기 코팅부(130)를 실리콘 융액(SM)의 표면이 몸체부(110)와 만나는 지점 부위에 형성하여, 실리콘 융액(SM)에 의한 집중 식각 현상을 방지할 수 있게 된다.
물론, 단순히 식각 방지의 효과는 몸체부(110) 내면에 전체적으로 결정화제를 코팅하여서도 실현할 수 있지만, 종래 기술부분에서 상술한 바와 같이 코팅부(130)를 구성하는 결정화제는 실리콘 단결정의 품질 저하를 야기시키게 된다. 따라서, 본 발명은 코팅부(130)의 면적을 최소화하여 실리콘 융액(SM)과 결정화제와의 접촉 면적을 최소화하면서도, 실리콘 융액(SM)에 의한 몸체부(110) 내면의 집중적인 식각을 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
이와 함께, 몸체부(110) 내면의 물성치 변화, 특히 점성(viscosity) 의 변화를 최소화시켜 실리콘 융액(SM)의 대류 패턴이 변화하는 것을 최소화한다. 여기서, 실리콘 융액(SM)의 대류 패턴 변화는 단결정의 점결함 분포 등에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 코팅이 되지 않은 도가니(100)와 대비하여 변형을 최소화하는 것이 단결정 생산에 유리하다
또한, 결정화제 코팅의 실리콘 융액(SM)과의 접촉 면적을 최소화하여 실리콘 융액(SM)과 결정화제간의 반응과, 실리콘 융액(SM) 내로 결정화제가 유입되는 것을 최소화한다. 실리콘 융액(SM) 내로 유입되는 코팅 성분은 단결정 성장시 불순물로 작용하여 단결정 품질에 영향을 준다.
한편, 결정화제 성분이 단결정에 주는 영향은 단결정의 시편에서 OiSF 표시 능력이 저하되는 것으로 확인할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 도가니의 구성을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 도가니의 구성을 설명한 다.
본 실시예에 따른 도가니(200)는, 잔여 실리콘 융액(SM)이 생기는 multi-pull 공정이 아니라 초기의 실리콘 융액(SM)이 모두 결정화되는 형태의 공정에 적합하도록 구성된다.
상기 도가니(200)는 상술한 제1실시예와 같이, 몸체부(210)와 이의 내면에 코팅 형성되는 코팅부(230)를 포함하여 구성된다.
다만, 본 실시예에서는, 잔여 실리콘 융액(SM)이 생기지 않으므로, 초기 실리콘 융액(SM)의 표면위치인 (A) 위치에 대응하여, 실리콘 융액(SM)의 표면이 형성하는 3중점 지점인 (P2)의 부근에 일정 길이(H3)만큼 코팅부(230)를 형성한다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 도가니의 구성을 설명한다.
본 실시예는 multi-pull 공정에 적합하도록 구성된 도가니(300)에 대한 구성으로서, 상술한 실시예들과 같이 기본적으로 몸체부(310)와 이의 내면에 형성되는 코팅부(330)를 포함하여 구성된다.
다만, 본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 초기에 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 표면 높이인 (A) 위치에 대응하여 일정 길이(H4)만큼 형성된 제1코팅파트(332)와, 잔여 실리콘 융액이 형성하는 표면 높이인 (B)위치에 대응하여 일정 길이(H6)만큼 형성된 제2코팅파트(334)를 포함하여 구성된다.
그리고, 실리콘 융액이 일정 시간 이상 동안 고정되는 표면 높이가 아닌 부분(H5)에서는 코팅부(330)가 구성되지 않도록 한다.
본 실시예는 이와 같이, 실리콘 융액이 일정 시간 동안 정체될 수 있는 표면위치인 (A)와 (B) 지점에 각각 코팅부(330)를 구성함으로써, 상대적으로 장시간 정체될 수 있는 표면 위치에 대응한 3중점 발생지점(P4)뿐만 아니라, 초기의 실리콘 융액 표면 위치에 대응한 3중점 발생지점(P3)에서의 집중 식각 현상도 방지할 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조용 도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치는 다음과 같은 이점이 있다.
첫째, 본 발명은 실리콘 융액의 표면 높이에 대응하는 지점에만 부분적으로 코팅부를 구비함으로써, 코팅부를 구성하는 결정화제에 다른 실리콘 단결정의 품질 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.
특히, 코팅부의 면적을 최소화하여 실리콘 융액과 결정화제와의 접촉 면적을 최소화함으로써, 결정화제의 사용에 따른 실리콘 단결정의 품질 저하를 방지할 수 있게 된다.
둘째, 도가니의 내면이 집중적으로 식각되는 지점에 코팅부를 구비함으로써, 실리콘 융액의 표면이 도가니와 만나는 지점에서의 집중적인 식각 현상으로 효율적으로 방지할 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 초기의 실리콘 융액 또는 잔여 실리콘 융액의 표면이 형성하는 3중점 지점에 코팅부를 구비함으로써, 실리콘 융액에 의해 도가니의 내면이 집중적으로 식각되는 것을 방지하여, 식각에 따른 단결정의 품질 저하를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 제조하기 위하여 실리콘 융액을 담는 실리콘 단결정 제조용 도가니에 있어서,
    상기 실리콘 융액이 담기는 수용공간을 형성하는 몸체부; 및
    상기 수용공간 내에 상기 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 하나 이상의 표면 높이에 대응하여, 상기 몸체부의 내면에 상기 실리콘 융액의 결정화제로 코팅된 코팅부;
    를 포함하여 구성되고, 상기 코팅부는,
    초기에 상기 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 표면 높이에 대응하여 코팅된 제1코팅파트; 및
    초기에 상기 실리콘 융액에 의해 단결정이 성장한 후 남은 잔여 실리콘 융액이 형성하는 표면 높이에 대응하여 코팅된 제2코팅파트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조용 도가니.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅부는 상기 몸체부의 내면에서 상기 실리콘 융액이 형성하는 표면 높이가 변화될 수 있는 범위를 커버하도록 일정 길이만큼 코팅된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조용 도가니.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부는 석영을 포함하는 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조용 도가니.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결정화제는,
    알루미늄(Al), 바륨(Ba), 티타늄(Ti) 및 스트론튬(Sr) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조용 도가니.
  6. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 장치에 있어서,
    챔버;
    상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담는 도가니; 및
    상기 도가니를 가열하는 히터를 포함하며;
    상기 도가니는 상기 실리콘 융액이 담기는 수용공간을 형성하는 몸체부 및 상기 수용공간 내에 상기 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 하나 이상의 표면 높이에 대응하여 상기 몸체부의 내면에 상기 실리콘 융액의 결정화제로 코팅된 코팅부를 가지고, 상기 코팅부는,
    초기에 상기 실리콘 융액이 담겨서 형성하는 표면 높이에 대응하여 코팅된 제1코팅파트; 및
    초기에 상기 실리콘 융액에 의해 단결정이 성장한 후 남은 잔여 실리콘 융액이 형성하는 표면 높이에 대응하여 코팅된 제2코팅파트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 코팅부는 상기 몸체부의 내면에서 상기 실리콘 융액이 형성하는 표면 높이가 변화될 수 있는 범위를 커버하도록 일정 길이만큼 코팅된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조장치.
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